Средневолновый радиовещательный АМ радиопередатчик малой мощности (школьный)

Сергей Комаров, UA3ALW
Радиостанция «Зеленый глаз»¹

Радиопередатчик предназначен для индивидуального радиовещания на несколько соседних кварталов города или на несколько близлежащих поселков в сельской местности (для покрытия вещанием территории компактного проживания учеников одной школы), и разработан в порядке реализации Рекомендаций круглого стола «Индивидуальное (любительское) радиовещание в России»², прошедшего 18 ноября 2009 года при поддержке Федерального Агентства по печати и массовым коммуникациям.

Часть 1. Параметры, структурная и принципиальная схемы

Параметры. Радиопередатчик выполнен на базе синтезатора С9-1449-1800³ и обеспечивает работу во всей его полосе частот. Передатчик обеспечивает выходную мощность около 10 Вт в режиме несущей, около 25 Вт на пиках модуляции и максимальную глубину модуляции до 80% при нелинейных искажениях не более 2%. Передатчик имеет в своем составе трансформирующее и согласующее устройства, позволяющие работать на комплексные нагрузки с активным сопротивлением от 18 до 300 Ω и реактивным в пределах ± 300 Ω. Полоса модулирующих частот 50 – 8000 Гц. Сигнал в эфире 16K0A3EGN. Уровень побочных излучений передатчика не превышает минус 60 дБ от уровня несущей и соответствует нормам по Решению ГКРЧ от 24 мая 2013 г. № 13-18-03 для радиовещательных передатчиков.

Передатчик предназначен для работы на проволочную (открытую) антенну, в виде наклонного или горизонтального многопроводного расходящегося веером луча, типа «Треххвостка», длиной 30 – 65 метров (считая от клеммы «Антенна» передатчика), поднятого своими дальними концами на высоту 25 – 40 метров. Для городских условий желательно дальние концы антенны поднять хотя бы на 10 – 12 метров выше среднего уровня застройки. В сельской местности желательно поднять дальний конец антенны на дерево высотой 20 – 25 метров или выше. При работе передатчика на такую (несимметричную) антенну к нему нужно обязательно подключать заземление и систему из нескольких (как минимум, - трех) Λ/4 противовесов активному полотну антенны. При использовании высокорасположенных протяженных проволочных антенн необходимо качественное заземление⁴, защищающее передатчик и вещателя от статического электричества и грозовых разрядов. При использовании указанных антенн и заземления передатчик обеспечивает дальность уверенного вещания в условиях городской застройки не менее 5 км, а в сельской местности не менее 10 км при приеме радиопередач на встроенные магнитные антенны вещательных радиоприемников. Возможна также работа передатчика на коаксиальную линию с волновым сопротивлением 50 – 150 Ом, однако, поскольку в этом случае требуется дополнительное перестраиваемое устройство согласования, расположенное у вынесенной на крышу точки питания антенны, серьезно усложняющее эксплуатацию передатчика и антенны, в данной (рекомендованной) конструкции коаксиальный разъем не предусмотрен.

Чувствительность модуляционного входа передатчика 0 дБ и регулируется в пределах 0,7 – 1,8 В эффективного значения. Входное сопротивление около 8 кΩ, и при желании может быть установлено 600 Ом включением параллельно каждому входу резистора МЛТ-0,5-680Ω ± 5%.

Настройка радиопередатчика на рабочую частоту, согласование с антенной и контроль глубины модуляции осуществляется по электронно-световому индикатору настройки. Питается передатчик от бытовой однофазной электросети 220 вольт 50 Гц, и потребляет мощность менее 50 Вт. Размеры шасси передатчика 330 х 150 х 100 мм.

Поскольку одной из главных целей Индивидуального радиовещания, как любительской деятельности, является увлечение, воспитание и начальное образование будущих специалистов в области радиотехники, радиосвязи и радиовещания, данное описание выполнено с объяснениями теоретических аспектов, и детальным изложением принципов работы устройства. Оно может быть использовано, как одно из пособий при подготовке к квалификационному экзамену по радиотехнике для начинающих и опытных индивидуальных радиовещателей.

Структурная схема (Рис. 1). Передатчик выполнен по двухфазной схеме, с импульсным суммированием мощности ключевых радиоламп выходного каскада, с анодно-экранной модуляцией (АЭМ) и содержит лишь одну выходную колебательную систему. Промежуточных каскадов передатчик не имеет. Предварительным каскадом передатчика является выходной транзисторный каскад синтезатора С9-1449-1800, также работающий в ключевом режиме.

Источник питания радиопередатчика обеспечивает следующие напряжения и токи: + 400 вольт при пиковом токе до 100 мА для питания анодных и экранных цепей выходного каскада; + 220 вольт при токе до 5 мА для питания экранной цепи модулятора и анодной цепи индикатора настройки; +50 вольт при токе 16 мА для питания выходных транзисторов синтезатора; +18 вольт при токе 160 мА для питания самого синтезатора; переменное 6,3 вольта, смещенное относительно общего провода на +50 вольт, при токе 1,3 А, для питания цепей накала радиоламп выходного каскада; переменное 6,3 вольта, смещенное относительно общего провода на +30 вольт при токе 0,6 А для питания цепей накала радиоламп УНЗЧ и индикатора настройки.

Модулятор передатчика для упрощения схемы и достижения высокой степени ее повторяемости в любительских условиях выполнен в виде последовательного электронного регулятора напряжения на мощном полевом транзисторе и не содержит традиционного для АЭМ модуляционного трансформатора. Он состоит из трех функциональных звеньев: сумматор стереоканалов сигнала модуляции, усилитель напряжения звуковой частоты (УНЗЧ) и сам регулятор анодного напряжения выходного каскада по закону модулирующего сигнала.

Синтезатор С9-1449-1800. Представляет собой законченный узел, обеспечивающий на своем выходе две последовательности мощных импульсов со скважностью 5 половинной частоты, сдвинутых относительно друг друга на полпериода, предназначенных для непосредственной поочередной коммутации цепей катодов ключевых радиоламп выходного каскада.

Ключевой выходной каскад. Выполнен на двух импульсных лучевых тетродах, включенных по схеме с общими сетками. Лампы работают поочередно (чем обеспечивается в два раза большая импульсная мощность), обеспечивая среднее значение импульса тока катода 270 мА.

Колебательный П-контур на выходе передатчика преобразует импульсные последователь-ности анодных токов радиоламп в синусоидальное напряжение несущей частоты.

Цепь согласования с антенной позволяет радиопередатчику работать на комплексное сопротивление антенны, обеспечивая при этом оптимальный режим работы выходного каскада. То есть, цепь согласования вместе с колебательным П-контуром трансформирует входное сопротивление антенны к анодной цепи радиоламп, обеспечивая им работу в граничном режиме.

Датчик тока антенны. Представляет собой единый конструктивный узел, собранный непосредственно на антенной клемме и включает в себя трансформатор тока и детектор. На своем выходе он обеспечивает постоянное напряжение отрицательной полярности, пропорциональное протекающему ВЧ току через винт антенной клеммы.

Индикатор настройки колебательного контура, цепи согласования с антенной и уровня модулирующего сигнала позволяет настраивать передатчик и в процессе работы оперативно наблюдать критичные параметры на экране лампы электронно-светового индикатора.

Принципиальную схему радиопередатчика (Рис. 2) рассмотрим покаскадно.

Источник питания. Выполнен на базе унифицированного силового трансформатора ТАН30-127/220-50. Этот трансформатор помимо сетевых имеет две обмотки по 80 вольт; две обмотки по 56 вольт, две обмотки по 24 вольта и две накальных обмотки 6,3 вольта. Выпрямители выполнены на двух диодных мостах КЦ405А или на аналогичных импортных.

Выпрямитель + 18 В для питания синтезатора радиочастот выполнен по двухполупериодной схеме на половине диодного моста и питается от двух 24-х вольтовых обмоток (выводы трансформатора 15 – 18). Напряжение выпрямителя +30 вольт снимается со средней точки обмоток (выводы 16 и 17) и подается на сглаживающий П-образный RC фильтр, состоящий из двух конденсаторов, емкостью 220 мкФ на рабочее напряжение 100 вольт и из двух резисторов МЛТ-2-110Ω ±5%, соединенных параллельно, на которых падают лишние 12 вольт. Один из этих резисторов можно заменить на вентилятор (на схеме показан пунктиром) с рабочим током 60 – 100 мА для лучшего охлаждения радиатора транзистора электронного регулятора напряжения.

С плюсового вывода этого же диодного моста снимается напряжение +60 вольт, для дальнейшего его суммирования с выпрямленными напряжениями второго диодного моста и, через гасящий резистор 470Ω, понижающий напряжение приблизительно до 50 вольт, – для питания цепей коллектора выходных транзисторов синтезатора.

Второй диодный мост, также, обеспечивает два выходных напряжения. Он подключен к двум парам обмоток трансформатора с напряжениями 80 + 56 = 136 вольт (выводы 7 – 14). С половины этого моста (двухполупериодный выпрямитель) снимается напряжение 170 вольт и в сумме с напряжением +60 вольт с первого моста обеспечивает напряжение +230 вольт, которое через сглаживающий фильтр на двух конденсаторах 47 мкФ на 450 вольт и резисторе МЛТ-1-2,7 кΩ±5%, обеспечивает получение питающего напряжения +220 вольт для цепи экранной сетки лампы УНЗЧ модулятора и анодного питания электронно-светового индикатора настройки.

С плюсового вывода второго моста снимается напряжение +340 вольт, которое в сумме с напряжением +60 вольт с выхода первого диодного моста, обеспечивает напряжение +400 вольт для питания анодной цепи передатчика. Сглаживающий фильтр в цепи высокого напряжения состоит из четырех конденсаторов 100 мкФ на 450 вольт (включенных по два последовательно для увеличения рабочего напряжения), четырех выравнивающих резисторов МЛТ-0,5-300кΩ±5% и унифицированного низкочастотного дросселя Д40-5-0,18.

На обе накальные обмотки через резисторы 150 кΩ поданы положительные потенциалы. Это сделано для того, чтобы паразитный диод, образующийся между нитью накала (катод диода) и катодом лампы (анод диода) был бы всегда заперт и переменный ток эмиссии нити накала не создавал бы в схеме фон переменного тока.

Модулятор. Поскольку современная звуковоспроизводящая и студийная аппаратура выполняется исключительно двухканальной (стерео), а АМ радиовещание на средних волнах одноканальное (моно), то необходимо на входе передатчика просуммировать оба канала в один. Эта функция выполняется с помощью двух резисторов по 3,9 кΩ. Одновременно, эти же сопротивления совместно с конденсатором 0,01 мкФ выполняют функцию фильтра нижних частот с частотой среза 8 кГц, чем ограничивается полоса модулирующих частот, чтобы передатчик занимал в эфире отведенную ему полосу в 16 кГц в соответствии с излучением 16K0A3EGN. Этот же конденсатор блокирует вход модулятора от наводок ВЧ колебаний с радиочастотной части передатчика. Выходной сигнал с аналогового сумматора поступает на потенциометр, регулирующий входной уровень сигнала модуляции усилителя напряжения звуковой частоты (УНЗЧ), выполненный на пентоде 6Ж3П по схеме с общим катодом. Резистор 160Ω в катодной цепи лампы обеспечивает автоматическое смещение рабочей точки на середину линейного участка при токе анода около 8,5 мА. Конденсаторы, электролитический 47 мкФ и пленочный 0,33 мкФ шунтируют резистор на нижних и верхних частотах модуляции. Резистор 2,2 кΩ в последовательной цепи потенциометра ограничивает диапазон регулировки чувствительности, не позволяя уменьшить до нуля сигнал модуляции, поскольку такой режим в радиовещательном передатчике не имеет смысла. Резистор 2,2 кΩ в цепи движка потенциометра – антипаразитный, он образует с входной емкостью лампы ФНЧ, предотвращающий возбуждение каскада на ВЧ.

Резистор 24 кΩ – убирает шуршание при перемещении движка потенциометра, а также в случае потери контакта в потенциометре, обеспечит работу передатчика с 25% глубиной модуляции. Резистор 24 кΩ в цепи экранной сетки 6Ж3П, при токе 2,9 мА гасит напряжение с выхода выпрямителя +220 вольт до рекомендованных +150 для типового режима радиолампы.

В аноде лампы 6Ж3П включено нагрузочное сопротивление 18,7 кΩ, образованное тремя резисторами МЛТ-2-56кΩ±5%, соединенными параллельно для увеличения допустимой рассеиваемой мощности, на котором на пиках модуляции развивается амплитуда модулирующего напряжения до ± 170 вольт. Коэффициент усиления каскада по напряжению около 95, чем, с учетом пик-фактора р = 3, обеспечивается чувствительность модулятора со входа около 0,4 вольта эффективного значения. Входной потенциометр «Уровень» вносит регулируемое затухание, что обеспечивает нормальную работу модулятора при входных сигналах от 0,7 до 1,8 вольта. В этот диапазон попадают два значения стандартных уровней сигнала: 0,775 вольта (0 дБ), принятый в студиях звукозаписи и 1,55 вольта (+6 дБ), принятый в советском радиовещании. Выходное напряжение УНЗЧ управляет мощным истоковым повторителем на полевом транзисторе CS2N60F с истока которого на выходной каскад передатчика подается постоянное анодное напряжение, меняющееся в такт с модуляцией от 40 до 380 В, что обеспечивает глубину модуляции до 80%. Между затвором и истоком полевого транзистора включен защитный стабилитрон КС210Б, ограничивающий амплитуду напряжения на уровне ± 10 вольт, что необходимо при переходных процессах. При нормальной работе транзистора его напряжение затвор-исток лежит в районе 3 В.

Выходной каскад работает в ключевом режиме класса F_inv со скважностью q = 5 близкой к оптимальной⁵ на двух лучевых тетродах 6П43П и управляется непосредственно выходными транзисторами синтезатора радиочастот С9-1449-1800. Резисторы по 1,2кΩ в цепях катодов обеспечивают подачу запирающего напряжения +50 В на катоды ламп в промежутках между импульсами. Управляющие сетки соединены с землей, а экранирующие заземлены по ВЧ через конденсаторы 2400 пФ, каждая. На экранирующие сетки ламп через два гасящих резистора МЛТ-2-8,2кΩ±5%, включенных параллельно, с модулятора подается постоянное напряжение 175 вольт (в режиме молчания) изменяющееся в такт с анодным напряжением при модуляции.

Аноды ламп выходного каскада соединены вместе и в эту точку подключен колебательный П-контур, образованный катушкой L₁, керамическими конденсаторами КТ-3 на 220 и 330 пФ, соединенными параллельно и одной секцией переменного конденсатора КПВ-2-12/495 пФ. Вторая секция КПЕ подстраивает по диапазону емкостной делитель напряжения, выполняющий роль выходного конденсатора П-контура и одновременно трансформирующей цепи согласования активной составляющей сопротивления нагрузки.

В анодной цепи передатчика применена параллельная схема подачи анодного напряжения через дроссель Др₂. Его «холодный» вывод заземлен по радиочастоте через блокировочный конденсатор КСО-7-1000В-3000пФ. Помимо радиочастотной фильтрации этот конденсатор совместно с выходным сопротивлением модулятора выполняют функцию фильтра нижних частот, ограничивающего полосу модулирующих частот передатчика значением 8 кГц. Из аналогичных расчетов выбраны емкости ВЧ блокировочных конденсаторов в цепи экранных сеток ламп выходного каскада, также выполняющие двойную функцию.

Цепь согласования с антенной состоит из шестиступенчатого емкостного делителя напряжения (выходная емкость П-контура), переключателя его «отводов» П₁, «Связь», второй секции переменного конденсатора КПВ-2-12/495 пФ. Цепь согласования позволяет подключать антенны с активной составляющей входного сопротивления от 18 до 300 Ω и с реактивной до ± 300 Ω. В случае использования антенн типа ПЧС (повесили что смогли) на выход П-контура подключается цепь компенсации реактивной составляющей. При удлиненной антенне относительно Λ/4 имеющей входное сопротивление индуктивного характера, для его компенсации использована гирлянда из одиннадцати последовательно соединенных конденсаторов с переключателем П₄ на 12 положений. При укороченных антеннах, с емкостной составляющей входного сопротивления, с помощью переключателя П₃ последовательно с гирляндой включается удлинительная катушка L₂ с заведомо большей индуктивностью и для ее компенсации используется подборная емкость гирлянды. Поскольку в выходной цепи П-контура и при компенсации реактивной составляющей антенны резонансы плавные (размытые), нет смысла использовать громоздкие и дорогостоящие переменные конденсаторы большой емкости (несколько тысяч пикофарад), а можно применить многопозиционные переключатели и наборы постоянных конденсаторов. Такое инженерное решение получается более рациональным.

Датчик тока антенны⁶. Непосредственно на клемме «Антенна» установлен трансформатор тока Тр₂. Его первичная «обмотка» представляет собой винт клеммы, проходящий сквозь ферритовое кольцо, на котором намотана вторичная обмотка, которая, в свою очередь, нагружена на активное сопротивление для выравнивания АЧХ и исключения паразитных резонансов, Далее радиочастотный сигнал выпрямляется однополупериодным диодным детектором, фильтруется конденсатором и по экранированному проводу поступает к индикатору настройки.

Индикатор настройки⁷. Поскольку в данном передатчике ключевой режим ламп выходного каскада выдерживаются достаточно жестко самой схемой (лампы либо открыты настежь, либо наглухо заперты – ток определяется сопротивлением нагрузки и регулировать по сути нечего), нет необходимости применять измерительные приборы. Настройку выходного контура передатчика и связи с антенной можно с успехом проводить по индикатору «больше – меньше». В его качестве используется вакуумный электронно-световой индикатор 6Е1П. Наличие подобного индикатора – это фирменная «фишка» в передатчиках разработки «Зеленого глаза» («Magic Eye»).

Далее, Часть 2

1. Радиовещательный позывной, зарегистрированный, как название средства массовой информации: Радиопрограмма «Зеленый глаз». Свидетельство о регистрации СМИ: Эл № ФС77-37059 от 6 августа 2009 г. Подробнее здесь: http://www.cqf.su/greeneye1.html
2. Полный текст Рекомендаций: http://www.cqf.su/stuff/confrec.html
3. С. Комаров, «Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты», «Радио» 2012, № 9, 10.
4. С. Комаров, «Устройство заземления для средневолновой передающей антенны Индивидуального радиовещания»: http://www.cqf.su/technics8-1.html
5. С. Комаров, А. Морозова «Исследование усилителя мощности радиочастотных колебаний с многофазным возбуждением» «T-Comm Телекоммуникации и транспорт» № 10-2014 (Том 8).
6. С. Комаров «Индикатор настройки передатчика на базе «зеленого глаза», «Радио» № … 2015 г.
7. С. Комаров «Зеленый глаз» - хорошо забытое старое», «Радио» № 8 2010 г. Оригинал статьи размещен на сайте автора: http://www.radiostation.ru/home/greeneye.html