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无线电电子与电气工程百科全书 超级发电机。 无线电电子电气工程百科全书
什么是超级再生器，它是如何工作的，它的优点和缺点是什么，可以在哪些业余无线电设计中使用？ 这篇文章就是专门讨论这些问题的。 超级再生器（也称为超级再生器）是一种非常特殊类型的放大或放大检测器装置，其非常简单，具有独特的特性，特别是高达 105 的电压增益。 . 106，即达到一百万！ 这意味着亚微伏输入信号可以放大到几分之一伏。 当然，以通常的方式在一级中获得这样的放大是不可能的，但是超级再生器中使用了一种完全不同的放大方法。 如果允许作者稍微深思熟虑的话，那么我们就不能非常严格地说超再生放大发生在其他物理坐标上。 传统的放大是在时间上连续进行的，并且放大器（四端）的输入和输出通常在空间上是分开的。 这不适用于两端放大器，例如再生器。 再生放大发生在施加输入信号的同一振荡电路中，但在时间上也是连续的。 超级再生器使用在特定时间点采集的输入信号样本进行工作。 然后，采样被及时放大，并且在一定时间后，甚至通常从与输入也连接的相同端子或插座获取放大的输出信号。 当放大过程正在进行时，超级再生器不响应输入信号，只有当所有放大过程完成时才进行下一个样本。 正是这种放大原理使得获得巨大的系数成为可能，输入和输出不需要解耦或屏蔽——毕竟输入和输出信号在时间上是分开的，因此它们不能相互作用。 超再生放大方法也有一个根本性的缺点。 根据科捷尔尼科夫-奈奎斯特定理，为了信号包络（调制频率）的不失真传输，采样频率必须至少是最高调制频率的两倍。 对于 AM 广播信号，最高调制频率为 10 kHz，FM 信号为 15 kHz，采样频率必须至少为 20 ... 30 kHz（我们不是在谈论立体声）。 在这种情况下，超级再生器的带宽几乎提高了一个数量级，即200...300 kHz。 在接收 AM 信号时，这一缺点无法消除，并且是超级再生器被更先进但更复杂的超外差接收器取代的主要原因之一，其中带宽等于最高调制频率的两倍。 尽管看起来很奇怪，但在 FM 中，所描述的缺点表现得要小得多。 FM 解调发生在超级再生器谐振曲线的斜率上 - FM 转换为 AM，然后进行检测。 在这种情况下，谐振曲线的宽度不应小于频率偏差的两倍（100...150 kHz），并且获得带宽与信号频谱宽度的更好匹配。 此前，超级蓄热器是在真空管上制成的，并在上世纪中叶得到广泛应用。 当时，VHF 频段上的广播电台很少，而且宽带宽并不被认为是一个特别的缺点，在某些情况下甚至有助于调谐和搜索稀有电台。 然后晶体管上的超级再生器出现了。 现在它们用于模型、防盗警报器的无线电控制系统，并且偶尔用于无线电接收器。 超级再生器电路与再生器电路差别不大：如果后者周期性地增加对生成阈值的反馈，然后减小它直到振荡失速，则获得超级再生器。 频率为 20 ... 50 kHz 的辅助阻尼振荡，周期性地改变反馈，要么从单独的发生器获得，要么发生在高频设备本身（具有自猝灭功能的超级再生器）中。 再生器-超级再生器的基本方案 为了更好地理解超级再生器中发生的过程，让我们转向图 1 所示的设备。 1，根据R2CXNUMX链的时间常数，它既可以是再生器，也可以是超级再生器。
该方案是经过大量实验而开发的，在作者看来，该方案在简单性、易于调整和获得的结果方面是最佳的。 晶体管VT1按振荡电路连接——电感式三点。 发电机电路由线圈L1和电容器C1组成，线圈抽头靠近基极。 因此，晶体管（集电极电路）的高输出电阻与较低的输入电阻（基极电路）相匹配。 晶体管的电源电路有些不寻常——其基极的恒定电压等于集电极电压。 晶体管，尤其是硅晶体管，可以很好地工作在这种模式下，因为它在基极电压（相对于发射极）约为 0,5 V 时打开，并且集电极-发射极饱和电压为 0,2，具体取决于晶体管的类型。 ... 0,4 .1 V。在该电路中，集电极和直流基极都连接到一根公共线上，并通过电阻器 RXNUMX 通过发射极电路供电。 在这种情况下，发射极的电压自动稳定在 0,5 V 的水平 - 晶体管的工作方式类似于具有指定稳定电压的齐纳二极管。 事实上，如果发射极电压下降，晶体管关闭，发射极电流减小，然后电阻器两端的压降减小，这将导致发射极电压升高。 如果它增加，晶体管将打开更多，并且电阻器两端增加的压降将补偿这种增加。 器件正确运行的唯一条件是电源电压应明显更高 - 1,2 V 或更高。 然后可以通过选择电阻器R1来设置晶体管电流。 考虑设备的高频运行。 来自线圈L1的较低匝（根据该方案）的电压施加到晶体管VT1的基极-发射极结并被其放大。 电容器C2是隔直电容器，对于高频电流它呈现低电阻。 集电极电路中的负载是电路的谐振电阻，由于上部线圈绕组的变形而有所减小。 放大时，晶体管反转信号的相位，然后由线圈L1的部分组成的变压器反转信号的相位 - 执行相位平衡。 并且通过晶体管的足够放大来获得自激所需的幅度的平衡。 后者取决于发射极电流，并且很容易通过改变电阻器R1的电阻来调整它，例如通过包括例如两个串联电阻器来代替它、常数和变量。 该器件具有许多优点，包括设计简单、易于安装和高效率：晶体管消耗的电流与充分信号放大所需的电流完全相同。 事实证明，接近生成阈值的过程非常顺利，而且调节发生在低频电路中，并且可以将调节器从电路中取出到方便的地方。 该调整对电路的调谐频率影响很小，因为晶体管的电源电压保持恒定（0,5V），因此电极间电容几乎不改变。 所描述的再生器能够提高从 LW 到 VHF 的任何波长范围内电路的品质因数，并且线圈 L1 不必是电路线圈 - 允许与另一个电路（电容器 C1）一起使用耦合线圈。在这种情况下不需要）。 可以将这样的线圈缠绕在DV-SV接收器的磁性天线的杆上，并且匝数应该仅为轮廓线圈匝数的10-20%，Q倍增器在双极晶体管比现场晶体管更便宜、更简单。 如果您使用耦合线圈或低容量电容器（高达皮法的几分之一）将天线连接到 L1C1 电路，则再生器也适用于 KB 范围。 低频信号取自晶体管 VT1 的发射极，并通过容量为 0,1 ... 0,5 微法的去耦电容器馈送到 AF 放大器。 当接收 AM 电台时，这种接收器提供 10 ... 30 μV 的灵敏度（反馈低于生成阈值），而当接收节拍电报电台时（反馈高于阈值）- 单位为微伏。 振荡的上升和下降过程 但回到超级再生器。 让电源电压在时间 t0 以脉冲的形式施加到所述器件，如图 2 所示。 XNUMX 在上面。 即使晶体管放大和反馈足以产生，电路中的振荡也不会立即发生，而是会在一段时间内呈指数增长τn。 根据同样的定律，关闭电源后振荡就会衰减，衰减时间记为τs。
一般来说，波动的上升和下降规律用公式 Ukont = U0exp(-rt/2L) 表示，其中 U0 是过程开始的电路中的电压； r为电路中的等效损耗电阻； L为其电感量； t - 当前时间。 在振荡下降的情况下，当 r = rp（电路本身的损耗电阻，图 3）时，一切都很简单。
随着振荡的增加，情况有所不同：晶体管将负电阻引入电路 - roc（反馈补偿损耗），总等效电阻变为负值。 指数中的负号消失，增长定律可写为： Ukont = Uсexp(rt/2L)，其中 r = rос - rп 从上式还可以求出振荡上升时间，假定增长从电路中的信号幅度Uc开始，一直持续到幅度U0，然后晶体管进入限幅模式，其增益减小，振荡振幅稳定：τн = (2L/r) log(U0/Uc)。 正如您所看到的，上升时间与环路中接收信号电平的倒数的对数成正比。 信号越大，上升时间越短。 如果以 20...50 kHz 的超化（淬灭）频率定期向超级再生器施加功率脉冲，则电路中将出现振荡闪光（图 4），其持续时间取决于信号幅度 - 上升时间越短，闪光持续时间越长。 如果检测到耀斑，输出将是与耀斑包络的平均值成比例的解调信号。
晶体管本身的增益可以很小（个位、十位），仅足以自激振荡，而整个超级再生器的增益等于解调输出信号的幅度与输入幅度的比率，非常大。 所描述的超级再生器的操作模式被称为非线性或对数，因为输出信号与输入的对数成比例。 这引入了一些非线性失真，但它也发挥了有用的作用 - 超级再生器对弱信号的敏感性更大，而对强信号的敏感性较小 - 在这里，可以说是自然的 AGC 运行。 为了描述的完整性，必须指出的是，如果供电脉冲的持续时间（参见图2）小于振荡的上升时间，则超级再生器的线性操作模式也是可能的。 后者将没有时间增长到最大幅度，并且晶体管将不会进入限制模式。 然后闪光幅度将与信号幅度成正比。 然而，这种模式是不稳定的——晶体管增益或等效电路电阻 r 的最轻微变化将导致闪光幅度急剧下降，从而导致超级再生器增益急剧下降，或者设备将进入非线性模式。 因此，超级再生器的线性模式很少使用。 还应该注意的是，绝对没有必要为了获得振荡闪光而切换电源电压。 同样成功的是，您可以将辅助超级电压施加到灯栅极、晶体管的基极或栅极，调制它们的增益，从而调制反馈。 阻尼振荡的矩形形状也不是最佳的，正弦形状是优选的，并且更好的是具有平缓上升和急剧下降的锯齿形状。 在后一个版本中，超级再生器平滑地接近振荡点，带宽有所变窄，并且由于再生而出现增益。 由此产生的波动起初缓慢增长，然后越来越快。 尽快获得波动的下降。 最广泛使用的是具有自动超化或自熄功能的超级再生器，其没有单独的辅助振荡发生器。 它们仅在非线性模式下工作。 自猝灭，换句话说，间歇性发电，在根据图 1 的方案制造的装置中很容易实现。 如图1所示，仅需要链R2CXNUMX的时间常数大于振荡的上升时间。 然后会发生以下情况：已经出现的振荡将导致通过晶体管的电流增加，但通过电容器 C2 的充电，振荡将维持一段时间。 当它用完时，发射极电压下降，晶体管关闭，振荡停止。 电容器 C2 将开始通过电阻器 R1 从电源相对缓慢地充电，直到晶体管打开并发生新的闪光。 超级再生器中的应力图 晶体管发射极和电路中电压的波形图如图4所示。 0,5 正如它们通常在宽带示波器屏幕上看到的那样。 0,4 和 XNUMX V 的电压电平的显示是有条件的 - 它们取决于所使用的晶体管的类型及其模式。 当外部信号进入电路时会发生什么，因为闪光的持续时间现在由电容器 C2 的电荷决定，因此是恒定的？ 随着信号的增长，与以前一样，振荡的上升时间减少，闪烁更加频繁。 如果它们由单独的检测器检测到，则平均信号电平将与输入信号的对数成比例增加。 但探测器的作用是由晶体管 VT1 本身成功完成的（见图 1）——发射极的平均电压电平随着信号的增加而下降。 最后，在没有信号的情况下会发生什么？ 一切都是一样的，只是每次闪光的振荡幅度的增加会从超级再生器电路中的随机噪声电压开始。 在这种情况下，闪光频率最小，但不稳定——重复周期变化混乱。 同时，超级再生器的放大倍数达到最大，电话或扬声器中会听到大量噪音。 当调谐到信号频率时，它急剧下降。 因此，超级再生器的灵敏度非常高，这取决于其工作原理——它是由内部噪声水平决定的。 [1,2] 中给出了有关超再生接收理论的更多信息。 带低压电源的 VHF FM 接收机 现在让我们考虑一下超级再生器的实用方案。 在文献中，尤其是古代文献中，有很多这样的例子。 一个有趣的例子：关于仅用一个晶体管制成的超级再生器的描述发表在《大众电子》杂志3年第1968期上，其简要翻译在[3]中给出。 相对较高的电源电压 (9 V) 在超级再生器电路中提供大幅度的振荡突发，从而提供大的放大。 该解决方案也有一个明显的缺点：超级再生器辐射强烈，因为天线通过耦合线圈直接连接到电路。 建议仅在自然界中远离人口稠密地区的地方打开此类接收器。 笔者在基本电路（见图1）的基础上开发了一个简单的低电压VHF调频接收机原理图，如图5所示。 1. 接收器中的天线是环形线圈 L1,5 本身，采用粗铜线（PEL 90 及更高）制成的单匝框架形式制成。 框架直径 1 毫米。 该电路通过可变电容器 (KPI) C1 调谐到信号频率。 由于从框架上抽头比较困难，晶体管VT2按电容三点电路连接——OS电压由电容分压器C3CXNUMX提供到发射极。 超化频率由电阻器R1-R3的总阻值和电容器C4的电容值决定。 如果减少到几百皮法，间歇发电就会停止，该设备就会成为再生接收器。 如果需要的话，可以安装一个开关，电容C4可以由两个组成，例如容量为470pF，0,047微法并联。 然后，根据接收条件，接收器可以在两种模式下使用。 再生模式提供更干净、更好的接收，噪音更少，但需要明显更高的场强。 反馈由可变电阻器 R2 调节，建议将其手柄（以及调谐旋钮）放在接收器外壳的前面板。 该接收器在超再生模式下的辐射衰减的原因如下：电路中振荡突发的幅度很小，约为十分之一伏特，并且小环形天线的辐射效率极低，具有传输方式效率低。 接收器的AF放大器为两级，由不同结构的晶体管VT2和VT3上的直耦电路组装而成。 输出晶体管的集电极电路包括电阻为2-4欧姆的TM-6、TM-67、TM-50或TK-200-NT型低电阻耳机（或一部电话）。 玩家的手机就可以了。
第一个 UZCH 晶体管基极所需的偏压不是由电源提供的，而是通过晶体管 VT4 发射极电路的电阻器 R1 提供的，如上所述，其中有大约 0,5 V 的稳定电压。 C5将AF的振荡传递到晶体管VT2的基极。 超声波变频器输入端的 30 ... 60 kHz 淬灭频率的纹波未被过滤，因此放大器的工作方式就像在脉冲模式下一样 - 输出晶体管完全关闭并打开至饱和。 手机无法再现闪光的超声波频率，但脉冲串包含音频成分，可以听到。 二极管VD1的作用是在脉冲结束时关闭电话的额外电流并关闭晶体管VT3，它可以切断电压浪涌，提高音质并略微增加声音再现的音量。 接收器采用电压为1,5V的原电池或电压为1,2V的圆盘电池供电。电流消耗不超过3mA，如有需要可通过选择电阻R4来设置。 设置接收器首先通过转动可变电阻器 R2 的旋钮来检查生成情况。 它可以通过电话中出现相当强的噪声来检测，或者通过观察示波器屏幕上以电容器 C4 上的电压形式出现的“锯齿状”现象来检测。 超级频率是通过改变其电容来选择的，它还取决于可变电阻R2滑块的位置。 应避免超级化频率与立体声副载波 31,25 kHz 或其二次谐波 62,5 kHz 的频率太接近，否则可能会听到干扰接收的节拍。 接下来，您需要通过更改环形天线的尺寸来设置接收器的调谐范围 - 直径的增加会降低调谐频率。 您不仅可以通过减小框架本身的直径来提高频率，还可以通过增加制成框架的金属丝的直径来提高频率。 一个好的解决方案是使用一根卷成环的同轴电缆的护套。 当框架由铜带或两根或三根直径为 1,5-2 毫米的平行线制成时，电感也会降低。 调谐范围相当广泛，其安装操作在没有仪器的情况下并不困难，重点关注正在收听的电台。 在 VHF-2（上）范围内，KT361 晶体管有时工作不稳定 - 然后将其替换为更高频率的晶体管，例如 KT363。 接收器的缺点是手触碰天线会对调谐频率产生明显影响。 然而，这也是天线直接连接到振荡电路的其他接收器的特征。 通过使用射频放大器可以消除这个缺点，就好像将超级再生器电路与天线“隔离”一样。 这种放大器的另一个有用目的是消除天线振荡闪光的辐射，这几乎完全消除了对相邻接收器的干扰。 RF增益应该很小，因为超级再生器的增益和灵敏度都很高。 根据共基极或共栅极电路的晶体管URF可以最好地满足这些要求。 再次回到国外的发展，我们提到场效应晶体管上带有URF的超级再生电路[4]。 经济型超再生接收器 为了达到极高的效率，作者开发了一种超再生无线电接收器（图6），它从0,5 V电池消耗的电流不到3 mA，如果放弃URF，电流会降至0,16 mA。 同时，灵敏度约为1μV。 来自天线的信号馈送到URF晶体管VT1的发射极，按照共基极电路连接。 由于其输入阻抗较低，并且考虑到电阻器 R1 的电阻，我们得到的接收器输入阻抗约为 75 欧姆，这允许使用外部天线，并减少 300 欧姆的同轴电缆或 VHF 带状电缆。 /75欧姆铁氧体变压器。 在距离广播电台超过 100 公里的地方可能会出现这种需求。 小容量电容C1作为初级HPF，衰减KB干扰。 在最佳接收条件下，任何替代线天线都是合适的。 RF 晶体管在等于基极电压（约 0,5V）的集电极电压下工作。这可以稳定模式并消除调整的需要。 集电极电路包括与环形线圈L1缠绕在同一框架上的耦合线圈L2。 线圈分别包含 3 匝 PELSHO 0,25 线和 5,75 匝 PEL 0,6 线。 框架直径为5,5毫米，线圈之间的距离为2毫米。 公共线的抽头从 L2 线圈的第二匝开始，从连接到 VT2 晶体管基极的输出开始计数。 为了便于调节，为框架配备一个带有由磁电介质或黄铜制成的 M2 螺纹的微调器是很有用的。 另一个使调谐更容易的选择是用微调器替换电容器 C4，电容从 3 pF 变化到 6 pF，或者从 25 pF 变化到 8 pF。 调谐电容器 C4 型 KPV，包含一个转子和两个定子板。 超再生级联按照已经描述的方案（见图1）组装在晶体管VT2上。 工作模式由调谐电阻R4选择，闪光频率（超强）取决于电容器C5的电容。 在级联的输出端，打开一个两链路低通滤波器R6C6R7C7，以衰减超声波变频器输入端的超高频振荡，从而使超声波变频器不会过载。
所使用的超再生级可提供较小的检测电压，并且正如实践所示，需要两个 AF 电压放大级。 在同一接收机中，UZCH晶体管工作在微电流模式（注意负载电阻阻值较高），其放大倍数较小，因此采用三级电压放大级（VT3-VT5晶体管），它们之间直接连接。 OOS 通过电阻器 R12、R13 覆盖级联，从而稳定其模式。 对于交流电，OOS 被电容器 C9 削弱。 电阻器 R14 允许您在一定限制内调整级联增益。 输出级按照互补锗晶体管VT6、VT7上的推挽射极跟随器的方案组装。 它们在无偏压的情况下工作，但不存在阶跃型失真，首先，由于锗半导体器件的阈值电压较低（硅器件为 0,15 V，而不是 0,5 V），其次，由于超化频率仍然会稍微透过低通滤波器进入超声波频率，并且可以说“模糊”了阶跃，就像录音机中的高频偏置一样。 要实现高接收器效率，需要使用电阻至少为 1 kOhm 的高阻抗耳机。 如果没有设定获得边际效率的任务，建议使用更强大的最终超声波变频器。 建立接收器从 UZCH 开始。 通过选择电阻器R13，晶体管VT6、VT7的基极电压被设置为等于电源电压的一半(1,5V)。 他们确信电阻R14滑块的任何位置都没有自激（最好使用示波器）。 将某种幅度不超过几毫伏的音频信号施加到超声波变频器的输入并确保在过载期间没有失真和限制的对称性是有用的。 通过连接超再生级联，通过调节电阻R4，耳机中出现噪声（输出端噪声电压幅值约为0,3V）。 值得一提的是，除了图中所示的那些之外，任何其他 p-n-p 结构的硅高频晶体管在 URF 和超再生级联中都可以很好地工作。 现在您已经可以尝试通过容量不大于1 pF的耦合电容器或使用耦合线圈将天线连接到电路来接收广播电台。 接下来，连接URF并通过改变线圈L2的电感和电容器C3的电容来调整接收频率的范围。 总之，应该指出的是，这种接收器由于其高效率和灵敏度，可用于对讲系统和防盗报警装置中。 不幸的是，超级再生器上的 FM 接收并不是最佳方式：谐振曲线斜率上的操作已经保证信噪比恶化 6 dB。 超级再生器的非线性模式也不太利于高质量接收，但音质却相当不错。 文学
作者：V.Polyakov，莫斯科
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