Детектор на трех транзисторах

Техника радиоприёма

Способ детектирования, примененный в описанных выше приемниках (см. Схема на трех транзисторах и Карманный приемник), хорошо себя зарекомендовал и навел на мысль о разработке более чувствительного амплитудного детектора для других конструкций. Известно, что диодные и транзисторные амплитудные детекторы, используемые в радиовещательных приемниках AM сигналов, обладают невысокой чувствительностью. Их коэффициент передачи быстро уменьшается при уровнях сигнала ниже 100 мВ. Связано это с квадратичностью характеристики при малых сигналах: амплитуда продетектированного сигнала пропорциональна квадрату амплитуды входного сигнала РЧ.

Гораздо большую чувствительность и больший динамический диапазон имеют активные детекторы, собранные на операционных усилителях (ОУ). Они получили некоторое распространение в измерительной технике, но так и не стали применяться в радиоприемниках, вероятно, из-за сложности, дороговизны и ограниченного частотного диапазона. Используя высокочастотный транзистор и диоды, удалось разработать амплитудный детектор с высокой чувствительностью, содержащий минимум деталей.

Схема детектора показана на рис. 4.17. Он представляет собой обычный резистивный усилительный каскад, в котором в цепи смещения базы транзистора VT1 вместо резистора установлен кремниевый диод VD1. Цепочка R2C2 фильтрует сигнал ЗЧ на выходе детектора от радиочастотных пульсаций. В отсутствие сигнала напряжение на коллекторе транзистора автоматически устанавливается около 1-1,1 В: оно равно сумме напряжений открывания диода и перехода база — эмиттер транзистора. Ток транзистора определяется напряжением питания и сопротивлением резистора нагрузки R1, I_o = (U_п — 1,1 В) / R1. При номинале резистора, указанном на схеме, и напряжении питания 3 В ток составляет около 0,5 мА, но его можно сделать и значительно меньше, увеличив сопротивление резистора.

Ток базы транзистора составляет не более нескольких микроампер, он протекает через диод в прямом направлении, устанавливая его на пороге открывания, на участке с максимальной кривизной вольтамперной характеристики, что и требуется для хорошего детектирования. Динамическое сопротивление диода составляет в этой точке десятки килоом — оно незначительно снижает усиление транзисторного каскада.

При поступлении на вход детектора AM сигнала положительные полуволны, выделяющиеся на нагрузке R1, выпрямляются диодом и увеличивают потенциал базы, открывая транзистор. Емкость разделительного конденсатора С1 должна быть значительно больше емкости обычных разделительных конденсаторов радиочастотных каскадов, чтобы он не успевал разряжаться током базы за период колебаний. Коллекторный ток открывающегося транзистора возрастает, а его коллекторное напряжение уменьшается. Максимумы положительных полуволн коллекторного напряжения оказываются как бы «привязанными» к уровню +1 В, в то время как огибающая отрицательных полуволн промодулирована удвоенной амплитудой напряжения ЗЧ. Осциллограмма коллекторного напряжения точно такая же, как на рис. 4.11.

Отфильтрованное цепочкой R2C2 среднее напряжение, соответствующее закону модуляции, поступает на выход. Его максимальный размах составляет 0,5 В, далее наступает ограничение. Параметры детектора таковы: при входном сигнале 3 мВ с глубиной модуляции 80% выходное напряжение ЗЧ составляет 180 мВ. Искажения огибающей визуально почти незаметны, к тому же они резко уменьшаются с понижением глубины модуляции. Входное сопротивление детектора невелико и составляет сотни ом, поэтому сигнал на него лучше подавать от эмиттерного (истокового) повторителя, но можно и от обычного апериодического каскада с резистором нагрузки не более 1-2 кОм. Выходное сопротивление детектора определяется суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2, поэтому желательно, чтобы входное сопротивление УЗЧ, подключенного к выходу детектора, составляло не менее 20 кОм.

Коэффициент передачи детектора и его выходное напряжение ЗЧ можно повысить вдвое, установив еще один диод, как показано на рис. 4.18. Резистор нагрузки детектора R2 присоединен к проводу питания, обеспечивая небольшой начальный ток через дополнительный диод VD2, чтобы вывести его на участок с максимальной кривизной характеристики. Этот диод выпрямляет отрицательные полуволны коллекторного напряжения, и потенциал верхней по схеме обкладки фильтрующего конденсатора С2 повторяет их огибающую.

Этот детектор вносит несколько большие нелинейные искажения, но развивает то же напряжение ЗЧ (180 мВ) при входном сигнале 1,5 мВ, а начинает детектировать при входных сигналах в сотни микровольт. Для сравнения была измерена чувствительность апериодического УРЧ (на том же транзисторе с тем же сопротивлением нагрузки 3,9 кОм), нагруженного на диодный детектор по схеме удвоения напряжения — она получилась втрое хуже, хотя схема получается сложнее и содержит больше элементов.

Постоянную составляющую продетектированного сигнала можно использовать в системе автоматической регулировки усиления (АРУ), учитывая, что в детекторе по схеме рис. 4.17 она изменяется по мере увеличения уровня сигнала от 1,1 до 0,55 В, а в детекторе по схеме на рис. 4.18 — от 1,65 до 0,55 В. Это позволяет управлять смещением кремниевых транзисторов УРЧ или УПЧ непосредственно с выхода детектора. При отсутствии сигнала смещение максимально, а при наличии сигнала уменьшается, снижая усиление каскадов. Дополнительная польза такого решения в том, что напряжение смещения будет мало зависеть от напряжения питания, поскольку детектор выступит в роли его стабилизатора.

Максимальная частота сигнала для обоих детекторов составляет около 3 МГц, поэтому их можно использовать в ДСВ приемниках прямого усиления и в супергетеродинах со стандартным значением ПЧ 450-470 кГц. Представляется интересным объединить этот детектор с описанным ранее истоковым повторителем для магнитной антенны, схема которого дана на рис. 4.6. Должен получиться довольно чувствительный приемник без усилителей напряжения РЧ.

Металлоискатель на 3 транзисторах

Простой металлоискатель на 3-х транзисторах способен обнаружить в грунте пятикопеечную монету на глубине около 2 см, а более крупные предметы — на глубине в несколько десятков сантиметров.

Металлоискатель состоит из двух генераторов ВЧ, собранных на транзисторах T2 и Т3, и детектора — усилителя на транзисторе Т1, Индикатором служат головные телефоны. В качестве колебательного контура L1C3 можно использовать любой из имеющихся в продаже контуров ПЧ (на 465 кГц) с отводом от части витков (например, от радиолы «Урал-57»). Можно использовать весь фильтр в сборе с экраном или же снять лишь броневой сердечник с катушкой и прикрепить его непосредственно к монтажной плате металлоискателя. Экранировать необязательно.

Обмотка катушки индуктивности L2 намотана проводом ПЭЛ 0,38 на деревянном или пластмассовом кольце диаметром 250 мм и содержит 31 виток (отвод от 10 витка сверху по схеме).

Рис.1. Принципиальная электрическая схема металлоискателя на 3 транзисторах.

Конденсатор С6 — керамический КПК-3. Можно взять конденсатор меньшей ёмкости, но тогда при налаживании придётся параллельно ему подключить конденсатор постоянной ёмкости. Конденсаторы С5 и С9 бумажные (например, МБМ, БМ). Остальные конденсаторы керамические или слюдяные. Резисторы могут быть любые, в том числе и УЛМ. Источником питания служит батарея для карманного фонаря (КВС-Л-0,5) Вместо транзисторов П13 можно применить П14-П16 с В около 30.

Когда катушка металлоискателя приближается к металлическому предмету, частота генератора на транзисторе Т3 изменяется. Частота другого генератора (Т2) остаётся прежней. В результате, частота биений, воспроизводимых телефоном, изменяется.

Кольцевой каркас катушки L2 прикреплён к деревянному бруску шириной 40 мм, толщиной 15 мм. Длина его выбирается такой, чтобы можно было не нагибаясь вести обследование поверхности грунта. Нижняя часть бруска имеет трапециевидный вырез, в который и помещена рамка металлоискателя с намотанной на ней катушкой L2. В вырез плотно вставляется деревянный клин, предварительно смазанный столярным клеем. Нужно обратить особое внимание, на то чтобы рамка была жестко фиксирована на бруске-держателе. В противном случае небольшие перемещения рамки относительно бруска будут приводить к дополнительному (ложному) изменению тона биений.

На расстоянии 200-300 мм от рамки на узкой стороне бруска-держателя крепится конденсатор С6. Монтажная плата прикреплена к другой боковой стороне, здесь же расположен и выключатель питания. Батарея питания помещена на нижней широкой стороне держателя. Ток, потребляемый от батареи, не превышает 4 мА.

Выводы, соединяющие рамку металлоискателя с монтажной платой, выполнены из того же провода, каким намотана рамка. Экранировать металлоискатель не нужно.

Если после сборки металлоискателя и его включения, вращением ротора конденсатора С6 не удаётся добиться того, чтобы в телефонах прослушивались биения, частота которых менялась бы по мере поворота ротора, то можно увеличить ёмкость конденсатора С7 до 200 пф. Если и после этого не слышно тона биений, следует закоротить конденсатор С7. Услышав тон биений, надо добиться того, чтобы появление тона соответствовало середине диапазона изменения ёмкости конденсатора С6, это достигается более тщательным подбором ёмкости конденсатора С7.

Металлоискателем следует пользоваться так: надеть головные телефоны и включить питание. Вращая ось конденсатора С6, следует, приближая рамку металлоискателя к поверхности грунта, добиться возникновения возможно более низкого тона биений. После этого рамку перемещают параллельно поверхности. При повышении частоты, рамку начинают медленно перемещать над тем местом, где наблюдается повышение частоты, чтобы более точно определить место расположения металла. При этом кратковременное повышение частоты чётко выделяется на фоне монотонного звука.

При поиске мелких предметов лучше водить рамкой не параллельно поверхности, а расположить её боковой поверхностью вплотную к земле.

Влажный грунт, в отличие от металла, понижает тон биений, поэтому при изменяющейся влажности грунта может возникать необходимость в регулировке ёмкости конденсатора С6 в процессе поиска.

Самодельный искатель скрытой проводки: виды, принцип работы, схемы

В процессе ремонтных работ нередко возникает необходимость определения трассы скрытой проводки. Отсутствие ее схемы несколько усложняет эту задачу. Как показывает практика, в 90% случаев у хозяев частного дома или квартиры таковой схемы не было изначально, или она была утеряна. Решить проблему поможет искатель проводки.

Так ищут скрытую проводку

Виды приборов и их принцип работы

Искатели проводки принято разделять по принципу действия, их четыре:

• электростатический;
• электромагнитный;
• детектор металлов;
• комбинированный.

Каждому из них присущи свои особенности, определяющие сферу использования.

Электростатические приборы

Искатели данного типа регистрируют наличие электромагнитного поля, исходящего от проводов, к которым подключено напряжение. Это довольно простой прибор, который несложно собрать своими руками (схема устройства будет приведена в заключительном разделе). Заметим, что практически все недорогие детекторы работают по этому принципу.

Детектор Е121

Особенности детекторов электростатического типа:

• учитывая, что прибор реагирует на электромагнитное излучение, для обнаружения проводки требуется, чтобы она не была обесточена;
• при работе с детектором необходимо подобрать оптимальный уровень чувствительности. Если он низкий, могут возникнуть сложности с обнаружением глубоко расположенной проводки, при максимальном уровне велика вероятность ложного срабатывания;
• сырые стены или наличие в них металлических конструкций делают поиск проводки практически невозможным.

Учитывая невысокую цену, простоту и эффективность (за исключением небольших ограничений), приборы с электростатическим принципом действия пользуются популярностью даже у профессиональных электриков.

Электромагнитные искатели

Этот тип сигнализаторов позволяет обнаружить исходящее от проводов электромагнитное возбуждение, если к ним подключена нагрузка. Точность и эффективность электромагнитных искателей проводки значительно выше, чем электростатических.

Электромагнитный сигнализатор

У этих приборов имеется характерная особенность, заключающаяся в том, что для гарантированного определения трассы проводки к ней необходимо подключить нагрузку, мощность которой не менее одного киловатта, что в большинстве случаев не вызывает сложности. Например, сделать это можно, подключив к соответствующей линии электросети электрический чайник (не забыв наполнить его водой).

Детекторы металла

В тех случаях, когда подключить напряжение к проводке или нагрузку к ней не представляется возможным, используют металлодетекторы. Принцип действия этих устройств построен на том, что металл, попадая в электромагнитное поле, вызывает в нем возмущения, которые фиксируются прибором.

Модель PMD 7 производства компании Bosch

К особенностям этого класса приборов следует отнести то, что они реагируют на любой металл, находящийся в стенах. То есть помимо проводки, детекторы будут срабатывать при обнаружении арматуры, шурупов, гвоздей и т.д.

Комбинированные искатели

Приборы данного вида представляют собой многофункциональные устройства – мультидетекторы. Они могут комбинировать несколько принципов поиска срытой в стене проводки, что существенно расширяет сферу применения и повышает эффективность.

В качестве примера можно привести модель TS-75, показанную на фотографии ниже. Это устройство соединяет в себе функции металлодетектора и электростатического искателя.

Фото: TS-75 – надежный и недорогой мультидетектор проводки

Стоимость приборов

Цена устройств напрямую зависит от следующих факторов:

• тип прибора;
• функциональность;
• назначение (для бытового или профессионального использования).

Стоит также учитывать, что «нонейм» устройства, изготовленные в Китае, будут стоить дешевле, чем надежные приборы известных брендов. Например, цена на металлодетектор начального уровня PMD-7, выпускаемый компанией Bosch — около $60, а китайский прибор MS8902B со схожими функциями стоит $16. Такой разброс цен обусловлен разницей в надежности и чувствительности.

Заметим, что самодельные искатели скрытой проводки по характеристикам нередко превосходят недорогие китайские приборы.

Искатель скрытой проводки своими руками

В этом разделе мы приведем в качестве примера несколько схем искателей проводки, собрать которые по силам даже начинающим радиолюбителям. Начнем с самого элементарного устройства.

Схема: простой детектор проводки на полевом транзисторе

Из деталей нам понадобится: полевой транзистор, подойдет КП303 или КП103 (буквенный индекс не имеет значения), телефонный динамик с сопротивлением от 1600 до 2200 Ом и омметр (используется в качестве индикатора).

Корпус транзистора играет роль антенны, им проводят по стене. Когда обнаружится проводка (она должна быть под напряжением), в динамике отобразится характерный звук на частоте 50 Гц, а стрелка индикатора отклонится.

К сожалению, чувствительность такого индикатора оставляет желать лучшего, поэтому рассмотрим более сложную схему.

Схема: искатель на трех транзисторах

Перечень необходимых радиоэлементов:

• транзисторы (подойдет любой индекс): Т1-КТ315, Т2-КП103, Т3-КТ361;
• светодиод HL–АЛ307Б или любой аналог;
• параметры сопротивлений: R1 – 2,2 кОм, R2 – 10,0 кОм, R3 – 470 Ом, R4 – 1,0 МОм;
• емкость С -10,0 мкФ 10 В.

В качестве антенны можно использовать соответствующей толщины медную проволоку длинной от 80 до 100 мм (чем больше длина, тем выше чувствительность)

В двух приведенных выше приборах не предусмотрена возможность регулировать чувствительность, что несколько осложнит поиск проводки. Ниже показана схема, где эта функция реализована.

Схема: искатель с регулируемой чувствительностью

Обозначение деталей на схеме:

• Т – КП103;
• HL – АЛ107БЛ (можно заменить аналогом);
• R1-2,0 кОм;
• R2 -2,0 кОм (может потребоваться подобрать его, чтобы добиться максимальной громкости);
• R3- 1,0 МОм;
• С1 -5,0 мкФ;
• С2 – 20,0 мкФ
• SP – динамик с сопротивлением от 30 до 60 Ом;
• L – содержит от 20 до 50 витков провода диаметром 0,3-0,5 мм на каркас 3 мм, допускается бескаркасное исполнение.

В завершении представим схему комбинированного прибора, в котором сочетаются функции металлодетектора и электростатического искателя.

Схема комбинированного искателя

Список радиокомпонентов:

• катушки для антенны А1: L1- 60 витков, L2 – 5 витков, диаметра провода от 0,12 до 0,16 мм, в качестве каркаса используется ферритовый стержень (600НН) Ø10мм, его длина должна быть в пределах 50-60 мм;
• Т1 – KT315 (буквенный индекс не имеет значения);
• D1, D2 – КР140УД1208;
• D3 –К561ЛЕ5;
• HL1, HL2 – КИПМОБ1Б-1К;
• VD1 – КД522;
• емкости: С1 и С4 – 0,1 мкФ, С2 – 1,0 мкФ, С3 – 0,022 мкФ, С5 – 0,033 мкФ, С6 – 1,5 мкФ;
• сопротивления: R1 и R19 – 1,0 кОм, R2 – 4,7 кОм, R3 – 15,0 кОм, R4 и R18 – 100,0 кОм,R5 – 47,0 кОм, R6 – 1,0 МОм, R7 – 130,0 кОм, R8 и R12 – 200,0 кОм, R9 – 36 кОм, R10 и R17 – 510 Ом, R11 – 2,0 кОм, R13 – 910,0 кОм, R14 – 160,0 кОм, R15 – 680,0 кОм.

Переключатель SW1 служит для переключения режимов работы мультидетектора между металлоискателем и электростатическим индикатором проводки. Если включен последний, то при приближении антенны А2 к месту, где проложен находящийся под напряжением провод, происходит включение светодиода (он начинает моргать с частотой 50 Гц).

В режиме работы металлодетектора, когда металлический предмет попадает под воздействие поля индуктивности антенны А1, начинает гореть HL1, а в пьезокерамическом излучателе SP раздается повторяющийся с периодом в 2 секунды звуковой сигнал с частотой 1 кГц.

Безусловно, представленные выше схемы далеки от совершенства, но их чувствительности вполне достаточно для бытового применения.

Модуляторы и детекторы на полевых транзисторах

В любительской связной аппаратуре в качестве DSB-модуляторов, детекторов SSB-сигнала можно использовать смесители перемножительного типа. Приемлемые для радиолюбительской практики параметры получаются в смесителях такого типа, выполненных всего на одном полевом транзисторе.

По сравнению с широко применяемыми балансными модуляторами и демодуляторами на диодах смесители перемножительного типа потребляют значительно меньшую мощность от гетеродина, не требуют тщательного подбора элементов, в них отсутствуют трансформаторы с симметричными обмотками.

Упрощенная схема смесителя перемножительного типа показана на рис.1. Нагрузка Rн (она должна иметь минимальное сопротивление на модулирующей частоте) подключена к источнику сигнала через ключ S, размыкающий цепь с частотой гетеродина. В идеальном случае, когда сопротивление ключа Rо активно, ток в нагрузке имеет форму импульсов, частота следования которых равна частоте гетеродина. Амплитуда импульсов пропорциональна мгновенному значению входного напряжения Uвх, а их полярность соответствует полярности Uвх.

В качестве ключа, как уже отмечалось, хорошо работает полевой транзистор. При небольших напряжениях между стоком и истоком его канал представляет собой сопротивление с почти линейной зависимостью тока от напряжения.

Принципиальные схемы модуляторов перемножительного типа на полевых транзисторах изображены на рис.2 и 3. Сигнал с гетеродина поступает на затворы транзисторов через конденсатор С3. Напряжение смещения на затворе устанавливается автоматически из-за выпрямляющего действия p-n-перехода (рис.2) или подается от отдельного источника (рис.3). Паразитная связь между нагрузкой и гетеродином возникает, практически, только через проходную емкость транзистора. Для нормальной работы модулятора выходное сопротивление источника модулирующего сигнала должно быть небольшим (не более 100&#160Ом). По входу модулирующего сигнала режим «короткого замыкания» для сигнала гетеродина обеспечивает конденсатор С2. Схема, приведенная на рис.3, иллюстрирует возможность реализации емкостной связи модулятора с нагрузкой (например, с электромеханическим фильтром).

Зная сопротивления нагрузки Rн и канала открытого полевого транзистора Rо, можно определить основные параметры преобразователя. Так, входное сопротивление модулятора равняется 2Rо+Rн. Максимальную крутизну преобразования Sпр (отношение амплитуды тока одной боковой частоты в цепи нагрузки к амплитуде напряжения модулирующего сигнала) можно рассчитать по формуле Sпр=1/(4Ro+2Rн) (здесь и далее крутизна преобразования исчисляется в мА/В, сопротивление — в кОм, частота — в МГц, емкость — в пФ, мощность — в мВт).

Сопротивление канала полевого транзистора и, следовательно, крутизна преобразования зависят от напряжения гетеродина (рис.4). По мере его увеличения от нуля до Uгет.опт она линейно растет до Sпр.max. При дальнейшем увеличении напряжения гетеродина крутизна преобразования не изменяется.

Мощность DSB-сигнала на выходе модулятора равна 2*Sпр 2 *Uвх.эфф*Rн. При оптимальном сопротивлении нагрузки, равном 2Rо, она достигает максимального значения. Следует отметить, что выходная мощность у модуляторов перемножительного типа больше, чем у диодных, и может достигать десятков милливатт (например, 20&#160мВт при использовании транзистора КП302В). При необходимости для увеличения мощности можно вместо одного полевого транзистора включать в модулятор несколько, параллельно.

Коэффициент подавления несущей, проникающей в цепь нагрузки через проходную емкость транзистора С₁₂, составляет не менее 150*Sпр/Fгет*C₁₂. Как видно из формулы, для глубокого подавления несущей следует выбирать полевые транзисторы с малой проходной емкостью и повышать крутизну преобразования (уменьшая сопротивление нагрузки). Для большего ослабления несущей (свыше 40. 45&#160дБ) два или четыре полевых транзистора можно включать в модулятор по балансной или кольцевой схеме. Но в этом случае уже потребуются симметрирующие трансформаторы.

Максимальная амплитуда модулирующего сигнала Uвх.max, подаваемого на модулятор, ограничивается нелинейностью характеристик транзистора. Ее значение для некоторых типов транзисторов, при которой асимметрия огибающей выходного DSB-сигнала не превышает 3% (ослабление несущей не менее чем на -30&#160дБ), указано в таблице. Диапазон входных напряжений расширяется в 1,5. 2&#160раза, если источник входного сигнала имеет высокое выходное сопротивление (не менее 20&#160Rо) на модулирующей частоте. Линейность модуляторов на МОП-транзисторах зависит от постоянного смещения на затворе и подложке, поэтому следует отдавать предпочтение полевым транзисторам с p-n-переходом.

В таблице приведены также значения оптимального напряжения гетеродина Uгет.опт и экспериментально определенные значения крутизны преобразования Sпр на частоте гетеродина 500&#160кГц и сопротивлении нагрузки 120&#160Ом. При исследовании модуляторов с МОП-транзисторами на затвор подавалось смещение -8&#160В, на подложку +10&#160В. Данные для микросборок относятся к одному из транзисторов, входящих в их состав.

Описанные модуляторы могут работать и на гармониках гетеродина. Характерные зависимости крутизны преобразования по второй гармонике гетеродина приведены на рис.5.

На основе смесителей перемножительного типа можно строить синхронные и фазовые детекторы, а также детекторы SSB. Они могут быть последовательного (рис.6) или параллельного (рис.7) типа. При работе на высокоомную нагрузку коэффициент передачи детекторов составляет 0,65. 0,8.

В детекторы на полевых транзисторах с p-n-переходом можно ввести германиевый диод V2, показанный на рис.6 и 7 пунктиром. Это целесообразно делать при входных сигналах менее 1&#160мВ. Германиевый диод имеет пороговое напряжение около 0,2&#160В и не позволяет открываться р-n-переходу кремниевого полевого транзистора. Это предотвращает проникновение помех, связанных с детектированием огибающей напряжения гетеродина на выход детектора. При включении диода диапазон входных напряжений детектора составляет от единиц микровольт до 0,3&#160В, без диода — от единиц милливольт до единиц вольт. Оптимальные напряжения гетеродина для детекторов те же, что и для модуляторов на аналогичных транзисторах.

Принципиальное сходство детекторов и модуляторов перемножительного типа позволяет строить на их основе реверсивные преобразовательные каскады.