В. А. Васильев приемники начинающего радиолюбителя

В.А.ВАСИЛЬЕВ

ПРИЕМНИКИ НАЧИНАЮЩЕГО РАДИОЛЮБИТЕЛЯ

Издательство «Радио и связь», 1984

ПРЕДИСЛОВИЕ

Радиолюбитель, приступающий к изучению основ радиоэлектроники, обычно теряется, не сразу находя, с чего начать свою деятельность по конструи­рованию радиоаппаратуры. Опыт свидетельствует, что путь в радиоэлектронику от простого к сложному хотя и не так скор, как хотелось бы, но зато дает прочные знания и навыки, которые в дальнейшем помогут не только собрать по готовым описаниям более сложные приемники, но и самостоятельно разработать и изготовить собственную конструкцию.

Нередко радиолюбители начинают свой творческий путь с изготовления про­стого приемника на транзисторах, как правило переносного. Но бывает так, что для выбранной конструкции, даже очень простой, не удается приобрести необхо­димые детали либо у радиолюбителя уже есть некоторые детали, но он не знает, по какой схеме можно собрать из них приемник. В этой книге учтены характер­ные особенности творчества радиолюбителей на первых порах. Описания конст­рукций составлены так, что в них отображены почти все возможные варианты комбинаций транзисторов широкого применения. Конструкции приемников опи­саны в определенной последовательности, причем основное внимание в каждом описании уделено особенностям конструкции в предположении, что читатель уже знаком с описанными ранее.

В книге четыре раздела. В первом читатель знакомится с принципом дейст­вия и взаимозаменяемостью основного усилительного прибора — транзистора и более сложного узла — интегральной микросхемы. Во втором разделе расска­зано об устройстве, изготовлении и налаживании простейших приемников пря­мого усиления. Для них требуется всего два или три транзистора и несколько других деталей, вполне доступных и недорогих. Правда, принимать сигналы ра­диостанций придется только на головные телефоны, но зато малые размеры, эко­номичность питания и доступность повторения делают эти конструкции полезны­ми для начинающего радиолюбителя.

О том, как сделать приемник громкоговорящим, вы прочтете в третьем раз­деле, где описано несколько усилителей низкой частоты различной выход­ной мощности (от 50 мВт до 2 Вт). Для тех, кто уже преодолел начальный этап творчества, будет интересен четвертый раздел, посвященный громкоговорящим приемникам прямого усиления со встроенным источником питания.

Описания всех конструкций содержат подробные принципиальные и монтаж­ные схемы. Все приемники, приведенные в книге, могут быть собраны из радио­деталей широкого применения, которые легко приобрести! в розничной торговле, либо по почте. Вопросами снабжения радиолюбителей деталями по почте ведают Центральная торговая база Посылторга, находящаяся по адресу: 111126, Москва, Е-126, Авиамоторная ул., 50, а также Межреспубликанская торговая база Цент­росоюза: 121471, Москва, Г-471, Рябиновая ул.„ 45. Перечень имеющихся на скла­дах деталей и узлов указан в проспектах, рассылаемых этими базами по поч­товым отделениям связи.

Отзывы об этой книге и замечания по конструкциям просим направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь»,-Массо­вая палиобиблиотека.

Автор

О ТРАНЗИСТОРАХ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРОВ

Активными элементами современного радиоприемника служат транзи­сторы. Их различают по назначению, параметрам! и внешнему виду. Начинающий радиолюбитель, приступающий к изготовлению своего первого приемника, дол­жен знать их особенности.

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний. Он представляет собой кри­сталл, помещенный в корпус, снабженный выводами. Кристалл изготовляют из полупроводникового материала. По своим электрическим свойствам полупровод­ники занимают некоторое промежуточное положение между проводниками и не­проводниками тока (изоляторами). Небольшой кристалл полупроводникового ма­териала (полупроводника) после соответствующей технологической обработки становится способным менять свою электропроводность в очень широких преде­лах при подведении к нему слабых электрических колебаний и постоянного на­пряжения смещения. Кристалл помещают в металлический или пластмассовый корпус и снабжают тремя выводами, жесткими или мягкими, присоединенными к соответствующим зонам кристалла. Металлический корпус иногда имеет собст­венный вывод, но чаща с корпусом соединяют один из трех электродов транзи­стора.

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполяр­ные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наиболь­шее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Поле­вые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярно­сти. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицатель­ные заряды переносятся электронами. В биполярном транзисторе используют кри­сталл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — : германиевыми. Для обоих разновидно­стей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появле­ние в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость). Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзи­стор. Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей за­ряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмит­тером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваи­вают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электри­ческое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмит­тером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относи­тельно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) долж­но быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряже­ния смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Рис. 1

На рис. 1 показаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры, выполненных на основе германия и кремния, и типовое напря­жение смещения. Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер — Э, база — Б, коллектор — К. Напряжение смещения (или, как при­нято говорить, режим) показано относительно эмиттера, но на практике напря­жение на электродах транзистора указывают относительно общего провода уст­ройства. Общим проводом в устройстве и на схеме называют провод, гальвани­чески соединенный с входом, выходом и часто с источником питания, т. е. общий для входа, выхода и источника питания.

Усилительные и другие свойства транзисторов характеризуются рядом элект­рических параметров, наиболее важные из которых рассмотрены ниже.

Статический коэффициент передачи тока базы h_21Э показывает, во .сколько раз ток коллектора биполярного транзистора больше тока его базы, вызвавшего этот ток. У большинства типов транзисторов численное значение этого коэффи­циента от экземпляра к экземпляру может изменяться от 20 до 200. Есть тран­зисторы и с меньшим значением — 10...15, и с большим — до 50...800 (такие на­зывают транзисторами со сверхусилением). Нередко считают, что хорошие резуль­таты можно получить только с транзисторами, имеющими большое значение h_21э. Однако практика показывает, что при умелом конструировании аппаратуры вполне можно обойтись транзисторами, имеющими h_2lЭ, равный всего 12...20. При­мером этого может служить большинство конструкций, описанных в этой книге.

Частотными свойствами транзистора учитывается тот факт, что транзистор способен усиливать электрические сигналы с частотой, не превышающей опреде­ленного для каждого транзистора предела. Частоту, на которой транзистор те­ряет свои усилительные свойства, называют предельной частотой усиления тран­зистора. Для того, чтобы транзистор мог обеспечить значительное усиление сиг­нала, необходимо, чтобы максимальная рабочая частота сигнала была по край­ней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты f_т транзистора. Например, для эффективного усиления сигналов низкой частоты (до 20 кГц) применяют низко­частотные транзисторы, предельная частота которых не менее 0,2...0,4 МГц. Для усиления сигналов радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазо­нов волн (частота сигнала не выше .1,6 МГц)| пригодны лишь высокочастотные транзисторы с предельной частотой не ниже 16...30 МГц.

Максимальная допустимая рассеиваемая мощность — это наибольшая мощ­ность, которую может рассеивать транзистор в течение длительного времени без опасности выхода из строя. В справочниках по транзисторам обычно указывают максимальную допустимую мощность коллектора Яктах, поскольку именно в цепи коллектор — эмиттер выделяется наибольшая мощность и действуют наибольшие ток и напряжение. Базовый и коллекторный токи, протекая по кристаллу транзи­стора, разогревают его. Германиевый кристалл может нормально работать при температуре не более 80, а кремниевый — не более 120°С. Тепло, которое выде­ляется в кристалле, отводится в окружающую, среду через корпус транзистора, а также и через дополнительный теплоотвод (радиатор), которым дополнитель­но снабжают транзисторы большой мощности.

В зависимости от назначения выпускают транзисторы малой, средней и большой мощности. Маломощные используют главным образом для усиления и преобразования слабых сигналов низкой и высокой частот, мощные — в оконеч­ных ступенях усиления и генерации электрических колебаний низкой и высокой частот. Усилительные возможности ступени на биполярном транзисторе зависят не только от того, какой он мощности, а сколько от того, какой конкретно вы­бран транзистор, в каком режиме работы по переменному и постоянному току он работает (в частности, каковы ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером), каково соотношение рабочей частоты сигнала и предельной часто­ты транзистора.

Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направлен­ным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется элект­рическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между Которыми протекает управляемый ток, иоСят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда. Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято назы­вать каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают транзисторы с n-каналом или р-каналом. В n-канальных ток канала обусловлен направленным движением электронов, а р-канальных — дырок. В связи с этой особенностью полевых тран­зисторов их иногда называют также униполярными. Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных.

Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом крем­ний, что связано с особенностями технологии их производства.

Рассмотрим основные параметры полевых транзисторов.

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение кру­тизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна ха­рактеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала. Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, до­стигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая эконо­мичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и! биполярного, харак­теризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10...20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого тран­зистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряже­ния смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряже­ния — конкретным типом транзистора. Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем сре­ди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так на­зываемым встроенным каналом и р-n переходом. Они неприхотливы в эксплуата­ции, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на сред­ней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии. Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1...2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

Рис. 2

На рис. 2 показаны условные обоз­начения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обо­значены в соответствии с первыми буквами названий электродов. Харак­терно, что для транзисторов с р-кана­лом напряжение на стоке относитель­но истока должно быть отрицатель­ным, а на затворе относительно исто­ка — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят так­же применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзи­сторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электриче­ская прочность изолированного затвора. Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, ко­торый всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте. По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Отечественная электронная промышленность выпускает большое число типов транзисторов различного назначения. Условное обозначение каждого типа состоит из нескольких букв и цифр согласно системе, принятой в 1964 г. и до­полненной в 1972 г. Первая буква обозначения указывает на материал кристалла транзистора: К — кремний, Г — германий; вторая — на вид прибора; Т — би­полярный транзистор, П — полевой. Далее следует трех- или четырехзначное число. Первая его цифра дает понятие о частотных и мощностных характеристи­ках транзистора в соответствии с табл. 1. Например, цифрой 1 обозначают низкочастотный транзистор малой мощности, 3 — транзистор высокочастотный ма­лой мощности и т. д. Последние цифры указывают порядковый! номер разработ­ки. В конце обозначения могут стоять одна или две буквы, свидетельствующие о технологических особенностях транзистора или обозначающие ту или иную груп­пу, обусловленную разбросом параметров.

Таблица 1

Классификация транзисторов выпуска после 1964 г.

Примечание. У транзисторов с четырехзначным числом в обозначении последние три цифры означают номер разработки.

В качестве примера расшифруем условное обозначение транзистора ГТ322А: германиевый биполярный транзистор высокой частоты малой мощности с номе­ром разработки 22, группа А. Другой пример. Транзистор КПЗОЗБ: кремниевый полевой транзистор высокой частоты малой мощности с номером разработки 03, группа Б. Таким образом, табл. 1 может быть использована при идентификации практически всех типов транзисторов, выпускаемых отечественной промышлен­ностью. Нужно отметить, что системы условных обозначений, принятые за рубе­жом (а их немало!), не позволяют так точно определить характеристики тран­зисторов, как система, принятая в СССР.

Кроме транзисторов, имеющих обозначение по действующей системе, еще вы­пускаются и находят применение транзисторы, обозначаемые по старой системе, действовавшей до 1964 г. Обозначение этих транзисторов начинается с буквы П, что означает плоскостной (конструктивная особенность), а далее следует цифро­вой индекс от однозначного до многозначного. Расшифровка цифровых индексов указана в табл. 2.

Таблица 2

Классификация транзисторов выпуска до 1964 г.

Примечание. Исключением могут являться транзисторы еще более раннего вы­пуска (например. П4 большой мощности).

Ряд транзисторов старых выпусков имеют в обозначении перед буквой П до­полнительную букву М, что условно означает транзистор с холодносварным кор­пусом, например МП42Б. Такие транзисторы имеют значительно большие сроки хранения (десятки лет) и службы (десятки тысяч часов работы), чем их пред­шественники с горячесварным корпусом. Кроме того, в обозначении некоторых приборов после цифрового индекса есть еще одна или две буквы, например П605АИ, обозначающие те или иные особенности прибора. Чаще всего это буквы Э — повышенная влагостойкость и И — улучшенные импульсные свойства.

Выпускаемые промышленностью транзисторы можно также различать по кон­струкции корпуса, форме и размещению выводов. Есть серии транзисторов, кото­рые выпускают в корпусе двух видов, например в пластмассовом и металличе­ском. На рис. 3 показаны цоколевки и упрощенные изображения корпуса со сто-рсны выводов наиболее широко применяемых в любительской практике биполяр­ных транзисторов малой мощности, а на рис. 4 — цоколевки полевых транзисторов малой мощности (буквенные индексы транзисторов на рис. 3 и 4 опущены).

ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ

В процессе изготовления, налаживания или ремонта транзисторной ап­паратуры нередко возникает необходимость замены одного транзистора другим. При этом может оказаться, что заменяемый транзистор уже давно снят с про­изводства или отсутствует в продаже.

Выйти из затруднительного положения можно, подобрав транзистор другого типа той же структуры с аналогичными или близкими параметрами. Обычно за­меняющий транзистор подбирают по справочникам по полупроводниковым при­борам. Как правило, это редкие книги, предназначенные для специалистов, да и разобраться в них радиолюбителю, особенно начинающему, не так легко.

В подобных случаях при изготовлении и ремонте описываемых в книге при­емников или другой аппаратуры с напряжением питания не более 10... 12 В для подборки взаимозаменяемых транзисторов можно пользоваться рекомендациями табл. 3. В ней транзисторы размещены по своему основному назначению, причем последовательность размещения в группах такова, что все последующие заменяют предыдущие. Возможна и обратная замена, когда предыдущий транзистор заме­няет последующий из той группы, но в этом случае качество работы ступени мо­жет ухудшиться. Транзисторы, снятые с производства, но когда-то широко при­менявшиеся в радиолюбительских конструкциях, а поэтому еще могущие встре­титься в употреблении, указаны в скобках.

При составлении табл. 3 было учтено, что усилительные возможности низ­кочастотных транзисторов, применяемых в усилителях НЧ, в основном определе­ны значением коэффициента Л₂1Э, поэтому транзисторы указаны в порядке воз­растания гарантированного значения этого коэффициента. Например, у транзи­сторов МП39 он значительно меньше, чем у МП41А или МП42Б, поэтому МП39 начинает группу, а МП42Б заканчивает ее. Высокочастотные транзисторы распо­ложены в группах в порядке возрастания предельной частоты, т. е. чем больше предельная частота транзисторов какой-либо серии, тем дальше отстоит она от начала группы. Это связано с тем, что на высоких частотах усиление транзистора тем больше, чем выше его предельная частота. Особенно заметна эта зависи­мость на частотах, близких к предельной. В качестве примера на рис. 5 изобра­жены результаты расчета коэффициента усиления мощности К_Р сигнала различ­ными транзисторами в зависимости от частоты сигнала f_c. Легко видеть, что низкочастотный транзистор МП41А уже в диапазоне ДВ резко снижает свое усиление, а на границе диапазона KB оно близко к единице. Высокочастотные транзисторы КТ301А и другие в диапазонах ДВ и СВ дают примерно одинако­вое усиление, но в диапазонах KB и особенно УКВ уже заметна разница.

Усиление, мощности сигнала указано на рис. 5 в относительных единицах (в разах) и децибелах. Децибел численно равен десяти десятичным логарифмам от усиления мощности в разах. Считается, что транзисторная ступень хорошо ис­пользует усилительные возможности транзистора,: если ее коэффициент усиления мощности находится в пределах 100... 1000, т. е. 20...30 дБ. Отдельные экземпляры транзисторов могут обеспечить усиление до 10000 раз (до! 40 дБ), но для этого требуется подборка транзисторов.

Как пользоваться табл. 3, покажем на примерах. Предположим, что в описа­нии приемника рекомендуется использовать транзистор П420, давно снятый с про­изводства и отсутствующий в продаже. П420 — высокочастотный транзистор ма­лой мощности, который может быть заменен на П422, П416, ГТ308 с различными буквенными индексами.