ЧМ-радиопередатчик(100МГц) на МОП-транзисторе
Основные элементы
В любом электронном устройстве, как известно, можно выделить ряд отдельных узлов, каждый из которых выполняет свою определенную функцию. Например, такие функциональные части как усилители низких и высоких частот, различные фильтры, индикаторы, источники питания и др.
Одними из важнейших частей, определяющих основные параметры приемо-передающих средств, являются задающие высокочастотные (ВЧ) генераторы - автогенераторы. Эти узлы генерируют ВЧ-колебания, необходимые для работы данных устройств.
Если дополнить схемы генераторов соответствующими усилителями низкой частоты(УНЧ), то можно построить малогабаритные передатчики. Такие устройства вместе с микрофонами и источниками питания можно уместить в нескольких кубических сантиметрах. В усилителях низких частот передатчиков могут быть использованы различные схемы усилителей, как на транзисторах, так и на интегральных схемах. Обычно в качестве источников сигналов для передатчиков используются микрофоны (динамические, конденсаторные и т.д.).
В случае необходимости мощность передатчиков можно существенно увеличить, добавив к схемам усилители высоких частот (УВЧ).
В радиопередатчиках частота задающего генератора, как правило, является несущей. В сложных конструкциях иногда используется принцип умножения частоты, т.е. частота несущей в несколько раз выше частоты задающего генератора. Передача информации осуществляется амплитудной(AM – изменяется амплитуда) или частотной(ЧМ – изменяется частота) модуляцией несущей. После соответствующего усиления промодулированные ВЧ-колебания (ВЧ-сигнал) поступают в передающую (излучающую радиоволны) антенну.
В простейших передатчиках промодулированные с помощью достаточно простых цепей ВЧ-колебания, созданные задающим генератором, с его выхода сразу поступают в антенну. Часто это происходит с минимальным согласованием (или без согласования) с антенной. Поэтому параметры таких маломощных передатчиков в очень большой степени зависят от параметров задающего генератора - стабильности частоты, коэффициента гармоник, амплитуды ВЧ-колебаний, мощности генератора и т.д. Мощность простейших передатчиков сравнительно невысока, и дальность обычно ограничивается несколькими сотнями метров.
Схемы генераторов могут быть построены с использованием полевых транзисторов, что даёт хорошую работу на частотах сотен мегагерц. При этом могут быть использованы как полевые с каналом p-типа или n-типа, так и полевые транзисторы с изолированным затвором - МОП-транзисторы (например, КП305). В последнем случае схемы отличаются простой структурой и высокими характеристиками.
Рис.1. Примеры схем задающих генераторов на полевых транзисторах с изолированными затворами.
В схемах генераторов на рис.1 могут быть использованы, например, МОП-транзисторы 2П305, КП305Ж, КП305Е и др. В этом случае используются только элементы L1, C1. Использование подобных схем позволяет создавать миниатюрные радиопередатчики, обладающие отличными параметрами.
Простейшие схемы генераторов ВЧ
На рис.2 представлены примеры схем генераторов, построенных на основе полевых транзисторов с изолированным затвором - МОП-транзисторах.
Для обеспечения возможности ЧМ-модуляции схемы автогенераторов дополняются соответствующими электронными цепями, которые обычно создают на основе варикапов - диодов обладающих емкостью, изменяемой в соответствии с поданным напряжением. И так, под действием модулирующего сигнала, подаваемого на цепь ЧМ-модуляции с предыдущих каскадов усилителя низкой частоты, варикап меняет свою емкость (варикап имеет емкость, зависящую от напряжения на нём). Поскольку он входит в состав контура задающего генератора, в соответствии с изменением модулирующего сигнала происходит изменение частоты генератора, т.е. производится ЧМ-модуляция основной частоты.
Рис.2. Примеры схем задающих генераторов для радиопередатчиков: а - без цепи модуляции, б - с цепью ЧМ-модуляции.
Радиоэлементы для рассматриваемых ВЧ-генераторов
R1=360;
C1=20-30, C2=1н-3н, C3=10, C4=1н-10н, C5=10;
D1 - варикап Д901А.В, KB 102 и аналогичные;
T1 - КП305Ж, КП305Е;
L1 - бескаркасная катушка, внутренний диаметр - 6 мм, диаметр провода - 0.8 мм, 3+1 витка;
L2 - ВЧ-дроссель 40мкН -100мкН, например, ДО.1. В качестве ВЧ-дросселя можно использовать катушку с числом витков несколько десятков, например, намотать ее на резисторе с сопротивлением более 10К.
Схемы генераторов, построенных на основе полевого транзистора с изолированным затвором (МОП-транзистора), представленные на рис.2, в ходе экспериментов показали устойчивую работу на частоте 150 МГц (задача генерации более высоких частот не ставилась).
В приведенных схемах задающих генераторов на МОП-транзисторах можно использовать транзисторы, у которых при нулевом напряжении на затворе ток стока составляет несколько миллиампер, например, транзисторы КП305Ж, КП305Е и т.д. При незначительном усложнении схем можно применять МОП-транзисторы и с другими характеристиками (ток стока от напряжения на затворе), однако для нормальной и устойчивой работы следует применять транзисторы с граничными частотами, по крайней мере, в 2-3 раза выше рабочих частот данных генераторов. При соответствующем выборе высокочастотного транзистора, тщательного и продуманного монтажа генератора, схемы на рис.2 обеспечивают генерацию на сравнительно высоких частотах - до сотен мегагерц. Более высокие частоты в самодельных генераторах создать трудно.
Для высоких частот провод для катушки колебательного контура задающего генератора желательно использовать посеребренный (высокие частоты распространяются по поверхности проводника). Это повысит добротность катушки колебательного контура генератора, позволит упростить запуск генератора, повысить стабильность частоты, уменьшить размеры катушки и всего устройства.
Принцип работы.
Далее рассмотрены назначения радиоэлементов схемы на рис.2.б и некоторые процессы, происходящие при работе ВЧ генератора.
Гармонические ВЧ колебания генерируются в контуре катушки L1 и конденсатора C1. При появлении соответствующего потенциала на затворе полевого транзистора T1 отличного от потенциала стока, происходит открытие транзистора и внутри него начинает течь ток (как и вначале работы генератора). Тот ток далее проходит через часть катушки к земле, совпадая с её собственным инертно текущим током в данный момент, и тем самым приращивает энергию для колебаний контура. Полный путь этого тока, получается, по направлению от положительного потенциала источника питания через резистор R1, транзистор T1 и часть катушки к земле, по пути вызывая дополнительную индукцию в катушке, а значит и подзарядку в колебательном контуре. При обращении потенциала на затворе транзистора, он закрывается, уменьшая ток, и в контуре продолжается гармоническое колебание не встречающее сопротивления. Сила тока идущего через транзистор T1, очевидно, изменяется тоже гармонично и уверенно, поэтому требуемый выходной сигнал берётся на стоке транзистора.
Для колебаний, тем более высокочастотных, как известно конденсатор является проводником, а индуктивность сопротивлением. Для гашения распространения высокочастотного сигнала между истоком транзистора T1 и землёй ставится конденсатор C2. С той же целью гашения высокочастотного сигнала на входе ставится индуктивность L2, которая для постоянного тока останется проводником, а для низкочастотных сигналов несущественным сопротивлением.
Резистор R1 служит для задания напряжения на вход транзистору T1 до его рабочего значения. Впрочем, можно ещё уменьшать напряжение, если требуется меньшая мощность. Если напряжение невелико (несколько вольт), можно обойтись и без резистора. Конденсатор C4 укоротит ненужное распространение ВЧ-колебаний, защитит от резких скачков напряжения, что сглаживает уровень питания, и дополнительно сбережёт транзистор от статики.
Варикап D1 последовательно с конденсатором C5 параллельно подключаются к основному конденсатору колебательного контура C1. Так составлена полная ёмкость колебательного контура. Варикап соединён с дросселем, через который подаётся задающее напряжение, устанавливающее в нём базовую ёмкость. К тому же через дроссель подаётся низкочастотный сигнал, медленно изменяющийся относительно высокочастотного сигнала. Так комбинация ёмкости из варикапа D1, конденсатора C5 и конденсатора C1, зависит от значения напряжения на входе, и это определяет частоту колебаний контура, что образует частотную модуляцию. Ну а конденсатор C5 служит для исключения влияния входного напряжения на потенциал на затворе транзистора.
На вход данной схемы удобно подавать сигнал с маломощного усилителя НЧ к примеру с компьютера, плеера или какого-нибудь другого устройства, прямое подключение к микрофону не даст хорошего результата, ведь ток, возникающий в нём очень мал для влияния на ёмкость варикапа.
Выход можно подключать к любому куску провода, можно к усилителю ВЧ, можно вообще не выводить никуда. Согласование с выходом определяет потребляемую мощность генератора ВЧ и отдачу полезной мощности сигнала. В некоторой степени согласование решается конденсатором C3.
Кроме всего, заметно, что очень простой добавкой к схеме, изменяющей напряжение на резисторе R1, можно добиться амплитудной модуляции.
Простейший радиопередатчик
В качестве основы для построения схемы ЧМ-передатчика на рис.3 применены рассмотренные схемы генераторов ВЧ.
Схема передатчика отличается наличием цепи подачи дополнительного напряжения смещения на варикап, входящего в контур задающего генератора. Величина напряжения смещения устанавливается с помощью специального подстроечного резистора, и в соответствии с изменениями величины напряжения смещения изменится емкость варикапа и соответственно частота задающего генератора ЧМ-передатчика.
На открытом пространстве данный радиопередатчик обеспечивает дальность передачи 150-200 м, при длине передающей антенны 1 м(оптимально четверть длины волны) на частоте 74 МГц (верхняя граница отечественного диапазона) с использованием источника питания 9 В и чувствительности УКВ-приемника 10-15 мкВ. С антенной меньшей длины - дальность меньше. При антенне длиной в несколько сантиметров данное устройство обеспечивают устойчивую связь на расстоянии в несколько десятков метров.
Рис.3. Схема УКВ ЧМ-передатчика на одном полевом транзисторе с изолированным затвором, с электронной перестройкой частоты.
Радиоэлементы для радиопередатчика частот 65-108 МГц.
R1=360, R2=20K, R3=20K, R4=50K-100K;
C1=20-30, C2=1н-10н, C3=10-15, C4=1н-10н, C5=10, C6=0.2мкФ-1.0мкФ (неполярная емкость);
T1 - КП305Ж, КП305Е;
D1 - варикап Д901А.В, KB 102 и аналогичные;
L1 - бескаркасная катушка, внутренний диаметр - 6 мм, диаметр провода - 0.8 мм, 3+1 витка;
L2 - ВЧ-дроссель 40мкН -100мкН, например, ДО.1. В качестве ВЧ-дросселя можно использовать катушку с числом витков несколько десятков, например, намотать ее на резисторе с сопротивлением более 10К.
Настройка.
При отсутствии генерации подстроить (подобрать) R1, не превышая допустимого предела максимального тока транзистора - 15 мА, оптимальный ток стока должен составлять 12-14 мА. При этом токе обеспечивается максимальная мощность излучения, дальность передачи, стабильность частоты, минимальное влияние антенны. При уменьшении тока стока МОП-транзистора повышается экономичность, но ухудшаются перечисленные параметры. Чем меньше резистор, тем легче осуществляется генерация, но ток стока не должен превышать максимально допустимого значения для этих транзисторов. Не рекомендуется уменьшать ток стока менее 5 мА, иначе при подключении передающей антенны возможен не только значительный уход частоты, но даже срыв генерации. При токе стока менее 5 мА генерация иногда не осуществляется (не для всех вариантов контура L1C1 задающего генератора).
Частота устанавливается конденсатором С1 и подстройкой индуктивности катушки L1 колебательного контура, сжатием и/или растягиванием катушки или с помощью подстроенного сердечника. Не рекомендуется с целью увеличения глубины модуляции значительно увеличивать емкость конденсатора связи С5 варикапа с контуром. Это связано с тем, что добротность варикапов низкая, и увеличение емкости связи приведет к уменьшению добротности контуров и уменьшению выходного ВЧ-сигнала.
Монтаж.
В схеме рис.3, для удобства, можно вместо трёх резисторов R2, R3 и R4 поставить один подстроечный или переменный резистор R2, сопротивление, которого будет равно их общей сумме, т.е. 100К или несколько больше. Однако установка резистора в крайние положения исключает ввод НЧ сигнала для модуляции в колебательный контур. Если угодно, можно поставить и пару постоянных резисторов по 50К. Можно даже сделать набор резисторов для установки задающего напряжения, вынеся их отдельно от схемы.
Конденсатор C4 может быть как не полярный от 1н-10н, так и полярный от 4.7мкФ-20мкФ. Вообще конденсатор тут может быть сколь угодно большой ёмкости. Конденсатор C6 может быть только не полярный, но его тоже можно ставить большей ёмкостью, например, 20мкФ.
Проводники, соединяющие детали, должны иметь минимальную длину. Для повышения стабильности частоты целесообразно поместить задающий генератор или все устройство в экран. При этом частота генератора, возможно, несколько изменится (увеличится). Для обеспечения максимальной дальности длина антенны должна соответствовать четверти длины волны. Возможно использование антенны укороченной длины, но при этом уменьшается мощность и дальность.
Следует обратить внимание на то, что транзисторы с изолированными затворами (МОП-транзисторы) могут быть выведены из строя статическими зарядами. Поэтому при выполнении конструкций, имеющих в своем составе подобные радиоэлементы, необходимо принимать все доступные меры зашиты этих элементов от статического электричества. Рекомендуется использовать паяльник с заземленным жалом, применять браслеты, соединенные с заземляющей шиной, перед установкой МОП-транзистора в конструкцию следует временно соединить вместе все его выводы, устанавливать МОП-транзистор в последнюю очередь и т.д. В домашних условиях заземлять жало паяльника и браслет на кисти руки можно только при использовании трансформатора, обеспечивающего надежную гальваническую развязку с электрической сетью 220 В, иначе возможно поражение электрическим током.
Как видно из приведенной схемы УКВ ЧМ-передатчика на МОП-транзисторе, он чрезвычайно прост. Использование малогабаритных деталей: катушка L1 меньших размеров, малогабаритный ВЧ-дроссель L2 или катушка в 30-100 витков ПЭВ 0.07 мм на резисторе 0.125 или 0.25, отсутствие C4 при свежих элементах и т.д. позволяют уместить собственно сам передатчик в объеме 2-3 кубических сантиметров вместе с малогабаритным микрофоном.
На рис.4 приведён пример монтажной платы. Размещение деталей и соединительные входы соответствует схеме на рис.3. Далее изложены некоторые замечания относящиеся к ней.
Монтажная плата собирается на подготовленном одностороннем текстолите с готовыми отверстиями, расположенными матрицей и соединёнными медными дорожками параллельными рядами. Для подготовки платы нужно лишь разорвать дорожки в нескольких местах.
Катушка колебательного контура L1 ставится по собственному усмотрению, но в соответствии со схемой. Соответствие ножек транзистора T1 отверстиям на плате указано на рисунке платы. Варикап D1 ставится меткой к земле.
Рис.4. Вариант монтажной платы для однотранзисторного радиопередатчика.
Приложение
Расчет колебательного контура.
Индуктивность катушки:
L = μ0 · μ · N2 · S / l , где
μ0 = 4 · π · 10-7 Гн/м – магнитная постоянная;
μ – относительная магнитная проницаемость, для воздуха 1;
n = N / l – число витков на единицу длины;
V = S · l – объём катушки (S = π · R2).
Частота колебательного контура:
ν = 1 / (2 · π · (L · C)½) .
Длина радиоволны:
l = c / ν , где
с = 300 000 000 м/с - скорость света.
