Weird Science

Miniaturowy odbiornik radiowy bez układów scalonych

English ver­sion is here

Moje zain­te­re­so­wa­nie elek­tro­niką roz­wi­jało się od wcze­snych lat dzie­cińs­twa, a jed­nym z pierw­szych zagad­nień, które przy­ciągnęły moją uwagę, była tech­nika radiowa. Natu­ral­nym kro­kiem w pogłębia­niu tej pasji było skon­stru­o­wa­nie wła­snego odbior­nika radio­wego. Począt­kowo eks­pe­ry­men­to­wa­łem z pod­sta­wo­wymi ukła­dami detek­to­ro­wymi, które nie zawie­rały nic więcej niż tylko diodę, obwód rezo­nan­sowy, antenę, uzie­mie­nie i słu­chawkę wyso­ko­o­mową. Uwa­żam, że prace nad tego typu roz­wiąza­niami - mimo ogra­ni­czo­nej czu­ło­ści oraz nie­wiel­kiej selek­tyw­no­ści odbioru - miały dużą war­tość, ponie­waż zafa­scy­no­wały mnie i zachęciły do dal­szego zgłębia­nia elek­tro­niki.

Współcze­sna tech­no­lo­gia radiowa osiągnęła poziom, który umożl­i­wia kon­struk­cję minia­tu­ro­wych odbior­ni­ków FM o wyso­kiej jako­ści sygnału i dodat­ko­wych funk­cjo­nal­no­ściach, takich jak deko­do­wa­nie infor­ma­cji RDS (eng. Radio Data Sys­tem). Odbior­niki takie bywają naprawdę minia­tu­rowe - Fot.1 uka­zuje układ sca­lo­nego odbior­nika radio­wego RDA­5807 o wymia­rach zale­d­wie 11x11x2 mm.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – RDA­5807

Odbior­niki takie, dzięki zasto­so­wa­niu nowo­cze­snych tech­no­lo­gii cyfro­wych, cha­rak­te­ry­zują się wysoką selek­tyw­no­ścią, sta­bil­no­ścią odbioru oraz możl­i­wo­ścią auto­ma­tycz­nego stro­je­nia i cyfro­wego prze­twa­rza­nia sygnału. Mimo tego, budowa wła­snego odbior­nika radio­wego pozo­staje istot­nym doświad­cze­niem dla osób zgłębia­jących zagad­nie­nia związane z tech­niką radiową i elek­tro­niką.

Bez ukła­dów sca­lo­nych?

Cho­ciaż współcze­sne odbior­niki radiowe wyko­rzy­stują zaa­wan­so­wane roz­wiąza­nia cyfrowe, to pod­sta­wowe zasady odbioru sygna­łów radio­wych pozo­stają nie­zmienne i budowa pro­stego odbior­nika pozwala lepiej zro­zu­mieć fun­da­men­talne zja­wi­ska w tej dzie­dzi­nie. Dla­tego uwa­żam, że warto zbu­do­wać samo­dziel­nie pro­sty odbior­nik radiowy, nawet jeśli jego możl­i­wo­ści będą mniej­sze niż ma to miej­sce w przy­padku nowo­cze­snych kon­struk­cji.

Główne zało­że­nia tech­niczne pro­po­no­wa­nej przeze mnie kon­struk­cji obej­mują:

Klu­czo­wym aspek­tem prac było zasto­so­wa­nie układu reflek­so­wego, w którym ten sam układ tran­zy­sto­rowy pełni podwójną funk­cję: wzmac­nia zarówno sygnał wyso­kiej często­tli­wo­ści (w.cz.), jak i niskiej często­tli­wo­ści (m.cz.). Pozwo­liło to na opty­ma­li­za­cję układu poprzez ogra­ni­cze­nie liczby nie­zbęd­nych kom­po­nen­tów (Rys.1), co sprzy­jało minia­tu­ry­za­cji kon­struk­cji oraz uprosz­cze­niu prac mecha­nicz­nych.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat odbior­nika

Aby zbu­do­wać opi­sy­wany odbior­nik radiowy, trzeba zgro­ma­dzić ele­menty z poniższej listy:

Jak widać, w ukła­dzie zasto­so­wane zostały tran­zy­story bipo­larne NPN typu BC546. Są to co prawda tran­zy­story prze­zna­czone raczej do pracy przy niższych często­tli­wo­ściach, ale ich wyko­rzy­sta­nie daje dobre rezul­taty. Rezy­stor sprzęże­nia zwrot­nego R3 należy dobrać eks­pe­ry­men­tal­nie w poda­nych gra­ni­cach, tak by odbiór był jak naj­wy­raźn­iej­szy, przy jak naj­niższych pozio­mie szu­mów.

Bar­dzo ważnym ele­men­tem odbior­nika jest detek­tor, ponie­waż to on wydziela sygnał niskiej często­tli­wo­ści (aku­styczny) z sygnału radio­wego wyso­kiej często­tli­wo­ści. W tej roli wyko­rzy­stano tutaj diodę ger­ma­nową AAO­152, cha­rak­te­ry­zu­jącą się niższym napięciem prze­wo­dze­nia - a więc i zdol­no­ścią do detek­cji słab­szych sygna­łów - niż pow­szech­nie dziś wyko­rzy­sty­wane w elek­tro­nice diody krze­mowe.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Dioda ger­ma­nowa AAO­152

Ele­men­tem odbior­nika decy­du­jącym o odbie­ra­nej przez niego często­tli­wo­ści jest obwód rezo­nan­sowy, skła­da­jący się w tym przy­padku z cewki L1 oraz kon­den­sa­tora Cr. W Pol­sce z modu­la­cją AM jest nada­wany sygnał I Pro­gramu Pol­skiego Radia na często­tli­wo­ści 225kHz z Radio­wego Cen­trum Nadaw­czego w Solcu Kujaw­skim. Wie­dząc, że często­tli­wość f rów­no­le­głego obwodu rezo­nan­so­wego wyraża się wzo­rem

f = 1 / (2π√(L * C))

przy zało­żo­nej war­to­ści pojem­no­ści C możemy łatwo wyzna­czyć potrzebną war­tość induk­cyj­no­ści L i odw­rot­nie. Przy­kła­dowo, dla f=225kHz i Cr=100pF, otrzy­mamy L1=5mH. Zna­jąc war­tość AL posia­da­nego rdze­nia fer­ry­to­wego można wyzna­czyć potrzebną ilość zwo­jów. Jeśli jed­nak nie znamy tej war­to­ści, to można sko­rzy­stać z mier­nika induk­cyj­no­ści wcho­dzącego w skład przy­rządu uni­wer­sal­nego. Zamiast Cr o sta­łej war­to­ści możemy też zasto­so­wać kon­den­sa­tor zmienny, co pozwoli na dokład­niej­sze stro­je­nie odbior­nika lub poszu­ki­wa­nie także innych sta­cji, głów­nie zagra­nicz­nych. W moim przy­padku cewka L1 posiada 120 zwo­jów dru­tem ema­lio­wa­nych o śred­nicy 0,12mm.

Jeśli cho­dzi o cewkę L2 sprzęga­jącą obwód rezo­nan­sowy z detek­to­rem, to jej para­me­try nie są kry­tyczne - u mnie jest to 20 zwo­jów drutu ema­lio­wa­nego o śred­nicy 0,2mm.

Obie cewki powinny zostać nawi­nięte jed­no­war­stwowo, zwój przy zwoju w tym samym kie­runku. Jako izo­la­cję między uzwo­je­niami i rdze­niem można wyko­rzy­stać papier lub taśmę izo­la­cyjną. Cewki nawi­nięto na minia­tu­ro­wym rdze­niu fer­ry­to­wym o dłu­go­ści nieco ponad 4cm i śred­nicy 0,6cm (Fot.3). Jeśli nie zależy nam na minia­tu­ry­za­cji, to oczy­wi­ście mozna zasto­so­wać więk­szy rdzeń, co zapewni lep­sze warunki odbioru.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Antena fer­ry­towa z uzwo­je­niami

Cały układ zmon­to­wa­łem na nie­wiel­kim frag­men­cie uni­wer­sal­nej płytki dru­ko­wa­nej, na której zna­la­zło się miej­sce także dla gniazdka typo­wych słu­cha­wek o niskiej impe­dan­cji (16-32Ω), włącz­nika oraz nie­wiel­kiego ogniwa alka­licz­nego o napie­ciu 1,5V (Fot.4). Obie słu­chawki są połączone sze­re­gowo.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Gotowy układ

Po uru­cho­mie­niu układu w słu­chaw­kach powi­nien być sły­szalny deli­katny gło­śny szum, zaś po dostro­je­niu do sta­cji gło­śno i wyraźnie nada­wana audy­cja. Gdyby poziom szumu był zbyt duży, to warto poek­s­pe­ry­men­to­wać z war­to­ścią opor­nika R3. Trzeba pamiętać, że antena fer­ry­towa ma kie­run­kową cha­rak­te­ry­stykę, aby więc uzy­skać naj­lep­sze efekty należy ją usta­wić odpo­wied­nio w sto­sunku do kie­runku na sta­cję nadaw­czą. Całe urządze­nie z łatwo­ścią mie­ści się w pudełku zapa­łek (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – W porów­na­niu do pudełka zapa­łek

W celu prze­pro­wa­dze­nia testów funk­cjo­nal­nych urządze­nia, prze­a­na­li­zo­wa­łem jego dzia­ła­nie w różn­ych warun­kach oto­cze­nia. W śro­do­wi­sku otwar­tym odbiór sygnału był wyraźny i sta­bilny, nato­miast w zamk­niętych pomiesz­cze­niach zau­wa­żalne były silne zakłóce­nia pocho­dzące od urządzeń elek­tro­nicz­nych, takich jak kom­pu­tery, tele­fony komór­kowe czy moni­tory LCD. Oczy­wi­scie możl­iwe jest korzy­sta­nie z odbior­nika w pomiesz­cze­niach, trzeba go tylko umiesz­czać w odda­le­niu od źródeł zakłóceń.

Aby uka­zać jakość dźw­ięku jakiej można się spo­dzie­wać po popraw­nie zbu­do­wa­nym i zestro­jo­nym odbior­niku, przed­sta­wiam poni­żej nagra­nie frag­mentu audy­cji:

Dźw­ięk nagra­łem przy­kła­da­jąc mikro­fon do słu­chawki pod­łączo­nej do odbior­nika.

Kon­struk­cja nawet tak nie­skom­pli­ko­wa­nego w budo­wie i dzia­ła­niu odbior­nika radio­wego jest dosko­na­łym spo­so­bem na zafa­scy­no­wa­nie, a następ­nie pogłębie­nie wie­dzy z zakresu tech­niki oraz elek­tro­niki ana­lo­go­wej. W dobie wsze­ch­o­bec­nych urządzeń cyfro­wych warto wrócić do pod­staw, a odbiór fal radio­wych na urządze­niu wła­snej kon­struk­cji dostar­cza też mnóstwo satys­fak­cji.

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa