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Alla riscoperta del circuito REFLEX . Ricevitore per onde medie con triodo - 2/4

circuito REFLEX . Ricevitore per onde medie con triodo

Alla riscoperta del circuito reflex con il ricevitore per onde medie con triodo. Il circuito scelto rientra nella categoria REFLEX ed il progetto è stato impostato con l'impiego di triodo ad accensione diretta e bassa tensione anodica, alimentato da batteria.

Circuito Reflex - Scelte ed obiettivi

Con la realizzazione descritta in questa nota si è inteso rivivere quanto fu possibile realizzare per la ricezione dei segnali radio quasi 100 anni or sono con l'avvento delle valvole termoioniche, perseguendo il massimo risultato con l'impiego di un singolo triodo. Non si è ricercata una ricostruzione storica dei particolari e dello stile dei ricevitori dell'epoca ma piuttosto una trasposizione temporale di un circuito del tempo passato, costruendo un RX per Onde Medie con l'impiego di componenti più recenti, quali oggi accessibili a costi contenuti nei vari mercatini del surplus. Più di ogni discussione o speculazione ciò ci consente di percepire, almeno in parte, quanto e come i radiodilettanti agli albori della radio potevano permettersi o realizzavano e quali fossero i limiti con i quali dovevano misurarsi. Nondimeno per gli autodidatti d'oggi che volessero cimentarsi con questo RX, credo sia una esperienza interessante potendo toccare con mano una semplice applicazione della valvola termoionica che è stato il vero motore dello sviluppo dell'elettronica nei primi 50 anni del secolo scorso. Il circuito scelto rientra nella categoria REFLEX ed il progetto è stato impostato con:
1. Impiego di triodo ad accensione diretta e bassa tensione anodica, alimentato da batteria.
2. Impiego di condensatori variabili e bobine quali impiegate nei ricevitori commerciali degli ultimi decenni del secolo scorso e reperibili nel mercato del surplus.
3. Solo componenti standard tradizionali con terminali di interconnessione.
4. Realizzazione di un circuito stampato.
5. Costo minimo.

La valvola scelta è il triodo tipo 5676: trattasi di una “sub-miniatura” con i terminali a saldare, sviluppata nei primi anni’50 per applicazioni a radiofrequenza e facilmente reperibile nel mercato del surplus (nuova in confezione originale, di produzione Raytheon o Telefunken, costa 5 Euro). Questo triodo a medio coefficiente di amplificazione (μ=15) richiede una tensione nominale di filamento di 1,25V, ha transconduttanza Gm=1,6 mA/V ed è in grado di operare bene anche a bassi valori di tensione anodica (vedere caratteristiche in Fig.6 e Fig.7).

Caratteristiche del triodo 5676

Fig. 6 - Caratteristiche del triodo 5676

Caratteristiche del triodo 5676 a bassa tensione anodica.

Fig. 7 - Caratteristiche del triodo 5676 a bassa tensione anodica

Misura dell’induttanza di bobine e trasformatori RF.

Fig. 9 - Misura dell’induttanza di bobine e trasformatori RF.

Altri vantaggi di tale scelta sono la saldatura del tubo direttamente sul circuito stampato (risparmiando il costo dello zoccolo) e l’auto-polarizzazione negativa alla griglia di 0,25…0,3V, impiegando una resistenza di caduta e batteria standard da 1,5V per l’alimentazione del filamento.
Dalla Fig.7 osserviamo che con solo 25 volt di tensione di placca la corrente anodica, con tensione di griglia nulla, assume già un valore di 1,5mA. Pertanto, in prima approssimazione, con una tensione negativa di –0,3V applicata alla griglia la corrente di riposo assume il valore:
Ia = Io – (Vg x Gm) (1)
ovvero = 1,5 – (0,3 x 1,6) = 1mA.
Nel circuito REFLEX in esame una polarizzazione negativa della griglia controllo è importante per due ragioni: previene la circolazione di corrente di griglia col segnale RF d’ingresso ed il conseguente carico del circuito risonante e la rimodulazione del medesimo da parte del segnale audio che è sovrimposto a questo stesso elettrodo.

Misura del fattore di merito Qo degli induttori.

Fig. 8 - Misura del fattore di merito Qo degli induttori

Ove presenti, questi effetti si traducono in distorsione del segnale ricevuto e degrado della selettività del ricevitore. La scelta nel mercato surplus degli induttori idonei ha richiesto la valutazione di numerosi esemplari dovendosi ricercare quelli ad alto coefficiente di risonanza (Qo) quale necessario per ottenere congiuntamente buone caratteristiche di selettività e sensibilità. La valutazione, condotta con due strumenti Rohde & Schwarz (tipo LRT e tipo QDM) ha evidenziato che la maggioranza delle bobine RF di piccole dimensioni, quali utilizzate nelle radio commerciali moderne per Onde Medie, hanno un fattore di merito moderato: tipicamente nell’intervallo Qo= 65…85. Eccezioni riscontrate sono alcuni tipi di induttori prodotti dalla TOKO con Qo maggiore di 170. In particolare il tipo HA5F474 (L = 92…95 μH, in contenitore metallico da 10x10x13 millimetri) che è stato scelto per il ricevitore realizzato, dispone anche di un secondo avvolgimento di poche spire, utile per ottenere un accoppiamento a bassa impedenza, e del nucleo di regolazione.

Il valore di 90μH è minore di quanto necessario per l’intera copertura delle Onde Medie impiegando i condensatori variabili comunemente disponibili. Infatti a 600kHz la capacità di accordo vale 800pF e pertanto, a meno di utilizzare 2 bobine in serie, la copertura non è fattibile in un solo segmento. In Fig.8 è illustrata la misura del Qo di questa bobina, in risonanza con una capacità di 200pF alla frequenza fo= 1200kHz.

In queste condizioni la resistenza equivalente parallelo (Rp)del risonatore dovuta alle sole perdite della bobina vale 110kΩ: ciò ad indicare che tale elevato valore impone attenzione al carico dovuto altri fattori, ovvero le perdite associate al dielettrico ed il carico dovuto al circuito di griglia della valvola.

Per tale motivo, oltre alla polarizzazione negativa di griglia applicata con resistenza di valore elevato, tutti i condensatori che hanno peso nel Q a carico del circuito risonante sono stati scelti del tipo a mica argentata ed il condensatore variabile è in aria con lo statore montato con supporti in ceramica. Per la bobina a 2 avvolgimenti TOKO HA5F474 è stato anche rilevato il rapporto di trasformazione “K” in tensione, con due diversi metodi. In un caso sono stati misurati i valori di induttanza L1 ed L2 dei due avvolgimenti (vedere Fig.9) e quindi calcolato:

K = (L1/L2)1/2 (2)

Nel secondo metodo si è misurato il fattore di merito come illustrato in Fig.8 ma collegando anche una resistenza di carico (RL) variabile (non induttiva) ai capi dell’avvolgimento a bassa impedenza e ricercandone il valore che determina il dimezzamento del coefficiente di risonanza Qo a vuoto di L1. Quindi, determinato il valore di RL , si è calcolato: K = (RP/RL)1/2 (3)
Il rapporto di trasformazione è risultato K=16, con uno scarto minore del 5 percento tra i due metodi di misura. La coincidenza dei risultati sta ad indicare che i due avvolgimenti della bobina sono strettamente accoppiati dal campo magnetico, con un basso flusso disperso.

Circuito Reflex. Ricevitore per onde medie con triodo - Il circuito

Con riferimento al circuito del ricevitore REFLEX sviluppato riportato in Fig.10 le osservazioni principali sono le seguenti.

Circuito_del_ricevitore

Fig. 10 - Circuito del ricevitore

1) Il circuito d’ingresso RF è costituito da un filtro di banda con due trasformatori risonanti (T1 e T2) che utilizzano le bobine citate al paragrafo precedente e che sono accoppiati dai condensatori C2 e C3 connessi agli avvolgimenti a bassa impedenza. La commutazione di C2 e C3 varia la selettività del ricevitore. Con l’interruttore S1 nella posizione “N” la banda passante è stretta mentre nella posizione “W” la banda passante è larga.

2) Il terminale d’antenna (1) con impedenza nominale di 150Ω è parimenti connesso al secondario dell’avvolgimento a bassa impedenza del trasformatore T1. I terminali (2), (3) e (4) sono, in sequenza, utilizzati nel caso di impedenze progressivamente più elevate quali generalmente associate ad antenne filari corte rispetto la lunghezza d’onda. Il condensatore C1 isola galvanicamente il ricevitore dall’antenna e la lampadina a gas (neon) N1 scarica a massa le cariche statiche eventualmente accumulate dal cavo di interconnessione o dall’antenna.

3) Il segnale RF presente ai capi del risonatore di T2 è applicato alla griglia controllo del triodo con il condensatore C6, di piccolo valore, per separare la tensione continua applicata alla griglia attraverso la resistenza R2. Il valore di C6 è stato scelto 3 volte superiore alla capacità totale d’ingresso del triodo al fine di rendere trascurabile la partizione del segnale RF applicato alla griglia. La componente principale della capacità d’ingresso del triodo vale circa 20pF per effetto della reazione dovuta alla capacità (Cg-p) tra la griglia e la placca (effetto Miller) (Ref.2).

4) Il segnale RF amplificato presente all’anodo del triodo, separato col condensatore C8 e la bobina di blocco RFC1, è demodulato con due diodi a cristallo di Germanio (D1,D2) connessi come duplicatori di tensione.

5) Il segnale audio demodulato, che è riferito al polo negativo della batteria di alimentazione del filamento, giunge alla griglia del triodo per essere amplificato attraverso la resistenza R2. La rete costituita da C7, R2, C6 costituisce un filtro passa-basso che taglia le componenti a radiofrequenza presenti all’uscita del demodulatore. La frequenza di taglio (@-3dB) di questo filtro dipende essenzialmente solo da R2-C6 e vale:
fc=1/2∏ (R2 x C6) (4)
Ciò perché il circuito è pilotato dal triodo che, notoriamente ha una bassa resistenza anodica (Ra), che nel nostro caso ed in prima approssimazione vale:
Ra=μ/Gm (5)
ove “μ” è il Fattore di amplificazione del triodo (vedere Fig.6). Pertanto abbiamo
Ra= (15 / 1,6) 1000= 10kΩ.

Con i valori indicati in Fig.10 abbiamo fc=7kHz. Questo è un valore ragionevole nella ricezione di segnali in Ampiezza Modulata: evidenti sono quindi i motivi per cui non è possibile diminuire il valore di R2 o diminuire il valore di C6 che si tradurrebbero in minore sensibilità o selettività del ricevitore.

6) Notiamo che l’uscita del rivelatore (anodo di D1) non include la resistenza di chiusura della componente continua (al catodo di D2). Ciò perché, anche con tensione negativa alla griglia, esiste la circolazione di una debole corrente negativa che dalla griglia si richiude al filamento.
Questa corrente è dovuta agli elettroni emessi dal catodo (ovvero dal filamento) che, dotati di sufficiente energia cinetica, superano la forza di repulsione del campo elettrico sostenuto dalla griglia e riescono a raggiungere questo elettrodo richiudendosi al catodo attraverso il circuito esterno. E’ intuitivo che questa corrente è tanto più elevata quanto più bassa è la tensione positiva all’anodo e quanto minore è la tensione negativa applicata alla griglia. Nel nostro caso questa corrente ha un valore tipico di 20nA che sale a 200... 300nA se la tensione anodica è ridotta a qualche volt.

La corrente negativa di griglia, ai fini del comportamento del circuito, è paragonabile a quella erogata da un generatore ideale di corrente - ovvero con resistenza interna infinita - e con tensione massima ai suoi capi di qualche centinaio di millivolt. Nel circuito di Fig.10, se scolleghiamo R2 e poniamo un voltmetro ad alta impedenza (>10MΩ) tra la griglia ed il terminale negativo della batteria che alimenta il filamento abbiamo tipicamente una differenza di potenziale di 0,3V. Nel nostro caso la misura è stata eseguita con il voltmetro R&S tipo URV.

7) Osserviamo che la debole corrente di griglia fluisce nei diodi in senso diretto rispetto la polarità di conduzione. La caduta di tensione ai loro capi è pari a circa 10..15 millivolt. Se nel circuito di Fig.10 si invertono le polarità di entrambi i diodi la corrente negativa di griglia che scorre in R2 non cambia. Ciò avviene perché i diodi a cristallo di germanio presentano una caratteristica che a piccolissime correnti, cioè con cadute di tensione di pochi millivolt ai capi della giunzione, hanno una conduttanza inversa paragonabile a quella diretta, ovvero hanno il comportamento di una resistenza. In queste condizioni anche la sensibilità del ricevitore rimane sostanzialmente uguale, non escludendo tuttavia che con diodi al Germanio diversi vi sia una modesta riduzione.

8) Importante osservazione verte la polarità dei diodi: questi possono essere connessi come indicato nello schema elettrico di Fig.10 oppure, entrambi, con polarità rovesciata. Quale è la differenza? Nel primo caso, in presenza di segnale, la tensione positiva (componente continua) all’uscita del rivelatore aumenta la corrente di lavoro del triodo aumentando anche la potenza audio che il triodo è in grado di erogare sicché, interponendo un trasformatore d’impedenza all’uscita audio e con segnali forti, è possibile l’ascolto con altoparlante.

Nel secondo caso il circuito di rivelazione sviluppa una tensione negativa che si somma a quella generata dalla corrente di griglia ai capi di R2 ed alla caduta di tensione in R1 dovuta alla corrente di accensione del filamento, riducendo la corrente anodica di lavoro ed anche il guadagno del triodo. In tal modo, essendo la tensione negativa di griglia proporzionale all’intensità del segnale ricevuto, si ottiene una blanda forma di Controllo Automatico di Guadagno.

9) Con il condensatore variabile utilizzato (Cv) ed i condensatori C4,C5 da100pF, la gamma di sintonia coperta è: 890...1650 kHz. Con il valore di C4,C5 aumentato a 400pF si copre il segmento 650...900kHz.

10) La controreazione, sia in alta che in bassa frequenza, dovuta alla resistenza R1 è assolutamente trascurabile. Infatti in entrambi i casi l’impedenza di carico all’anodo è più di tre ordini di grandezza superiore e pertanto le correnti dei segnali RF e BF che scorrono in R1 generano cadute di tensione molto piccole.

11) L’amplificazione del segnale audio dipende dal valore dell’impedenza di carico all’uscita (OUT#1) ed il guadagno di potenza massimo si ottiene quando il suo valore eguaglia la resistenza anodica del triodo, ovvero 10kΩ. Pertanto le condizioni migliori di sensibilità e potenza d’uscita si ottengono utilizzando un trasformatore audio in uscita che riporta all’anodo un carico prossimo a 10kΩ. Ovviamente in queste condizioni R3 rimane non connessa.
12) Anche con l’ascolto in cuffia, preferibilmente con impedenza da 4000 Ω, questa può essere connessa direttamente all’uscita OUT #1: tuttavia sarebbe opportuno evitare tale soluzione che implica la circolazione di corrente continua e quindi la creazione di un campo magnetico costante, non salutare per i magneti permanenti degli auricolari. Per tale motivo è prevista la separazione della componente continua con C10 ed R3 che viene connessa alla batteria anodica con un contatto ausiliario di un connettore “Jack”.

Nel caso di batteria anodica con tensione più alta (es. 45V) il valore di R3 può essere convenientemente elevato a 10...15kΩ, migliorando di qualche decibel il guadagno.

13) L’induttanza di blocco RFC1 è costituita da 2 avvolgimenti uguali avvolti su un nucleo toroidale e connessi in serie. Questo componente è prodotto dalla Siemens che specifica, per ciascun avvolgimento, un’induttanza nominale di 5mH e corrente di lavoro di 0,1A.(codice: 882791-G12-A13) Con la connessione in serie degli avvolgimenti il valore dell’induttanza sale al valore (misurato) di 20mH (perché l’induttanza dell’avvolgimento, con flusso magnetico concatenato e poco disperso come nel nostro caso, sale con il quadrato del numero delle spire). A 50kHz il Qo misurato di questa induttanza è risultato 100.

Dovendo RFC1 presentare un’impedenza elevata a radiofrequenza il valore scelto non può prescindere dalla capacità propria che deve essere piccola per non caricare il circuito di placca del triodo. La capacità propria, rilevata con lo strumento di Fig.9, vale 20pF: pertanto la frequenza di antirisonanza propria risulta 250kHz. Al di sopra di queste frequenza RFC1 ha un comportamento capacitivo sicché, per frequenze 3...4 volte superiori all’antirisonanza, equivale ad un condensatore di 20pF. Ciò comporta una diminuzione del guadagno RF alle frequenza più elevate.

Il valore della reattanza di un condensatore da 20pF alla frequenza di 1000kHz è 8kΩ. Essendo trascurabile il carico del rivelatore rispetto la resistenza anodica del triodo (Ra=10kΩ) il guadagno RF a questa frequenza risulta pertanto ridotto di oltre 3dB rispetto il valore massimo dato dal Fattore di amplificazione “μ”.

radiokit elettronica

 

 

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