"Друг Радио", №11-12, ноябрь-декабрь, 1925 год, стр. 16-21.
Среди различных сложных типов приемников, носящих соответственно трудные и малопонятные иностранные наименования, несомненно наибольшая будущность принадлежит так наз. сверхгетеродинному или супергетеродинному типу. В то время как популярность суперрегенеративных, рефлексных, нейтродинных и т. д. приемников все более падает, сверхгетеродинные наоборот получают все большее распространение как среди радиолюбителей, так и среди слушателей, не интересующихся деталями его устройства и приобретающими готовый, удобный и надежный прибор, дающий превосходные результаты.
Супергетеродинная схема была впервые указана известным американским радиоспециалистом Армстронгом. Он же, в сотрудничестве с некоторыми другими лицами, выработал первый тип сверхгетеродинного приемника для приема радиовещательных станций. Этот тип изготовляется крупнейшей американской фирмой Radio Corporation. В настоящее время как радиоспециалисты, так и лучшие радиолюбители Америки и Европы считают супергетеродинную схему наиболее совершенной для приемных целей.
Ее главные достоинства заключаются в большой чувствительности, т. е. большой дальности приема, высокой избирательности (селективности), свободе от мешающих действий других радиостанций и в тоже время сравнительной простоте настройки и полной надежности и устойчивости работы. Благодаря высокой чувствительности, супергетеродинные приемники позволяют производить прием дальних радиовещательных станций на комнатные рамки. В американских приемниках применены даже рамки таких малых размеров, что они целиком заключены внутри приемника. Несмотря на это, как сообщает Армстронг, на такой приемник удавалось в Америке принимать европейские радиостанции и вблизи Нью-Йорка радиовещательные станции западных штатов, в обоих случаях на громкоговоритель.
Что касается избирательности приема, то она для этого типа едва ли не больше, чем для всех других. Без всякого труда удается недалеко от местной передающей станции принимать дальние радиовещательные станции даже при малой разнице в длине волны. Супергетеродинные приемники дают также наилучшую возможность избавиться от мешающих действий искровых радиостанций.
Несмотря на сравнительно сложное устройство, супергетеродинные приемники можно сделать весьма простыми в обращении. Они также работают весьма устойчиво, не обнаруживая столь присущих другим типам склонности к генерации, свистам, шумам и т. п.
Единственным их недостатком, особенно с точки зрения любителей, тем более наших радиолюбителей, является большое число ламп, которого требуют эти приемники. Наименьшее число ламп в приемниках этого типа берется — шесть, еще чаще пользуются семью-восемью лампами и нередко десятью и больше. При современных лампах с малым расходом тока (микро-лампах), вопрос об источнике тока для накала такого большого числа ламп уже не столь затруднителен и не может обычно служить серьезным препятствием к установке супергетеродинного приемника. Все же расходы на его устройство и содержание будут значительны, и у нас он может быть рекомендован преимущественно, как приемник для радиолюбительских кружков и для клубов. Для подвинутого кружка радиолюбителей изготовление такого приемника будет чрезвычайно полезно и поучительно. В то же время ни один другой тип не позволит получить столь хороших результатов.
К тому же изготовление его не более сложно и не дороже какого-либо другого многолампового приемника, требуется лишь некоторая подготовка в самостоятельной сборке и изготовлении деталей любительских приемников и ясное понимание действия сверхгетеродинного приемника, представляющего преимущества, достаточно ясные из предыдущего.
Переходим к об'яснению сущности его действия и основных принципов его устройства. Особенностью сверхгетеродинного приемника является то, что в нем главное усиление происходит не на волне (частоте) принимаемых радиосигналов и не на низкой, звуковой частоте, а на некоторой промежуточной радиочастоте, соответствующей какой-либо длинной волне, напр. в пределах 6000—10000 метров. Пусть напр., принимается некоторая радиостанция, работающая волной в 400 метров. Соответствующая частота (750.000 периодов в секунду) переводится в меньшую, допустим 50.000 пер., что отвечает волне в 6.000 метров. При этом должны сохраниться все изменения силы колебаний, передающие звуки сигналов. Далее усиление производится на волне в 6000 метров в трех-четырех ступенях, затем детектируется и усиливается на низкой частоте.
Такой метод представляет следующие преимущества. Усиление высокой частоты на волнах порядка 6.000—10.000 метров не встречает серьезных затруднений. Для этого можно использовать как сопротивления омические или индукционные в анодной цепи, так и трансформаторы высокой частоты. Между тем известно, что усиление на коротких волнах, ниже 1.000 метров, представляет значительные трудности. Применение простых способов усиления, напр. анодных сопротивлений, — нерационально, так как дает плохие результаты. Причиной этого является собственная емкость в лампе между сеткой и анодом и нитью, а также емкость всех соединительных и вспомогательных частей. При коротких волнах, т. е. большой частоте, эти емкости представляют сравнительно малое сопротивление для колебательных токов; последние замыкаются преимущественно чрез эти малые паразитные конденсаторы, обходя другие сопротивления и сводя на нет усилительное действие. Единственным средством борьбы с этими паразитными емкостями является применение настраиваемых цепей. Вредные емкости оказываются при этом включенными параллельно конденсаторам контуров и вместе с ними дают настройку на принимаемую волну.
Но и такой способ представляет затруднения, не говоря уже об усложнении регулировки приемника и удорожании его в силу необходимости применять большое число переменных конденсаторов. Наличность нескольких цепей, настраиваемых в резонанс, вызывает в приемнике склонность к генерации и с этим приходится бороться особыми мерами. Отсюда и возникают такие типы приемников, как «нейтродинные» и т. п.
В сверхгетеродинном приемнике эти трудности отпадают, так как усиление ведется на длинных волнах. Но еще более существенно то обстоятельство, что усиление высокой частота может быть устроено раз навсегда на одну выбранную волну независимо от того, какая волна принимается. Промежуточная частота (или волна) может быть установлена постоянной, напр. 6000 метров, а усиление в 3—4 лампах, детектирование и последующее усиление низкой частоты можно отрегулировать наилучшим образом раз навсегда.
Это особенно облегчает задачу наивыгоднейшего использования ламп. Если даже применить резонансное усиление высокой (промежуточной) частоты, которое дает наилучшие результаты, то при постоянной волне это не представит больших затруднений.
Можно даже обойтись без переменных конденсаторов, подогнав постоянные емкости так, чтобы иметь нужную волну. Таким образом вторая половина всякого сверхгетеродинного приемника представляет собою усилитель высокой частоты специально подогнанный для наивыгоднейшего усиления какой-либо длинной волны. К нему может быть прибавлено еще усиление низкой частоты.
Теперь следует рассмотреть каким образом всякая приходящая волна (частота) переводится в постоянную промежуточную частоту, как напр. 400 метров (750.000 колебаний в ск.) заменяются волной в 6000 метров (50.000 кол. ск.). Для этого пользуются гетеродином. Всякий радиолюбитель знает, что такое гетеродин.
Это свой местный маленький генератор колебаний. Им пользуются обыкновенно для приема сигналов незатухающих (ламповых, машинных или дуговых) радиотелеграфных станций. Свои местные колебания гетеродина налагаются в приемнике на приходящие и дают с ними биения, т. е. местные колебания амплитуды. После выпрямления детекторами мы воспринимаем в телефоне лишь эти колебания, которые имеют звуковую частоту. Точно также поступают и в сверхгетеродинном методе с той лишь разницей, что биения подбираются столь большой частоты, чтобы они сами представляли собой высокую частоту, невоспринимаемую ухом, хотя и меньшую, чем основная принимаемая частота. Так как частота биений зависит лишь от разности частот, дающих эти биения, то следовательно должна быть лишь соответствующим образом подобрана волна гетеродина.
I — основная приемная цепь; II — первая детекторная лампа; III — гетеродин, действующий на I цепь помощью катушки связи, IV — цепи для выделения промежуточной частоты; V — усилитель промежуточной (высокой) частоты; последняя лампа его детектирует эту частоту; VI — усиление низкой частоты (не обязательно).
Так, в рассматриваемом примере основная частота сигналов равна 700.000 кол. в ск. Число биений должно быть 50.000 в ск. Следовательно вторая частота должна быть или 800.000 кол. в ск. или 700.000 кол./ск. Если таким образом гетеродин будет давать волну в 375 метров (800.000 кол./ск.) или 429 метров (700.000 кол./ск.), то частота биений будет как раз требуемая. Приемная цепь будет настроена на волну 400 метров, а гетеродин на 375 м. (или 429 м.). После выпрямления наложенных колебаний детекторной лампой получится частота биений в 50.000 кол./ск. или волна 6.000 метров. Для того чтобы выделить эту волну, в анодную цепь детектирующей лампы включают контур, настроенный на эту промежуточную волну. Это приводит и к выделению этой волны и к усилению соответствующих колебаний промежуточной частоты вследствие резонанса.
Так как колебания даваемые гетеродином имеют постоянную амплитуду, то изменение амплитуды промежуточной волны будет зависеть лишь от изменений в силе принимаемой волны. Поэтому промежуточная волна будет давать точное повторение сигналов, принятых на основной волне.
Положим еще для примера, что требуется принять другую радиостанцию, работающую волной в 1000 метров.
Разумеется, прежде всего на эту волну должна быпъ настроена первая приемная цепь.
Для получения той же промежуточной волны в 6.000 метров гетеродин нужно будет перестроить на другую волну.
В действительных условиях приема, конечно, эту волну не вычисляют, а находят регулировкой. Но мы посмотрим, как она находится теоретически. Волне в 1000 метров соответствуют 300.000 кол., сек. Для получения волны биений в 6.000 метров (50.000 кол./ск.) гетеродин должен давать на 50.000 кол. в сек. больше или меньше основной частоты, т. е. или 350.000 кол./ск. или 250.000. Первое соответствует волне в 857 метр., второе число получается при волне 1200 метр. Таким же образом можно найти необходимые настройки гетеродина при всякой другой основной волне. Какую из двух волн гетеродина взять для приема обычно не имеет значения, особенно если можно изменять связь между гетеродином и основной приемной цепью.
На основании изложенного можно представить принципиальную схему сверхгетеродинного приемника.
Она приведена в фиг. 1. Здесь цепь I представляет собою обыкновенную приемную цепь. Она может быть осуществлена и по любой другой схеме, напр. по схеме длинных волн, сложной схеме, с рамкой и т. п. Цифрой II обозначена первая детектирующая лампа. Для получения промежуточной частоты биений на цепь I воздействуют колебания гетеродина III, связанного с этой цепью катушкой, входящей в колебательную цепь гетеродина. Возможно однако воздействие и другими способами.
Две цепи, обозначенные цифрой IV служат для выделения промежуточной частоты. Одна цепь включена в анод первой лампы, вторая составляет с остальной частью схемы как бы независимый и раз навсегда подогнанный приемник на постоянную волну. Дальше идет усиление высокой частоты на промежуточной волне, детектирование этой частоты и усиление на низкой частоте.
Рассмотрим теперь подробнее каждую часть представленной общей схемы.
Первая приемная цепь, как указано, может быть выполнена по любой схеме. Однако для наилучшего использования сверхгетеродинного приемника следует рекомендовать не применять простой схемы при пользовании антенной. Это понизило бы достоинства приемника внесением излишних шумов и тресков от антенны. Большею частью при супергетеродинных приемниках пользуются рамками малого или среднего размера. В этом случае рамка с переменным конденсатором и небольшой катушкой для связи с гетеродином и составит первую приемную цепь.
Если прием на рамку окажется недостаточным, то придется прибегнуть к антенне. Однако при этом лучше всего пользоваться сложной схемой, т. е. кроме цепи антенны, брать еще вторичную цепь слабо связанную с первой.
Гетеродин, в том случае, если он составляет отдельную часть, может быть любого типа. Желательно лишь, чтобы он давал возможно более слабые обертона, т. е. другие колебания кроме основной волны. Колебательную цепь его лучше включать в сетку, а не в анод. С целью уменьшения числа ламп, заграничные фирмы, а также и радиолюбители, стремились заставить первую детекторную лампу давать в то же время и необходимые местные вспомогательные колебания. Для этого все же необходима другая колебательная цепь, кроме основной приемной, так как волны настройки их различны. Обе эти цепи связываются с первой лампой (II), поэтому изменение настройки одной может легко отражаться на настройке другой цепи. Для устранения этого пользуются особыми схемами и способами. Мы не будем здесь на них останавливаться и рекомендуем любителям, приступающим к ознакомлению с супергетеродинными схемами, на первых порах пользоваться отдельной гетеродинной цепью и лампой. При применении микроламп это будет означать небольшое увеличение расхода тока, но упростит конструирование и регулировку приемника.
Первая детектирующая лампа (III) ничем не отличается от обыкновенной детекторной лампы и также работает помощью сеточного конденсатора и утечки. Отметим лишь, что иногда до этой лампы включают одну ступень усиления высокой частоты для основной волны. Это делают с одной стороны для увеличения чувствительности приемника, с другой для уменьшения излучения из антенны колебаний, обусловленных воздействием гетеродина. На последнее обстоятельство следует вообще обратить внимание. Дело в том, что гетеродин приходится довольно сильно связывать с первой приемной цепью, так как волна его довольно сильно отличается от настройки этой цепи и так как при этом получается (до некоторого предела связи) повышение усилительного действия. Но в силу этого в первой цепи получаются довольно сильные незатухающие колебания, которые и будут излучаться антенной.
Это также одно из оснований для применения рамок или сложной схемы приемника.
Следующая часть схемы служит для выделения промежуточной частоты. Здесь можно было бы ограничиться одной только цепью, включив ее одновременно в анодную цепь первой лампы и в цепь сетки следующей. Однако применение двух цепей значительно лучше, так как устраняет слишком сильное воздействие первых цепей на второй усилитель, что может иногда вызвать свисты и шумы. Получается также возможность иметь более острую настройку и отфильтровать часть шумов и мешающих действий. Из двух цепей промежуточной частоты (IV), первая (а) лишь грубо подбирается на промежуточную волну (6.000—1.000 метр.). Вторая цепь (б) должна быть подобрана более тщательно так, чтобы быть в резонансе с первой. Здесь можно было бы пользоваться переменным конденсатором для настройки, однако в этом нет необходимости. Достаточно потратить некоторое время, чтобы возможно точно подогнать постоянный конденсатор второй цепи для получения резонанса. Также опытным путем следует подобрать раз навсегда связь обоих цепей а и б.
Усилитель высокой частоты для промежуточной волны можно взять, как указано, любой системы. Чаще всего применяют трансформатор высокой частоты без настройки и трансформаторы с одной настроенной частью, преимущественно в цепях сеток. Число ступеней берется 3—4; кроме того одна лампа служит для детектирования промежуточной частоты. Мы рекомендуем для простоты применять первый тип усилителя, с ненастроенными трансформаторами; это дает достаточно хорошие результаты и значительно упрощает и удешевляет устройство. Приблизительные данные для трансформатора, для волн порядка 6.000—8.000 метров следующие.
Обе катушки трансформатора берутся одинаковыми и наматываются из провода марки ПШО диаметром 0,1 мм. Толщина катушки 6 мм., внутренний диаметр 10—15 мм., число витков 3000—3500. Их можно намотать на двух отдельных пресшпановых каркасах и закрепить в расстоянии 3—5 мм. одна от другой, или мотать на одном каркасе с прокладкой соответствующей толщины (3—4 мм.).
После усиления высокой частоты желательно применение одной или двух ступеней усиления низкой частоты. Эта часть ничем не отличается от обычного усилителя. Как и для всякого неискажающего усиления низкой частоты, можно рекомендовать применение некоторого отрицательного потенциала на сетки и некоторое заглушение трансформаторов соответствующими сопротивлениями на вторичных обмотках.
Следует сказать еще несколько слов о батареях. Как мы видели, супергетеродинная схема заключает по существу три или четыре отдельных части: первая приемная цепь с детекторной лампой, гетеродин, усилитель промежуточной частоты и наконец усиление низкой частоты (не обязательно). Можно разумеется для питания каждой части применять независимые батареи; это несколько облегчает регулировку, устраняя излишние связи между частями схемы, но удорожает устройство. Совершенно достаточно двух комплектов батарей. При этом можно одним комплектом питать, напр., гетеродин и усиление низкой частоты, другим остальные лампы, или комбинировать их иначе. Однако вполне возможно обойтись лишь одним комплектом батарей, если она обладает достаточной емкостью. В этом случае следует лишь поставить блокирующие конденсаторы для устранения указанных нежелательных взаимных влияний. Кроме того желательно заэкранировать одни части приемника от других, особенно гетеродин и усилитель высокой частоты.