Wstęp
Pionier jest domowym, popularnym odbiornikiem superheterodynowym, trzyzakresowym, sześcioobwodowym o zasilaniu uniwersalnym. Zasilanie uniwersalne oznacza możliwość zasilania z sieci prądu przemiennego lub stałego. Trzy zakresy to fale długie, średnie i krótkie. Superheterodyna to typ układu elektrycznego odbiornika, który wykorzystuje mechanizm przemiany częstotliwości polegający na mieszanie sygnału wielkiej częstotliwości z sygnałem generatora lokalnego, zwanego heterodyną. Pomysł mieszania sygnałów opatentował w 1902 r. amerykański fizyk i radiotechnik kanadyjskiego pochodzenia Reginald Aubrey Fessenden, jednak ówczesny stan techniki nie pozwalał na praktyczne jego wykorzystanie. Za wynalazcę superheterodyny uważany jest amerykański radiotechnik Edwin Howard Armstrong, który podczas pierwszej wojny światowej (1918 r.) pracował we Francji dla armii USA. Pierwszy komercyjny odbiornik superheterodynowy to Radiola RCA AR-812, wyprodukowany w USA w 1924 r. przez firmę RCA Victor Co. Inc. Pierwsze odbiorniki superheterodynowe w Polsce powstały w 1934 r. Były to Super5 GZ firmy Elektrit oraz Philips 522-A. Od czasu wynalezienia odbiornika superheterodynowego minęło ponad 100 lat, od czasu powstania Pioniera 75 lat a odbiorniki superheterodynowe są wciąż produkowane i na razie nic lepszego nikt nie wymyślił.
Polski opis superheterodyny sprzed prawie 100 lat
Obszerny opis układu w języku polskim ukazał się w książce Stanisława Noworolskiego pt. Zasady Radjofonji w 1928 r.
Odbiornik superheterodynowy Armstrong’a.
Odbiorniki superheterodynowe odznaczają się wielką selektywnością to jest umożliwiają wydzielenie jednej fali z pośród innych mało różniących się od niej długością Zaletę ich również stanowi łatwość w obsługiwaniu, szybkość nastrajania przy przejściu z jednej fali na drugą, duży zakres fal, bo od 150 do 2000 m i nadzwyczajny zasięg, gdyż umożliwiają one odbiór nawet słabych stacyj, odległych o setki i tysiące kilometrów. Zasięg ten zasługuje tembardziej na uwagę, jeśli nadmienimy, że odbiór może się odbywać się za pomocą małej anteny ramowej, umieszczonej wewnątrz odbiornika o wymiarach około 100 x 25 x 25 cm.
Duże wzmocnienie, które jest koniecznym warunkiem uzyskania wielkiego zasięgu odbiornika, nie może być osiągnięte z pomocą zwykłego amplifikatora wielostopniowego, gdyż z powodu pojemności własnej lamp, transformatorów i wreszcie złego ułożenia przewodów, powstają obwody drgań, które stają się przyczyną zniekształceń odbioru. Szczególne ujemnie zaznacza się ten wpływ dla fal krótkich, gdyż drgania własne lamp i transformatorów mają bardzo wielką częstotliwość. Otóż niemal zawsze wskutek interferencji tych drgań z drganiami użytecznemi, powstają dudnienia o najrozmaitszych częstotliwościach muzykalnych i niemuzykalnych; odbiornik wykazuje dążność do wytwarzania szmerów i pisków, pomimo ustania działania bodźców zewnętrznych. Tę dążność odbiornika wielolampowego do wytwarzania szkodliwych drgań., udało się Armstrongowi osłabić przez wzmacnianie prądów wielkiej częstotliwości dopiero po uprzedniem ich zheterodynowaniu i zamianie na prądy o częstotliwości mniejszej.
Zasada działania odbiornika superheterodynowego jest następująca:
a) najpierw wzmacnia się prądy wielkiej częstotliwości (amplifikator 1-szy, rys, 191) przy pomocy lampy katodowej o możliwie małej pojemności, więc np. lampy firmy Marconi’ego typu V 24. Niech częstotliwość tego prądu wynosi 1 000 000, co odpowiada fali długości 300 m.
b) potem na te prądy nakłada się drgania heterodyny w celu uzyskania dudnień o częstotliwości niemuzykalnej, np, 100 000 co odpowiada fali o długości 6 000 metrów,
c) W ten sposób uzyskany prąd w obwodzie anodowym o częstotliwości dudnień wynoszącej 100 000, prostuje się i następnie przy pomocy transformatora zamienia na prąd zmienny o przebiegu sinusoidalnym lub zbliżonym do sinusoidalnego, częstotliwości 100 000 i wzmacnia go ponownie w amplifikatorze 2-gim. Ponieważ wzmocnienie dla tej częstotliwości można przeprowadzić prawie do dowolnej wielkości bez złych następstw, które zawsze towarzyszą wzmocnieniom prądów o bardzo wielkiej częstotliwości, wynika skuteczność stosowania tej metody w budowie odbiorników o wielkiej sile odbioru. Prądy o tej częstotliwości, wzmacnia amplifikator, złożony z kilku lamp z nastrojonemi obwodami siatek lub anod. Ponieważ nastrajanie tych obwodów podczas odbioru praktycznie byłoby niewykonalne, nastraja się je przedtem laboratoryjnie na jedną falę, np. 6000 metrów.
d) Po wyprostowaniu tych prądów drugim detektorem, wzmacnia się je w amplifikatorze małej częstotliwości (amplifikator 3-ci) wreszcie w razie potrzeby jeszcze dodatkowo w amplifikatorze głośnikowym.
Opis wg Wilhelma Rotkiewicza
Tak opisuje superheterodynę projektant Pioniera, Wilhelm Rotkiewicz
Odbiorniki pracujące w układach z przemianą częstotliwości nazywa się odbiornikami superheterodynowymi. Zasada działania odbiorników superheterodynowych polega na tym, że odebrane przez antenę napięcie modulowane wielkiej częstotliwości zostaje najpierw przetworzone w stopniu przemiany na napięcie o innej — wielkiej częstotliwości, zwanej częstotliwością pośrednią, które jest wzmacniane w specjalnym wzmacniaczu częstotliwości pośredniej, następnie za pomocą detektora jest przetwarzane na napięcie o częstotliwości akustycznej. Na rys. W-59 przedstawiono ogólny układ blokowy odbiornika superheterodynowego do odbioru fal o modulowanej amplitudzie. Główne elementy składowe tego odbiornika są następujące:
a) obwody wejściowe, zazwyczaj jeden lub dwa przeznaczone do wydzielania pożądanego sygnału;
b) wzmacniacz wielkiej częstotliwość stosowany jedynie w odbiornikach superheterodynowych wyższej klasy;
c) stopień przemiany częstotliwości, czasami nazywany pierwszym detektorem, z generatorem lokalnym — heterodyną; stopień przemiany przetwarza częstotliwość wielką na częstotliwość pośrednią;
d) wzmacniacz częstotliwości pośredniej z filtrami, składającymi się z obwodów rezonansowych dostrojonych na stałe do danej częstotliwości pośredniej;
e) detektor zazwyczaj lampowy (czasami nazywany detektorem II);
f) wzmacniacz małej częstotliwości;
g) stopień końcowy.
Z porównania układów przedstawionych na rys. W-57 i W-59 wynika, że mechanizm działania odbiornika superheterodynowego jest bardziej skomplikowany od odbiornika o bezpośrednim wzmocnieniu. Jednak pod względem konstrukcyjnym odbiorniki superheterodynowe są prostsze od odbiorników o bezpośrednim wzmocnieniu o tej samej liczbie obwodów rezonansowych, gdyż mają część obwodów nastrojonych na stałe. Pod względem elektrycznym odbiorniki superheterodynowe są bardziej wydajne od odbiorników o bezpośrednim wzmocnieniu, ponieważ obwody
Rezonansowe nastrojone na stałe można wykonać o znacznie lepszych właściwościach niż obwody przystosowane do ciągłego przestrajania. W rezultacie odbiornik superheterodynowy ma nie tylko lepszą czułość i selektywność, lecz również, lepszą wierność odtwarzania. Na polepszenie selektywności i wierności ma duży wpływ wybór odpowiedniej częstotliwości pośredniej w układzie filtrów pasmowych.
Do odbioru słuchowego sygnałów telegraficznych, przesyłanych na falach ciągłych, w odbiornikach superheterodynowych stosuje się drugi generator lokalny (heterodyna II) pracujący na częstotliwości zbliżonej do częstotliwości pośredniej. Wtedy heterodyna pracująca ze stopniem przemiany częstotliwości jest nazywana heterodyną I. Wytworzone dudnienia po detekcji dają sygnały o częstotliwości akustycznej.
Odbiorniki superheterodynowe, w zależności od stawianych wymagań, są budowane w najrozmaitszych odmianach: ze wzmacniaczem i bez wzmacniacza wielkiej częstotliwości, z jednym lub kilkoma stopniami wzmocnienia częstotliwości pośredniej itd.
W końcu docieramy do Pioniera
Radioamatorzy, którzy po raz pierwszy stykają się z odbiornikiem superheterodynowym, często zadają pytanie: Kto to wymyślił i po co tak skomplikował układ? Czy nie można po prostu wzmocnić sygnału o odbieranej częstotliwości? Można. I taki sposób stosowano w setkach modeli odbiorników budowanych w latach 20-tych i 30-tych.
Do najważniejszych parametrów, które decydują o dobrym odbiorze należą:
- czułość (zdolność odbioru słabych i dalekich stacji)
- selektywność (wyodrębnienie słuchanej stacji spośród wszystkich, których sygnały dochodzą do anteny)
- dobra jakość dźwięku, który dociera do słuchacza
- wygoda obsługi, m.in. łatwość wyboru stacji
W pierwszych odbiornikach lampowych wzmacniane były sygnały o częstotliwości odbieranej stacji (wzmocnienie bezpośrednie). Aby uzyskać dużą czułość, odbiornik musiał mieć jak największą liczbę stopni wzmacniających wielkiej częstotliwości (w.cz.). Aby uzyskać dużą selektywność, stopnie te miały strojone obwody rezonansowe. Obwody musiały być przestrajane wszystkie równocześnie - zarówno przy przełączaniu zakresów jak i przy wyborze odbieranej stacji. W początkowym okresie każdy z obwodów przestrajany był za pomocą oddzielnego pokrętła.
Barierami przy polepszaniu parametrów odbiornika o wzmocnieniu bezpośrednim przez zwiększanie liczby stopni wzmacniających były:
- Trudność identycznego przestrajania wszystkich obwodów - każda różnica w ustawieniu częstotliwości między poszczególnymi obwodami niwelowała uzyskiwane wzmocnienie;
- Pasożytnicze sprzężenia miedzy elementami powodowały, że odbiornik zamieniał się w generator
- Odbiornik był trudny do pierwszego, "fabrycznego" zestrojenia. Parametry odbiornika pogarszały się wskutek zmiany parametrów poszczególnych elementów, związanych z ich starzeniem się oraz z ich wymianą przy naprawach.
Niedogodności te eliminuje w znacznym stopniu układ odbiornika superheterodynowego, zbudowanego w oparciu o niżej pokazany schemat blokowy.
Charakterystycznym członem układu jest mieszacz, zwany też stopniem przemiany częstotliwości. Dostarczane są do niego dwa sygnały:
1. zmodulowany sygnał odbieranej stacji, podawany przez obwody wejściowe;
2. sygnał niemodulowany z generatora lokalnego (heterodyny) o częstotliwości większej od sygnału odbieranego.
Na wyjściu mieszacza powstaje sygnał pośredniej częstotliwości (p.cz.), będącej różnicą częstotliwości heterodyny i sygnału odbieranego. Przy zmianie częstotliwości fali odbieranej zmienia się o tyle samo częstotliwość heterodyny i sygnał p.cz. ma częstotliwość stałą. Jest on wzmacniany przez wzmacniacz pośredniej częstotliwości. Następnie detektor diodowy wydziela ze zmodulowanego sygnału p.cz. częstotliwości akustyczne. Sygnał małej częstotliwości jest wzmacniany przez wzmacniacz m.cz. i emitowany poprzez głośnik.
Wyeliminowanie niedogodności, występujących w odbiornikach ze wzmocnieniem bezpośrednim polega więc na tym, że:
- Niezależnie od liczby stopni wzmacniających i obwodów rezonansowych, przy wyborze stacji strojone są - agregatem, składającym się z dwóch kondensatorów zmiennych na jednej osi - tylko dwa obwody: heterodyny i wejściowy;
- Niezależnie od zmian odbieranej częstotliwości, wzmacniany jest sygnał o niezmiennej częstotliwości (tutaj - 465 kHz). Umożliwia to zastosowanie we wzmacniaczu p.cz. kilku filtrów, zestrojonych fabrycznie na jedną częstotliwość;
- Zastosowanie jednej częstotliwości wzmacnianego sygnału umożliwia optymalne zaprojektowanie parametrów wzmacniacza p.cz. oraz dobranie sposobu montażu odbiornika dla tej właśnie częstotliwości.
W opracowaniu wykorzystano materiały:
- W. Niemczyński, Radjotechnika dla wszystkich, Wyd. Książnicy Naukowej, 1925
- Stanisław Noworolski, Zasady radjofonji, Wyd. M. Arcta, 1928
- Czesław Klimczewski, Jak czytać schematy radiowe, Wyd. Komunikacyjne, 1954
- Wilhelm Rotkiewicz, Technika odbioru radiowego, T.1., PWT, 1955
- Maria Maruszewska i Jan Sawicki, Radiomechanika, PWSZ, 1958
- Mirosław Szczepański, Odbiornik superheterodynowy, WKiŁ, 1965 r.
- Maria Maruszewska, Urządzenia radiowe odbiorcze, PWSZ, 1970