Радиоприемник с питанием от фотоэлементов малой мощности
Предлагается схема радиоприемника прямого усиления, работающего в диапазоне длинных волн, с очень низким напряжением питания (0,4-0,2 В) и очень малым потреблением тока (от 200 до нескольких десятков микроампер).
В последнее время радиолюбители уделяют внимание разработке экономичных радиовещательных приемников прямого усиления с низким напряжением питания (1,5-0,9 В) и малым потреблением тока (единицы миллиампер) [1,2]. Такие радиоприемники могут питаться от одного гальванического элемента типа 316,343,373 или от самодельного источника тока [3]. Совершенствуют и детекторные приемники, вообще не требующие источников питания, но нуждающиеся в хорошей антенне и заземлении .
Принципиальная схема
На рис.1 показана схема радиоприемника с питанием от одного фотодиода или от маломощного фотоэлемента солнечной батареи микрокалькулятора. Несмотря на очень низкое напряжение питания (0,4-0,2 В) и очень малое потребление тока (200-70 мкА) такой приемник способен принимать в диапазоне длинных волн на магнитную или внешнюю антенну радиостанции в радиусе до 400 км.
Рис. 1. Принципиальная схема сверхэкономичного радиоприемника с питанием от солнечных элементов.
Приемник собран по схеме 3-V-1 и работает следующим образом. Сигнал с внешней антенны WA1 (которая может и отсутствовать) через разделительный конденсатор С1 поступает на входной контур, образованный катушкой L1 и конденсатором С2. Выделенный входным контуром сигнал через катушку связи L2 и конденсатор СЗ поступает на трех-каскадный усилитель радиочастоты (УРЧ).
Первые два транзистора VT1 и VT2 с различным типом проводимости включены по каскодной схеме, а транзистор VT3 - по схеме с общим эмиттером. Начальное смещение транзисторов VT1-VT3 задается резисторами R1-R3. Коллекторными нагрузками транзисторов являются катушки L3, L4, L5 с изменяемой индуктивностью. Такая схема позволяет получить максимально возможное устойчивое усиление радиосигнала.
Резисторы R5, R6, R7 служат для предотвращения самовозбуждения УРЧ. Демодуляция сигнала осуществляется детектором на диоде VD1, а огибающая выделяется на конденсаторе Сб.
Для повышения коэффициента передачи детектора на диод VD1 подается небольшое напряжение смещения с помощью резистора R8. Через разделительный конденсатор С7 сигнал поступает на однокаскадный УЗЧ на транзисторе VT4, коллекторной нагрузкой которого являются высокоом-ные телефоны ТОН-2 с сопротивлением звуковой катушки 1,2 кОм.
Вместо высокоомных телефонов можно использовать и низкоомные с сопротивлением 32 Ом и более, но обладающие высокой чувствительностью, например, стереонаушники "Вега Н-23С-1", "Электроника ТДС-13-1", "Sony", "Tecsun". Однако в этом случае прием возможен только на внешнюю антенну длиной от 3 до 15 м (при напряжении питания от 0,37 до 0,2 В).
Конденсатор С8 служит для фильтрации высокочастотных составляющих звукового сигнала. Конденсаторы С9, СЮ - для предотвращения самовозбуждения приемника. В качестве источника питания используется фотодиод ФД-7К.
Особенностью фотодиодов, работающих в фотогенераторном режиме (как и других фотоэлементов), является сильная зависимость внутреннего сопротивления (нагрузочной способности) от интенсивности светового потока. Так, фотодиод ФД-7К при большой интенсивности светового потока (прямое солнечное освещение или освещение от лампы накаливания мощностью 100 Вт на расстоянии 30 см) способен обеспечить напряжение 0,3 В при токе нагрузки 770 мкА.
При средней интенсивности светового потока (в летнее время в середине дня при ясной погоде на расстоянии нескольких десятков сантиметров от окна) этот фотодиод обеспечивает напряжение 0,3 В при токе нагрузки 150 мкА. При малой интенсивности светового потока (ранним утром и в конце светового дня) фотодиод обеспечивает напряжение 0,2 В при токе нагрузки 20-40 мкА.
Резисторы начального смещения R1-R4 транзисторов VT1-VT4 выбраны так, что устойчивая работа приемника обеспечивается при средней и малой интенсивностях светового потока.
Поскольку все транзисторы приемника работают в режиме микротоков, то они должны иметь достаточно большой коэффициент усиления тока h21э и малый обратный ток коллектора. В приемнике использованы транзисторы типов П416Б и 1Т311Л, у которых коэффициент h21 э не менее 90 (справочное значение).
В каскаде УЗЧ (VT4) можно использовать и низкочастотные германиевые транзисторы типов МП39, МП39Б, МП41, МП41А с коэффициентом усиления тока h21 э не менее 60. Однако такой каскад обладает худшей термостабильностью из-за значительно большего значения обратного тока коллектора. Применение же эмиттерной стабилизации режима привело бы к сужению динамического диапазона питающего напряжения каскада.
С уменьшением интенсивности светового потока уменьшаются напряжение на фотодиоде, ток потребления приемника и его чувствительность. Так, когда напряжение на фотодиоде становится равным 0,22 В и менее, прием на магнитную антенну WA2 становится затруднительным и осуществляется на внешнюю антенну WA1 (отрезок провода длиной 10-15 м).
Эксплуатационные характеристики приемника при работе на телефоны ТОН-2 приведены в таблице.
Если для питания приемника использовать не один, а два фотодиода ФД-7К, включенных параллельно, то прием на магнитную антенну возможен практически в течение всего светового дня. Такой же результат дает использование в качестве источника питания одного фотоэлемента солнечной батареи СБ1 -2,5 (источник питания микрокалькулятора МК-71).
Такой фотоэлемент размером 6х24 мм при средней интенсивности светового потока обеспечивает напряжение 0,3 В при токе нагрузки 250 мкА. При одной и той же интенсивности светового потока при питании от фотоэлемента (11п=0,37 B, 1пот=200 мкА) приемник обладает большей чув-ствительостью, чем при питании от одного фотодиода ФД-7К (11п=0,3 В, 1пот=140 мкА).
Экономичность приемника можно еще повысить (за счет снижения его чувствительности), если резистор начального смещения R1 транзистора VT1 и (или) резисторы начального смещения R2-R4 транзисторов VT2-VT4 исключить из схемы. В этом случае транзисторы VT1-VT4 (или VT2-VT4) будут работать при нулевых токах базы, и рабочим током коллектора каждого транзистора будет обратный ток коллектор-эмиттер 1кэо.
В справочниках по транзисторам не указывают ток 1кэо. Экспериментальные измерения показывают, что для различных экземпляров транзисторов П416Б, 1Т311Л при изменении напряжения коллектор-эмиттер от 0,2 до 0,4 В при температуре окружающей среды 18-20°С ток 1кэо изменяется от 4 до 8 мкА.
Чувствительность приемника без резисторов R1-R4 снижается примерно в 15 раз, и прием радиостанций в радиусе до 400 км возможен только на наружную антенну значительной длины (до 15 м).
Рис. 3. Модификация приемника.
Однако такой приемник потребляет всего от 16 до 30 мкА (см. таблицу на рис. 3.) и может питаться от одного фотодиода еще меньшей мощности, чем ФД-7К (например, ФД-2, ФД-3) или от другого маломощного фотоэлемента. Если резистор R1 не исключать из схемы, то чувствительность приемника будет выше, а потребляемый ток возрастет приблизительно на 20 мкА.
Интересно отметить, если в качестве источника питания приемника используют фотодиод ФД-7К, то при малой интенсивности светового потока, когда напряжение на фотодиоде ниже 0,2 В (0,15-0,2 В), приемник без резисторов начального смещения обладает большей чувствительностью, чем приемник с резисторами начального смещения (из-за более высокого напряжения питания).
Микросхемы в качестве фотоэлементов
В качестве источника питания приемника можно использовать некоторые цифровые и аналоговые микросхемы. Автор исследовал возможность применения в качестве фотоэлементов микросхему К505РФ4 (ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации емкостью 256х8 бит) и операционный усилитель К140УД2 (со спиленной крышкой). При освещении МС (рис.2,а). К505РФ4 прямым солнечным светом или от лампы накаливания мощностью 100 Вт с расстояния 30 см между выводами 14 и 22 возникает фотоЭДС 0,4 В.
Рис. 2. Самодельные фотоэлементы из микросхем, поделючение.
Однако мощность такого фотоэлемента намного меньше, чем фотодиода ФД-7К. Так, при напряжении 0,12 В ток нагрузки всего 16 мкА. Тем не менее при размещении МС на расстоянии 15 см от лампы обеспечивается работоспособность приемника (Un=0,37 B, 1пот=30 мкА).
На наружную антенну (коаксиальный кабель от индивидуальной телевизионной антенны метрового диапазона длиной 10 м с закороченными центральной жилой и оплеткой) в г. Ривно принимаются 1-я программа украинского радио, две программы польского радио, 1-я программа белорусского радио и 1-я программа румынского радио. При параллельном соединении двух микросхем К505РФ4 работоспособность приемника обеспечивается при освещения микросхем с расстояния 30 см.
Микросхема К140УД2 (рис.2,б) является фотоэлементом еще меньшей мощности, чем К505РФ4. Так, ЭДС 0,4 В возникает либо при прямом солнечном освещении, либо при освещении от лампы накаливания мощностью 100 Вт с расстояния 15 см, а при напряжении 0,12 В обеспечивается ток нагрузки 12 мкА. На расстоянии от той же лампы 10-12 см обеспечивается напряжение 0,2 В при токе нагрузки 20 мкА, чего достаточно для питания приемника.
Детали
В качестве VT1, VT3, VT4 можно использовать транзисторы типов П417А, ГТ322Б, ГТ308В. В качестве VT2 можно использовать транзисторы типов 1Т311Д, К, ГТ311И, ГТ341 А,Б,В (с коэффициентом 1п21э>100). Диод VD1 - любой точечный германиевый. Оксидные конденсаторы С7, С10 типов К50-16, К50-35. С1 - лучше слюдяной, но можно и типов КМ, КЛС. Остальные конденсаторы типов КМ, КЛС.
Конденсатор переменной емкости С2 типа КП-180, но можно применить любой КПЕ от промышленного приемника. Контурная катушка L1 и катушка связи L2 (с добавлением 20 витков) - от радиоприемника "Альпинист-417" и размещены на ферритовом стержне типа 600НН диаметром 8 мм и длиной 11 см. Катушки L3, L4, L5 - от сетевого трехпро-граммного приемника "Раздан-205". При самостоятельном изготовлении их наматывают на 4-секционных каркасах от контуров ПЧ любого транзисторного приемника (примерно по 800 витков провода ПЭВ-2-0,1 или ПЭВ-2-0,08).
Настройка
Перед началом настройки приемника фотодиод необходимо нагрузить сопротивлением 2 кОм и выбрать такое положение перед окном (в дневное время) или такое расстояние от лампы накаливания мощностью 60100 Вт (в вечернее время), чтобы напряжение на фотодиоде было приблизительно 0,3 В.
Затем к приемнику подключают фотодиод, внешнюю антенну (отрезок провода длиной 1-2 м) и на слух проверяют наличие (или отсутствие) самовозбуждения при изменении емкости конденсатора С2. Если самовозбуждение есть, то сердечники катушек L3, L4, L5 подстраивают таким образом, чтобы его устранить.
С помощью измерительного прибора проверяют режимы работы всех транзисторов по постоянному току. Коллекторные токи транзисторов должны быть: 1к1 =40 мкА; 1к2=30 мкА; 1к3=50мкА; 1к4=20 мкА. Если токи значительно отличаются от указанных, то подбором сопротивления резисторов R1-R4 добиваются их соответствия.
Вращая ротор конденсатора С2, убеждаются в наличии приема всех наиболее мощных станций диапазона. Если диапазон смещен в какую-либо сторону, то перемещают катушку L1 по ферритовому стержню так, чтобы принимались все наиболее мощные станции.
Затем, настроившись на самую мощную станцию, подстраивают сердечники катушек L3-L5 так, чтобы добиться максимальной громкости при отсутствии искажений. Отключив внешнюю антенну, убеждаются в наличие приема станций на магнитную антенну. На этом настройка закончена.
Автор: B.C. Попич, г. Ривне.
Литература:
- Александров И. Экономичный приемник с низковольтным питанием//Радио. - 1993. - № 7, С.28, 29.
- Поляков В. Карманный приемник для рыбалки //Радио. -1994. - № 6, С. 24, 25.
- Нечаев И. Радиоприемник для дачи//Радио. - 1995. - № 6, С. 30, 31.
- Федоров А. Приемник без источника питания/Радио. -1993. - № 11, С. 14.
- Справочник по схематике для радиолюбителей/Под ред. В.П. Боровского. - К.:Техыка, 1987.
- Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справ./Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1985.