Этот увлекательный мир радиопередатчиков на транзисторах
Разговаривая по мобильному телефону, вы пользуетесь радиосвязью и даже не задумываетесь об этом. Однако были времена, когда такая связь была доступна далеко не всем. Радиолюбители собирали приёмники и передатчики на лампах и транзисторах, подключали к ним большие антенны и устанавливали связь с другими городами и странами, использовали радио для управления моделями самолетов, автомобилей и катеров.
Сегодня можно купить готовые и современные передающие и приёмные устройства как для радиосвязи, так и для радиоуправления. Довольно популярны относительно недорогие программно-определяемые радиосистемы Software-defined radio (SDR). Модули связи LoRa позволяют устанавливать связь на значительном расстоянии даже при небольших уровнях мощности. Однако знакомство с базовыми принципами создания устройств радиосвязи на транзисторах, на мой взгляд, будет полезно начинающим радиолюбителям.
В этой статье я расскажу об устройстве биполярных транзисторов, совершивших в свое время революцию в электронике. Затем приведу схемы простейших генераторов высокочастотных колебаний и расскажу, как собрать несложный передатчик и настроить его на частоту 27 МГц.
Надеюсь, что эксперименты, описанные в статье, помогут вам войти в увлекательный мир радиосвязи!
Биполярные транзисторы
Ранее в статьях Домашние эксперименты с радиолампами. Часть 1. Теория и Домашние эксперименты с радиолампами. Часть 2. Практика я рассказывал, как устроены и как работают радиолампы.
Когда-то радиолампы использовались очень широко, причем не только в бытовой, но и в военной радиоаппаратуре. С радиолампами, однако, есть проблемы.
Прежде всего, им нужна энергия для накала и высокое анодное напряжение. Радиолампы занимают довольно много места и недолговечны. И хотя в своё время создали сверхминиатюрные, а также стержневые радиолампы, все эти проблемы были решены только с появлением и совершенствованием полупроводниковых транзисторов.
Транзисторы широко используются в усилителях и генераторах сигналов, в устройствах переключения и в других радиотехнических приборах. Сегодня транзисторы могут полностью заменить радиолампы практически везде. Исключение — очень мощные генераторы и усилители сверхвысокочастотных сигналов там, где применяются магнетроны и клистроны.
На базе транзисторов создаются современные микроэлектронные устройства: процессоры и блоки памяти компьютеров, микросхемы мобильных телефонов, телевизоры. Транзисторы можно встретить в бытовой технике и автомобилях, в промышленных установках и так далее.
Все транзисторы можно условно разделить на биполярные и полевые. Биполярный транзистор типа n-p-n можно представить себе как бутерброд из полупроводников с разным типом проводимости (рис. 1).
В основании бутерброда транзистора n-p-n находится полупроводник с n-проводимостью, далее идет слой базы с p-проводимостью, и сверху — слой эмиттера, также с n-проводимостью.
Из области эмиттера инжектируются носители заряда — электроны, которые через «слой» базы собираются коллектором. При этом область базы контролирует поток электронов от эмиттера к коллектору.
Также существуют транзисторы типа p-n-p, в котором носителями заряда будут уже не электроны, а дырки.
Биполярными такие транзисторы называются потому, что в работе участвуют электроны и дырки при рекомбинации носителей. Есть также однополярные полевые транзисторы, где задействованы либо электроны, либо дырки.
Можно сравнить работу транзистора и лампового триода. В ламповом триоде напряжение на сетке управляет током, протекающим от анода к катоду. В полупроводниковом транзисторе ток базы управляет током, протекающим от эмиттера к коллектору.
Первый работоспособный транзистор был создан физиком-экспериментатором Уолтером Браттейном и теоретиком Джоном Бардиным 16 декабря 1947 года. На рис. 2 показана реплика этого транзистора.
Схематически устройство первого транзистора показано на рис. 3.
Это так называемый точечный транзистор. Пластиковая призма обклеена узкими полосками золотой фольги, которые образуют выводы эмиттера и коллектора. Вывод базы подключен к пластине из германия.
Транзисторный эффект наблюдался на поверхности германия под треугольным наконечником. На рис. 2 эта область выделена зеленым прямоугольником. Более подробное описание созданного таким образом транзистора вы найдете в статье Рождение точечного транзистора.
Надо сказать, что точечные транзисторы не оправдали надежд, так как были очень маломощными, работали только на низких частотах и отличались большим уровнем шумов.
В СССР первые точечные транзисторы, или как они тогда назывались, германиевые триоды С1-С4, были созданы лабораторией А.В. Красилова уже в 1949 г. В 1950 г. образцы германиевых триодов были разработаны в ФИАН, ЛФТИ, ТРЭ АН СССР и на тот момент не уступали зарубежным транзисторам.
На рис. 4 показан точечный транзистор С1А.
Даташит первых транзисторов С1 и С2 вы найдете на этом сайте.
В ходе дальнейшего развития были созданы плоскостные транзисторы. Все элементы (эмиттер, база, коллектор) плоскостного транзистора расположены на одной поверхности полупроводникового кристалла. Они изготавливаются с использованием современных полупроводниковых технологий, таких как фотолитография и диффузия.
Первый плоскостной транзистор П1 был создан в 1955 году (рис. 5).
Через некоторое время был выпущен более мощный транзистор П3 (рис. 6).
Сейчас доступны сотни различных типов отечественных и зарубежных транзисторов, сильно отличающихся по характеристикам.
Обозначения и схемы включения биполярных транзисторов
На рис. 7 показано обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p на принципиальных схемах.
У меня в коллекции есть транзисторы времен СССР, которые всё ещё встречаются в продаже. Для экспериментов с усилением низкой частоты (НЧ) я взял германиевый транзистор МП10А типа n-p-n (рис. 8).
На базе этого транзистора я собрал схему усилителя НЧ с общим эмиттером (рис. 9).
В этой схеме используются следующие резисторы и конденсаторы:
R1 –15 кОм;
R2 –1.2 кОм;
R3 –6.8 кОм;
R4 – 1 кОм;
С1, C2, C3 – 20 мкФ, 16 В
При таких номиналах резисторов при питающем напряжении 12 В на базе будет напряжение 0,91 В, на эмиттере 0.78 В, на коллекторе — 7.7 В. Ток эмиттера будет равен 0.77 мА.
Собранный макет усилителя показан на рис. 10.
Как выбрать значения сопротивления для резисторов?
Описывать методику расчёта транзисторных усилителей — за рамками этой статьи, но при экспериментах вы можете использовать значения из готовых схем. Таже можно почитать книгу В. Васильева «Радиолюбителю о транзисторах» или статью Анализируем простейший усилитель.
Однако не будет лишним узнать о самых важных параметрах транзисторов. Параметры транзистора МП10 можно найти в даташите. Вы также можете посмотреть параметры старых транзисторов в статье «Транзисторы старых типов».
Как я уже говорил, в отличие от лампового триода транзистор управляется не напряжением, приложенным к сетке, а током, протекающим через переход между базой и эмиттером.
Один из важнейших параметров — коэффициент усиления транзистора по току (также называется коэффициентом передачи тока). В схемах с общим эмиттером этот параметр определяется как отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы. Вы можете встретить для этого коэффициента обозначение β («бета»).
Коэффициент усиления по току зависит от температуры и может изменяться в широких пределах даже для транзистора одного типа. Например, для транзистора МП10А, согласно даташиту, при температуре 20 градусов Цельсия этот коэффициент может находиться в диапазоне от 15 до 30, а для транзистора МП11А при температуре 40 градусов Цельсия — в диапазоне от 18 до 100.
Кроме того, коэффициент передачи тока зависит от тока эмиттера и напряжения между коллектором и базой.
Среди других важнейших характеристик транзистора — предельная частота коэффициента передачи тока, максимальный ток коллектора, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером, максимальная рассеиваемая мощность. Все эти параметры можно найти в даташитах транзисторов.
Если использовать транзистор на частоте выше предельной, усиление значительно уменьшится или даже станет меньше единицы. Превышение других перечисленных выше параметров может привести к выходу транзистора из строя.
Если транзисторы используются для усиления слабых сигналов, шумовые характеристики приобретают важное значение.
Результаты эксперимента с усилителем на одном транзисторе
На рис. 11 показан собранный макет для экспериментов с усилителем низкой частоты (УНЧ) на одном транзисторе.
В даташите на транзистор МП10A указан предельный ток коллектора — 20 мА. Мы не будем работать на предельных значениях и ограничимся током, немного меньшим 1 мА.
Ниже представлены результаты измерения напряжений на выводах транзистора, а также вычисленный ток эмиттера:
Э – 0.78 В
К – 7.7 В
Б – 0.91 В
Ток эмиттера – 0.77 мА
Осциллограммы на входе и выходе показывают довольно заметное усиление входного сигнала по амплитуде (рис. 12).
Вы можете сравнить усиление разных экземпляров и типов транзисторов в этой схеме. При этом нужно помнить, что при использовании транзисторов p-n-p нужно поменять полярность питания на обратную. На коллектор подается не отрицательное, а положительное напряжение относительно земли.
Когда-то очень давно я сам делал небольшие УНЧ для самодельных радиоприёмников (рис. 13).
На входе нижнего из этих усилителей предусмотрен фильтр, ограничивающий полосу пропускания частотой примерно 2.4 КГц. Дело в том, что этот УНЧ создавался для приёма любительских радиостанций, а не музыки. Фильтр помогал избавиться от помех.
Вы можете найти схемы подобных усилителей в интернете, например, в статье «Усилитель НЧ повышенной мощности для приёмника» или в материале «Транзисторный усилитель с повышенной выходной мощностью». Но если вам просто нужен небольшой УНЧ, то можно купить готовый, например, PAM8403 mini 5V цифровой усилитель XIASONGXIN LIGHT на базе чипа PAM8403 (рис. 14).
Такой УНЧ стоит дешевле 100 руб., однако выдаёт мощность 3 Вт на динамики с сопротивлением 4-8 Ом. При этом номинальное напряжение питания составляет 2.5-5 В.
Собираем радиопередатчик на 27 МГц
Ещё в школе я увлекался сборкой дискретных систем радиоуправления, и особенно меня интересовали передатчики. Во Дворце пионеров на Воробьевых горах тогда работал кружок, где можно было получить детали, схемы, знания и помощь. В ходу были транзисторы П416 и КТ315.
Сейчас магазины завалены самыми разными готовыми системами радиоуправления и радиосвязи, однако мне до сих пор доставляет удовольствие изготовление подобных конструкций. В этом разделе я приведу схему несложного радиопередатчика на 27 МГц и расскажу о том, как его настраивать.
Приступая к изготовлению или приобретению радиопередатчиков, необходимо ознакомиться с законодательством в этой области. В России распределением частот занимается Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ).
Если вы создаете или приобретаете передатчик для диапазона частот 27-28 МГц, имеет смысл изучить документы:
Эти документы устанавливают ограничение по излучаемой мощности, использованию частот, антеннам и так далее. Например, излучаемая мощность в сухопутной подвижной службы личного пользования в полосе радиочастот 26960-27410 кГц (СиБи-диапазон) не должна превышать 4 Вт.
Я рекомендую отслеживать изменения в законодательстве, а при необходимости обращаться с вопросами в Роскомнадзор.
Об использовании частот и ограничениях для радиолюбительской связи можно почитать на сайте Союза радиолюбителей России. Чтобы работать на этих частотах, нужно сдать экзамен на одну из радиолюбительских категорий, получить документы и позывной.
Еще одно замечание: нельзя использовать передатчики и радиомикрофоны для радиовещательных диапазонов УКВ, СВ и ДВ. В интернете много схем подобных изделий, называемых также «шарманками». Если ваш передатчик выйдет в эфир на таких частотах, его могут запеленговать, а вас — оштрафовать с конфискацией радиооборудования.
Итак, вернемся к передатчику. Наш передатчик будет состоять из задающего генератора на 27 МГц и небольшого усилителя мощности. Мы также будем использовать кварцевый резонатор для стабилизации частоты.
Задающий генератор для передатчика на 27 МГц
В качестве задающего генератора передатчика, определяющего рабочую частоту, мы используем простой генератор Колпитца или, как его ещё называют, генератор по схеме ёмкостной трехточки (рис. 15).
В этом генераторе использованы такие детали:
R1 – 120 кОм
R2 – 200 Ом
C1 – 1000 пФ
C2 – подстроечный конденсатор 6...30 пФ или постоянный 15 пФ
C3 – 10 пФ
С4 – 50 пФ
С5 – 100 нФ
L1 – 0.6...1.7 мкГн
L2 – три витка провода 0.5 мм поверх L1
VT1 – ГТ311Е
Генератор собран на высокочастотном германиевом транзисторе n-p-n типа ГТ311Е. Такие транзисторы, а также транзисторы p-n-n типа ГТ313, показаны на рис. 16.
Разводка (цоколёвка) транзистора ГТ311 показана на рис. 17.
Обратите внимание, что корпус транзистора имеет отдельный вывод, который следует подключить к земле для экранирования.
В схеме генератора транзистор играет роль усилителя. Чтобы превратить усилитель в генератор, создается положительная обратная связь через конденсаторы C3 и C4.
В коллекторной цепи находится колебательный контур из индуктивности L1 и конденсатора C2. Резонансная частота контура должна находиться в диапазоне частот 27-28 МГц.
На рис. 18 показан генератор в сборе.
Настойка генератора сводится к подбору индуктивности L1 и ёмкости C2 колебательного контура.
В качестве индуктивности я использовал готовые катушки с ферритовым сердечником, приобретенные на маркетплейсе. Вы можете найти их по названию «Регулируемые высокочастотные индукторы 12T 0.6uh-1.7uh».
Что касается подстроечных конденсаторов, то я приобрел очень недорогой набор с названием «5 шт. керамические триммерные конденсаторы JETTING 5 мм 30PF».
Транзисторы ГТ311 были у меня в запасе, но они тоже есть в продаже.
Настройка колебательного контура
Известно, что резонансную частоту колебательного контура можно вычислить по формуле, представленной на рис. 19.
Здесь индуктивность задается в генри, ёмкость в фарадах, а частота в герцах. Нам, однако, удобнее иметь дело с микрогенри, пикофарадами и мегагерцами. Для этого вы можете воспользоваться предыдущей формулой, заменив единицу в числителе на 1000, или воспользоваться онлайн-калькулятором.
В нашем генераторе нужно учитывать не только ёмкость C2, но также ёмкости C3, C4 и ёмкость монтажа. Поэтому результаты расчёта всегда будут приблизительные, и в любом случае придется подстраивать параметры контура, изменяя индуктивность L1 или ёмкость C2.
Если у вас есть осциллограф, способный работать на частотах порядка 50-100 МГц или больше, то с его помощью можно легко определить рабочую частоту генератора. Для этого сделайте из изолированного провода катушку, содержащую несколько витков, подключите её ко входу осциллографа и поднесите к катушке L1.
При работающем генераторе осциллограф покажет вам амплитуду, форму и частоту сигнала (рис. 20).
Далее изменяйте L1 или C2 до тех пор, пока частота не станет равной примерно 27-28 МГц.
Проверяем работу индикатором мощности
Чтобы проверить работоспособность собранного генератора, вместо осциллографа можно использовать простейший пробник (рис. 21).
Конечно, этот пробник поможет только определить наличие ВЧ-колебаний и грубо оценить их мощность по яркости свечения светодиода.
Используйте в пробнике любой светодиод, а также пару германиевых высокочастотных диодов, таких как ГД508. В качестве антенны я припаял к точке соединения диодов небольшой отрезок одножильного изолированного провода (рис. 22).
Больше возможностей у ВЧ-пробника, показанного на рис. 23.
Здесь используются такие детали:
C1 – 22 пФ
С2 – 100 нФ
L1 – 0.6...1.7 мкГн
D1 – Д312
Антенна в виде короткого провода подключена к колебательному контуру L1-C1 с резонансной частотой 27 МГц. ВЧ-сигнал с контура выпрямляется диодом D1 и попадает на микроамперметр с диапазоном измерения тока 50 мкА. По высокой частоте микроамперметр шунтируется конденсатором C2.
На рис. 24 показан собранный пробник в работе.
Здесь мы подключили к коллектору генератора очень короткую антенну в виде изолированного провода. Если поднести к антенне пробник с микроамперметром, его стрелка будет отклоняться тем больше, чем ближе находится пробник.
Заметим, что перед использованием следует настроить контур L1-C1 ВЧ-пробника подстроечным сердечником катушки на частоту 27 МГц по максимуму показаний микроамперметра.
Генератор с кварцевым резонатором
Если вы проверяли работу генератора, схема которого показана на рис. 15 с помощью осциллографа, то наверняка обратили внимание на нестабильность частоты генерации. Помимо того, что частота зависит от регулировки индуктивности и ёмкости колебательного контура, она изменяется при изменении питающего напряжения, а также температуры.
Для стабилизации частоты генерации используем кварцевый резонатор. Это пластинка, специальным образом вырезанная из кристалла кварца, на поверхность которой нанесены электроды.
Под воздействием переменного электрического поля пластинка вибрирует со стабильной частотой в результате проявления пьезоэлектрического эффекта. Частота колебаний стабильна при изменении температуры и других внешних факторов, таких как давление или влажность.
Схема генератора с кварцевым резонатором показана на рис. 25.
В ней используются такие детали:
R1 – 120 кОм
R2 – 200 Ом
C1 – подстроечный конденсатор 6...30 пФ или постоянный 15 пФ
C2 – 10 пФ
С3 – 50 пФ
C4 – 100 нФ
L1 – 0.6...1.7 мкГн
L2 – три витка провода 0.5 мм поверх L1
ZQ1 – 27,145 МГц
VT1 – ГТ311Е
Кварц на 27,145 МГц я «добыл» из сломанной аппаратуры радиоуправления игрушечным автомобилем, но такие кварцы нетрудно найти в продаже. Частота резонанса написана на корпусе резонатора.
Кварцевый генератор в сборе показан на рис. 26.
Если подключить вход осциллографа к катушке L2, можно увидеть сигнал с частотой 27,144869 МГц, что соответствует частоте кварцевого резонатора.
Добавляем усилитель мощности
Мощность передатчика на одном транзисторе ГТ311 достаточна лишь для радиосвязи на очень небольшом расстоянии. Чтобы увеличить мощность, добавим ещё один каскад усилителя на транзисторе КТ606А (рис. 28).
В этой схеме используются такие детали:
R1 – 120 кОм
R2 – 200 Ом
R3 – 27 Ом
C1 – подстроечный 6...30 пФ или постоянный 15 пФ
C2 – 10 пФ
C3 – 50 пФ
C4, C5 – 100 пФ
С6 – 10 нФ
С7 – 100 нФ
L1 – 0.6...1.7 мкГн
L2 – три витка провода 0.5 мм поверх L1
L3 – дроссель 12 мкГн
L4 – 0.3...0.8 мкГн
L5 – 0.6...1.7 мкГн
ZQ1 – 27,145 МГц
VT2 – КТ606А (можно заменить на КТ904)
Как видите, в качестве задающего мы использовали только что рассмотренный кварцевый генератор на частоту 27,145 МГц. Сигнал с этого генератора снимается через катушку L2 и подается на базу транзистора VT2. Резистор R3 ограничивает ток базы транзистора.
Питание на коллектор подается через дроссель L3. Здесь я использовал готовый дроссель, приобретенный в наборе на маркетплейсе.
Для согласования сопротивления антенны и устранения гармоник, неизбежных при использовании нелинейного режима усиления, используется П-контур С4-L4-C5.
Антенна подключена через разделительный конденсатор C6. Для повышения эффективности короткой антенны используется удлинительная катушка L5.
Собранный генератор с усилителем мощности показан на рис. 29.
Обратите внимание, что для охлаждения транзистор VT2 снабжен небольшим радиатором.
В интернете доступен даташит транзистора КТ606. В даташите есть назначение выводов транзистора (цоколёвка), а также его параметры (рис. 30).
Настройка П-контура
Между выходом нашего передатчика с усилителем мощности и антенной расположен П-контур С4-L4-C5 и удлинительная катушка L5. Как я уже говорил, П-контур нужен для согласования выходного сопротивления усилительного каскада на транзисторе VT2 и входного сопротивления антенны. Кроме этого, П-контур фильтрует нежелательные гармоники, чтобы они не попали в эфир.
Расчет П-контура может представлять собой не совсем тривиальную задачу. Если вы только экспериментируете с передатчиками, используйте значения, указанные для схемы, приведенной на рис. 28.
Для настройки П-контура подключите антенну и включите питание. Разместите недалеко от антенны индикатор мощности с микроамперметром (рис. 23). Изменяйте индуктивности L4 и L5 до получения максимальных показаний.
Оценка генерируемой мощности
Дальность радиосвязи определяется мощностью передачи и качеством антенны. Но как определить мощность нашего передатчика?
Если нет измерителя мощности и коэффициента стоячей волны (КСВ), наиболее точный способ — подключить к выходу передатчика эквивалент нагрузки с известным сопротивлением и измерить напряжение с помощью осциллографа.
Если осциллографа тоже нет, то можно собрать схему с диодом и конденсатором (рис. 31).
Конденсаторы C1 и C2 возьмите ёмкостью 4700 пФ. Диод лучше подключить германиевый высокочастотный, например, Д312 или ГД508.
В качестве нагрузки нужно использовать безындукционный резистор сопротивлением 50 Ом мощностью порядка 1-2 Вт. Если такого нет, то для уменьшения влияния индуктивности резистора можно включить несколько резисторов параллельно так, чтобы общее сопротивление было равно 50 Ом.
Подобная схема измерителя мощности была описана в книге «Электронное дистанционное управление моделями» Гюнтера Миля. Хотя волновое сопротивление стандартных антенн равно 50 Ом, для укороченных штыревых антенн оно может быть другим. Гюнтер Миль в своей книге рекомендует сделать сопротивление нагрузки, равное 60 Ом.
В статье «Уроки по электрическим цепям — линии передачи» вы сможете прочитать про волновое сопротивление подробнее.
Антенны должны быть согласованы с выходным каскадом передатчика. В качестве очень краткого введения можно почитать статью «Малогабаритные антенны переносных станций CB связи».
Итак, я подключил нагрузку к коллектору транзистора в генераторе, показанном на рис. 21. На нагрузке 60 Ом измеренное напряжение составило примерно 8 В. Для вычисления мощности воспользуемся известной формулой (рис. 32).
После подстановки значений получаем мощность примерно 0,5 Вт. На мой взгляд, такой мощности вполне достаточно для управления моделями по радио на относительно небольших расстояниях.
Измерение малых ёмкостей и индуктивностей
Как вы уже заметили, настройка высокочастотных генераторов и усилителей мощности включает в себя не только определение рабочих режимов транзисторов, но и регулировку ёмкости, а также индуктивности колебательных контуров.
Конечно, в интернете нетрудно найти формулы для расчета индуктивности катушек, а ёмкость конденсаторов во многих случаях можно определить по их обозначениям. Но иногда требуется провести измерения.
Возможно, у вас есть многофункциональный тестер, способный измерять ёмкости, индуктивности, сопротивление, проверять диоды и транзисторы (рис. 33).
Плохая новость — очень малые значения ёмкостей (порядка единиц пФ) и индуктивностей (порядка единиц мкГн) этот прибор измерять не в состоянии. Также не рекомендуется использовать такой тестер для проверки германиевых транзисторов, чтобы они не вышли из строя.
Мне удалось найти более пригодный цифровой измеритель малых индуктивностей и ёмкостей JUNCTEK LC-200A (рис. 34).
Как видите, прибор смог измерить индуктивность меньше 1 мкГн. Измерение ёмкостей порядка единиц пФ ему тоже по плечу. Конечно, точность измерений невысока, но это лучше, чем ничего. В любом случае потребуется подстройка колебательных контуров для рабочей частоты передатчика.
Что дальше
Надеюсь, вам понравились эксперименты с передатчиком. Если вы хотите углубится в тему, то в первую очередь рекомендую изучить антенны, вопросы их согласования, а также использование измерителя коэффициента стоячей волны и мощности.
В этой статье я рассказал о передатчике на биполярных транзисторах, однако очень хорошие результаты можно получить и от полевых транзисторов, в том числе мощных.
Сейчас я как раз начал работу над статьей про полевые транзисторы и их применение в простых передатчиках и, возможно, в схемах переключения. Пишите в комментариях, что вам было бы интересно узнать про полевые транзисторы, а также про передающие и приёмные устройства.
Автор @AlexandreFrolov
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.