Detectoare simple in FIF

[puriu]

Sunt necesare cateva cuvinte despre principiul de functionare a fiecarui tip de detector in discutie.

Detectorul cu reactie pozitiva, cel mai vechi, are un pricipiu simplu. La iesirea circuitului de intrare, un circuit rezonant LC, se afla un amplificator. O fractiune din semnalul RF amplificat se reintroduce in circuitul de intrare. Procedeul se numeste reactie. Daca semnalul de reactie este in faza cu semnalul de intrare, reactia se numeste pozitiva. Prin reactie pozitiva se introduce o rezistenta dinamica negativa in circuitul de intrare. Toate pierderile circuitului de intrare echivaleaza cu o rezistenta dinamica pozitiva care, insumata cu o rezistenta negativa, isi reduce valoarea absoluta. Rezultatul este cresterea factorului de calitate Q al circuitului LC, respectiv cresterea tensiunii la borne si ingustarea caracteristicii de frecventa. Cu cat gradul de reactie este mai mare, amplificatorul cu reactie pozitiva are amplificare mai mare si banda de trecere mai ingusta. La compensarea totala a pierderilor, amplificarea tinde la infinit si banda tinde la zero. La un grad de reactie mai mare, amplificatorul devine oscilator.

Datorita neliniaritatii caracteristicilor amplificatorului, are loc si o detectie a semnalului RF, eventual si o amplificare a semnalului detectat. Acesta se separa de semnalul RF cu un filtru, iar circuitul devine un detector cu reactie.

Acest detector are numeroase avantaje fata de solutia anterioara: mai multe etaje de amplificare cu mai multe circuite acordate si cu un detector separat. Este mai simplu, mai ieftin si mai performant. Cu un singur etaj, prin marirea reglabila a Q, se poate obtine o amplificare pana la zeci de mii si o banda de trecere extrem de ingusta.

Sunt, desigur, si unele dezavantaje. Cel mai grav este ca reducerea benzii si cresterea amplificarii sunt simultane. Nu se poate obtine amplificare mare si banda larga, sau amplificare mica si banda ingusta. Ca receptor de semnal telegrafic in US, detectorul este excelent, poate fi "impins" pana la Q = 10000. Ca receptor de semnal audio in UL sau in UM, si Q = 100 poate fi prea mult.

Mai putin grav este ca zgomotul este mai mare decat cel al unui lant de amplificatoare fara reactie. Prin reactie pozitiva, peste semnalul util de la intrare se suprapune o parte din semnalul de la iesire cu zgomotul aferent al amplificatorului. Asta se petrece nu doar o data, ci de mai multe ori, de fiecare data cu faza putin schimbata, pana cand reactia devine negativa. Apare un "zgomot de faza" care limiteaza sensibilitatea detectorului cu reactie undeva peste 1 microvolt, un ordin de marime peste cea a unui amplificator bun fara reactie. Solutia este sa se foloseasca un circuit de intrare cu Q mare "din nastere" pentru a nu fi nevoie de un grad mare de reactie.

Si mai putin grav este ca nivelul semnalului detectat este proportional cu nivelul semnalului de intrare, dar variaza mult cu gradul de reactie. Asta poate fi un avantaj daca, prin reglarea reactiei, se poate mentine nivelul auditiei la semnale cu nivel variabil sau foarte diferit.

Unii "savanti" ne explica de ce detectorul cu reactie nu poate fi folosit in FIF. Poate fi folosit foarte bine, chiar daca nu oricum. Datorita frecventei mari se poate lucra cu Q foarte mare la o banda de trecere mai larga. Convingeti-va singuri.

[puriu]

Detectorul cu superreactie a fost inventat de E. Armstrong, "tatal radioreceptoarelor", dupa ce inventase autodina, reactia si superheterodina, mult mai simple. Ulterior a inventat si sistemul FM de banda larga.

Superreactia este un detector spectaculos prin simplitate, economicitate si performante. Principiul de functionare este revolutionar si greu de teoretizat pentru aplicatiile practice, doar pentru modele teoretice.

In esenta, un oscilator LC este blocat periodic cu o anumita frecventa si pentru un anumit interval de timp. Intre fiecare doua etape de oscilatie exista o etapa (pauza) de oscilatie libera a circuitului LC. Pe durata pauzei, in circuit exista trei semnale, oscilatia libera ce scade exponential in timp, un semnal exterior ce trebuie receptionat si zgomotul termic al circuitului de intrare. La un moment dat, pe circuit se aplica (prin tranzistor) o rezistenta dinamica negativa suficienta pentru a-l pune in oscilatie. Oscilatia nu incepe imediat, ci dupa un timp in care trebuie sa fie declansata de un semnal din circuit. Cu cat semnalul este mai mic, declansarea are loc mai tarziu. Daca nu sunt alte semnale, oscilatia este declansata, cel mai tarziu, de zgomotul termic. Cum zgomotul termic este aleatoriu, si lungimea pauzei este aleatorie (zgomot specific). Dupa declansarea oscilatiei, circuitul basculeaza in starea in care curentul tranzistorului este mare, iar amplitudinea oscilatiei creste exponential pana in momentul blocarii, cand circuitul basculeaza inapoi in starea de oscilatie libera, fara consum de curent. Raportul dintre lungimile etapelor de oscilatie si de pauza (PWM) variaza cu logaritmul amplitudinii semnalului pe circuitul oscilant in momentul declansarii. La fel variaza si curentul mediu consumat de tranzistor, respectiv tensiunea medie pe rezistenta de alimentare a acestuia. Astfel are loc detectia de amplitudine a unui semnal aplicat circuitului oscilant. La semnale foarte slabe, zeci de nanovolti peste zgomotul termic, variatia tensiunii detectate este suficienta pentru a fi amplificata si auzita. Astfel are loc o amplificare enorma, peste un milion.

Proprietatile detectorului depind esential de frecventa si forma semnalului de comanda a blocarii. Acesta poate fi dreptunghiular, dinte de fierastrau, sinusoidal sau de alte forme, fiecare cu avantaje si dezavantaje. Daca pauza este prea scurta, declansarea este comandata de oscilatia libera, incomplet amortizata. Detectorul nu are zgomot, dar sensibilitatea sa scade mult. Daca pauza este prea lunga, se pierde timp si semnalul detectat este mai slab. Daca etapa de oscilatie este prea lunga, tensiunea de oscilatie este mare si se amortizeaza in timp mai lung. Selectivitatea detectorului este maxima la semnal sinusoidal, dar nu detecteaza bine semnalele FM de banda larga. La detectorul propus mai sus, semnalul de blocare este un compromis echilibrat, bun la toate si reglabil simultan cu reactia.

Pentru o documentare nu foarte teoretica, dar extrem de utila, recomand un articol foarte bun din aceasta revista serioasa:

http://www.om6bb.bab.sk/files/HAM%20kniznica/Magaziny/QEX/05%20September-October%202000%20QEX.pdf

[Mark S]

Foarte clare explicatiile !

 

N-am "rezistat" si am testat practic unul, dupa acea configuratie de care ziceam, de oscilator Colpitts clasic, cu reactie capacitiva emitor-colector. Fara acea bobina de soc si condensator de blocare a dat sa miste ceva, dar n-am mai avut rabdare sa-l bibilesc, asa ca i-am pus bobina si condensatorul. Cateva observatii:

 

-nu am testat multe tranzistoare, dar rezultate excelente a dat 2SC3355. Este foarte sensibil si merge foarte liniar, fara a avea nevoie de reglarea reactiei, fara acrosaje in intervalul 90-120MHz, atat am testat eu deocamdata

 

-o particularitate ciudata...valoare condensatorului de reactie colector-emitor parea sa nu aiba mare importanta, mergea cam la fel de la 5p pana la 68p. M-am oprit la o valoare de 33p ptr cond emitor-colector si 47p ptr emitor-masa. Fara acesta din urma n-a vrut sa mearga

 

-merge alimentat direct la 3V, fara rezistor serie (cel ptr reglarea curentului). Am pus totusi 1k in serie

 

-este foarte sensibil, dar nu maxim. Cu un amplificator in fata, ( tot cu 2SC3355 ) raportul semnal/zgomot e mai bun, implicit e mai sensibil. Probabil este si chestie de adapaptare cu antena, un amplificator separat se adapteaza mai bine.

 

-ca dezavantaj ptr demodularea FM este lipsa limitatorului de amplitudine. La receptia statiilor indepartate, care vin cu reflexii, lipsa lui e foarte evidenta. Am facut comparatia punand acelasi amplificator inaintea detectorului cu reactie, cat si a unui receptor FM cu CI, care are limitatre de amplitudine.

 

Per total, prin simplitate si performante este foarte avantajos. Cum spuneam, am in plan o realizare practica mai complexa bazata pe detectoare cu reactie si o sa incerc si varianta cu FET si MOSFET, apoi cu oscilator de blocare separat. Nu cred totusi ca rezultatele vor fi mai bune, ptr ca singurul dezavantaj observat e lipsa limitatorului de amplitudine (niciuna din variante nu are) in rest e perfect asta testat deja.

Din explicatia data de @puriu mai adauga 2 observatii-intrebari

-daca frecventa de esantionare e mai mare, calitatea audio creste? Chiar daca e mai putin sensibil, nu-i necaz, pun amplificator.

-daca oscilatia de blocare e sinusoidala, este potrivit ptr NBFM?

Editat Ianuarie 8, 2018 de Mark S

[puriu]

Nu ma pot pronunta asupra unei scheme pe care n-am vazut-o, dar o superreactie buna trebuie sa prinda aproape toate posturile FM locale fara antena.

In WBFM calitatea audio creste cu largimea benzii, respectiv a frecventei de blocare, dar si a intensitatii semnalului. La posturile FM mai puternice calitatea creste deseori daca se reduce reactia pana cand oscilatia se opreste, iar detectorul intra in regim cu reactie.

Semnalul de blocare sinusoidal permite o banda mai ingusta si se aud mai tare semnalele NBFM. Exista si artificii care permit sa se auda mult mai tare. Unul este in articolul pe care l-am recomandat (in ultima parte).

[Mark S]

Schema e ceva de genul asta, cu adaugirile sau modificarile mentionate.

Condensatorul de reactie, cu valoare 3p in schema de mai sus, l-am marit la 33p. iar intre emitor si masa am pus 47p. In schema de mai sus nu e figurat acel condensator intre emitor si masa, in rest schema e identica.

O sa postez un desen exact cu schema facuta de mine.

Locuiesc intr-o zona de munte, iar cea mai apropiata statie FM e la mai mult de 40Km in linie dreapta. Se prind toate posturile din Buzau precum si din judetele invecinate, dar datorita reflexiilor multiple pe munte, apar multe "incalecari" ale semnalului aceluiasi post. Limitatorul de amplitudine rezolva in mare parte problema asta, pe cand superreactia nu. Posturile care vin cu reflexii multiple se aud rau, distorsionat.

Ca "post local" am pus un modulator FM, in cazul asta se aude perfect, calitativ vorbind.

[puriu]

Homodina simpla este un detector extrem de performant, dar si foarte dificil de reglat. Nu are un inventator anume, ci unul colectiv. In anii 20 operatorii receptoarelor cu reactie au observat ca, foarte rar si in conditii deosebite, statiile AM se aud perfect. Au studiat fenomenul si au constatat ca acesta apare atunci cand detectorul cu reactie se afla foarte putin peste pragul de oscilatie, iar oscilatorul se sincronizeaza cu frecventa purtatoarei. De aici detectorul-minune a primit numele de homodina.

Detectorul cu reactie se foloseste deseori in regim de oscilatie pentru detectia CW sau SSB, cand se transforma in alt tip de detector, sincrodina. Totusi, in aceste cazuri oscilatorul nu se sincronizeaza deloc cu purtatoarea (la SSB nici nu exista purtatoare). Numele de sincrodina provine de la detectia sincrona ce are loc in aceste cazuri. Detectorul sincron poate fi privit ca un intrerupator prin care trece un semnal si care este comandat de un alt semnal. Daca cele doua semnale au strict aceeasi frecventa, este un detector de faza. Daca au frecvente diferite, este un mixer. Detectia sincrona este perfect liniara si se poate folosi si pentru semnale sub un microvolt. Telegrafistii foloseau detectorul cu reactie in regim de sincrodina la o frecventa putin diferita de cea a purtatoarei, pentru a obtine prin mixaj o frecventa audibila.

S-a constatat ca regimul de homodina se poate obtine cand tensiunea oscilatorului este proportionala cu tensiunea semnalului receptionat. Acordul si reactia trebuie reglate cu ambele maini cu mare finete (cand scriam mai sus ca reglajele trebuie sa poata fi "punctiforme" nu eram paranoic). S-a mai constatat ca detectia este perfect liniara (detectie sincrona), selectivitatea este absoluta (un circuit nu poate oscila simultan pe doua frecvente apropiate), iar zgomotul lipseste complet.

Homodina simpla depasea cu mult calitatea auditiei superheterodinei, dar era complet nepractica. Se regla greu, se deregla repede, iar publicul larg era incapabil s-o opereze. S-au facut eforturi de a perfectiona homodina pentru a o face comoda. S-au folosit inclusiv bucle de reglare automata (FLL, PLL, etc.), dar aparatele aveau prea multe tuburi, erau prea scumpe si s-a renuntat la ele.

Homodina perfectionata a renascut odata cu aparitia circuitelor integrate, foarte ieftine dar cu performantele de altadata . Astazi a invadat practic piata receptoarelor de larg consum.

Detectorul nostru permite intrarea in regim de homodina la receptia posturilor FM puternice. Permite demodularea liniara a FM printr-un mecanism asemanator detectorului in cuadratura. Sensibilitatea este cu un ordin de marime mai mica decat la reactie, are nevoie de antena buna. Reglajul este la fel de greu ca pe vremea inaintasilor.

[Mark S]

Descrierea ma convinge ca receptorul de care pomeneam la inceput, fara bobina de soc si fara condensator de blocare, functiona ca homodina.

In primul rand, reglajul rezistentei de limitare a curentului era foarte critic, iar la superreactie am observat ca nu.

In al doilea rand, se auzea doar un fasait slab, in UM si US, selectivitatea si sensibilitatea erau foarte bune iar auditia impecabila. Daca maream curentul, functiona ca oscilator. Daca il micsoram prea mult, selectivitatea si mai ales sensibilitatea scadea, dar se auzea in continuare, impecabil. L-am folosit si ca demodulator FM pe 10.7Mhz. La calitatea audio nu era nicio diferenta fata de un demodulator cu CI specializat.

Totusi la frecvente mari UUS, fasaia tare, exact ca si superreactia, asta nu prea inteleg.

Cu mai multa rabdare, o sa reiau experimentul.

Am o rugaminte, daca puteti posta exact schema unei homodine, in sensul de a simplifica schema de la postul 1, care este universala ptr cele 3 cazuri, asa cum ati specificat. Ori alta schema de homodina, ideea este sa fie testata ca fiind functionala.

Editat Ianuarie 9, 2018 de Mark S

[puriu]

Daca se decupleaza condensatorul de blocare Cb de la masa, reactia se poate impinge pana la pragul de oscilatie fara sa apara autoblocarea.

Mai departe conteaza urechea si mainile. In regimul de reactie, sunetul se aude bine pe cele doua flancuri ale caracteristicii de frecventa si prost in varf. Marind reactia pana la pragul de oscilatie, in varf se aude mai bine si mai tare. Se mareste reactia pana cand apar distorsiuni in varf, apoi se reduce cate putin pana cand se aude tare si perfect. In tot acest timp, acordul se mentine exact pe varful caracteristicii. Daca semnalul este suficient de puternic este mai usor. Daca nu, detectorul functioneaza intr-un regim intermediar, reactie-homodina, cu semnal bun pe flancuri si cu semnal si mai bun pe varf.

Spor la treaba si multa rebdare!

P.S. In FIF/WBFM sincronizarea este mai dificila decat in UM/AM. Trebuie sa se mentina intr-o banda de 150 kHz.

[puriu]

Continuam cu detectorul didactico-experimental. Probabil ca cei interesati au deja piesele si infrastructura necesare.

Alimentarea se face cu 1,5 V din mai multe motive. La tensiune mica pe tranzistor, reactia este mai "moale" si mai usor de reglat precis. Radiatia oscilatorului in regim de superreactie este mai slaba daca tensiunea este mica si daca circuitul LC se leaga in baza tranzistorului, unde curentul RF este mai mic decat cel din colector.

Nici nu este nevoie de 1,5 V, ci de pana la 1 V, restul cade pe potentiometrul de reactie. Se poate alimenta si la tensiuni mai mari (3-4V), deoarece tensiunea suplimentara va cadea pe acelasi potentiometru. Pentru acord nu este nevoie ca tensiunea sa fie mai mare de 1,5V, dar trebuie sa fie stabila in timp. E bine sa se evite alimentarea din retea din cauza parazitilor.

La iesirea detectorului, semnalul AF este slab si e nevoie de un amplificator pentru o casca sensibila (de calitate) sau pentru un difuzor. Daca amplificatorul se alimenteaza din aceeasi sursa ca si detectorul, consumul de curent trebuie sa fie constant (clasa A).

Vom incepe studiul detectoarelor FIF cu ce este mai usor, receptia cu superreactie in banda de radiodifuziune FM, 87,5 - 108 MHz. Aici frecventa este mai joasa, posturile sunt puternice si emit permanent, au intensitati diferite si stabile in timp si pot fi luate ca repere pentru studii comparative fara ajutorul vreunui generator. Modulatia de frecventa are banda larga: deviatia de frecventa este de plus-minus 75 kHz, deci banda ocupata este de 150 kHz.

Detectorul cu superreactie este un detector de amplitudine. Demodularea FM se obtine pe unul dintre flancurile caracteristicii de frecventa a circuitului. Acest flanc nu este tocmai liniar, dar e utilizabil pe o anumita portiune a sa. Deoarece sunt doua flancuri, pentru receptia unui semnal FM circuitul detectorului are nevoie de o banda de cel putin 300 kHz.

Pentru banda FM este necesara o bobina de acord. In lipsa aparaturii de masura, se poate folosi o bucata de sarma de 0,5-1 mm din care se infasoara 1-6 spire. Pentru sarma de 0,6 mm se recomanda o lungime de 11 cm. Cu o singura spira, bobina radiaza si capteaza mai bine, unele posturi se aud bine

fara antena. La o bobina cu multe spire receptia este mai slaba. Inductanta acesteia se relgeaza prin intinderea sau comprimarea spirelor. Grosimea sarmei influenteaza mult inductanta bobinei si factorul ei de calitate. Se pot pune la detector spire circulare din fire de aceeasi lungime si cu grosimi intre 0,3 si 2 mm. Bobina cu sarma cea mai subtire are L de 1,5 ori mai mare decat cea cu sarma cea mai groasa si Q mai mare. ("Savantii" nu vor sa creada, dar va puteti convinge singuri.)

La detectorul cu superreactie banda depinde de regimul de blocare, in cazul nostru de valoarea condensatorului de blocare Cb si de curentul de incarcare a acestuia, reglat o data cu reactia. Pe schema de mai sus, valoarea Cb (2,7 nF) este potrivita pentru o banda larga. Marind valoarea Cb la 4,7

nF sau mai mult, banda se ingusteaza si detectorul devine mai selectiv. Pentru semnale foarte slabe, prin reducerea reactiei sensibilitatea detectorului creste, banda se ingusteaza, dar calitatea auditiei scade. Daca semnalul receptionat este prea puternic si apar distorsiuni, marirea reactiei largeste banda si calitatea auditiei se imbunatateste. Practic, pentru fiecare post se pot gasi pozitii optime pentru acord si pentru nivelul reactiei.Pentru semnale puternice receptorul se poate trece in regim de reactie prin reducerea curentului de alimentare sub pragul de reactie. Calitatea auditiei este mai buna. Sensibilitatea poate creste la apropierea de prag, dar nu prea mult, pentru ca apare oscilatia si autoblocarea.

[Mark S]

Jucandu-ma cu acesti tip de detector, confirm cele spuse mai sus.

Odata ce oscileaza, ar fi fost frumos daca i se putea atasa frecventmetru. Am incercat, dar nu merge..frecventmetrul simte ceva, dar nu indica bine...probabil datorita intreruperilor ritmice a oscilatii, nu are timp sa proceseze. Poate cu un oscilator sincronizat atasat cumva la detector, fara a-i deranja functionarea, va merge, incerc si asa.

[puriu]

Frecventa se poate masura direct daca se opreste autoblocarea din K, sau indirect, daca se suprapune semnal modulat de la un generator cu frecventa afisata.

Mai adaug un aspect interesant, mai greu de inteles, al detectorului cu superreactie. Acesta este si receptor si emitator al semnalului receptionat (repetor pe aceeasi frecventa). In etapele de pauza receptioneaza RF si formeaza un semnal PWM, iar in etapele de oscilatie emite pe aceeasi frecventa RF acelasi semnal PWM. Detectorul nu poate face "microfonie", deoarece emisia si receptia nu au loc simultan. Daca emisia este destul de puternica, poate fi receptionata de aparatele mai slabe din zona.

[puriu]

Se mai pot spune multe despre bobina detectorului in banda FM. Daca se doreste o bobina compacta cu radiatie slaba, se va mari numarul de spire si se va reduce grosimea sarmei pana la 0,1 mm. Inductanta pe cm creste, cu un Q decent. Daca se doreste o bobina care are efect mare de antena, se va pune o sarma de 1 - 1,5 mm, cu lungime de 15 - 20 cm si indoita sub forma de U intors cu distanta dintre brate mica. Bobina se poate realiza si pe cablaj (numai sticlotextolit) ca o banda de o anumita forma si dimensiune. Cu cresterea latimii benzii, inductanta scade dramatic. O banda lata de 2,5 mm echivaleaza cu o sarma de 1 mm, iar o banda lata de 5 mm cu o sarma de 3 mm.

Toate aceste ciudatenii se petrec in FIF, unde curentul RF patrunde in metal sub un micron, dar circula si in afara metalului. Nu conteaza sectiunea conductorului, ci aria si raza de curbura a suprafetei acestuia. Intr-un cablu coaxial exista o frecventa peste care tot curentul circula in afara conductorului axial, care poate fi astfel eliminat (ghid de unda).

[Mark S]

 

Mai adaug un aspect interesant, mai greu de inteles, al detectorului cu superreactie. Acesta este si receptor si emitator al semnalului receptionat (repetor pe aceeasi frecventa). In etapele de pauza receptioneaza RF si formeaza un semnal PWM, iar in etapele de oscilatie emite pe aceeasi frecventa RF acelasi semnal PWM. Detectorul nu poate face "microfonie", deoarece emisia si receptia nu au loc simultan. Daca emisia este destul de puternica, poate fi receptionata de aparatele mai slabe din zona.

Exact asta este "piatra de temelie" ptr care ma intereseaza amplificatoarele cu superrreactie.

Cand tranzistorul e blocat, apar oscilatii libere pe frecventa de acord. Acele oscilatii teoretic sunt lipsite de zgomotul termic al tranzistorului (sau elementului activ folosit ).

Teoretic, poate fi folosit orice tranzistor care poate functiona ok intr-o banda oarecare de frecventa. Tot teoretic, zgomotul lui termic, "din fabrica" , nu ar conta, in conditiile in care nu este folosit ca detector, ci ca amplificator pe banda foarte ingusta.

Primele rezultate practice...facute in graba deocamdata, nu par foarte incurajatoare.

Posibil totusi, sa nu fi inteles eu corect toata teoria, admit varianta si poate e adevarata

Editat Ianuarie 16, 2018 de Mark S

[Mark S]

Concret, am facut asa: am acordat superreactia pe un mic emitator al meu, la 200m distanta, cat sa se auda cu fasait consistent. Apoi, cu alt receptor, am receptionat emisia superreactiei pe o parte, si tot cu acel receptor, emisia directa a emitatorului, inchizand, evident superreactia.

In primul caz, am folosit superreactia ca amplificator de antena ptr receptor, trecuta prin etajele FI si demodularea receptorului. Apoi cu amplificatorul lui. In al doilea caz receptia a fost mai buna...

[puriu]

Asa s-au incercat radiorelee cu cateva superreactii din km in km, antenele fiind si de emisie, si de receptie. Erau cu tuburi si radiau 10 mW.