Высокая чувствительность приемника, простыми методами

Высокая чувствительность приемника, простыми методами

Повышение чувствительности радиоприёмников.

Автор: Юрий Зотов aka Elvis
Опубликовано 05.06.2008

Всё началось с того, что коллега по работе, устроив дома ремонт, решила избавиться от ставших ей не нужных вещей. Среди кандидатов на выброс оказалась магнитола «National RX-C39F» (одно из подразделений «Matsushita», известное в дальнейшем, как «Panasonic»), купленная в рассвет «застоя», в гремевшем на всей страну, магазине «Берёзка». Аппарат был в идеальном состоянии, ну разве что, облеплен вкладышами от жевательных резинок. У меня сжалось сердце, от того, что мечта многих граждан времен моей юности, вот так, бесславно исчезнет в мусорном баке:
Принеся домой, первым делом я отмыл аппарат от наклеек; в результате вот что получилось:

Собственно меня, в большей степени, интересовал встроенный УКВ — тюнер магнитолы. Я живу на границе уверенного приёма, и часть радиостанций, хорошо ловившихся в областном центре, у меня принимались не устойчиво. Правда и пользовался я магнитолкой, прямо скажем, с посредственным тюнером, построенным на одной из недорогих специализированных микросхем (не помню какой).
Поэтому на этот аппарат возлагались определённые надежды, которые, впрочем, в основном оправдались. Магнитола, действительно, ловила гораздо больше станций, но при приёме некоторых были повышенные шумы при приёме в стерео режиме. В результате, после анализа прилагавшейся схемы было принято решение повысить чувствительность тюнера.
УКВ-тюнер магнитолы не имеет каких либо особенностей, однако построен по вполне качественной схеме. Усиление и выделение сигнала ПЧ возложено на специализированную микросхему производства «Toshiba» TA7358. Это позволило улучшить чувствительность и избирательность, по сравнению с тюнерами, построенными по принципу «всё в одном» (например, как в широко распространённой микросхемы CXA1238S). Далее, сигнал поступает на однокаскадный усилитель ПЧ, выполненный на транзисторе Q1, полосовой фильтр CF (10,7мГц) и на микросхему DA2 (AN7220). Последняя микросхема, помимо обработки ПЧ-ЧМ, включает в себя полный АМ-тракт. На ней построен средне-коротковолновый тракт магнитолы.

На рисунке 2 показан участок схемы с усилителем промежуточной частоты тракта ЧМ (выделен красным прямоугольником). Его наличие навело на мысль о повышении чувствительности всего тракта простым способом- заменой штатного однокаскадного усилителя на новый — двухкаскадный. К тому же практически все, качественные УКВ приемники советского производства имеют, такие каскады.
После анализа схемотехники приёмников, были выбраны наиболее «интересные» варианты решений усилителей ПЧ.
На рисунке 3 представлен обычный двухкаскадный усилитель ПЧ:

Как видно никаких особенностей схема не имеет, однако отличается хорошей повторяемостью и стабильностью работы. В промышленных конструкциях он применялся в различных вариантах. Конденсаторы С2 и С3 служат для повышения усиления на рабочих частотах. По этому при избытке усиления их можно включить последовательно с резисторами или вообще не ставить.
Этот вариант и был выбран для модернизации магнитолы.
Кроме этого усилителя, хочется порекомендовать ещё несколько вариантов. Например вот этот:

Как видно на рисунке 4, усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель с транзисторами включенными по схеме ОЭ-ОБ. Такое построение усилительного каскада известна как каскодная схема включения. Она обладает высокими входными и выходными сопротивлениями (по этому необходим согласующий трансформатор на выходе), большим коэффициентом усиления по мощности и самое главное — большой широкополосностью и линейностью. Широкополосность усилителя получена благодаря малому сопротивлению нагрузки VT1 и малой проходной ёмкости VT2.

Усилитель, показанный на рисунке 5 построен по схеме ОК-ОБ (дифференциальный каскад). Он обладает существенно более линейной ВАХ, по этому и используется, чаще всего, в аппаратах 0-1 групп сложности (данная схема применялась в магнитоле «Арго-006»). Поскольку входной каскад имеет меньшую крутизну характеристики, в усилителе применён второй каскад на транзисторе VT1, включенный по схеме ОЭ. Между первым и вторым каскадам установлен дополнительный керамический фильтр (10,7 мГц), что повышает избирательность всего УКВ-тракта.

И на последок хотелось бы отметить ещё один усилитель, использовавшийся в тракте ПЧ радиоприёмников (рис.6). Его особенность — интегральное исполнение. По своим характеристикам и внутренней структуре он аналогичен усилителю, показанному на рисунке 3. Изменена только схема выходного каскада (установлен согласующий трансформатор).

Все схемы, показанные на рисунках вполне работоспособны. Они применяются в промышленных магнитолах и радиоприёмниках. Кроме представленных, достаточно часто используется усилитель ПЧ на одном транзисторе (подобно показанном на рисунке 2). В силу простоты схемотехники он не рассматривался.
Указанные усилители, как уже указывалось, могут заменить штатный, заключённый в красный квадрат, на рисунке 2. Правда, необходимо учитывать мелкие особенности: при включении усилителя по схеме на рисунке 4, необходимо применить согласующий трансформатор. Такой узел можно изъять из старых плат зарубежных УКВ приёмников. Они уже настроены на частоту ПЧ. При использовании российских аналогов, необходимо установить параллельно первичной обмотке конденсатор, и настроить контур на частоту 10,7 мГц.
Вход усилителя показанного на рисунке 5 подключен к выводам согласующего трансформатора. В иностранных же радиоприёмниках нижний вывод трансформатора, обычно, подключен к массе, либо к плюсу питания. По этому, при подключении, необходимо будет перерезать токопроводящие дорожки на плате.
Во всех схемах можно применять транзисторы КТ368, КТ347, КТ346, КТ339, КТ306, КТ3127 либо их зарубежные аналоги. В некоторых схемах применялись транзисторы КТ3102, КТ3107 и даже КТ315, КТ361. Однако я такие транзисторы не применял, посему ничего хорошего о них сказать не могу.
Кроме того использовались транзисторные сборки К159НТ1 и микросхема К118УН1.
В заключении отмечу, что показанная на рисунке 2 промышленная схема (с усилителем ПЧ) мне встречалась не часто, а в переносной технике, так вообще, в первый раз. Обычно выход ПЧ-ЧМ входного модуля соединяется напрямую со входом ПЧ- ЧМ демодулятора (через керамический фильтр). Усиления ПЧ сигнала, возложено на входной каскад демодулятора. Как правило, он справляется с этой задачей только в зоне уверенного приёма (в условиях прямой видимости антенны). В таких схемах применение усилителя ПЧ очень желательно.

—>САЙТ МЕДИКОВ-РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ SMHAM —>

—> —>Вход на сайт —>

Войти через uID

—> —>Поиск —>

—> —>Статистика —>

Каталог статей и схем

Увеличение чувствительности приемника
http://www.cxem.net/

УКВ радиоприемник «MANBO» имеет много достоинств. Однако из-за отсутствия во входных цепях резонансных контуров и малой эффективности антенны (используется провод головных телефонов) у приемника недостаточная чувствительность, что ограничивает его применение при большом удалении от радиостанций.

Устранить указанный недостаток несложно, снабдив приемник дополнительным усилителем радиочастоты (УРЧ), собранным по приведенной на рисунке схеме. Предварительно его лучше выполнить на макетной плате. В этом случае легче будет, в частности, подобрать резистор R2 по максимуму усиления. Потребляемый ток должен быть в пределах 1,5. 2 мА.

Дополнительный УРЧ монтируют в приемнике навесным монтажом со стороны печатных проводников. Так как расстояние между крышкой и платой мало, транзисторы были аккуратно опилены до толщины 3 мм.

Налаживания УРЧ практически не требует, чувствительность сопоставима с полноразмерным приемником с штыревой антенной. Потребляемый ток увеличивается незначительно. В случае возбуждения приемника на большой громкости необходимо между входом переменного резистора регулятора громкости и общим проводом подключить конденсатор емкостью 6800 пФ.

Поскольку дополнительный усилитель связан с приемником только по цепям питания и антенному входу, предложенную доработку можно осуществить в любом аналогичном радиоприемнике.

От редакции. Весьма тонкую и малоприятную работу по опиливанию транзисторов, предлагаемую автором, можно исключить, если применить транзисторы с очень тонкими корпусами. Среди сверхвысокочастотных приборов они имеются. Это, например, транзисторы серий КТ371АМ, КТ372 КТ382.КТ391А-2 и др.
Автор: Г. Воронин, г. Нижняя Тура, Свердловской обл.
Источник: журнал «Радио» №2 — 2001 г., с. 19.

Предложенный в свое время (см. «Радио», 1985, N 12, с. 28) А. Захаровым УКВ радиоприемник с ФАПЧ до сих пор повторяют многие радиолюбители. И это неудивительно, если принять но внимание такие его достоинства, как простота, отсутствие шумов, незначительные искажения НЧ сигнала.

Однако опыт работы с этим приемником позволил выявить значительную зависимость устойчивости и качества его приема от длины и положения антенны и недостаточную полосу синхронизации.

Уменьшить влияние антенны можно введением в приемник усилителя радиочастоты (УРЧ). К приемнику его подключают согласно рисунку. Для увеличения полосы синхронизации следует несколько ухудшить добротность катушки генератора, намотав ее проводом диаметром 0,28. 0,32 мм. При неоднократном повторении доработанного приемника было отмечено существенное улучшение качества приема.

В генераторе использовались транзисторы КТ306Б (Г) и KT3102Б. сопротивление нагрузочного резистора в коллекторной пени не должно выходить за пределы 2,7. 3,6 кОм, при напряжении источника питания +4. +6 В эмиттерный ток составляет 0.8. 1 мА.
Автор: А. Соколов, г. Ленинград
Источник: журнал «Радио» № 6 — 1988

Читайте также  Самодельный алюминиевый 3-х осевой фрезерный станок с чпу

Многие приемники диапазона 27 МГц построены по схеме с двойным преобразованием частоты (10,7 МГц, 465 кГц). Это заметно усложняет схему приемника. но необходимо для получения хорошей избирательности по зеркальному каналу.

Простые приемники СВ диапазона строятся по схеме с одним преобразованием частоты с ПЧ 465 кГц (импортные — 455 кГц). Однако в этом случае. даже при применении 3. 4 контуров, настроенных на частоту рабочего канала, не удается более чем на 20 дБ подавить зеркальный канал, который в данном случае отстоит всего на 930 кГц от основного, что в условиях современной загрузки СВ диапазона явно недостаточно.

Для решения этой проблемы можно использовать двухкаскадный УВЧ, схема которого показана на рисунке. За счет оригинального включения контуров в коллекторах VT1 и VT3, он обеспечивает подавление зеркального канала (при расстройке 930 кГц) более чем на 40 дБ, что уже сравнимо с приемниками с двойным преобразованием частоты. Общее усиление УВЧ — 30. 40 дБ.

Рассмотрим схему подробно. Сигнал с антенны поступает на контур L1. С2, СЗ. База VT1 включена в контур через емкостный делитель. Для стабилизации режима VT1 охвачен двумя петлями ООС: по постоянному току — через R 1. C1, R2. R4, попеременному — через R3. В коллектор VT1 включен так- называемый двухрезонансный колебательный контр L2. С4. С5. Сб. Особенностью этого контура является наличие двух близко расположенных резонансов: последовательного — по цепи верхняя (по схеме) половина L2. С4. С5: и параллельного. несколько ниже по частоте — вся L2, С4, С5, С6.

Поскольку для обеспечения стабильности режекции зеркального канала очень важна стабильность режима VT3 по постоянному току. для ее обеспечения используется глубокая ООС по постоянному току. сигнал которой снимается с резистора R7. усиливается каскадом на VT2 и через R6 подается на базу VT3. Указанные меры привели к тому, что режимы транзисторов и АЧХ УВЧ остаются практически неизменными при изменении напряжения питания от 6 до 10В.

Выход УВЧ нагружается на смеситель. Очень хорошие результаты были достигнуты при применении в качестве смесителя и трактов ПЧ-НЧ микросхемы К174ХА26.

Конструкция.
Катушки L1. L2. L3 намотаны на каркасах диаметром 4 мм с подстрочными сердечниками 50 ВЧ, проводом ПЭВ-2 диаметром 0.36 мм и содержат по 16 витков. Отводы: у L1 от четвертого витка от заземленного конца,у L2. L3 — от середины.

УВЧ монтируется на печатной плате вместе с К 174ХА26. Требования к монтажу — обычные для высокочастотных устройств. Катушки L1 . L3 заключены в экраны. Конденсаторы С4. С10 — подстроечные, керамические, типа КТ4-21 или аналогичные.

Настройка.
Для настройки лучше всего воспользоваться любым измерителем АЧХ. имеющим соответствующий диапазон. Входной контур L1.C2, СЗ особенностей не имеет и настраивается по максимуму приема. Для настройки двухрезонансного контура L2, С4. С5. С6 щуп измерителя АЧХ подключают к базе VT3. Вращая сердечник L2. добиваются максимума напряжения на рабочей частоте, затем вращением ротора С4 добиваются максимума режекции на частоте зеркального канала. Две последние операции следует повторить несколько раз.добиваясь наилучшего результата. При правильной настройке подавление частоты зеркального канала может превышать 30 дБ. Затем, переключив щуп измерителя АЧХ на правый по схеме вывод конденсатора С 13 (то есть на вход смесителя), настраивают аналогично предыдущему двухрезонансный контур L3. С10. Cl 1, С 12. При правильной настройке подавление зеркального канала в полосе 100. 150 кГц составляет не менее 46 дБ, а на центральной частоте достигает 60 дБ. Величина С 13 выбирается с учетом входного сопротивления смесителя, исходя из компромисса между требуемым усилением УВЧ и подавлением зеркального канала. При очень маленькой емкости С13 падает усиление, но улучшается режекция зеркального канала. С увеличением емкости С13 — наоборот.

Поскольку полоса режекции зеркального канала достаточно узкая, приемник с данным УВЧ должен быть рассчитан на работу на одном или нескольких соседних каналах.
Автор: И.Ковальчук (EU1XX), 220064. г.Минск, а/я 73.
Источник: журнал «Радиолюбителеь» № 5 — 1998

УВЧ на полевом транзисторе.

Широкополосный усилитель высокой частоты, предложенный авторами В.Бартеневым, Д.Канцир, С.Голобурдиным из г.Липецка с успехом можно применить в «Приемнике В.Костенко», как это и рекомендовано при обсуждении статьи, приведенной на нашем сайте. УВЧ обладает хорошей линейностью, большим ДД, хорошей повторяемостью из-за примененных распространенных радиодеталей. Особенностью включения мощного полевого транзистора с изолированном затвором типа КП902А по схеме с заземленным затвором, является наличие ООС через трансформатор Т1, вторичная обмотка которого состоит из двух склеенных проводов (2х15вит на кольце М600НН К10х6х3 проводом ПЭВ-0,15, а первичная -4 витка такого же провода). Ток покоя VT1 устанавливается равным 50мА подбором резистора R2.

Авторы: В.Бартенев, Д.Канцир, С.Голобурдин, г.Липецк
Источник: журнал «Радиомир, КВ и УКВ» № 1 — 2007, с.31

Повышение чувствительности радиоприемников.

В радиоприемниках с пассивным диодным смесителем («Океан -209», «Рига-104», «Ишим-003» и др.), чувствительность можно повысить в 1,5 — 2 раза путем замены диодов смесителя (обычно типа Д9В, Д20) на диоды Шотки типа КД514А. Никакой дополнительной настройки радиоприемника в этом случае не требуется.
Способ проверен автором на всех указанных выше моделях радиоприемников.
Кроме того, дополнительно повысить уровень сигнала НЧ можно за счет применения вместо диода-детектора АМ типа Д9 диодов типа Д311 или ГД402 (ГД403).
Автор: К.Е.Смирнов
Источник: журнал «Радиолюбитель» № 5 — 1994, с.27

Эффективный УВЧ для приемника
http://www.cxem.net/

Схема электрическая принципиальная УВЧ приведена на рисунке 1. Предусилитель предназначен для использования в составе переносного радиоприемника, использующего в качестве антенны короткий отрезок медного провода диаметром 2 мм. Полоса пропускания усилителя составляет 100 кГц. 50 МГц, что позволяет получить неплохое значение эффективной чувствительности в широком диапазоне частот.

Указанная выше полоса пропускания получена благодаря тому, что транзистор VT1 имеет гальваническую (непосредственную) связь со вторым транзистором усилителя. Отрицательная обратная связь между каскадами осуществляется через резисторы R4, R6. При отсутствии отрицательной обратной связи УВЧ имеет достаточно большой коэффициент передачи, поэтому фактический коэффициент передачи будет определяться отношением сопротивлений резисторов R6, R4. Для питания усилителя желательно использовать отдельный источник постоянного тока (батарейка).
Автор: В. Дубинин, г. Липецк

Высокую чувствительность, 0.25-0.15мкВ, при минимальном количестве каскадов усиления, позволяет получить предлагаемый смеситель. Крутизна преобразования у него намного выше, чем у любых других смесителей. Динамический диапазон не высокий, и составляет около 40 дБ, но это вполне устраивает для использования его в приемниках для радиомикрофонов, вещательных приемниках, для носимых станций, устройств сигнализации и прочее. Схема смесителя приведена на рис.1.

Входной сигнал и сигнал гетеродина подются в цепь базы транзистора VT1. Благодаря этому от гетеродина не требуется большой мощности. Контур L1C4 настраевается на рабочую частоту и включен в базу VT1 через конденсатор большой емкости. Хотя для входных сигналов транзистор включен по схеме с ОЭ, каскад не оказывает сильного шунтирующего влияния, так как работает для этих сигналов не как обычный усилительный каскад, а как смеситель. Благодаря этому контур включен в цепь базы полностью и при этом имеет достаточно острую настройку. По промежуточной частоте VT1 оказывается включенным по схеме с общей базой благодаря большой емкости С3. Выходное сопротивление каскада так же получается высоким, что позволяет включать контур ПЧ в цепь коллектора непосредственно. Для обеспечения хорошей фильтрации напряжения гетеродина, нагрузка выполнена в виде П. фильтра, если далее следует каскад УПЧ. Смеситель лучше работает с низкими ПЧ 0.455-1.6 МГц, хотя и для 10.7 МГц тоже давал хорошие результаты. Пример включения L2 и фильтра 10.7 МГц показан на рис 2. В качестве VT1 использовался транзистор КТ368А, КТ399. При выборе номиналов следует учесть, что при уменьшении емкости С5 крутизна растет, но схема может самовозбудится. Перед смесителем следует включать УВЧ с небольшим коэфициентом усиления. Один из вариантов показан на рис.3.

Чувствительность приемника

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является чувствительность приемника. Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Качество может быть оценено заданной битовой вероятностью ошибки (BER), вероятностью приема ошибочного сообщения (MER) или отношением сигнал-шум SNR (Signal-to-Noise Ratio) на входе демодулятора приемника. Если чувствительность приемника ограничивается внутренними шумами, то ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью приемника, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Читайте также  Внутренние схемы и схемы включения электретных микрофонов

Чувствительность приемника с небольшим усилением, на выходе которого шумы практически отсутствуют, определяется э.д.с, (или номинальной мощностью) сигнала в антенне (или ее эквиваленте), при которой обеспечивается заданное напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника.

Чувствительность приемника определяется коэффициентом его усиления КУС. Приемник должен обеспечивать усиление даже самых слабых входных сигналов до выходного уровня, необходимого для нормального функционирования устройства, однако, на входе приемника действуют помехи и шумы, которые также усиливаются в приемнике и могут ухудшать качество его функционирования. Кроме того, на выходе приемника появляются его усиленные внутренние шумы. Чем меньше внутренние шумы, тем лучше качество приемника, тем выше чувствительность приемника.

Реальная чувствительность приемника равна э.д.с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Предельная чувствительность приемника равна э.д.с. или номинальной мощности РАП сигнала в антенне, при которой на выходе его линейной части (т. е. на входе детектора), мощность сигнала равна мощности внутреннего шума.

При задании чувствительности приемника в виде э.д.с., она измеряется в микровольтах. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Способ задания чувствительности приемника в виде э.д.с. приводит к тому, что при различном входном сопротивлении приемника мы будем получать различное значение э.д.с. Поэтому, несмотря на то, что все современные приемники систем мобильной связи имеют входное сопротивление 50 Ом, чувствительность приемников задается в терминах мощности сигнала на входе приемника. Чувствительность определяется как отношение мощности на входе приемника к уровню мощности 1 мВт и выражается в логарифмическом масштабе в дБм.

(дБм)

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать коэффициентом шума N, равным отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре T = 290 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны. Очевидно,

, (1)

где k = 1,38 • 10 –23 Дж/град — постоянная Больцмана;
Пш — шумовая полоса линейной части приемника, Гц;
РАП — мощность сигнала, Вт.

Из (1) видно, что мощность сигнала, соответствующую его предельной чувствительности и отнесенную к единице полосы частот, можно выразить в единицах kT:

, (2)

Предельную чувствительность приемника можно также характеризовать шумовой температурой приемника Тпр, на которую надо дополнительно нагреть эквивалент антенны, чтобы на выходе линейной части приемника мощность создаваемых им шумов равнялась мощности шумов линейной части. Очевидно, , откуда

(3)

На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых ,
где ТA — шумовая температура антенны. Поэтому на выходе линейной части

Для получения равенства мощностей сигнала и шумов необходима мощность

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. «Проектирование радиоприемных устройств» под ред. А.П. Сиверса — М.: «Высшая школа» 1976 стр. 7-8
  2. «Радиоприемные устройства» под ред. Жуковского — М.: «Сов. радио» 1989 стр. 8 — 10
  3. Палшков В.В. «Радиоприемные устройства» — М.: «Радио и связь» 1984 стр. 12 — 14
  4. ГОСТ 12252-86 Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений
  5. Измерение параметров средств цифровой радиосвязи

Вместе со статьей «Чувствительность приемника» читают:

Диапазон рабочих частот радиоприемных устройств В зависимости от значения принимаемой частоты схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться.
https://digteh.ru/WLL/DiapPrmFr.php

Избирательность приемника по частоте Избирательность по соседнему каналу — это способность приемника принимать полезный сигнал на заданной частоте канала с заданной вероятностью ошибки
https://digteh.ru/WLL/ChastotIzbirat.php

Побочные каналы приема Интермодуляция, блокирование, однодецибельная точка компрессии, вот основные источники возникновения побочных каналов приема! Знать и уметь бороться с этими явлениями — задача любого технического специалиста.
https://digteh.ru/WLL/NelinPrm.php

Динамический диапазон приемника Динамический диапазон приемника с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня без искажения.
https://digteh.ru/WLL/DinDiapPrm.php

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020

Увеличение чувствительности фотоприемника на базе фототранзистора

Texas Instruments LM358

Левашов Олег Дмитриевич (идея)
Басков Михаил Павлович (реализация и испытания)

В статье предлагается способ существенного увеличения чувствительности сенсоров на базе двухвыводных фототранзисторов, принимающих слабый полезный сигнал в условиях низкой освещенности. Приводятся описание конструкции сенсора и результаты лабораторного и натурного экспериментов, подтверждающие высокую эффективность предложенного метода.

Фотоприемники на базе фототранзисторов характеризуются высокой чувствительностью, что является их основным преимуществом перед сенсорами на основе фотодиодов, которым требуется дополнительный усилитель. Однако известны и существенные недостатки фототранзисторов – узкий частотный диапазон и ухудшение чувствительности в условиях низкой внешней освещенности.

Особенно ярко второй из указанных недостатков проявляется у фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой». Это недорогие двухвыводные приборы в прозрачных пластмассовых корпусах, широко применяемые для обнаружения препятствий в простейшей робототехнике.

Объясняется это достаточно просто. При низкой внешней засветке и слабом отраженном сигнале фототок очень мал и маскируется темновым током. Теоретически фототранзистор всегда находится в активном режиме. На практике для вывода рабочей точки на активный участок характеристики требуется преодоление фототоком некоторого порогового значения. Этим, собственно, и объясняется увеличение чувствительности фототранзистора к принимаемому сигналу при увеличении внешней освещенности.

Для обеспечения работы оптического локатора, использующего сенсор на основе фототранзистора в условиях низкой (вплоть до нулевой) освещенности, используется подсветка окружающего пространства в направлении возможного препятствия. Чем дальше расположено препятствие, тем мощнее должна быть подсветка для уверенного вывода фототранзистора на рабочий участок характеристики. Для робота с батарейным питанием это может оказаться критическим фактором и сказаться на времени работы от батарей.

Ниже предлагается способ обеспечения постоянной чувствительности сенсора на основе фототранзистора, не зависящей от внешней освещенности и не требующий подсветки окружающего пространства.

Суть способа поясняется Рисунком 1. Чувствительная область фототранзистора подсвечивается светодиодом с той же спектральной характеристикой, что и используемый фототранзистор. При этом ток светодиода составляет от долей до единиц миллиампер. Конструктивно фототранзистор и светодиод объединены в одно целое, что исключает зависимость чувствительности сенсора от изменения их взаимного расположения. Светодиод желательно использовать того же диаметра, что и фототранзистор. Пластмассовый корпус светодиода спиливается круглым надфилем так, чтобы светодиод плотно прижимался рабочей поверхностью к боковой поверхности фототранзистора в области кристалла. Затем оба прибора соединяются в единое целое при помощи прозрачного «моментального» клея. Клей заполняет микронеровности рабочей поверхности светодиода, обеспечивая отличный оптический контакт.

Рисунок 1. Увеличение чувствительности фототранзистора
подсветкойчувствительной области.

Видео с описанием базового эксперимента, в котором доказана практическая ценность идеи, можно посмотреть здесь.

Для проверки эффективности описываемого метода и проведения натурного эксперимента был изготовлен испытательный стенд в виде корпуса из фольгированного текстолита с экранированными отсеками, чтобы исключить паразитные электрические наводки, способные исказить результат эксперимента. Внешний вид стенда представлен на Рисунке 2.

Рисунок 2. Испытательный стенд для проверки идеи.

В отсеках размещены: батареи питания, генератор сигнала, усилитель мощности, входной усилитель, линейный индикатор уровня сигнала. Излучатель и фотоприемник конструктивно объединены в одно целое для соблюдения параллельности оптических осей и имеют экранировки в виде тонкостенной медной трубки диаметром 18 мм, запаянной по периметру со стороны вводов и открытой со стороны оптики.

В качестве оптики использовались 10 мм объективы с AliExpress, имеющие угол расхождения луча 10 градусов. Спектральные характеристики излучателя и приемника совпадают и имеют максимум на длине волны 940 нм.

Рисунок 3. Принципиальная схема усилителя испытательного стенда.

Схема усилителя представлена на Рисунке 3. В качестве нагрузки фототранзистора используется колебательный контур, обеспечивающий прекрасную селективность. Центральная частота контура 1720 Гц, полоса пропускания по уровню 0.7 – 120 Гц. В качестве L1 используется режекторный фильтр от USB-зарядного устройства (Рисунок 4), обмотки которого соединены последовательно.

Рисунок 4. Фильтр от зарядного устройства USB.

Далее принятый сигнал усиливается операционным усилителем до уровня, достаточного для работы светодиодного линейного индикатора. Ток через светодиод подсветки равен 1 мА, что является компромиссом между увеличением чувствительности сенсора и уровнем шумов, создаваемых спорадическим характером излучения светодиода.

Читайте также  Фэйзер для электрогитары из доступных деталей

Эксперимент по реальному увеличению чувствительности был разделен на две части – лабораторные и натурные испытания. Интерьер лабораторного испытания представлен на Рисунке 5. Мишенью служит стандартная «серая карта» (RGB 209, 209, 209). Испытательный стенд установлен в 50 см от мишени. Объектив фотоприемника заклеен малярным скотчем для снижения чувствительности.

Рисунок 5. Лабораторные испытания.

Провода, ведущие к излучателю, выведены наружу через технологические отверстия. В разрыв одного из них последовательно включены миллиамперметр для измерения среднего тока через светодиод и переменный резистор, регулирующий этот ток. При этом мы считаем, что освещенность мишени прямо пропорциональна току через светодиод. Сам процесс испытаний проходил в полной темноте.

Результаты лабораторных испытаний

При включении подсветки мишень уверенно обнаруживалась при снижении среднего тока через светодиод с 46 мА до 14 мА. То есть, мы можем констатировать, что предложенный способ увеличил чувствительность сенсора на базе фототранзистора более чем в три раза.

Проводя натурный эксперимент, мы будем говорить об увеличении дальности обнаружения препятствия, а не об улучшении чувствительности, поскольку при больших расстояниях на уровень принимаемого сигнала влияет расхождение оптических осей излучателя и приемника, а также, неизбежные отклонения оптических осей от перпендикуляра к плоскости препятствия при перемещении стенда.

Натурные испытания прибора проводились практически при полной темноте, поэтому фото не приводятся. В качестве мишени использовалась светло-серая стена гаража, с нанесенным на нее граффити. Испытательный стенд был установлен на доработанном фотоштативе, что обеспечивало неизменность расстояния до мишени в процессе испытаний. Для измерения расстояния использовалась лазерная рулетка.

Видеоотчет об испытаниях, который удалось при помощи видеоредактора доработать до приемлемого качества, размещен на YouTube.

Результаты натурных испытаний

Уверенное обнаружение препятствия при выключенной подсветке и практически полной темноте – 3.9 м.

Уверенное обнаружение препятствия при включенной подсветке – 12 м, то есть, расстояние обнаружения препятствия увеличилось в три раза, что можно считать очень хорошим результатом и подтверждением данных, полученных при лабораторных испытаниях.

Выводы

Предложенный авторами метод повышения чувствительности сенсоров на базе фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой», обеспечивает хорошие результаты в условиях низкой освещенности и может быть использован при проектировании интегральных фотоприемников.

Дополнение

Описанный метод повышения чувствительности сенсоров на основе фототранзисторов, работающих в режиме с «оторванной базой», может быть использован для эффективного подавления внешних световых помех от осветительных приборов и рекламы. Для этого выделяется низкочастотная компонента принятого сигнала и в противофазе подается на управление подсветкой сенсора. Однако рассмотрение этого аспекта выходит за рамки данной статьи.

Улучшение работы простых транзисторных приемников

Начинающих радиолюбителей влекут в основном самые простые по устройству и конструкции транзисторные приемники, которые, естественно, не могут соперничать по своим возможностям и характеристикам с.

Начинающих радиолюбителей влекут в основном самые простые по устройству и конструкции транзисторные приемники, которые, естественно, не могут соперничать по своим возможностям и характеристикам с современными приемниками промышленного производства. Правда, в ряде случаев можно значительно улучшить работу относительно простого транзисторного приемника путем небольших переделок.

Улучшение приема дальних станций. Громкость приема дальних средневолновых станций может быть увеличена, если более точно сопрячь частоты принимаемого сигнала и гетеродина. Обычно это делают, вращая подстроечные конденсаторы и перемещая катушку магнитной антенны. Очевидно, что производить такие операции при настройке на каждую дальнюю станцию нецелесообразно. Более простой способ точной настройки предложен одним американским радиолюбителем.

Суть его предложения заключается в том, что для подстройки магнитной антенны используют дополнительный постоянный магнит (стальной или керамический), например, от магнитной системы неисправной динамической головки. Магнит может быть небольших размеров. Настроив приемник на дальнюю станцию, и плавно перемещая магнит вдоль продольной оси магнитной антенны, добиваются наиболее громкого и чистого приема. Возможно, что при настройке на другую станцию придется подобрать другое положение магнита.

Увеличение чувствительности приемников.
Чувствительность простого транзисторного приемника может быть существенно улучшена, если между катушкой связи с магнитной антенной и входом преобразователя частоты включить дополнительный каскад усиления ВЧ, например, по схеме, предложенной американским радиожурналом. Как видно из рис. 59, на котором приведена эта схема, каскад усиления ВЧ собран на одном транзисторе (Т1), включенном по схеме с общим эмиттером, и имеет резистивно-емкостную связь со входом преобразователя частоты основного приемника (транзистор Т2). Все детали каскада смонтированы на небольшой гетинаксовой или текстолитовой плате площадью 6 см2 (20X30 мм), размещенной внутри корпуса основного приемника, вблизи от его преобразователя частоты. Все переделки самого приемника сводятся к отпайке выводов катушки связи L2 от входа преобразователя частоты и подключению их ко входу дополнительного каскада. Кроме того, к усилителю ВЧ подводят питание непосредственно от выключателя В1, а выход усилителя соединяют со входом преобразователя частоты.

Описанный усилительный каскад может быть установлен в простом супергетеродине любительского или промышленного изготовления с преобразователем частоты, имеющим совмещенный гетеродин по схеме с общей базой, например, и приемниках «Селга», «Альпинист» и др. Транзисторы Т1 и Т2 можно взять либо ГТ309, либо ГТ322 с любым буквенным индексом или П422. П423. При напряжении питания 9 В сопротивление резистора R1 должно быть 56 кОм.

Улучшение детектора и АРУ. Причинами посредственной работы многих радиолюбительских приемников являются применение простейших детекторов и узлов автоматической регулировки усиления (АРУ). Распространенные диодные детекторы, нагруженные переменным резистором регулятора громкости, обладают низким входным сопротивлением, значительно искажают сигнал и имеют большие потери. Простейшие устройства АРУ не спасают от перегрузки тракт ПЧ приемника, в результате чего наблюдаются значительные искажения сигналов близких станций. Значительно лучшими характеристиками обладают детектор и АРУ простого приемника, описанного в журнале английских радиолюбителей, часть принципиальной схемы которого дана на рис. 60. В этом приемнике последний резонансный контур усилителя ПЧ L2С5 подключен непосредственно к базе транзистора Т4, заземленной по переменному току через конденсатор С6. Диод Д1 соединен со средней точкой низкоомного делителя напряжения питания, собранного на резисторах R6R7. Сопротивление резистора R7 подбирают так, чтобы при отсутствии сигнала напряжение смещения на базе транзистора Т4 было около 0,2 В. Транзистор Т4 установлен в каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором. Как известно, эта схема обладает большим входным сопротивлением. Благодаря этому контур L2C5 шунтируется незначительно даже при полном подключении его к диоду Д1. В результате усиление сигнала каскадом, расположенным до такого детектора, примерно вдвое больше, чем при работе этого каскада с другими детекторами.

По мере увеличения сигнала растет постоянное напряжение, выпрямляемое диодом Д1 и как следствие этого повышается напряжение смещения на базе транзистора Т4. Это напряжение поступает в эмиттерную цепь транзистора Т4 откуда подается на базу транзистора Т3, работающего в каскаде усиления постоянного тока. Нагрузкой этого каскада являются резисторы R1—R3 и R5 с фильтрующими конденсаторами С1—С3, включенными в цепи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 каскадов, охваченных АРУ. Постоянное напряжение, подводимое непосредственно в цепь эмиттера, закрывает транзистор. При этом для полного закрывания требуется изменение напряжения всего на 0,3 В. Для сравнения можно указать, что обычно применяемые схемы АРУ, в которых управляющее напряжение подается в цепь базы регулируемого каскада, требуют значительно большего (в 3—4 раза) изменения напряжения АРУ.

На рис. 61 приведена характеристика АРУ, выполненной по схеме рис. 60 в виде зависимости выходного напряжения низкой частоты от напряжения сигнала на входе. За 0 дБ принят уровень 100 мкВ. Как видно из рисунка, когда сигнал на входе усилителя ВЧ составляет менее 100 мВ, выходное напряжение НЧ резко зависит от входного ВЧ напряжения, т. е. сигнал настолько мал, что усиления тракта ПЧ недостаточно для срабатывания АРУ. При повышении входного ВЧ сигнала до 100 мкВ и более выходное НЧ напряжение стабилизируется практически на одном уровне вплоть до входного напряжения 10 мВ. Дальнейшее увеличение напряжения сигнала приводит к перегрузке системы АРУ и росту выходного напряжения НЧ. Во всяком случае, на участке эффективного действия АРУ, когда входной сигнал изменяется на 60 дБ (от 100 мкВ до 100 мВ), изменение выходного напряжения НЧ составляет всего 5 дБ, что очень хорошо для простого приемника.

Зарубежным типам транзисторов, указанным на схеме (рис. 60), соответствуют отечественные П423 (Т1 Т2) и МП41А (Т3, Т4).

Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. М., «энергия», 1977.