Конструктивни особености в моите УКВ блокове

    Идеята да дам повече подробности по самото конструиране на УКВ блоковете, които съм описал до момента, дойде внезапно след един разговор с колега. Оказа се, че снимките, включени в статиите, не са достатъчни. И така се захванах да направя едно по-пълно описание.

    Преди да започна първо бих искал да обобщя:

    - публикувал съм УКВ блокове, настройваеми с променлив кондензатор или варикапи;
    - основно съм използвал интегрални схеми, с които съм изградил УКВ блокове с различните способи на настройка.

    Или казано с едно изречение – от всеки УКВ блок с дадена интегрална схема съм конструирал съответно УКВ блок, настройваем с променлив кондензатор или с варикапи. Разбира се затова си има причина, а именно целта за която те са били предназначени.

    Използвал съм следните интегрални схеми:

    - BA4412 на RHOM
    - BA4424 на RHOM
    - TA7358P на TOSHIBA
    - LA1185 на SANYO
    - SO42 на SIEMENS
    - К237ХА5 руска

    Искам да отбележа, че капацитета на променливите кондензатори, които съм използвал е до 15-20 pF и точно с тази стойност съм се съобразявал при избора на варикапи. Това облекчи много конструирането на трептящите кръгове, по-точно избора на индуктивностите и паралелните капацитети. Стойностите на индуктивностите, броя на навивките и диаметъра на проводника са от съществено значение за да попаднем директно в обхвата 87-108 MHz, без да се налагат безброй настройки или най-лошото: няколкократно подменяне. Разбира се, може да се ползват таблици за изчисляване на индуктивностите, които са еднослойни, за да се определят броя на навивките, но е добра идея да разполагате с измерител на индуктивности с голяма точност под 1 µH. За колегите с малко по-малък опит, ще опиша някои от постулатите, прилагани в радиоприемната техника, валидни както за АМ, така и за ЧМ обхватите. Това ще обясни защо радиочестотните бобини се различават от осцилаторните, както и сумарния приложен към тях капацитет.

    Ето прочутата формула за изчисляване на честотата на един трептящ кръг:

    F = 1 / 2Π LC 

    За да успеем да настроим радиоприемник, в случая УКВ блок в обхвата 87-108 MHZ, трябва да се съобразим с т.н. коефициент на покритие, който е съотношението от двете крайни честоти. Но ако за входния кръг коефициента се получава от директното им съотношение, то за осцилаторния това не е вярно, защото честотата на осцилатора е по-висока от основната със стойността на междинната честота, при горно смесване и по-ниска при долно смесване. Аз съм избрал горно смесване, при което началната и крайната честота на осцилатора съответно е: 97,7 MHz и 118,7 MHz.

    За да не преминавам през целия досаден процес на писане на формули, ето крайния резултат за коефициентите на покритие на входния и осцилаторния трептящи кръгове:

    Kвх = 108/87 = 1,24 Kosc = 118,7/97,7 = 1,21

    Да, някой ще каже: ама те са много близки. Така е, но се оказва, че на практика след реализацията на УКВ блока, са от съществено значение, тъй като те определят индуктивността и капацитета в съответните трептящи кръгове. От друга страна, близките стойности на двата коефициента помагат т. н. спрягане на кръговете да се извърши в една точка за УКВ (защото, например за СВ е в три точки, но това е друга тема за обсъждане). Мда-а-а, но аз не се задоволявам със спрягане в една точка, а съм избрал по-сложния начин – в две точки, което постигам с паралелни кондензатори на радиочестотната и осцилаторната бобина и то с различни стойности, които при това имат за задача да вкарат УКВ блока в честотния обхват. В руските фабрични схеми дори се използват и последователно включени кондензатори на променливия с цел постигане на възможно по-добра линейност. Това за радиолюбителски условия е вече прекалено. В голяма част от моите статии съм посочил входната чувстивтелност, която е между 1,5 µV и 6 µV, а тя е абсолютно достатъчна. В повечето руски фабрични приемници тази чувствителност е около 8 µV.

    След като разгледах в кратце фундамента на най-елементарните изчисления и тяхното отношение към практическото разработване на УКВ блока, нека да отделим време да опишем конструктивните особености на бобините. Като отново се обърнем към коефициентите на покритие по-горе, ще видим, че е очевидно, че паралелния капацитет на входния кръг е по-малък от паралелния капацитет на осцилаторния за да се постигнат тези съотношения. Тези капацитети също могат да се изчислят с практически формули, но целта на статията не е да бъде теоретичен материал или помагало за студенти от трети курс.

    Начинът на изработка/навиване на бобините е от съществено значение. При различните производители са възприети три основни начина за тяхната изработка:

    - бобини без тяло
    - бобини с тяло с феритна сърцевина за настройка
    - бобини с тяло с месингова сърцевина за настройка

    В моите УКВ блокове са използвани и трите начина. Но да се спра по-подробно на практическите резултати:

    1. За бобина без сърцевина. В случая тя се изработва с, примерно, една навивка в повече, за да се осигури индуктивност в повече и настройката на трептящия кръг се постига с разтягане на бобината, тоест чрез намаляване на индуктивността й. Този принцип е валиден както за радиочестотните/входните, така и за осцилаторните бобини.

    2. За бобина с тяло:

    А) Ако ще осъществяваме настройката с феритна сърцевина, броя на навивките трябва да бъде с 1-1,5 по-малко, като вкарването на феритната сърцевина в бобината ще повишава нейната индуктивност до постигане на желания резултат.

    Б) Обратно, ако сърцевината ще бъде от месинг, трябва както в т. 1. да разчитаме на по-голяма индуктивност. Вкарването на сърцевината в бобината ще намали нейната индуктивност до получаване на необходимата ни настройка в обхвата.

    До тук добре, но каква е методиката, по която се осъществяват настройките?

    Реализирания УКВ блок се захранва и за настройките се използва вобелгенератор или високочестотен генератор, като във втория случай е необходим и междинночестотен усилвател, към който да закачим осцилоскоп за наблюдение на резултата от настройките.

    Първо настройваме осцилаторната бобина по описаните по-горе методи с цел да вкараме генерираните честоти в обхвата. Това най-добре се вижда с вобулоскоп. След това с паралелния кондензатор (а може да се постави за улеснение тример кондензатор) постигаме т.н. покритие на обхвата, тоест осъществяваме коефициента на покритие. Но това не е достатъчно. След тази операция следва най-трудната – спрягане на входния и осцилаторния кръг, а след като сме постигнали настройките на осцилатора, естествено продължаваме с входния кръг. С промяна на индуктивността на бобината търсим максимум на ниската честота от обхвата, след което чрез завъртане оста на променливия кондензатор към намаляване на капацитета му плавно повишавам честота, което видимо се отразява на екрана на вобулоскопа. Амплитудата, естествено, намалява. Това се компенсира с паралелния на кръга допълнителен капацитет, който както за осцилатора може да бъде тример кондензатор. Този порядък на настройките се повтарят 3-4 пъти, както за долния край на обхвата, така и за горния, до постигане на достатъчна и равномерна амплитуда на наблюдавания сигнал. През този процес амплитудата на подавания сигнал се намалява, докато амплитудата на наблюдавания трябва да расте – тоест тя е показател за точната настройка. И накрая завършваме с донастройка като наблюдаваме повишаване на амплитудата за средната честота на обхвата 97 MHz, която е и честотата на спрягане в една точка.

    Описания процес е много простичък и бърз при наличие на вобулоскоп (генератор) и практически опит. С тази настройка УКВ блокът ще работи отлично, но не перфектно, защото сме осъществили спрягане в една точка.

    Със следващите стъпки можем да постигнем спрягане в две точки, което, повярвайте ми, повишава чувствителността на УКВ блока два и малко над два пъти. За целта, повтаряме описаната по-горе процедура, но не за крайните честоти на УКВ обхвата 87 MHz и 108 MHz, а за честоти различаващи се с 5%, а именно: 92 MHz и 104 MHz. Тези честоти са нашите две точки на спрягане. С тази допълнителна настройка постигаме доста добра линейност на характеристиката. Между впрочем, който се интересува от теория може да прочете малко техническа литература на тази тема, както от български, така и от руски и американски източници.

    Описаната методика дава отлични резултати.

    А сега да се спрем на конструктивното изпълнение на самите бобини и постигане на желаната индуктивност. Има поредица от формули, калкулатори или WEB приложения, които могат да ви дадат бърз начин за изчисления на индуктивностите, но всъщност нас ни интересуват габаритните размери, броя на навивките и диаметъра на проводника, от който те се навиват.

    Повечето УКВ блокове, които могат да се реализират в любителски условия с променлив кондензатор се ограничават от броя на неговите секции, които обикновено са две. С такива променливи кондензатори и посочените в началото на статията интегрални схеми лесно и бързо могат да се реализират УКВ блокове, но имат по два настройваеми кръга – един радиочестотен и един осцилаторен. Аз споменах, че могат да се използват варикапи с близък по стойност капацитет. В такъв случай те дават по-големи възможности, като увеличаване на броя на радиочестотните кръгове, с това и избирателността по съседен канал. Но за подобни конструкции се изисква много опит и търпение. Аз ще дам данни за двусекционен променлив кондензатор, съответно за ползване на два варикапа.

    1. Методика за изработка на бобините без тяло:

    А) диаметъра на проводника, подходящ за бобини без сърцевина е около 0,6-0,8 mm, като аз използвам меден емайлиран проводник с диаметър 0,6 mm;

    Б) диаметъра на самата бобина без тяло е около 5 mm. За да постигна този диаметър използвам за тяло, върху което навивам проводника - бургия с диаметър 4,5 mm. Вероятно някой ще попита защо този диаметър – при навиването не мога да постигна абсолютна плътност и опън, при което след като навия бобината, тя леко се разтяга и придобива искания диаметър от 5 mm:

    В) броя на навивките за радиочестотната бобина без тяло е 4,5. Навиват се плътно една до друга, като двата й края завършват от една и съща страна, което именно позволява тази несвойствена стойност от четири и половина навивки;

    Г) броя на навивките на осцилаторната бобина при същия диаметър на проводника и на тялото (тоест използвам същата бургия) е 3,5. Тоест отново двата края са от една и съща страна, което позволява те да бъдат три и половина. Навиват се плътно една до друга.

    2. Методика за изработване на бобини с тяло и феритна сърцевина:

    А) използвам пластмасово тяло от стар радиоприемник с диаметър 4,5-5 mm, а диаметъра на проводника е същия (разбира се и с друг съм правил, но за улеснение описвам само този);

    Б) за радиочестотната бобина абсолютно както в предишния случай по същия начин навивам върху тялото 3,5 навивки. Припомням, че феритната сърцевина компенсира индуктивността;

    В) за осцилаторната бобина по същия начин навивам 2 ¼ навивки. Трудно е. За да се получи тази стойност свързването е диагонално на изводите на тялото. И тук настройката се осъществява чрез феритната сърцевина.

    По-горе споменах, че руснаците често използват месингова сърцевина за постигане на тези настройки, но ето, че дойде момента да ви разкрия тайната на тази методика. Тайната е в универсалността – тоест използва се една единствена бобина с тяло както за радиочестотна, така и за осцилаторна. Повтарям: навита върху тяло, следователно настройката на индуктивността се извършва със сърцевина. Използва се една и съща бобина с един и същ брой навивки, навити на еднотипно тяло, както за радиочестотната, така и за осцилаторната бобина. За първата, настройката се осъществява с феритна сърцевина, а за втората, с месингова. В първия случай индуктивността се увеличава, а във втория се намалява. Това съответства на описаните от мене по-горе методики, като за радиочестотната бобина индуктивността е по-голяма, а за осцилаторната по-малка. Аз съм използвал рядко руският практически опит поради липса на месингови сърцевини, но ми е направило впечатление, че в познатите ми руски УКВ блокове за "Селена", "Меридиан", "Сокол", "ВЕФ 221/222" е единствения начин за постигане на универсалност. От гледна точка на масовото фабрично производство, тази идея намалява производствените разходи за конструиране и навиване на втора бобина. Просто и елегантно решение – смяна на сърцевината от феритна с месингова.

    Но в УКВ блокове, които съм реализирал с интегралните схеми SO42P и руската К237ХА5 радиочестотните кръгове не са обикновени еднослойни бобини, а трансформатори на импеданс. Тоест имат по още една намотка, която осъществява връзката с интегралната схема и извършва съгласуването по импеданс. Основната бобина в настройваемия трептящ кръг е със същите данни. В УКВ блока, реализиран с SO42P бобината за връзка е от меден емайлиран проводник с диаметър 0,12-0,15 мм и е навита на около 2-3 mm над основната. Феритната сърцевина играе ролята на преносител на електромагнитното поле в този мини трансформатор. Изискването за коефициента на предаване не е от съществено значение. Но в УКВ блока, реализиран с интегралната схема К237ХА5 се оказва, че връзката между първичната и вторичната намотка на този трансформатор трябва да бъде силна, поради което свързващата бобина се навива върху бобината на трептящия кръг. Броя на навивките е две, а диаметъра на проводника е също 0,12-0,15 mm.

    Един важен момент в описанието на конструирането на бобините от трансформаторен тип и свързването им като начало-край. Всяка бобина има начало и край, въпреки че, когато се навие, на практика уж няма значение и изглежда симетрично. Но спазването на посоките на навиване е от съществено значение за сигнала. Правилото е много простичко – началото на бобината трябва да бъде откъм сигнала, а края към маса или плюс на захранване. Това е и посоката на сигнала. За тези, които са учили в Техническия университет или друг специализиран техникум ще стане ясно и следващата особеност – защо бобината за свързване се навива в обратна посока. Отговорът идва от трансформаторното пренасяне на енергия – векторите на посоките й в първичната и вторичната намотка са противоположни. Поради тази причина свързващата намотка в нашия случай се навива в обратна посока и в такъв случай сигнала запазва активната си посока. Спазването на това правило дава допълнителна чувствителност на УКВ блока, но при междинночестотни трансформатори за АМ е от изключително значение, а грешката може да доведе до значително намаляване на входната чувствителност на радиоприемника, тоест – загуби. Илюстрирам този ефект с пример от електротехниката:

    Ако имаме трансформатора с първична намотка на 220 V и две отделни вторични намотки, примерно за 5 V ако обърнем посоката на последователно свързване, на изхода им вместо 10 V ще получим 0 V.

    До тук засегнах техническите параметри, видовете бобини и методиката за конструиране на радиочестотната и осцилаторната бобина. Но смесителя на всеки УКВ блок е натоварен с междинночестотен трансформатор който отфилтрира елемента на смесване – междинната честота. Възприета е 10.7 MHz. Разбира се могат да се срещнат и други. Аз използвам тази. Те могат да бъдат обикновени трансформатори, но ако са в изхода на балансен смесител могат да бъдат бифилярни. Няма да описвам първия. Предимството на балансния смесител, че той отправя към изхода си, товара МЧТ срещуположни по посока сигнали, като само един оттях е полезен – сигналът с междинна честота. Всички други елементи, производни на смесването Fo + Fm, Fo - Fm, Fo + 2Fm и т.н. да не ги изреждам, както и шумове идващи по вход се явяват в противоположни посоки на изхода на балансния смесител. Бифилярното навиване помага да се отфилтрира полезния сигнал, а противоположните елементи и шумове теоретично да се унищожат, практически да се намалят до минимум.

    За да си представим бифилярната намотка да започнем с обикновения МЧТ на честота 10,7 MHz, който е изпълнен с примерно 18 навивки и паралелен капацитет около 68 pF. За да превърнем този МЧТ в бифилярен, трябва да изпълним условието за симетричност, тоест намотката, която ще навием ще бъде разделена на две – 2х9 навивки при същия паралелен капацитет. Единия от начините за навиване е, като просто в процеса на навиване прекъснем в средата, тоест на деветата намотка, където да направим среден извод. Но това не е правилно. Причината е, че в процеса на навиване се увеличава диаметъра на тялото от самия събрал се проводник и няма да има симетрия между първата и втората половина, като във втората индуктивността определено ще бъде по-голяма от по-голямата дължина на проводника. Правилния начин на навиване е с два паралелни проводника, като едновременно се навиват по 9 навивки. Предварително се отбелязват начало и край, след навиването се свързват края на първия с началото на втория. Точно този начин на навиване на намотките се нарича бифилярен. Той гарантира симетричност на двете половини на бифилярния междинночестотен трансформатор.

    Откровено казано, в повечето си конструкции на УКВ блокове, използвам тази методика, но-о-о на слух не съм забелязал разлика, а нямам уред, с който да направя съответното практическо измерване – спектрален анализатор. Така че разчитам на знанията от "дебелите" книги.

    Как всъщност се броят навивките на една бобина, особено когато тя е например: ½ или 1 ¼ Или 1 ½ На следващите снимки този процес е илюстриран последователно:

половин

цяла

 

1 ¼

1 ½

    И следват за сравнение всички заедно:

    А ето някои илюстрации на описаните бобини:

    На следващата снимка вдясно съм показал как се фиксира осцилаторната бобина – в нея е поставено парче дунапрен, след което бобината е залята с парафин, с което се избягват атмосферните и механичните влияния от удари и сътресения:

    А на тези снимки показвам осцилаторни бобини с тяло и настройка с феритна сърцевина, а за фиксиране на проводника към телата, съм използвал безцветен лак за нокти или в лошия случай цианакрилатно моментно лепило, но ако прекалите с количеството му, имайте предвид, че то разяжда лаковата изолация на проводника и може да доведе до късо съединение межди две съседни навивки:

Валери Терзиев
26 март 2015 година