Сверхрегенератор. Собираем радиоприемник из восьми деталей

При­емни­ки пря­мого уси­ления в наше вре­мя уже ник­то не конс­тру­ирует, потому что на них ничего не пой­маешь. А вот свер­хре­гене­ратор, которо­му в сле­дующем году исполнит­ся 100 лет, все еще пред­став­ляет инте­рес. Конеч­но, как уже говори­лось в статье о су­пер­гетеро­дине, ждать от него качес­тва зву­чания совер­шенно бес­смыс­ленно. Но, учи­тывая пре­дель­ную прос­тоту схе­мы, в которой может быть мень­ше десяти деталей, резуль­таты его работы выг­лядят очень впе­чат­ляюще. Если у тебя чешут­ся руки соб­рать что‑нибудь элек­трон­ное, но хочет­ся выб­рать про­ект поп­роще — эта статья для тебя.

История

Здесь сто­ит начать нес­коль­ко изда­лека, а имен­но с изоб­ретения Ли де Форес­том тре­хэлек­трод­ной лам­пы в 1906 году.

На фотог­рафии не вид­но нити накала — она, веро­ятно, сго­рела или осы­палась. Но так или ина­че это пер­вая лам­па, спо­соб­ная уси­ливать сиг­нал, с нее все и началось. При­мер­но в 1912 году Ли де Форест и незави­симо от него Эдвин Армстронг изоб­рета­ют регене­ратив­ный при­емник. На самом деле на пер­венс­тво в этом воп­росе пре­тен­довали еще нес­коль­ко человек, но это не так важ­но. Любопыт­нее, что начиная с 1914 года Форест с Армстрон­гом судились за пра­во счи­тать­ся изоб­ретате­лем это­го девай­са и успо­коились толь­ко в 1934-м, ког­да патент стал уже неак­туален.

Пер­венс­тво перехо­дило из рук в руки четыр­надцать раз и в ито­ге оста­лось за Форес­том. На этом мы оста­вим Форес­та и будем даль­ше говорить об Армстрон­ге. Перед инже­нера­ми и любите­лями в то вре­мя сто­яла острая проб­лема: как выжать из лам­пы все, что она может. Ведь тог­дашние лам­пы обла­дали очень скром­ными парамет­рами (низ­кий коэф­фици­ент уси­ления, низ­кая пре­дель­ная час­тота) и при этом очень нес­кром­ной ценой.

Регенератор

Идея решения этой проб­лемы — исполь­зовать положи­тель­ную обратную связь — витала в воз­духе дав­но. На рисун­ке пред­став­лена схе­ма типич­ного для тех вре­мен регене­ратив­ного при­емни­ка, она взя­та из бо­лее поз­дне­го изда­ния, но лишь для того, что­бы боль­ше напоми­нала сов­ремен­ную манеру начер­тания схем — смот­реть при­выч­нее, а суть та же. Ее мож­но наз­вать схе­мой Армстрон­га. Отли­читель­ная чер­та этой схе­мы — индуктив­ная обратная связь.

Вы­игрыш в уси­лении дос­тига­ется бла­года­ря час­тично­му воз­вра­ту уси­лен­ного сиг­нала из анод­ной цепи в сеточ­ную. Тем самым ком­пенси­руют­ся потери в кон­туре, в резуль­тате повыша­ется его доб­ротность. А так как ампли­туда сиг­нала в кон­туре про­пор­циональ­на доб­ротнос­ти, то интенсив­ность сиг­нала рас­тет. Кро­ме того, полоса про­пус­кания сужа­ется обратно про­пор­циональ­но доб­ротнос­ти, что в дан­ном слу­чае тоже хорошо. Одна­ко нак­ручивать уси­ление положи­тель­ной обратной связью мож­но лишь до извес­тно­го пре­дела — порога генера­ции. По дос­тижении это­го порога потери в кон­туре пол­ностью ком­пенси­руют­ся и сиг­нал начина­ет экспо­нен­циаль­но рас­ти, пока лам­па не дос­тигнет насыще­ния, а уси­литель не прев­ратит­ся в генера­тор.

Пос­ле это­го уси­ление при­нято­го сиг­нала уже невоз­можно, и ампли­туда собс­твен­ных колеба­ний не зависит от уров­ня вход­ного сиг­нала, при усло­вии, что ампли­туда сиг­нала нам­ного мень­ше ампли­туды собс­твен­ных колеба­ний. Впро­чем, работу регене­рато­ра мож­но пред­ста­вить себе и по‑дру­гому. Так, бла­года­ря положи­тель­ной обратной свя­зи вход­ной сиг­нал мно­гок­ратно про­ходит через уси­литель­ный кас­кад, каж­дый раз уси­лива­ясь. Оче­вид­но, что наиболь­шее уси­ление получа­ется в непос­редс­твен­ной бли­зос­ти от порога генера­ции, и это глав­ная проб­лема регене­рато­ров, пос­коль­ку око­ло порога к генера­ции могут при­вес­ти совер­шенно нез­начитель­ные изме­нения парамет­ров схе­мы или величи­ны вход­ного сиг­нала.

Усу­губ­ляет­ся это наличи­ем гис­терези­са, то есть порог генера­ции лежит выше порога сры­ва генера­ции. Ины­ми сло­вами, что­бы оста­новить генера­цию, нуж­но зна­читель­но осла­бить обратную связь. В пред­став­ленной схе­ме обратную связь регули­рова­ли сбли­жени­ем и отда­лени­ем катушек. Что же каса­ется самого детек­тирова­ния сиг­налов, то здесь за него отве­чает учас­ток «катод — сет­ка — грид­лик R» (резис­тор утеч­ки сет­ки, пря­мая каль­ка с англий­ско­го). Учас­ток «катод — сет­ка» работа­ет как диод, а вып­рямлен­ное нап­ряжение филь­тру­ется кон­денса­тором и потом уси­лива­ется лам­пой. Такой детек­тор в нашей литера­туре называл­ся се­точ­ным, а в зарубеж­ной — Grid-leak detector.

Впро­чем, о грид­лике мы еще погово­рим. Парал­лель­но схе­ме Армстрон­га сущес­тво­вала схе­ма упо­мяну­того Ли де Форес­та, наз­ваная им «уль­тра­удион» (поз­днее наз­вание пере­ина­чили на «уль­тра­ауди­он»). Схе­ма базиру­ется на трех­точеч­ном генера­торе.

Эта иллюс­тра­ция поза­имс­тво­вана пря­миком из патен­та от 1914 года, по поводу которо­го и была тяж­ба дли­ной в двад­цать лет. В более при­выч­ном нам исполне­нии схе­ма сущес­тво­вала во вто­рой полови­не 1920-х.

Од­нако широко­го рас­простра­нения в качес­тве регене­рато­ра уль­тра­ауди­он не получил из‑за слож­ности регули­ров­ки обратной свя­зи. Час­то обратную связь не тро­гали, а регули­рова­ли уси­ление лам­пы изме­нени­ем тока накала или анод­ного нап­ряжения. Сто­ит отме­тить, что в ран­нем вари­анте отсутс­тво­вал резис­тор утеч­ки, это свя­зано с тем, что в пер­вых лам­пах был пло­хой ваку­ум и роль соп­ротив­ления утеч­ки выпол­нял ион­ный ток. Впос­ледс­твии ваку­ум стал глуб­же, ион­ный ток сде­лал­ся пре­неб­режимо мал, и инже­неры добави­ли в схе­му резис­тор.

Сверхрегенератор

И вот при­мер­но в 1922 году Армстрон­гу приш­ла в голову идея пери­оди­чес­ки сры­вать генера­цию в регене­рато­ре. В этом слу­чае мож­но не вол­новать­ся о пороге генера­ции, наобо­рот, разум­но выс­тавлять обратную связь за порогом. Для сры­ва генера­ции Армстронг исполь­зовал внеш­ний генера­тор отно­ситель­но низ­кой час­тоты, выше час­тоты голоса, но зна­читель­но ниже час­тоты сиг­нала. Такая схе­ма называ­ется «свер­хре­гене­ратор с внеш­ней супери­заци­ей».

Ге­нера­тор, соб­ранный на левой лам­пе, воз­дей­ству­ет на сет­ку пра­вой лам­пы, пери­оди­чес­ки сры­вая в ней генера­цию и сме­щая ее рабочую точ­ку в область отри­цатель­ных нап­ряжений. Так­же Армстронг показал, что генери­ровать вспо­мога­тель­ную час­тоту мож­но на той же лам­пе, — этот эффект называ­ется авто­супе­риза­ция.

Здесь все при­мер­но так же, как и в пре­дыду­щей схе­ме, с той лишь раз­ницей, что лам­па одна и высоко­час­тотные колеба­ния генери­руют­ся лишь во вре­мя опре­делен­ного нап­ряжения на вспо­мога­тель­ном кон­туре час­тоты гашения. Сам Армстронг ука­зыва­ет, что пер­вая схе­ма работа­ет луч­ше и устой­чивее.

Пе­ревод упо­мяну­той статьи вышел и у нас в жур­нале «Друг радио» в мае 1925 года. Вни­матель­ный читатель заметит, что в схе­мах из аме­рикан­ской статьи отсутс­тву­ет грид­лик, тог­да как в нашем перево­де он появ­ляет­ся. Это тоже свя­зано с глу­биной ваку­ума ламп. Кста­ти говоря, сущес­тву­ет еще одна схе­ма свер­хре­гене­рато­ра с авто­супе­риза­цией, где пери­оди­чес­кий срыв генера­ции дос­тига­ется имен­но за счет грид­лика. Это схе­ма Флю­эллинга, пред­став­ленная в 1923 году.

Как видишь, она один в один похожа на схе­му клас­сичес­кого регене­рато­ра, отли­чия тут толь­ко в емкости сеточ­ного кон­денса­тора и соп­ротив­лении грид­лика. При воз­никно­вении генера­ции кон­денса­тор заряжа­ется до такой сте­пени, что­бы зак­рыть лам­пу и сор­вать генера­цию. Пос­ле это­го кон­денса­тор начина­ет раз­ряжать­ся через соп­ротив­ление утеч­ки, что через какое‑то вре­мя при­ведет к новой вспыш­ке генера­ции. Нес­мотря на то что две пос­ледние схе­мы под­разуме­вают авто­супе­риза­цию, их сле­дует раз­личать. В схе­ме Армстрон­га час­тота супери­зации пос­тоян­на, тог­да как в схе­ме Флю­эллинга она меня­ется вмес­те с интенсив­ностью вхо­дяще­го сиг­нала, и это сущес­твен­но вли­яет на механизм детек­тирова­ния сиг­нала, о чем мы погово­рим чуть поз­же.

На древ­ние схе­мы мы пог­лядели, оста­лось разоб­рать­ся, как они работа­ют. Идея ока­залась впол­не жиз­неспо­соб­ной и, судя по отзы­вам из пуб­ликаций двад­цатых годов, обес­печива­ла очень высокую по тем вре­менам чувс­тви­тель­ность. Одна­ко имен­но в двад­цатых годах она не поль­зовалась популяр­ностью, в отли­чие от рас­смот­ренно­го выше регене­рато­ра. В чем при­чина? А при­чин было нес­коль­ко.

Во‑пер­вых, начиная с Армстрон­га и вплоть до кон­ца двад­цатых годов свер­хре­гене­рато­ры исполь­зовались пре­иму­щес­твен­но на длин­ных и сред­них вол­нах. Из это­го и вытека­ли все проб­лемы. Как выяс­нилось поз­днее, для нор­маль­ной работы свер­хре­гене­рато­ра час­тота гашения дол­жна быть по мень­шей мере в 100 раз ниже час­тоты сиг­нала, лишь на сред­них вол­нах ее мож­но было под­нять до 10 кГц. Дело в том, что час­тота гашения попада­ла нап­рямую на науш­ники или динамик, что зву­чало как раз­дра­жающий свист. Впро­чем, до какой‑то сте­пени этот недос­таток нивели­ровал­ся кап­суль­ными науш­никами, у которых силь­ный про­вал в АЧХ выше 5 кГц. Но так как ампли­туда сиг­нала гашения во мно­го раз боль­ше ампли­туды полез­ного сиг­нала, даже кап­суль­ные науш­ники замет­но свис­тели. На длин­ных вол­нах, где час­тоту гашения надо опус­тить ниже 5 кГц, не спа­сет даже ФНЧ, с которы­ми в то вре­мя была нап­ряжен­ка. Уже одна эта проб­лема силь­но под­мочила репута­цию свер­хре­гене­рато­ра.

Во‑вто­рых, он отли­чает­ся низ­кой селек­тивностью, что на длин­ных, сред­них и даже корот­ких вол­нах неп­рием­лемо. И в целом эта проб­лема пло­хо реша­ется. В‑треть­их, свер­хре­гене­ратор излу­чает при сво­ей работе на той час­тоте, которую при­нима­ет, соз­давая помехи дру­гим при­емни­кам. Наконец, в‑чет­вертых, ска­залась слож­ность нас­трой­ки и кап­ризность свер­хре­гене­рато­ров, осо­бен­но если пытать­ся их нас­тра­ивать без при­боров. Да, нас­тро­ить схе­му из нес­коль­ких деталей иног­да быва­ет неп­росто, и свер­хре­гене­ратор — одна из таких схем.

Слу­шать сквозь свист и вой какофо­нию из нес­коль­ких стан­ций, если вдруг все‑таки удас­тся эту шту­ку запус­тить, — такое себе удо­воль­ствие, осо­бен­но учи­тывая недоволь­ство соседей из‑за соз­дава­емых свер­хре­гене­рато­ром помех. В ито­ге на длин­ных, сред­них и корот­ких вол­нах в двад­цатые годы бал пра­вили регене­рато­ры. Свер­хре­гене­ратор так и остался бы остро­умным курь­езом, если бы не началось осво­ение УКВ.

По­нача­лу про­цесс шел мед­ленно, но, ког­да в кон­це двад­цатых про­мель­кну­ла пуб­ликация о лу­чах смер­ти, тема быс­тро начала набирать обо­роты. Бук­валь­но за пять лет был взят сна­чала рубеж мет­ровых волн, а затем децимет­ровых и сан­тимет­ровых. Короче, час­тоты рос­ли, как у про­цес­соров в девянос­тые. И вот тут свер­хре­гене­рато­ры про­яви­ли себя, так как начиная где‑то с 10М регене­ратор работа­ет неус­той­чиво. Кро­ме того, пер­вые прос­тей­шие передат­чики сов­сем не отли­чались ста­биль­ностью час­тоты, в резуль­тате чего низ­кая селек­тивность свер­хре­гене­рато­ра ста­ла его плю­сом: так нам­ного про­ще нас­тро­ить­ся на сиг­нал, и он не уплы­вет при неболь­шом дрей­фе час­тоты передат­чика.

Дру­гим очень акту­аль­ным тог­да пре­иму­щес­твом было то, что свер­хре­гене­ратор тре­бовал толь­ко одну лам­пу. Более того, под­ходила даже оте­чес­твен­ная лам­па «Мик­ро», выпус­кавша­яся с начала двад­цатых годов.

Это изде­лие к кон­цу двад­цатых годов начало замет­но уста­ревать, тем не менее умель­цы ухит­рялись на ней работать на 5М (60 MГц) и даже на 3M (сов­ремен­ный FM-диапа­зон). Прав­да, в пос­леднем слу­чае у лам­пы уда­ляли цоколь и под­паива­лись непос­редс­твен­но к отво­дам бал­лона, что­бы умень­шить межэлек­трод­ные емкости. Так­же при перехо­де на УКВ поменя­лись схе­мы генера­торов. От индуктив­ной свя­зи (схе­ма Армстрон­га) отка­зались в поль­зу трех­точеч­ной схе­мы Хар­тли. Кон­тур при этом чаще все­го выпол­няли в виде еди­нич­ного вит­ка П‑образной фор­мы из мед­ной труб­ки. Уль­тра­ауди­он обрел новую жизнь.

А в более запущен­ных слу­чаях исполь­зовали сим­метрич­ную схе­му.

Та­кое решение поз­воляло с выгодой исполь­зовать паразит­ную межэлек­трод­ную емкость «анод — сет­ка» и индуктив­ность выводов лам­пы методом вклю­чения их в кон­тур. Имен­но в этой схе­ме из лам­пы «Мик­ро» уда­лось выдавить 100 МГц. Дело за малым — оста­лось сде­лать из генера­тора свер­хре­гене­ратор.

Под­ходы тут исполь­зовались все те же: или добавить внеш­ний генера­тор, или подоб­рать парамет­ры грид­лика. В нашей литера­туре кон­ца двад­цатых — начала трид­цатых наиболь­шей популяр­ностью поль­зовал­ся под­ход Армстрон­га. Но со вре­менем, начиная со вто­рой полови­ны трид­цатых годов, свер­хре­гене­рато­ры с внеш­ней супери­заци­ей были поч­ти пол­ностью вытес­нены схе­мами с австо­супе­риза­цией Флю­эллинга в силу их прос­тоты. Хотя сто­ит отме­тить, что внеш­няя супери­зация работа­ет луч­ше как в пла­не устой­чивос­ти, так и в пла­не чувс­тви­тель­нос­ти. Ниже пред­став­лены нес­коль­ко прак­тичес­ких схем УКВ‑свер­хре­гене­рато­ров тех вре­мен.

Этот при­емник пред­лагал­ся в 1930 году для при­ема экспе­римен­таль­ного вещания на вол­нах УКВ в СССР. Как это ни стран­но, но такие экспе­римен­ты были, хотя вещание в диапа­зоне УКВ в СССР запус­тили лишь пос­ле вой­ны. Как вид­но из схе­мы, при­емник сос­тоит из свер­хре­гене­рато­ра по трех­точеч­ной схе­ме, генера­тора гашения и уси­лите­ля ЗЧ. Теп­лый лам­повый звук, что тут ска­жешь?

Это схе­ма перед­вижно­го при­емни­ка 3М‑диапа­зона от 1935 года. Сос­тоит он из свер­хре­гене­ратив­ного кас­када с авто­гаше­нием и УЗЧ. Из при­меча­тель­ного в нем — раз­ве что не сов­сем при­выч­ное вклю­чение грид­лика. Ну и напос­ледок раритет: схе­ма при­емни­ка дис­танци­онно­го управле­ния моделью самоле­та начала пятиде­сятых. Выпол­нена она по сим­метрич­ной схе­ме с самога­шени­ем, в ней любопыт­но вклю­чение вспо­мога­тель­ных цепей гашения. Фак­тичес­ки вспо­мога­тель­ный кон­тур и катуш­ка свя­зи вклю­чены пос­ледова­тель­но основно­му кон­туру.

Ес­ли в этот момент тебе показа­лось, что при­веден­ные схе­мы свер­хре­гене­рато­ров один в один похожи на уль­тра­ауди­он, то могу тебя успо­коить: не показа­лось. Дей­стви­тель­но, гля­дя на схе­му, отли­чить свер­хре­гене­ратор с авто­супе­риза­цией грид­ликом от регене­рато­ра в общем слу­чае не пред­став­ляет­ся воз­можным. Мож­но ска­зать, это раз­ные режимы работы одной схе­мы. Более того, одна и та же схе­ма в зависи­мос­ти от режима работы может быть регене­рато­ром, свер­хре­гене­рато­ром, авто­дином или син­хро­дином, и это час­то ста­вит в тупик начина­юще­го ради­олю­бите­ля.