Многодиапазонная КВ катушка для однолампового регенератора

Описано изготовление экспериментальной многодиапазонной КВ катушки для самодельного регенеративного радиоприемника на одной лампе. Приведен опыт расчета,а также скрипт для подбора количества витков и конденсаторов для покрытия определенных участков частот.

Содержание:

1. Предисловие
2. Новая схема приемника
3. Подготовка
4. Знакомимся со SciLab
5. Скрипт расчета частоты колебательного контура в SciLab
6. Изготовление катушки (пробный вариант 1)
7. Изготовление катушки (пробный вариант 2)
8. Заключение

Предисловие

Немного раньше была написана статья Расчет и изготовление катушки КВ диапазона для регенеративного радиоприемника в которой были просчитаны параметры простой катушки КВ диапазона и приведен процесс ее изготовления. Там же, в конце статьи, есть упоминание о том что можно попробовать изготовить несколько катушек на разные поддиапазоны КВ, переключая их многопозиционным переключателем.

Решил проделать такой эксперимент, предварительно рассчитав катушку по уже известным из вышеуказанной статьи формулам. Первым делом нужно определиться как и на чем мотать катушку, а также какой переключатель использовать (есть в наличии).

Для своего приемника, в котором и так уже на шасси навешано всяких переключателей и крутилок, нашел очень миниатюрный переключатель на 10 положений.

В качестве каркаса для катушки решил использовать кусок пластиковой трубы диаметром 50мм. Честно скажу - лень было клеить каркас из бумаги )). Если есть трубка другого диаметра - можно также попробовать использовать как каркас, предварительно просчитав параметры контура - об этом будет рассказано ниже.

Рис. 1. Каркас для КВ катушки и микро-переключатель на 10 положений.

Новая схема приемника

Итак, имея переключатель на десять положений можно нарисовать примерную схему включения катушки в радиоприемнике. Приведу здесь переделанную схему из публикации Регенеративный батарейный радиоприемник на лампе 2К2М.

Рис. 2. Схема батарейного однолампового регенеративного радиоприемника с многодиапазонной КВ катушкой.

Как видим, теперь в схеме только две катушки: L1 - контурная катушка с отводами, L2 - катушка обратной связи. В схему добавлен конденсатор С, который помогает снизить пороги регулировки конденсатора С2. Для отключения действия конденсатора С, он может быть замкнут при помощи переключателя S1. При помощи переключателя S2 мы замыкаем ненужную нам часть катушки, чем и осуществляем переключение рабочего поддиапазона КВ. В остальном же схема идентична той что и в первом варианте моего приемника.

Подготовка

Мотать катушку будем виток-к-витку, делая при этом отводы от определенного количества витков. Нужно примерно расчитать через сколько витков делать отводы от катушки и на какие диапазоны частот сможем настроить наш колебательный контур используя конденсатор переменной емкости C2 в сопряжении с дополнительным конденсатором С.

Помню как из предыдущей статьи по данному радиоприемнику просчитывал индуктивность катушки, емкость конденсаторов и частоту колебательного контура по формулам используя калькулятор - очень неудобно и долго, а тем более если нужно попробовать разные варианты. Для расчетов многодиапазонной катушки и подбора разных вариантов ее параметров вариант ручного расчета с калькулятором в руках - это очень старомодно и затратно по времени. Сейчас есть масса языков программирования и специальных средств для технических и научных расчетов.

Знакомимся со SciLab

Используя свои знания в языках программирования первое что сначала пришло в голову - написать простую форму расчета контура на языке программирования PHP. Также есть некоторый опыт работы с MathCad и Maple - почему бы не произвести расчеты в подобных программах? Последние два продукта очень мощны но они далеко не бесплатны, к тому же тем кто использует ОС Linux эти программы придется запускать через Wine или VirtualBox что не всегда возможно и удобно.

Принято решение найти, установить и использовать программный пакет на подобии MathCad, который подходит по следующих критериях:

• Свободное ПО;
• Работает как на Windows, так и на Linux;
• Умеет дружить с форматом MathCad;
• Большие возможности и расширяемость;
• Хорошая документация.

Долго искать не пришлось - знакомьтесь, SciLab (Scientific Lab)!

Понятное дело что нам для наших расчетов колебательного контура нужна лишь мизерная часть возможностей этого мощного пакета, но тем не менее это отличная возможность познакомиться с хорошим и универсальным продуктом, который можно использовать в будущем для решения более сложных задач.

Скачать программу SciLab последней версии можно на официальном сайте: scilab.org

Свежая справочная система к программе доступна вот тут: SciLAb Help.

Страничка в Википедии, полезно ознакомится, также есть два простых примера расчетов: SciLab - Википедия.

Размер дистрибутива - примерно 120-150Мб.

Рис. 3. SciLab - первый запуск и первый расчет.

У программы простой и интуитивно понятный интерфейс - ничего лишнего, только самое необходимое. Также SciLab поддерживает множество языковых локализаций (Английский, Украинский, Русский  и т.п.). После запуска можно сразу же произвести простые расчеты.

Для написания и запуска сценариев (скриптов), кроме консоли у программе есть свой удобный редактор  - SciNotes (Scientific Notes), вызвать его можно из меню Программы - SciNotes. Для запуска скрипта на выполнение и просчет нужно в редакторе SciNotes нажать кнопочку в виде треугольника (наподобие Play в музыкальных плеерах).

Программы поддерживает использование переменных, функций, циклов, построение 3D графиков, авто-дополнение названий переменных и ключевых слов, т.п. О всех возможностях (а их очень много) рассказывать не буду, приведу еще несколько примеров рисунками и перейдем к расчету катушки радиоприемника.

Рис. 4. SciLab - строим ленту Мебиуса в 3D.

Рис. 5. SciLab - построение простой волнистой поверхности.

Скрипт расчета частоты колебательного контура в SciLab

Теперь, когда мы познакомились с прекрасным программным комплексом SciLab, можно произвести в нем расчет катушки и посмотреть как будет зависеть резонансная частота колебательного контура от количества витков катушки индуктивности и емкости конденсатора.

Текст скрипта приведен ниже:

// SciLab - Calculating Short Wave coil for regen receiver
// ph0en1x.net 2015
// https://ph0en1x.net/news/46-one-tube-regen-radio-sw-band-coil.html

coil_wire_D_mm = 1      // Coil wire diameter with isolation layer
coil_D_cm = 5         // Coil frame diameter
//coil_TURNS_n = [2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22]       // Coil turns number
coil_TURNS_n = [3 6 9 12 15 18 21 28 35 45]       // Coil turns number

// Capacitors connection: --|var|---|additional|---
capacitor_var_min_pF = 20   // Capacitor minimum value
capacitor_var_max_pF = 400   // Capacitor maximum value
capacitor_additional_pF = 100

// ----------------------------------------------------------------------------

// capacitors
capacitor_min_pF = capacitor_var_min_pF *capacitor_additional_pF /...
 (capacitor_var_min_pF + capacitor_additional_pF)
capacitor_max_pF = capacitor_var_max_pF *capacitor_additional_pF /...
 (capacitor_var_max_pF + capacitor_additional_pF)
mprintf('--||-- :  %d - %d (pF)n', capacitor_min_pF, capacitor_max_pF)

for x = coil_TURNS_n
 // calculate coil L in Henry (H = uH*10^-6)
 L_H = coil_D_cm * coil_D_cm * x * x / (45 * coil_D_cm +...
  100 * x * coil_wire_D_mm / 10 ) * 10^-6

 // calculate frequency
 F_min_MHz = 1 / (2 * %pi * sqrt( L_H * capacitor_min_pF * 10^-12  )) / 10^6
 F_max_MHz = 1 / (2 * %pi * sqrt( L_H * capacitor_max_pF * 10^-12  )) / 10^6
 mprintf('[%d] turns: %f - %f MHzn', x, F_min_MHz, F_max_MHz)
end

Для запуска скопируйте и вставьте его в окно редактора SciNotes, потом нажмите кнопку выполнения.

Рис. 6. SciLab - пример расчета частоты колебательного контура с заданными параметрами катушки и конденсатора.

Теперь пройдемся по параметрам (переменным):

• coil_wire_D_mm - диаметр провода (мм) для намотки катушки индуктивности L1 (смотри схему). Диаметр нужно измерять вместе с эмалью, для этого можно применить микрометр или же штангенциркуль;
• coil_D_cm - диаметр каркаса катушки (см). Если у вас другой диаметр - измените его здесь;
• coil_TURNS_n - массив с разными значениями количества витков (числа через пробел). Здесь мы можем поэкспериментировать и посмотреть с каких витков в катушке лучше делать отводы к переключателю;
• capacitor_var_min_pF - минимальная емкость конденсатора С2 (пФ);
• capacitor_var_max_pF - максимальная емкость конденсатора С2 (пФ);
• capacitor_additional_pF - емкость конденсатора С (пФ).

Программа посчитает и выведет сначала минимальное и максимальное значение емкости конденсатора С2+С, а потом для каждого значения количества витков, что указано в массиве, будет просчитана минимальная и максимальная резонансная частота колебательного контура, учитывая значение емкости С2+С.

Поскольку у меня переключатель на 10 положений то в массиве я задал десять значений витков для катушки L1, немного поигравшись со значениями остановился на результате что приведен на рисунке выше.

Лампа 2К2М не сможет работать на частоте выше 25МГц, но тем не менее эксперимент будет интересен - пощупать можно будет намного больше частот чем в первом варианте КВ регенератора с двумя парами катушек.

Расчеты произведены достаточно грубо, но тем не менее они помогли приблизительно прикинуть что можно получить из использования выбранных электронных компонентов.

Изготовление катушки (пробный вариант 1)

Катушка L1 намотана с отводами вот так: 1(начало) 3 6 9 12 15 18 21 28 35 45(конец). В катушке получилось 9 отводов. Для намотки использован провод диаметром 0,9мм - с эмалью получилось примерно 1мм. Для крепления выводов (начало и конец) просверлены по два отверстия диаметром 1,5мм.

Катушку L2 мотаем проводом 0,5мм и она содержит 3 витка, причем направление ее намотки должно быть противоположным к направлению намотки катушки L1.

Рис. 7. КВ катушка с отводами готова.

Нужно помнить что при подключении катушек следует соблюдать начала и концы намотки - на схеме они обозначены точкой.

Рис. 8. КВ катушка установлена в регенеративный радиоприемник.

Рис. 9. Самодельный регенеративный КВ радиоприемник на лампе 2к2м.

Рис. 10. Одноламповый батарейный регенератор с КВ катушкой.

Теперь радиоприемник принимает намного больше радиостанций в КВ диапазоне, используя переключатель витков катушки можно переместиться на более низкие или высокие частоты в КВ диапазоне. В качестве антенны по прежнему использовал отрезок медного провода диаметром 2мм и длиной около одного метра.

Чувствительность приемника конечно же оставляет желать лучшего. Часто бывает что можно параллельно слышать несколько станций, также есть некоторые участки частот что просто напичканы радиостанциями - вращать ручку КПЕ приходится с шагом в доли миллиметра чтобы перебрать пару станций и настроиться на одну более-менее устойчиво.

Громкость приема станций также получилась очень низкая, скорее всего что с катушкой L2 нужно поэкспериментировать чтобы увеличить регенерацию. Можно попробовать разместит ее ближе к L1 и попробовать домотать-отмотать витков.

Как побочное явление еще наблюдал слабый прием местной радиостанции в FM диапазоне частот около 100МГц, это меня вообще удивило.

Изготовление катушки (пробный вариант 2)

Экспериментальная катушка о которой написано выше не позволяет работать регенеративному радиоприемнику так как он должен работать на самом деле. И хотя мне удалось поймать немало радиостанций, громкость приема была очень низкой. При вращении ручки регенерации не слышалось характерного для работы регенератора "щелчка", вместо этого прием некоторых станций можно было лишь немного усилить или ослабить.

Такая ситуация не есть хорошей, поэтому было принято решение разобраться в чем причина. Для поиска оптимального решения использовалась последовательность экспериментов с размещением и параметрами катушек L1 и L2.

Важно: катушки L1(контурная) и L2(обратной связи) должны мотаться в противоположные стороны, а подключаться к схеме с соблюдением начал и концов. Если катушки намотать в одну сторону то регенерации не будет!

Сперва решил еще раз убедиться что вариант с двумя парами катушек работает, для этого на каркасе 30мм намотал по две пары катушек: 12 витков + 12 витков, 3 + 3 витка. 

Рис. 11. Эксперимент с двумя парами КВ катушек.

Все заработало как нужно, регенерация есть, при замыкании одной части катушки L1 приемник покрывает другой поддиапазон КВ.

Решил попробовать намотать катушку L1 секциями примерно по 4 витка, а катушку L2 распределить возле каждой секции по 3 витка.

Рис. 12. Эксперимент с многосекционной КВ катушкой.

Такой вариант многосекционной катушки вообще не заработал. Попробовал сделать катушку L1 секциями примерно по 10 витков, катушку L2 распределил возле секций по 3 витка.

Рис. 13. Эксперимент с многосекционной КВ катушкой с распределением по 10 витков.

Новый вариант катушки заработал как надо. При замыкании секций L1 менялся рабочий диапазон частот и при каждом переключении секций хорошо работала регенерация, громкость приема была высокой. Подключил к данным секциям последовательно еще две секции, что были намотаны раньше - все отлично работало.

Рис. 14. Тестовая КВ катушка и регенеративный радиоприемник.

Следующим экспериментом была проба намотать две секции катушки L1 по 6 витков, L2 - по 2 витка на каркасе 50мм.

Рис. 15. Эксперимент с секционной КВ катушкой на каркасе 50мм.

Такая катушка работает также отлично. Домотав еще по две секции L1 - примерно 1-12 витков и L2 - по 3 витка, подключив их к уже имеющимся секциям все тоже заработало.

Ну что ж, можно приступать к примерным расчетам новой катушки. Изменил в скрипте для расчета катушки в Scilab значения витков вот в такой конфигурации:

coil_TURNS_n = [6 12 24 36] 

Это означает что для намотки катушки L1 будем наматывать секции 6 + 6 + 12 +12 витков. Катушку L2 будем мотать возле секций катушки L1 на дистанции примерно 3-4мм и она будет содержать 2 + 2 + 3 + 3 витка. Все витки L2 наматываем в противоположном направлении к L1.

После запуска моего скрипта для расчета частот контура были получены такие результаты:

--||-- : 16 - 80 (pF)
[6] turns: 21.937995 - 10.013279 MHz
[12] turns: 12.068521 - 5.508501 MHz
[24] turns: 7.005530 - 3.197572 MHz
[36] turns: 5.238430 - 2.391005 MHz

Неплохо, можно приступать к намотке катушки.

Сначала думал закреплять выводы катушки используя изоляционную ленту - оказалось плохой идеей. Для теста еще куда не шло но для рабочей катушки крепление изолентой не подходит - витки расползаются и не держатся, также со временем изолента может начать расползаться, нужно другое решение. Рассматривал вариант с вплавливанием в каркас катушки небольших штырьков к которым будут припаиваться концы катушек - тоже вариант не очень хороший, поскольку при пайке немного перегрев любой из штырьков может разболтаться и нарушить плотность катушки.

Для крепления витков катушки я вспомнил один хорошо проверенный мною способ - с помощью эластичной капроновой нити. Нить хорошо тянется и с помощью ее можно не только закрепить конци катушек но и сделать небольшую натяжку витков катушки.

Как это делается: берем начало провода и загибаем его, в месте изгиба обматываем нитью в 10 витков с небольшой натяжкой и завязываем по прорядку 3-5 узлов. Кладем проводник на каркас катушки и с натяжением приматываем его нитью, в конце завязываем 4-5 узлов чтобы нить не развязалась. Наматываем нужное количество витков проводника с натяжением, в конце откусываем проводник и загибаем. Временно витки катушки скрепляем изолентой, при помощи изгиба конца проводника делаем с натяжением закрепление как и в случае с началом проводника. Таким образом мотаем все обмотки - катушка получится ровной и качественной.

Рис. 16. Готовая секция из двух катушек с креплением концов при помощи нитей.

Рис. 17. Готовая многосекционная КВ катушка.

Рис. 18. Многосекционная КВ катушка установлена в одноламповый регенератор.

Теперь радиоприемник работает на всех диапазонах так как и должен работать регенеративный радиоприемник. Ручка регенерации выполняет свою функцию и получается усилить достаточно слабые станции. Удалось настроиться и услышать связи радиолюбителей из Белорусии и других стран, услышал множество вещательных радиостанций на разных языках.

Заключение

Отключать часть катушки замкнув ее накоротко -  это не лучшее решение для переключения диапазонов. Возможно что намного лучше бы работал вариант с несколькими отдельными контурными катушками и конденсаторами, которые переключаются многосекционным переключателем на несколько положений.

Эксперимент удался, получен полезный опыт и  было увлекательно! Также познакомился с замечательным программным пакетом SciLab, который в будущем можно применять в своих расчетах.

UPD. Заснял небольшое видео работы приемника с новой КВ-катушкой:

Если статья оказалась полезной - помочь проекту можно тут: → 👍 ПОМОЩЬ, 🎁 DONATE