Принципы работы супергетеродинного приемника
В схемах приемников прямого усиления применяется только один тип преобразователя колебаний — детектор, выделяющий из модулированных колебаний высокой частоты колебания низкой частоты. В соответствии с этим в таких приемниках осуществляется усиление колебаний высокой частоты (частоты принимаемой станции) и усиление колебаний низкой (звуковой) частоты.
Но возможность усиления колебаний высокой частоты ограничена сравнительно небольшими пределами (из-за опасности возникновения паразитных колебаний), особенно если частота лежит в коротковолновой части радиовещательного диапазона, а тем более в области коротких волн.
С другой стороны, единственный пригодный для высоких частот тип усилителя — резонансный. Но необходимость перестройки всех контуров при переходе от одной станции к другой очень усложняет конструкцию усилителя и обращение с ним.
Обе эти трудности могут быть устранены одним и тем же методом— преобразованием принимаемых колебаний любой частоты в колебания одной и той же фиксированной частоты. Эта частота выбирается пониженной, чтобы можно было получить достаточно большое усиление, и на нее настраивается резонансный усилитель.
Такой метод применен в супергетеродинных приемниках. Фиксированная частота, которая получается в супергетеродине, называется обычно промежуточной частотой.
Способ, который применяется для преобразования колебаний любой принимаемой частоты в колебание одной промежуточной частоты, состоит в следующем.
Если взять два колебания различной частоты и сложить их, то в результате получаются сложные колебания, так называемые биения. Графически этоі процесс сложения колебаний изображен на рис. 1.
Кривые А и Б соответствуют двум гармоническим колебаниям разной частоты, а кривая В изображает биения, полученные в результате сложения этих двух колебаний: А и Б.
У кривой В легко заметить новый период, а именно период биений, который на рисунке отмечен буквами Т. Сразу видно, что период этих биений больше, чем период каждого из слагаемых колебаний, и, следовательно, частота биений меньше, чем частота каждого из слагаемых колебаний.
Рис. 1. При сложении двух колебаний с разными частотами амплитуда результирующего колебания периодически изменяется.
Частота биений равна разности частот двух слагаемых колебаний. Чем больше разность между этими частотами, тем больше частота биений; поэтому, выбрав достаточно большую разницу между слагаемыми частотами, мы можем получить биения высокой частоты.
Так, если мы возьмем слагаемые колебания с частотами 1 000 кгц (волна 300 м) и 1460 кгц (волна 205 м), то биения, полученные в результате сложения этих колебаний, будут иметь частоту 460 кгц 1460—1000= 460), что соответствует волне 652 м.
Однако хотя полученные биения и имеют уже период, соответствующий промежуточной частоте, они не представляют собой гармонических колебаний промежуточной частоты.
Чтобы получить эти колебания, нужно биения продетектировать. Так же. как из модулированных колебаний при детектировании выделяются колебания с частотой модуляции, из биений при детектировании выделяются колебания разностной частоты (равной разности двух слагаемых частот). Этот метод преобразования частоты называют методом смешения или методом гетеродинирования.
Как же осуществить этот метод при приеме радиостанций?
Пусть кривая А (рис. 1) изображает колебания, приходящие в контур приемника от передающей станции. Создадим в нашем приемнике вспомогательные колебания высокой частоты (кривая Б на рис. 1) при помощи специального гетеродина и подберем частоту гетеродина так, чтобы разность частот колебаний А и Б составляла, например, 460 кгц.
Сложим полученные колебания и пропустим их через детекторную лампу. Тогда в контуре, включенном в анодную цепь лампы и настроенном на разностную частоту, мы получим колебания этой разностной частоты 460 кгц.
Полученные колебания промежуточной частоты можно усилить с помощью усилителя высокой частоты, который в этом случае называется усилителем промежуточной частоты.
Для осуществления процесса преобразования частоты может служить схема, изображенная на рис 2 Приходящие колебания улавливаютя приемной антенной и через катушку L1 попадают на сетку детекторной лампы.
Но предварительно в катушке Lc на них накладываются вспомогательные колебания от катушки гетеродина Lr Контур L2C2 в анодной цепи детекторной лампы настроен на разностную частоту.
Полученные в результате детектирования колебания разностной частоты направляются из этого контура для дальнейшего усиления в усилитель промежуточной частоты.
Рис. 2. Упрощенная схема преобразователя частоты супергетеродина.
Рассмотренная упрощенная схема преобразователя частоты супергетеродина сейчас редко применяется на практике. В современных супергетеродинах возбуждение вспомогательных колебаний и детектирование биений обычно выполняет одна и та же многосеточная лампа, называемая преобразователем. В качестве преобразователя применяют пентод, гептод и триод-гептод.
Схема преобразователя частоты с гептодом приведена на рис. 3. Гептод в этой схеме смесителя представляет собой как бы две отдельные лампы, помещенные в один баллон и связанные общим электронным потоком.
Первая из этих ламп служит для возбуждения колебаний и заменяет отдельный гетеродин. Во второй лампе смешиваются приходящие колебания с колебаниями гетеродина и из полученных биений выделяются колебания разностной частоты. Для наглядности эти две «отдельные лампы» разделены на схеме пунктиром.
Первые две сетки, считая от катода, служат собственно сеткой и «анодом» гетеродина и включаются как обычный триод в схему с обратной связью. Сетка, играющая роль управляющей сетки гетеродина, присоединена к колебательному контуру гетеродина L2C2.
Вторая сетка («анод» гетеродина) присоединена к катушке обратной связи L3. Благодаря наличию обратной связи в лампе возникают колебания и электронный ток, проникающий через вторую сетку, переносит эти колебания в область «второй лампы».
Приходящие сигналы подводятся к четвертой сетке.
Третья и пятая сетки лампы соединены и находятся под постоянным положительным напряжением. Они играют роль экранов между «первой и второй лампами», с одной стороны, а также между управляющей сеткой и анодом «второй лампы»—с другой. Таким образом, «вторая лампа» работает, как экранированная лампа.
Рис. 3. Схема преобразователя частоты с гептодом.
Колебания электронного тока, созданные «первой лампой», изменяют параметры «второй лампы» и в ней происходят смешение приходящих колебаний с колебаниями гетеродина и образование колебаний разностной частоты.
Контур в цепи анода, настроенный на эту частоту, выделяет из анодного тока колебания разностной частоты. Дальше эти колебания подаются на вход усилителя промежуточной частоты.
Применение специальной преобразовательной лампы не только упрощает конструкцию супергетеродина тем, что сокращает число ламп, но и устраняет ряд трудностей, которые возникают при работе схем с отдельным гетеродином.
Мы рассмотрели преобразование немодулированных приходящих колебаний; сделано это было для упрощения. При приеме модулированных колебаний, поскольку колебания гетеродина имеют постоянную амплитуду, биения, а также колебания промежуточной частоты промодулированьі так же, как и приходящие колебания.
Чтобы превратить эти модулированные колебания в звуковые, их нужно еще раз пропустить через детектор. Поэтому колебания промежуточной частоты после усиления подводятся ко второму детектору и уже после второго детектора полученные колебания звуковой частоты направляются в телефон или усилитель низкой частоты.
Усилитель промежуточной частоты содержит один, а иногда и два каскада резонансного усиления, обычно на настроенных трансформаторах. Как правило, настраивается не одна, а обе обмотки трансформаторов, чем достигается более выгодная в отношении избирательности форма резонансных кривых. Такие трансформаторы с обеими настроенными обмотками получили название полосовых фильтров.
Все фильтры при помощи «полупеременных» конденсаторов или магнетитовых сердечников раз навсегда настраиваются на промежуточную частоту, чтобы весь усилитель промежуточной частоты давал достаточное усиление и возможно большую избирательность.
Частота колебаний гетеродина может изменяться в нужных пределах, и всякий раз она подбирается так, чтобы вместе с приходящими колебаниями получалась одна и та же фиксированная промежуточная частота.
Таким образом, при настройке супергетеродина частота усиливаемых колебаний «подгоняется» под постоянную настройку резонансного усилителя промежуточной частоты.
В этом заключается одно из важнейших преимуществ супергетеродина, так как вместо настройки многих междуламповых контуров приходится настраивать только контур гетеродина и входной контур приемника, т. е. настройка очень упрощается.
Для того чтобы получить фиксированную промежуточную частоту при любой волне, лежащей в диапазоне приемника, очевидно, нужно, чтобы диапазон гетеродина был сдвинут по отношению к диапазону входного контура приемника на частоту, равную промежуточной частоте.
Промежуточная частота выбирается обычно около 460 кгц, реже 110 кгц, и на эту величину диапазон гетеродина должен отличаться от диапазона входного контура приемника.
Резонансное усиление промежуточной частоты само по себе обеспечивает большую чувствительность и избирательность супергетеродина, а преобразование частоты приходящих колебаний еще более повышает его избирательность, потому что близко лежащие волны принимаемой и мешающей станций после преобразования частоты «раздвигаются». Поясним на примере, как это происходит.
Пусть промежуточная частота равна 460 кгц, частота принимаемой станции 1 000 кгц, а частота мешающей станции 1010 кгц, т. е. принимаемая и мешающая станции различаются по частоте на 1%.
Чтобы получить в данном случае промежуточную частоту 460 кгц, нужно настроить гетеродин на частоту 1 460 кгц. Тогда мешающая станция даст колебания промежуточной частоты 450 кгц, так как 1460—1010 = 450.
Теперь сигналы мешающей станции отличаются по частоте от сигналов принимаемой станции уже больше чем на 2%. Благодаря преобразованию частоты волны принимаемой и мешающей станций «разошлись», относительная расстройка увеличилась и отстройка от мешающей станции облегчилась.
Однако, повышая общую избирательность приемника, преобразование частоты открывает возможность проникновения сигналов мешающей станции, если эта станция работает на некоторой «опасной» частоте.
Дело в том, что одна и та же промежуточная частота получается, если частота приходящих сигналов на нужную величину больше или меньше частоты гетеродина. Поясним это на том же числовом примере, который рассмотрен выше.
Если гетеродин настроен на частоту 1 460 кгц, а промежуточная частота равна 460 кгц, то колебания нужной промежуточной частоты получаются как от станции, работающей на частоте 1 000 кгц, так и от станции, работающей на частоте 1920 кгц. В обоих случаях разность частот составляет 460 кгц.
Однако при приеме станции, работающей на частоте 1 000 кгц, на эту же частоту настраивается входной контур 'приемника и поэтому сигналы мешающей станции, работающей на частоте 1 920 кгц, будут значительно слабее сигналов принимаемой станции.
Но избирательности входного контура недостаточно для того, чтобы полностью преградить путь сигналам мешающей станции к сетке первого детектора.
А после преобразования мешающая станция даст ту же промежуточную частоту, что и принимаемая, и дальше сигналы ее будут также усиливаться. Словом, супергетеродин, обладая вообще большой избирательностью, по отношению к этой так называемой зеркальной помехе обладает низкой чувствительностью.
Чтобы устранить опасность зеркальной помехи, нужно повысить избирательность приемника еще до преобразования частоты. С этой целью в супергетеродинах применяется обычно каскад предварительного усиления высокой частоты.
Таким образом, типичная скелетная схема супергетеродина имеет вид, изображенный на рис. 4. При этом, как указывалось выше, в современных супергетеродинах обычно смеситель и вспомогательный гетеродин объединены в один преобразовательный каскад.
В супергетеродине без предварительного усиления высокой частоты при настройке на станцию необходимо настраивать два контура (входной и гетеродинный).
В схеме же с предварительным усилением число настраивающих контуров увеличивается до трех, так как прибавляется настройка контура резонансного усилителя высокой частоты. Чтобы можно было осуществлять настройку одной ручкой, применяют сдвоенные и строенные конденсаторы переменной емкости.
Благодаря тому что даже при наличии предварительного усиления в супергетеродине имеются всего лишь три контура с переменной настройкой, упрощается задача перекрытия широкого диапазона волн.
Рис. 4. Развернутая скелетная схема супергетеродина.
Супергетеродин легко сделать «всеволновым», т.е. перекрыть не только весь радиовещательный диапазон средних волн, но и ту часть коротковолнового диапазона, которая отведена для радиовещательных станций.
Все отмеченные преимущества супергетеродина перед приемниками без преобразования частоты — приемниками прямого усиления — привели к тому, что все современные высококачественные ламповые приемники делаются по супергетеродинной схеме.
Общее усиление, которое может дать хороший супергетеродинный приемник, огромно. При напряжении на входе в несколько микровольт супергетеродин дает на выходе напряжение, достаточное для работы громкоговорителя, т. е. несколько вольт. Таким образом, приходящие сигналы усиливаются в супергетеродине в несколько миллионов раз!.
Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.