Приёмники выживальщика – PS: шарманка

Постфинальный выпуск. К теме цикла не относится – ибо не про приём и не про выживание. Потому и не номерной. Но имеет непосредственное отношение к материальной части из других выпусков. Ведь у нас есть лучшие аппараты для приёма длинных и средних волн. А для улучшения такого приёма есть внешние контурные антенны – покупные и самодельные. Всё это может недурно пригодиться в обстоятельствах и условиях Ч. А вне их будет бесславно пылиться – потому что в России длинноволновый диапазон мёртв, а средневолновый – мёртв практически. В нормальной мирной жизни днём на них можно принимать только городские помехи, а вечером и ночью – да практически тоже. Обидно: вещи-то хорошие – а валяются без дела. При этом в предыдущих выпусках было рассказано и показано, что внешние контурные антенны могут не только принимать – но и передавать радиосигнал. И возникает очевидная идея передать так собственный сигнал – чтобы старые советские приёмники зазвучали как во времена своей молодости. На языке старых радиолюбителей такой передатчик для локального радиовещания называется «шарманка». Вот, значит, шарманку и надо собрать. При этом важнейшее техническое требование – чтобы работала она на имеющуюся внешнюю контурную антенну, в том числе покупные Tecsun AN-100 и AN-200. Последнее подразумевает, что нельзя ничего разбирать и курочить, а нужно обойтись без каких-либо доделок и вообще не влезать в имеющуюся конструкцию.

Напомню, что внешняя контурная антенна подключается наружу через встроенную катушку связи двумя точками. Из этого и надо исходить, проектируя исходный генератор радиочастоты – что точек подключения к контуру две. Это само по себе закладывает определённую трудность, потому что расходится с классикой. Существует довольно много исторических так называемых трёхточек. Все они не подходят. На са́мом деле, я вообще не знаю, зачем все эти схемы нужны, после того как увидел ЕЁ. О, это идеал красоты и простоты. К ней пришли не сразу – я видел подходны́е формы. А когда пришли, я уверен, ошеломлённо чесали репы: «Что, так МОЖНО было?!». Да, можно было. Вот она:

Мало что я видел в этой жизни прекраснее. Если не считать сам контур, в генераторе всего три детали: два транзистора и резистор. Это эталон, совершенство. Не буду врать: когда я эту схему впервые увидел, то не смог сразу понять, как же она работает. Выглядит-то как будто знакомо: похоже на дифференциальный усилитель, но ничем не нагруженный и у которого выход заведён на вход. Пробовал найти объяснение в Интернете – но хрен там плавал. Пришлось ломать голову самому́. Получалось плохо, пока я не догадался нарисовать похожую схему, но с питанием через середину контурной катушки:


И всё сразу стало понятно. Если для пущей наглядности изобразить контур в виде компле́ксного сопротивления, получится такое:


Да это же качающееся коромысло. Чуть только в нём возникнет малейший ток, один из транзисторов приоткрывается, а второй призакрывается – причём таким образом, чтобы этот ток усилить. То есть действует положительная обратная связь. Процесс опрокидывания определяется параметрами контура. Когда контур доходит до крайней точки и начинает обратное движение, схема помогает ему опрокинуться в обратную сторону. И так без конца. Если теперь подачу питания вернуть обратно вправо, то это только сместит точку отсчёта, а сам процесс не затронет вообще.

Из-за предельной простоты схемы, рассчитать её очень легко. В смысле, рассчитать требуется один единственный резистор – и всё. Ну а далее у нас на повестке амплитудная модуляция. Нужно промодулировать наш радиочастотный сигнал сигналом звуковым. Амплитуда радиосигнала зависит от потребляемого схемой тока, а тот – от напряжения питания. Стало быть, напряжение питания и надо промодулировать. То есть добавить к напряжению нашей батарейки наш аудиосигнал. Через трансформатор – желательно, повышающий (лично я использовал выходной ТВ-207 от неисправной «Спидолы»). Итого, вот схема с номиналами:


Колебательный контур оказывается подключён не напрямую, а через катушку связи, но я ещё в прошлых выпусках объяснял, что это работает. Разумеется, заработало оно и теперь. Вот только обнаружился нюанс огромных размеров. От тока-то зависит не только амплитуда – но и частота. То есть модуляция радиосигнала у нас вышла не амплитудная, а амплитудно-частотная. На са́мом деле, для приёмника с амплитудной модуляцией это не особо значимо. Но в нашем случае именно частотный фактор оказался преобладающим. Настолько, что модуляцию можно считать чисто частотной – амплитудная там присутствует в следовых количествах. В итоге приёмник с частотной модуляцией нашу шарманку принимает как родную. А если на её частоту настроить приёмник с амплитудной модуляцией (а в этих диапазонах все приёмники – именно с амплитудной модуляцией), он будет играть почти тишину. Это потому, что при частотной модуляции боковые полосы приходят в противофазе и при амплитудном детектировании друг друга взаимно нейтрализуют. Звучит фатально – а на практике не только не фатально, но оборачивается существенными плюсами. Я ниже расскажу, как принимать частотную модуляцию на приёмник с амплитудной.

А пока желаю добавить, чем ещё наша шарманка, помимо модуляции, отличается от настоящей радиовещательной станции. На станции никто не модулирует непосредственно генератор. Он себе работает спокойненько на своей частоте, никто его не трогает (такой генератор называется задающим). Соответственно, его частота не меняется и частотная модуляция не возникает – и вообще никакой не возникает. И эту частоту ещё тщательно очищают от гармоник. Гармоники – это что такое? Когда у нас сигнал отличается от идеальной синусоиды (а при генерации это возникает неизбежно), то помимо основной частоты возникают кратные: двойная, тройная, четверная и т.д. То есть если у нас генератор выдаёт 200 кГц, то помимо нужной синусоиды возникают паразитные: на 400 кГц, на 600 кГц, на 800 кГц и т.д. И их вначале отфильтровывают. После этого чистую синусоиду уже подают на усилитель, в котором модулируется её амплитуда. В нашей же шарманке гармоники, разумеется, тоже есть – только их никто не отфильтровывает. И модулируется сам генератор – вместе со всеми гармониками. Это значит, что если мы ведём передачу на 200 кГц, то параллельно будет происходить такая же передача (правда, с меньшей мощностью) на 400 кГц, на 600 кГц и т.д. То есть ДВ-шную передачу можно принимать и на гармонике в СВ-шном диапазоне. Далее. В настоящем радиовещании на радиостанцию выделяется полоса в 9 кГц. В эту полосу в центр укладывается несущая частота, справа от неё – передаваемый аудиосигнал, слева от неё – такой же сигнал, но зеркально отражённый от несущей. Это значит, что на аудиосигнал нам отводится полоса максимум 4,5 кГц, а на практике – 4 кГц. Поэтому перед модуляцией аудиосигнал обрезается сверху фильтром нижних частот. Если бы этого не делалось, передавалась бы полоса шире разрешённых 9 кГц, и наша радиовещательная станция залезла бы на соседние каналы и там бы им мешала. Поэтому в технических паспортах старых радиоприёмников максимальная воспроизводимая частота звуковых сигналов всегда указывалась не выше 4000 Гц. Усилители звуковой частоты в них спокойно могут воспроизводить гораздо больше – но на них столько просто никогда не подаётся в принципе. Наша шарманка, разумеется, спектр аудиосигнала сверху не обрезает – передаёт его в модуляцию весь как есть.

Теперь как работает приёмник? Он из всего радиочастотного спектра вырезает полосу фиксированной ширины, усиливает и детектирует амплитудным или частотным детектором. В нашем случае ширина полосы = 9 кГц, детектор – амплитудный. Если мы настроим приёмник точно на частоту нашей шарманки, то это будет выглядеть вот так:


Как было объяснено выше, боковые полосы при частотной модуляции приходят в противофазе и при амплитудном детектировании взаимно уничтожаются. В результате получается тишина. Но это при точной настройке. Если же мы теперь настройку слега собьём, то получится вот такое:


Как видим, из-за того, что полоса приёмника спектр сигнала в этот раз вырезает не симметрично, теперь уничтожается лишь часть звукового сигнала – конкретно, нижние частоты. Часть верхних воспроизводится, часть – срезается полосой приёмника. То есть сигнал становится слышен – но с больши́ми потерями. И тут становится понятно, что для наилучшего воспроизведения настроить нужно так:


При этом замечу, что для амплитудного детектирования несущая крайне важна. Поэтому если мы переборщим со сдвигом и она выскочит за полосу приёмника, вот так:


то сигнал сразу перестаёт детектироваться, вместо звукового сигнала воспроизводятся беспорядочные хрипы и вой.

В общем, чтобы принимать нашу шарманку на классический приёмник, настроить его требуется не точно на частоту, а примерно на 4 кГц ниже или выше. При этом, как видим, нужна больша́я точность настройки. Вот когда мы принимаем амплитудную модуляцию на приёмник с амплитудной модуляцией или частотную модуляцию на приёмник с частотной, настройка такой строгости не требует: настроились чётко на станцию – и слышно хорошо, настроились неточно – слышно потише. То есть от точности настройки зависит громкость сигнала, его сила – но не качество. В нашем же случае допустимая погрешность гораздо меньше – потому что сказывается именно на качестве сигнала, приводит к искажениям. Это, конечно, неудобно. Хорошая же новость состоит в том, что при таком приёме звук у нас становится на всю полосу приёмника: 8 кГц, а не 4. И оно всё воспроизводится чётенько – ведь шарманка, в отличие от радиовещательных станций, звук сверху не обрезает. Вы не думайте, это не только теория – уж конечно я проверил. Подал на шарманку тон 8 кГц – и в советском приёмнике его услышал в первозданном виде. Подавал и 9 – тоже было слышно, но уже тихо. 10 уже было не слыхать – столько просто уже не влезает в полосу, сами понимаете. Всё сказанное значит, что с шарманкой любой советский приёмник зазвучит с гораздо более высоким качеством, чем во времена своей лучшей молодости. Вот так-то! И чтобы наглядно проиллюстрировать всё сказанное – что там с нашей шарманкой происходит, запилил вот такой ролик – ровно две минуты:


Показанная схема рассчитана под напряжение питания в 5 вольт и под максимальную мощность. В таком виде она довольно жручая – потребляет почти 100 мА. При этом основная потребляемая мощность рассеивается в виде тепла на резисторе R1. Это довольно много – это почти полватта. Греется он чувствительно, поэтому данный резистор я поставил с запасом – номинальной мощностью 1 Вт. Так он хоть разогревается не совсем до горячего. При этом в радиопередачу уходит мощность ≤ 50 мВт. То есть КПД нашей шарманки получился около 10%. Небольшой – но считайте это платой за простоту. КПД увеличивается при уменьшении напряжения питания. Правда, тогда и мощность уменьшается – но её можно увеличивать, уменьшая R1. Конструкция спокойно работает хоть от одной пальчиковой батарейки на 1,5 В. И от одного никель-металлогидридного аккумулятора на 1,2 В. Сигнал добивает от угла до угла в большой квартире через две стенки – хотя и совсем уже плохо. В радиусе 3-ёх метров принимается очень хорошо, внешние помехи почти не сказываются. В радиусе 1,5 м не сказываются совсем, приём чистейший.

Для понимающих. Теоретически наши транзисторы могут раскачать контур до такой степени, что напряжения на нём хватит для открытия коллекторных переходов в прямом направлении. То есть транзисторы будут заходить в режим отсечки и так стравливать избыток энергии в контуре, не давая ему раскачаться сильнее. Я пробовал ставить транзисторы с более высоким напряжением отсечки. Пробовал даже подключать антенну через диоды – чтобы в прямом направлении ток через коллекторные переходы течь не мог. Разницы не заметил. Может быть, она бы и сказалась, если подключать контур напрямую, а не через катушку связи 1:10, как в моём случае, не знаю. Но в моём случае я разницы не увидел. Потому и не указывал серию транзисторов. Она может быть хоть А, хоть Б, хоть Г (мой случай), хоть Е (тоже мой случай, напряжение отсечки вдвое выше) – пофиг.

Когда я эту шарманку только собрал, то несколько дней с ней экспериментировал, проверяя, как оно работает на разных антеннах и разных частотах, с разным напряжением питания и на разных уровнях мощности, в разное время суток и в разные дни недели (от этого зависит уровень помех). Резистор R1 я ставил вплоть до 20-ти килоом – и всё прекрасно работало. Потребляемый ток при этом становится микроскопическим (меньше 1 мА), мощность радиовещания тоже (порядка 0,1 мВт). Но её вполне хватает, чтобы ловить с маленьких антенн в непосредственной близости. А вот больша́я антенна даже с этой микроскопической мощностью ловилась точно так же хорошо по всей квартире. Что показывает нам, что при такой огромной длине волны (2 км) играет роль далеко не столько мощность передатчика, сколько размер антенны (ВНЕЗАПНО!). Проверять больше я уж заленился, но не сомневаюсь, что всё будет работать и при 100 кОм. И при 1 МОм, вероятно, будет тоже. Но это уже жадность (которая имеет свои отрицательные эффекты, кстати).

Чтобы упаковать всё в пользовательский вид, я добавил пару регулировочных элементов и фильтр очистки питания. Вот итоговая схема:


Резистор «Мощность» я поставил на 1 кОм. Можно было больше – для пущей экономии. Но это уже жадность, при этом регулировка малых значений сопротивления (то есть где это наиболее существенно) кардинально теряет точность. По последней причине я бы поставил 500 Ом – но под рукой не оказалось нужного типоразмера. Регулятор «Громкость» действительно регулирует громкость – но поставлен не столько для этого. Громкость можно регулировать и на приёмнике. А наш регулятор регулирует – правильно, глубину модуляции. Которая непосредственно сказывается в виде громкости. Тогда, спрашивается, нахрена?! Объясняю. При частотной модуляции ширина полосы передаваемого сигнала зависит от глубины модуляции. Глубина модуляции есть некий процент от несущей частоты, но при этом полоса приёмника всегда постоянна – 9 кГц. Это значит, что когда мы передаём на 200 кГц с полосой 4 кГц, то при передаче на 1000 кГц (или же на пятой гармонике) полоса получится уже 20 кГц и приёмник будет её обреза́ть, что приведёт к искажениям. Это, кстати, видно в ролике выше, когда при приёме на четвёртой гармонике появились хрипы и трески. В таком случае нужно просто убавить глубину модуляции. Это, конечно, можно сделать, убавив громкость на источнике звука – но не везде и не всегда сие доступно. К тому же при цифровой регулировке даже минимальный уровень может оказаться слишком больши́м. Плюс если источник звука маломощный и от низкоомной нагрузки ему плохеет – можно добавить омов нашим регулятором, понизив громкость.

В общем, вот исходный набор деталей:


А вот готовое изделие:


Можно через неё пускать хоть что. Хоть современное радио ФМ:


Лично я теперь ФМ слушаю почти только так – через ДВ. То ли чтобы оживить классные аппараты. То ли это кайф от того, что сделал своими руками и головой. А вообще как-то теплее становится на душе от этого винтажного ДВ-шного звучания из детства. Хотя вру я – не совсем оно то из детства. Как я рассказал выше, из шарманки старый приёмник звучит с бо́льшим качеством. Но всё равно винтажно. Так можно вывести звук с Вашего смартфона на бабушкину ламповую радиолу, не залезая этой радиоле внутрь. И звучать она будет лучше, чем во времена своей молодости. Забавный же аттракцион, если подумать