regenerator

Сверхрегенеративный метод приема представляет большой интерес для радиолюбителей, занимающихся УКВ. Сверхрегенеративные приемники могут быть широко использованы для связи между радиолюбителями. В этой статье рассматриваются физические процессы, происходящие в сверхрегенеративных приемниках, даются практические схемы таких приемников и указания по правильному выбору их важнейших параметров и режимов работы для получения наибольшей чувствительности и наиболее высокого качества воспроизведения принимаемых передач.

Сверхрегенерацией в технике радиоприема называется процесс усиления принимаемого сигнала с помощью периодически изменяющейся положительной обратной связи (ПОС). Если сверхрегенерация применяется в ступенях ВЧ или ПЧ, то такие ступени называют сверхрегенеративными усилителями. Когда сверхрегенерация применяется в детекторной ступени, последнюю называют сверхрегенеративным детектором.

Радиоприемник, в котором основное, определяющее его чувствительность усиление осуществляется сверхрегенеративной ступенью, называемой сверхрегенератором. Усиление, даваемое сверхрегенератором, может достигать 1000.000.000, что позволяет выполнять компактные конструкции с небольшим числом ламп и экономичным питанием. Сверхрегенератор особенно выгодно применять для приема УКВ, где использование обычных схем прямого усиления и супергетеродинов приводит к сложным многоламповым конструкциям.

Обратная связь

Для уяснения принципа работы сверхрегенератора рассмотрим предварительно основные процессы, имеющие место в обычном приемнике с обратной связью, простейшая схема которого показана на рис.1.

Рис. 1. Принцип работы сверхрегенератора

Усиление за счет действия положительной обратной связи заключается в том, что высокочастотная составляющая анодного тока Iа, протекая по катушке обратной связи Lо, передает приемному контуру LC дополнительные порции энергии, индуктируя в этом контуре ЭДС обратной связи Ео, совпадающую по фазе с напряжением сигнала Uc, в результате чего напряжение сигнала и ЭДС обратной связи складываются (рис.2).

Рис. 2. Принцип работы сверхрегенератора

Общее напряжение Uк, подаваемое из контура в цепь сетки лампы, возрастает, что и проявляется как эффект усиления от действия обратной связи. Это усиление пропорционально крутизне характеристики лампы S, взаимоиндукции М между катушками и обратно пропорционально емкости контура С, подключенного к сетке-катоду лампы. Увеличение тока в контуре иногда объясняют иначе, считая, что обратная связь, компенсируя потери, уменьшает действующее сопротивление этого контура. Активное сопротивление контура при наличии обратной связи равно:

R = Rk - (SM / C)

где Rk - его сопротивление до введения обратной связи. Величина SM/C=Ro имеет размерность сопротивления, а поскольку она уменьшает сопротивление потерь контура, то ее условились называть "отрицательным" сопротивлением.

По мере увеличения обратной связи усиление растет, но когда обратная связь полностью компенсирует потери в контуре, т.е. величина SM/C сделается равной Rк, наступает так называемая критическая обратная связь. При этом в контуре возникают собственные незатухающие колебания и схема превращается в ламповый генератор с самовозбуждением. Момент возникновения собственных колебаний, когда Ro=Rk, называют порогом генерации; в режиме генерации Ro больше Rk.

С возникновением собственных колебаний изменения анодного тока лампы происходят до области насыщения, поэтому за порогом генерации усиление регенератором радиотелефонных передач падает, сигнал искажается и прием делается практически невозможным. Уменьшение усиления при этом объясняется еще тем, что слабый принятый сигнал не в состоянии управлять относительно мощными собственными колебаниями, амплитуда которых в сотни и тысячи раз превышает его амплитуду. Теперь уже сложение напряжения сигнала Uс с ЭДС обратной связи Ео дает Uk, мало отличающееся по форме от Ео, имеющей неизменные амплитуды.

Усиление регенератора тем больше, чем ближе рабочий режим к порогу генерации; однако полностью использовать усилительные свойства обратной связи в регенераторе не удается, так как близко "подойти" к этому порогу очень трудно - режим обратной связи здесь крайне неустойчив. Достаточно хорошее усиление с помощью обратной связи может быть обеспечено применением режима сверхрегенерации. В этом случае слабый принимаемый сигнал свободно управляет сравнительно мощными собственными колебаниями контура, при этом полностью воспроизводится закон, по которому модулируется принимаемый сигнал.

Принцип сверхрегенерации

Принцип работы сверхрегенеративного приемника отличается от обычного регенеративного тем, что на управляющую сетку электронной лампы, помимо напряжения с частотой принимаемого сигнала, действует еще напряжение Uв другой частоты, называемое вспомагательным. При помощи этого напряжения и осуществляется управление величиной обратной связи. Простейшая схема сверхрегенеративной ступени приведена на рис.3.

Рис. 3. Простейшая схема сверхрегенеративной ступени

Здесь положительная обратная связь взята такой, что при отсутствии Uв в контуре LC создаются условия для немедленного возникновения собственных незатухающих колебаний, как только появятся положительные амплитуды Uв. В то же время отрицательное напряжение смещения Uв здесь выбрано так, что при отсутствии вспомагательного напряжения Uв рабочая точка устанавливается в начале прямолинейного участка характеристики анодного тока лампы. С появлением напряжения Uв рабочая точка будет периодически перемещаться по характеристике лампы, что вызывает периодическое изменение ее крутизны.

При положительных значениях напряжения Uв условия для возникновения собственных колебаний будут благоприятными, а при отрицательных значениях Uв результирующее отрицательное напряжение на сетке окажется таким, при котором крутизна характеристики лампы резко уменьшится и собственные колебания будут сорваны. Таким образом, собственные колебания в контуре сверхрегенератора будут поддерживаться не непрерывно, а вспышками, "пакетами", при положительных амплитудах Uв в соответствии с частотой fв этого вспомагательного напряжения (рис.4). Как мы увидим далее, это и обеспечивает хорошее усиление.

Рис. 4

В схеме рис.3 вспомагательное напряжение действует в цепи управляющей сетки лампы. Аналогичный эффект дает включение его в цепь анода или экранной сетки. Для того, чтобы эти прерывистые колебания не прослушивались и не искажали принимаемого сигнала, частота fв вспомагательного напряжения (частота гашения) берется достаточно высокой - от 20 кГц и больше, в зависимости от частоты fпр принимаемых сигналов.

Различают два основных способа получения сверхрегенерации:

Способ самогашения, при котором источником напряжения, гасящего собственные колебания, является та же лампа, которая работает как детектор или усилитель.
Способ гашения колебаний при помощи отдельного источника.

Первый способ наиболее прост и широко применяется в радиолюбительской практике. Рассмотрим работу типовой схемы самогашения (рис.5), аналогичной схеме обычного регенератора (рис.1).

Рис. 5

При возникновении в контуре LC собственных колебаний с каждым положительным полупериодом на сетке сеточный ток будет заряжать конденсатор Сс, напряжение с которого подается минусом к сетке, а плюсом на катод лампы. Через несколько периодов отрицательное напряжение на сетке может оказаться настолько большим, что анодный ток в лампе упадет до нуля и собственные колебания в контуре прекратятся. Когда же конденсатор Сс достаточно разрядится через Rс и отрицательное напряжение на сетке лампы уменьшится, колебания в контуре снова возникнут. Вследствии этого конденсатор опять начнет заряжаться и процесс повторится. Характер полученных при этом вспышек колебаний показан на рис.6.

Рис. 6

Частота вспышек, требующихся для сверхрегенерации, зависит от величин Сс и Rс. Чем больше эти величины, тем на более длительное время будет прекращаться анодный ток лампы и, следовательно, тем меньше будет число вспышек в секунду. Если частота вспышек будет больше 15-20 кГц, то после детектирования они не будут слышны. Однако при отсутствии принимаемого сигнала на выходе сверхрегенератора имеются значительные шумы, которые прослушиваются в виде своеобразного шипения. Причиной их является неравномерность движения электронов в лампе, что и вызывает неравномерные, хаотичные вспышки сверхрегенерации, обусловливает пульсации анодного тока и появление шумов.

Процесс возникновения и нарастания собственных колебаний в контуре сверхрегенератора находится в большой зависимости и от принимаемого сигнала. Принятый сигнал облегчает условия возникновения собственных колебаний сверхрегенератора, чередование вспышек делает упорядоченным, в результате чего шум сверхрегенерации уменьшается. Говорят, что сигнал "подавляет" шум сверхрегенерации. Чем сильнее сигнал, тем отчетливее наблюдается это явление. Чем сильнее принимаемый сигнал, тем скорее амплитуда вспышки достигает своего максимума, ограничиваемого током насыщения лампы, и тем скорее начинается срыв колебаний и, следовательно, тем больше вспышек произойдет за одну секунду. Таким образом, при наличии модулированного сигнала частота вспышек будет изменяться пропорционально его амплитудам.

Изменение частоты вспышек графически представлено на рис.7б, где каждая вспышка обозначена одним вертикальным штрихом. Кривая средних значений тока, полученного после детектирования (рис.7в), воспроизводит форму принятого модулированного сигнала.

Рис. 7

Следовательно, сигнал, управляя количеством вспышек, управляет средней мощностью собственных колебаний сверхрегенератора. Поскольку мощность этих колебаний значительно превышает мощность принятого сигнала, напряжение на контурном конденсаторе во много раз превысит напряжение принятого сигнала. Напряжение на конденсаторе легко достигает средних значений порядка 3 В, требующихся для нормального детектирования. Если, например, напряжение принятого сигнала равно 10 мкВ, то усиление полученное за счет сверхрегенерации, будет:

K = U2 /Uc = 3 /0,00001 = 300000

Более слабые сигналы будут усиливаться еще лучше. Возможность получения такого большого усиления с одной лампой является основным преимуществом сверхрегенератора. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы сверхрегенераторов.

Схемы с самогашением

Две схемы сверхрегенеративных детекторных ступеней с самогашением приведены на рис.8. В трехточечной схеме рис.8а самогашение осуществляется при помощи сопротивления и емкости RсCс в цепи сетки. Для получения обратной связи используется часть Lо контурной катушки Lk.

Рис. 8

При определенном подборе емкости Сс (50-100 пФ) и сопротивления утечки Rс (3-5 МОм) в схеме возникает прерывистая генерация. Возбуждение собственных колебаний и самогашение их заметно облегчаются, если задать на сетку лампы постоянное положительное напряжение и взять максимально возможную сеточную связь Lо (рис.8б). Наивыгоднейший режим сверхрегенерации в таких схемах устанавливается изменением анодного напряжения и подбором RcCc.

Работа схем с самогашением при помощи гридлика недостаточно устойчива, так как частота прерывания здесь нестабильна. Лучшие результаты дают схемы с самогашением при помощи синусоидального переменного напряжения с частотой 20-30 кГц (рис.9).

Рис. 9

В схеме рис.9а лампа и контур L2C2 образуют схему генератора напряжения вспомагательной частоты Uв. Амплитуды этого напряжения здесь получаются достаточно большими, а частота определяется параметрами контура L2C2. Во время положительных полупериодов Uв лампа вводится в колебательный режим по высокой частоте и в контуре LC возникают вспышки собственных колебаний. Во время отрицательных полупериодов Uв общее напряжение в анодной цепи лампы падает до такой величины, что колебания в контуре срываются. В этой схеме сопротивление Rс и конденсатор Сс служат только для сеточного детектирования.

В сверхрегенераторе, собранном по схеме рис.9б, применен пентод (или экранированная лампа). Вспомагательное напряжение Uв подается с контура L2C2 в цепь экранирующей сетки, в которую включена катушка обратной связи Lo. Экранирующая сетка служит анодом генератора высокочастотных колебаний и одновременно является управляющей сеткой генератора вспомагательной частоты. Здесь режим сверхрегенерации можно регулировать изменением напряжения Uc2, подаваемого с потенциометра П в цепь экранирующей сетки.

Схемы с посторонним источником гасящего напряжения

Схемы с посторонним источником гасящего напряжения работают более стабильно и обеспечивают лучшее качество приема. В анодную цепь генерирующей детекторной ступени с лампой Л1 (рис.10) включена катушка L3, индуктивно связанная с контуром генератора вспомагательной частоты на лампе Л2. Вследствии этого напряжение на аноде Л1 изменяется соответственно изменением вспомагательного напряжения Uв. В остальном работа схемы аналогична схеме рис.9а.

Рис. 10

Сверхрегенераторы с посторонним источником гасящего напряжения могут работать в линейном или логарифмическом режиме. В линейном режиме, применяемом, как правило, в усилительных ступенях, период вспомагательной частоты Тв и рабочий режим выбираются так, чтобы возникающие собственные колебания срывались до того, как амплитуды переменной составляющей анодного тока лампы достигнут значения тока насыщения. При логарифмическом режиме собственные колебания в сверхрегенераторе продолжаются еще некоторое время после того, как анодный ток лампы достиг насыщения.

Установка того или иного режима определяется подбором отрицательного смещения на сетке лампы сверхрегенеративной ступени или напряжения на аноде. При большом отрицательном напряжении на сетке или при малом анодном напряжении импульсы анодного тока при действии переменного напряжения вспомагательной частоты будут кратковременными и высокочастотные колебания не успеют достигнуть тока насыщения - режим будет линейным (рис.11а).

Рис. 11

При малом напряжении постоянного смещения или при большом анодном напряжении импульсы анодного тока при положительных амплитудах вспомагательного напряжения будут длительными и собственные колебания будут существовать даже тогда, когда переменная составляющая анодного тока лампы достигнет значения тока насыщения. Этот режим называют логарифмическим (рис.11б).

В обоих режимах сверхрегенерации с посторонним источником гасящего напряжения приходящий сигнал ускоряет нарастание колебаний сверхрегенератора, однако характер изменения вспышек колебаний здесь разный. При работе в линейном режиме принятый сигнал управляет амплитудами вспышек, соответственно увеличивая или уменьшая их; в результате воспроизводится форма принимаемого сигнала (рис.12а).

Рис. 12

В логарифмическом режиме приходящий сигнал влияет на продолжительность каждой вспышки (рис.12б), что в конечном счете ведет к изменению среднего значения детектированного тока, который будет пропорционален амплитуде принимаемого сигнала; в результате этого и воспроизводится форма модулирующего напряжения. Амплитуда же вспышек остается неизменной.

В отношении усиления оба режима примерно равноценны, но по другим качественным показателям они различны. В линейном режиме зависимость выходного напряжения сверхрегенератора от амплитуды принимаемых сигналов (рис.13а) имеет линейный характер (отсюда и наименование "линейный режим"). Поэтому такой режим обеспечивает неискаженное усиление модулированных сигналов значительных амплитуд.

Рис. 13

Линейный режим очень критичен в регулировке. Небольшие изменения рабочего режима лампы вызывают резкие изменения чувствительности сверхрегенератора. Поэтому такой режим применяется очень редко (преимущественно в усилительных ступенях, где необходимая стабильность работы обеспечивается другими путями).

Чаще сверхрегенеративные ступени работают в логарифмическом режиме, когда зависимость выходного напряжения от напряжения сигнала имеет вид кривой, показанной на рис.13б. При такой форме кривой обеспечивается автоматическая регулировка усиления. Слабые сигналы модулированных колебаний (огибающая а, б, в, г, д) усиливаются гораздо лучше, чем сильные (огибающая АБВГД). В результате этого при слабых сигналах различной силы на выходе детектора получается примерно одно и то же напряжение U2. Однако это наблюдается только при глубине модуляции, не превышающей 50-60%. При более глубокой модуляции появляются искажения, и прием художественных передач делается невозможным.

Логарифмический режим называется потому, что выходное напряжение сверхрегенератора при этом режиме изменяется по логарифмической характеристике (рис.13б). Вследствие указанных особенностей своей выходной характеристики такой сверхрегенератор не чувствителен к кратковременным импульсным помехам, менее критичен в регулировке и более устойчив в работе. Выходная характеристика сверхрегенератора с самогашением гридликом тоже имеет логарифмический характер, поэтому он также не чувствителен к импульсным помехам и дает автоматическое регулирование усиления.

Применение сверхрегенератора

Основные достоинства сверхрегенератора - большое усиление, нечувствительность к импульсным помехам, простота устройства - определили преимущественное использование его в различного рода передвижках, а также в аппаратуре, где необходимо получить возможно большее усиление принятого сигнала при малом числе усилительных ступеней. Однако сверхрегенератор имеет и существенные недостатки, главные из которых:

Плохая избирательность.
Излучение энергии антенной цепью.
Значительные собственные шумы при отсутствии принимаемого сигнала или если последний очень слаб.
Искажение радиотелефонных передач при глубине модуляции, превыщающей 50-60% (для логарифмического режима).
Невозможность непосредственного приема радиотелеграфных сигналов незатухающих колебаний.

Большинство перечисленных недостатков в настоящее время можно устранить или значительно ослабить сочетанием сверхрегенеративного приема с другими современными способами радиоприема, например, супергетеродинным.

Плохая избирательность обычного сверхрегенератора объясняется наличием только одного настроенного на принимаемый сигнал контура и специфичностью протекающих в сверхрегенераторе процессов, так как его резонансная характеристика (рис.14) имеет несколько пиков, обусловленных сложными колебательными процессами. Последнее приводит к тому, что во время работы сверхрегенератор излучает целый спектр частот и создает помехи в сравнительно широком диапазоне.

Рис. 14

Применение контуров с большой добротностью, а также выбор возможно более низкой вспомагательной частоты позволяют получить удовлетворительные резонансные характеристики сверхрегенераторов, приближающиеся по форме к характеристике контура обычного регенеративного приемника.

Для улучшения избирательности и уменьшения излучения сверхрегенератора применяют схемы, в которых частота принятого сигнала преобразуется в более низкую (промежуточную) частоту, а сверхрегенеративный режим осуществляется в одной из ступеней усиления промежуточной частоты. Иногда применяют сверхрегенеративный детектор в супергетеродине (рис.15).

Рис. 15

Осуществление сверхрегенерации в ступени промежуточной частоты не только устраняет излучение и повышает избирательность, но и делает работу сверхрегенеративного детектора более стабильной, так как контур работает всегда на одной определенной частоте. Это позволяет установить линейный режим сверхрегенерации. В простейших схемах сверхрегенеративных приемников для ослабления собственного излучения и улучшения избирательности применяют слабую связь с антенной, контуры с большой добротностью и, наконец, что наиболее эффективно, включают до сверхрегенератора одну ступень усиления высокой частоты.

В заключение следует указать, что качество работы любой сверхрегенеративной схемы зависит от выбора частоты гашения fв. Установлено, что для обеспечения хорошего усиления сигнала частота гашения должна быть по крайней мере в 4-5 раз больше наивысшей частоты модудяции с тем, чтобы за один период модуляции произошло 4-5 вспышек собственных колебаний.

Чем выше вспомагательная частота, тем больше средняя мощность собственных колебаний, тем большее усиление дает сверхрегенерация и тем выше чувствительность приемника. Однако, как мы уже говорили, для сохранения удовлетворительной избирательности вспомагательную частоту нежелательно брать очень высокой. Поэтому считают, что fв не должна превышать 0,01 частоты принимаемых сигналов. Для хорошего воспроизведения концертных передач, считая, что наивысшая частота модуляции составляет не менее 8000 Гц, частота гашения должна быть:

fв = 5 х 8000 = 40000 Гц

Для приема же обычных любительских микрофонных передач или для коммерческой связи, где высшая частота модуляции может быть ограничена 3-4 кГц, частота гашения сверхрегенератора может быть:

fв = 5 (3000 - 4000) = 15-20 кГц

Условие же fв меньше или равно 0,01fв выполняется тем, что сверхрегенерацию применяют только на очень высоких частотах принимаемого сигнала, т.е. на УКВ (иногда на КВ). В самом деле, для обеспечения удовлетворительной избирательности должно быть соблюдено условие:

Fпр > 100 fв

Поэтому для приема концертных передач принимаемая частота должна быть не менее:

fпр = 100 х 40000 = 400 кГц

т.е. соответствовать волне не длиннее 75 м.

Особенно хорошие результаты дает сверхрегенеративный прием УКВ. На этих волнах за каждый период сверхрегенерации в контуре успевает возникнуть и развиться достаточно мощный колебательный процесс, что и обуславливает большое усиление. Особенности резонансной характеристики сверхрегенератора позволяют осуществлять прием передач как с амплитудной модуляцией АМ, так и с частотной ЧМ. Для приема частотно-модулированных передач надо лишь несколько расстроить приемный контур сверхрегенеративной ступени относительно несущей частоты сигнала, в результате чего частотно-модулированный сигнал будет пребразован в сигнал, модулированный по амплитуде.

На основании изложенного можно сделать вывод, что основное и, пожалуй, единственное назначение сверхрегенератора в радиолюбительской практике - это радиоприем на УКВ в тех случаях, когда необходим несложный компактный, высокочувствительный, экономичный радиоприемник. На СВ и ДВ сверхрегенератор не дает должного усиления и избирательности.

П. Голдованский. "Радио" №1/1952 год