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2019年8月15日木曜日

【部品】Chinese Transistors

中国製トランジスタの話
 【アキバ名物10円トランジスタ
 秋葉原で手に入る安価なトランジスタの一つに中国製のS9018H(←リンク)があってこれは暫く前に紹介しています。 高周波用としてなかなか優秀なのですでに活用していますが、今回はそれとは違う汎用トランジスタの話です。

 半世紀も前の話で恐縮ですが、写真は1967年ころのCQ Hamradio誌の特集記事です。 面白い記事ではありますが、今となっては内容そのものはほとんど意味を持たないでしょう。 ジャンクなお買い得トランジスタが秋葉原で売られていて、それらを実際に使ってみたら・・・と言う話です。詳しい中身はやめておきます。何しろ大昔の話ですから。hi ただ、このBlogを書くにあたって、記事が登場したころ興味深く読んだことが思い出されたのでした。

 1960年代といえば、まだまだ真空管も全盛期でした。しかしトランジスタ・ラジオは輸出の花形でしたからトランジスタ自体も珍しい存在ではなくなっていました。 ただし子供の小遣いで気軽に買えるほど安くもなかったのです。
 それに真空管と違って「使い方が悪いとイッパツでお釈迦になる!」と脅されているとあっては気軽に使える部品ではありませんでした。 だから10円で買えるトランジスタがあるならその素性に興味津々だったのです。記事の話をもとに秋葉原を探査したのを思い出します。結局、筆者と同じような美味しい石には遭遇できませんでしたけれど・・・。(笑)

                   ☆

 つまらない昔話から始めてしまいましたが、いまでは10円トランジスタなど珍しくもありません。少しまとめて買えば単価10円以下のトランジスタなどゴロゴロしています。 つくづく自作にはありがたい時代だと思ってしまいます。 再生式受信機の話も半ばですが、少々夏休みを頂いて「中国製のセカンドソース・トランジスタ」の雑談にしましょう。前回のBlogでちょっとだけ触れた話題です。ヒマつぶしにでもご覧ください。

 【中国製のセカンドソース・トランジスタ
 もうしばらく国産品も十分手に入ると思うのであえて中国製のセカンドソースに手を出す必要はないのかもしれません。 しかし、写真のようなリード線付きトランジスタの国産品は次々に生産終了しています。

 写真は左からC1815GR、A1015GR、2N3904、2N3906です。どれも中国製のセカンドソース(互換品)です。2N3904と2N3906はあまり馴染みがないかもしれませんが、米国では2SC1815や2SA1015のようにたいへんポピュラーなトランジスタです。米QST誌など見ていると良く目にします。

 足つき部品はブレッドボードでの試作だけでなく、ちょっとした回路の手作りには未だなくてはならない存在でしょう。 いつまでホンモノが流通するのかわからない状況になってきたので、中国製のセカンドソースを評価しておくことにしました。 たまたま目にした中華通販で、ものすごく安く売られているのを目にしたからでもあります。hi

ポイントはどれくらい「オリジナル(=ホンモノ)」に近いのか?という一点のみです。 以下「2S」を除いた型番で書いてあるものは中国製セカンドソースの意味です。

◎結論を言ってしまうと:
(1)左のC1815GRとA1015GRは東芝製のオリジナル品によく似ており、ほぼ同等といえます。 2SC1815GRや2SA1015GRで設計された既存の回路にそのまま使ってもなんら支障はなく、得られる特性も違いはないでしょう。  バラツキの少なさではホンモノ以上に優秀でした。

(2)右の2つ、2N3904と2N3906は足ピンの並びこそ左のC1815GRやA1015GRとは違いますが、電気的な特性は非常に良く似ています。 むしろオリジナル(=米国製のホンモノ)の2N3904や2N3906よりも2SC1815や2SA1015に類似しています。 この点はQST誌など米国の雑誌記事の回路を中国製のセカンドソースで代用すると再現性が問題になるかもしれません。少し注意が必要でしょう。 しかし、汎用のNPNやPNPトランジスタとしては優秀ですから幅広く活用できるはずです。

参考:(C1815GRと2N3904の類似性)
 例えば高周波特性に影響のあるトランジション周波数:fTはIc=1mAに於いてC1815GRが113 MHz、2N3904は112MHzです。fTのピークはC1815GRが220MHz、2N3904も220MHzで、いずれもIc=15mAのときです。 またPNPトランジスタのA1015GRと2N3906もたいへん良く似た特性でした。 このようなことから、それぞれ同じチップを使い足ピンの接続を変えただけの同一特性のトランジスタのように思えます。

入手先:(中国製1円トランジスタの入手は?)
2019年の夏現在、これらのトランジスタは、いずれも100個単位で1ドル以下で手に入ります。購入先はAliexpressで送料無料のショップもあります。 Aliexpressへ入ったら「2SC1815GR」で検索してみます。 円換算で言えばいずれも単価は1円以下なので、これはもう昔のアキバ名物を超えてます。hi hi

トランジスタを山ほど使った製作がフトコロ具合を気にせず楽しめます。w

トラ技Jr誌・No.38で
 このC1815GRとA1015GRについて詳しく調べた結果を「トラ技Jr誌:No.38:2019年夏号」に掲載して頂くことができました。  評価が可能な電気的特性について、それぞれオリジナルとの比較で表やグラフで示してあります。 もし詳しい比較結果にご興味があればご覧いただけたら嬉しいです。

 トラ技Jr誌は「トランジスタ技術」誌とは別の小冊子です。おもに電気・電子系の学生さん先生がたを対象に工業高校や大学工学部などへ配布されているとのこと。 以前はトラ技誌の付録だった記憶もあるのですが現在はそうではありません。普通の書店に並ばないのは残念ですがCQ出版社のTech Villageで電子版および印刷版が入手できるそうです。なんだか雑誌のPRのようになっちゃいましたね。hi

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 再生式受信機の試作でも中国製のセカンドソースを試しています。 個性が現われやすい再生検波回路でもホンモノとの違いは感じられませんでした。 なかなか良くできているセカンドソースという印象です。 非常に安価なので、初めは「怪しい部品」を疑ったのですが杞憂にすぎなかったようです。 プロフェッショナルな視点で見たら長期的な寿命など未知数の部分もありますが、少なくとも我々が実験や製作を楽しむのでしたら心配なく使えます。性能も申し分なくバラツキも少ないため再現性の良い製作が期待できます。

 中国製の電子部品というだけで何となく怪しさを感じてしまいそうです。 事実、ネット通販ではニセモノをつかまされたという話もよく聞きます。 しかし、中国製の半導体が本質的に怪しい訳ではないでしょう。もしそうだとすれば巷に溢れている中国製電子機器が軒並み怪しことになります。現実には十分な実用性を持った製品が殆どです。

 ではなぜニセモノに騙されるのでしょうか? 恐らく、探してもどこにも残っていないような「いにしえのデバイス」をたとえ高額を支払ってでも欲する人がいるからでしょう。 形状が似たヤスモノの型番を書き換えて高額で売りつけられればウハウハです。 素人にはどうせわかりっこないと思えばご希望の品をこしらえて送ってくるのです。あとはクレームがこなければ丸儲けでしょうね。 私もチャレンジすることがあります。面倒ですが到着次第ただちに真贋を確認し、もしダメならクレームを入れて返金させています。(笑)

 紹介したC1815GRとA1015GRは型番を偽装したものではなく、初めから代替を目的に製造したセカンドソース品でしょう。まともなセカンドソースであるためにはオリジナルと違わぬ性能が要求されます。 うまくそれが実現されたトランジスタだと思いました。 de JA9TTT/1

(おわり)fm

2019年8月1日木曜日

【回路】Regenerative Receivers (4)

再生式受信機・その4 セラロック®︎式の試作
It's a SONY】(?)
 このテーマも4回目です。そろそろまとめることにしましょう。
 写真は年代モノのSONY製トランジスタを使って作った再生式受信機です。 もっとたくさん使ってやれば良かったのですが、とりあえずSONYは2石だけです。(笑)

 セラミック発振子を使った再生式受信回路になっていて、昔ながらの言い方だと;1-T-2となります。 このブレッドボード上だけで回路のすべてが含まれます。 後ほどムービーがありますが、こんな簡単な回路構成でもなかなか良く聞こえます。

 この例では、6〜9Vの電源で問題なく動作します。 消費電流もわずかなので乾電池を電源にしても不経済ではないでしょう。

 基本的な動作を確認するためにブレッドボードに作りました。 実用品に仕上げるにはハンダ付けで製作するのが良いでしょう。このミニマムな回路構成のままでも楽しめそうでした。 そもそも遊びなので変なトランジスタを使いましたが代替部品はいくらでもあります。 手に入りやすいトランジスタを使った回路も載せておきました。そちらなら部品集めも容易ですから追試に支障はないでしょう。 古いSONY製トランジスタに無理にこだわらないで下さいね。 こんな機会にでも使ってやらないと2度と使うこともないと思うので使ったまでです。けして性能優先の選択ではありません。(笑)

                   ☆

 再生式受信機を楽しむ第4回です。 第3回(←リンク)でテストしたセラミック発振子(共振子・振動子)の具体的な活用をまとめた自家用メモです。 いずれにしても現代的な受信機(トランシーバ)と比べたら低性能で欠点もあります。 以下はシンプルさに楽しさを求める遊びなので高級志向のお方には馴染みません。これ念のため。 

年代モノのTrで作る再生式受信機
 SONY製の古いトランジスタを使ったのは偶然からです。  再生検波の検討は2SC1815Yや2SC372Yと言った汎用トランジスタで始めました。

 雑多なトランジスタで試す過程で、たまたま取り出したのが「2T76」でした。本来の用途は中間周波数増幅用(455kHz用)なので短波の7MHzなどお呼びじゃないでしょう。しかしダメだろうと思いながら試したらなかなか良かったのです。肝心の再生のスムースさも良好でした。
 古いトランジスタはバラツキが大きいので偶然かもしれません。 そこでジャンク箱をかき回して幾つか見つけて交換したらどれも使えたので偶然ではないようでした。 2T76は後にJISに準拠した型番の2SC76としてEIAJに登録されるゲルマニウム・トランジスタです。 トランジスタの型番が2SC***形式に統一されるのは1960年4月です。それ以前のものなのでしょう。

# もちろんバイアス抵抗値を少しだけ加減すれば他のトランジスタでも同じように試せます。古い石でチョット遊んでみただけです。持っていなければ古いモノにこだわる必要はまったくありません。

                ー・・・ー

 感度のアップと再生検波器の発振モレ対策として高周波増幅を設けました。 その趣旨から言うと帰還容量の小さな2SK241Yや2SK544Eが最適です。それらはゲインの点でも有利です。 そのため本来ならそちらを使うべきですが、懐かしいRFデバイスの2SK19Yにしました。 2SK19や2SK192Aを使うならソースフォロワ形式にする方法もあります。
  アンテナ入力部には同調回路を設けましたが、出力側は抵抗負荷の非同調式です。抵抗負荷式なのは増幅度をそれほど必要としないのと、検波回路への干渉を減らすためです。 検波回路との結合は2pFという小容量で行なっています。 これを大きくし過ぎると受信周波数の可変範囲が狭くなります。 大きくてもせいぜい5pFくらいが適当でしょう。

 再生検波回路はNPN-Trの2T76を使ったコルピッツ型です。 ベースに与えるバイアス電流によってゲインを制御して再生状態から発振状態までをコントロールします。 セラミック発振子を使った回路形式になっていますが、この再生検波回路の詳しくについては前回のBlog(←リンク)を参照して下さい。

 検波回路の後は同じく2T76を使った低周波プリアンプが続きます。2T76は低周波用ではありませんが低周波の小信号増幅なら支障なく使えます。 ここはNPN型の小信号用トランジスタのほとんどが使えるでしょう。 なお、古いものにはノイズが増加した劣化品もあるのでダメなときは近代的なトランジスタ(例:2SC1815など)を使います。

 この回路図では低周波パワー・アンプはLM386N(セカンドソースのNJM386BDを使用)を使っています。 回路そのものはオーソドックスなので説明の必要もないくらいです。 なお、実験の途中でUTC製の低電圧用パワー・アンプ:LM4880Lを試したので後ほどその試用レポートがあります。 ムービーもそちらを撮影しました。

                   ☆

 以上、簡単な回路説明でした。 不明なところがあればコメントでもどうぞ。 各部の様子については写真付きで説明して行きます。

高周波増幅部
 アンテナから来た信号は簡単なアッテネータを通ったあと高周波増幅されます。 あとから思ったのですが、この部分にもSONY製を使ったら良かったですね。 2SK19Yの代わりに2SK125が少しの工夫で使えます。 特に高性能化する訳でもないので回路的なメリットはありませんけれど。

  古い型番のFET(電界効果トランジスタ)ということで2SK19Yを使いました。この回路形式の場合、2SK241Yや2SK544Eの方が有利です。 そのまま交換すると数dBの感度アップがはかれます。 もともとそれらのトランジスタを使うのが前提の設計だから当然なのですが。hi

 第2回(←リンク)のVK3YEの回路を思い出すかも知れません。 彼の回路では大胆にも入力の同調回路を省いていました。 それでも動作しない訳ではないのですが性能は犠牲になっています。 やはり受信機の入力部にはきちんとした同調回路を設けた方が有利です。 同調コイルは小型のトロイダルコアで自作しましたが、巻くのが面倒なら7MHz用のFCZコイル(同等品も可)が使えます。 不要信号の除去だけでなく感度アップにもなるので同調回路付きがお勧めです。

 アンテナ入力部に簡易な可変型アッテネータ・・・単なるボリウムですが・・・を入れてあります。簡略版ですがこれでも効果的でした。 本格的にやるなら可変リンク式がベストですが工作は面倒そうです。w

セラロック®︎を使って再生検波部
 セラミック発振子を同調回路の代わりに使った再生検波回路です。 受信可能な周波数範囲はセラミック発振子をVXO回路のように使った時の周波数可変範囲と一致します。
 ここでは規格の周波数が7160kHzのセラミック発振子を使いました。(村田製作所製:入手方法は前回のBlogを参照) 受信周波数範囲は6980kHzから7090kHzくらいになっています。 CW局(無線電信局)の受信をメインにするなら適当な周波数範囲です。

 写真のように再生検波回路のトランジスタ(Q2)は2T76です。ここは同じSONYの2T73(=2SC73)があればより確実です。 2T76のα遮断周波数:fαbは10MHzですが2T73なら20MHzと2倍あるのです。 もちろん近代的なシリコンのNPN型トランジスタならもっと高性能なものがたくさんあります。具体的な代替方法などは前回のBlogにも書いてあります。

低周波プリアンプ部
 自己バイアス回路を使ったシンプルな低周波プリアンプです。このバイアス回路は部品が少なく簡単なので採用しました。ただし個々のトランジスタの直流電流増幅率:hFEがバラつくと動作点が変動します。

 コレクタとGND間の電圧を測って2Vから4VになっていればそのままでOKです。それを外れるときは抵抗器:R6・・・回路図では100kΩ・・・を加減します。 コレクタ電圧が低過ぎるときはR6を大きくし、高過ぎるときは低くします。 大きくするときは例えば220kΩとか330kΩのように大胆に変えないと効果が現れません。 あまり厳密ではないので受信してみて歪みを感じなければそのままでも良いかも知れません。

 汎用のNPNトランジスタに置き換えることができます。 バイアス抵抗:R6を加減してやればほとんどのNPN型トランジスタが使えるでしょう。 2SC1815、2SC945、2SC458、2SC372、etcなど候補はたくさんあります。

低周波パワー・アンプ・1
 低周波パワー・アンプは2種類を試しています。 こちらはオーソドックスなLM386N(NJM386BD)を使ったタイプです。

 Hi-Fi用ではありませんので、増幅する周波数帯域を絞った方が有利です。 入力部分にRCによる簡単なローパス・フィルタが入れてあります。

# 珍しいICではないので詳細は省きます。

低周波パワー・アンプ・2
 手軽な低周波のパワー・アンプと言えば、一般的にはLM386Nなのでしょう。 しかしここで実験した、より低い電圧に向いているLM4880Lもなかなか良好でした。

 LM386Nよりクセが少ない感じで意外に扱いやすいように思います。 ただし推奨電源電圧は5.5Vで最大でも6Vまでなので電圧の掛けすぎには注意が必要です。 乾電池3本の4.5V程度で使うのに最適そうでした。 なお、ここではメーカーのアプリケーション・ノートには載っていないような使い方をしています。以下に回路図があります。

LM4880Lを使った低周波パワー・アンプ
 LM4880Lは低周波パワーアンプ用のICです。 250mW程度のパワーが得られるアンプが2回路内蔵されています。 一般的にはステレオ・ヘッドフォン・アンプなどに使うものでしょう。 標準的な使い方なら少ない外付け部品で済みます。 外付けのコンデンサも小さめの容量で済むよう考えられています。従ってコンパクトに回路が組めます。

 LM4880Lはもっぱら反転増幅用(インバーティング・アンプ用)に作られています。 またメーカーのアプリケーション・ノートではゲインが1倍の反転アンプがほとんどです。 これはLM4880Lの入力信号は十分大きいという前提なのでしょう。デジタル・オーディオ機器を作るならあまり増幅する必要はないという想定と思います。 全負帰還のマイナス1倍ゲインでも安定なことが保証されています。発振し難いはずなので扱いやすそうです。

 データシートのゲイン・位相特性を見るとゲインを持ったアンプを作っても大丈夫なことがわかります。 ここではアンプの片方を単なる電圧ゲインを稼ぐアンプとして使っています。残ったもう一方をスピーカを鳴らすためのパワーアンプとして使いました。 2段構成のアンプとなり、トータルの(電圧)ゲインは約45倍(≒33dB)です。同時に高音域を減衰させ聴感上のノイズを減らすようにしました。これはなかなか効果的でした。

 ノイズに敏感なヘッドフォンあるいはイヤフォン用を意識しているらしく静かなアンプです。 クロスオーバー歪みも特に感じないので良い感じの音がします。 結果が良かったので低電圧用の定番パワーアンプにしようと思っています。 入手先は秋月電子通商で単価は税込60円でした。 オリジナルメーカはナショセミ社(現・TI社)です。秋月電子通商では台湾メーカのUTC製が手に入ります。

                   ☆

600Ωのヘッドフォン
 実はヘッドフォンで聴くのはあまり好きではないため、スピーカーを鳴らす設計を標準にしています。 しかし、ヘッドフォンにも捨てがたいものがあります。 かなり高感度なので低周波アンプのゲインが少なくても済むのです。 その結果、低周波アンプが発振すると言った不測のトラブルが減らせます。

 ヘッドフォンが高感度なのは経験的に知っていましたが、ではどの程度の感度を持っているのか試したことはありませんでした。 より具体的には、十分に鳴らすためにどれくらいのパワーアンプが必要なのだろうか・・・と言う疑問です。 そこで、手持ちにあった通信機向きの600Ωヘッドフォンについて感度を調べてみました。

写真は実際に調べたもので、左から:
  • (1)米軍用無線機の標準装備品でモノラル型。エレクトロ・ボイス(EV)製
  • (2)ヤマハのHP-50A型モノラル・ヘッドフォン。後で調べたら300Ωらしいですが600Ωの用途で使われていました。
  • (3)たぶん自衛隊用のJHS-33型。モノラルで耳当て部分は皮素材のようです。だいぶ古いですが遮音性もあり感触も良好です。マグネチック型でしょうか。
これら3つについて、インピーダンスが600Ωの発振器とアッテネータ使って感度測定してみました。 測定周波数は800Hzでテスト信号は歪みが少なく綺麗な正弦波です。

周囲が騒がしくても聞こえるレベル
(1)-20dBm、 (2)-15dBm、 (3)-20dBm

静かな部屋なら問題なく聞こえるレベル
(1) -40dBm、 (2)-30dBm、 (3)-40dBm

耳を凝らして聞こえる限界のレベル
(1)-65dBm、 (2)-55dBm、 (3)-67dBm

・・・のようになりました。

 マイナスの数字が大きいほど高感度です。 0dBm=1mWです。600Ω系で測定しています。 ちなみに、-20dBmというのはわずかに0.01mW(77.5mVrms @600Ω)です。 -40dBmというのはさらにその1/100です。(電圧では1/10) このようにヘッドフォンは非常に高感度であることがわかりました。

 ヘッドフォン用のパワーアンプなら最大出力は数mWもあれば十分そうです。 少なくともシャックのような屋内環境ならそれくらいで足りるでしょう。 (1)のヘッドフォンを使う米軍用無線機の低周波出力は10mWです。 戦場でもそれくらいパワーがあれば騒音に打ち勝つだけの音量が得られるということなのかも知れません。 間違ってハイパワーなアンプで直接ドライブしたら耳が破壊されかねません。難聴には気をつけたいものです。

 なお、ラフなテストですから音の「検知器」はJA9TTT局の「耳」です。 少年のころならもっと高感度だったんでしょうね。(笑)

参考:600Ωのヘッドフォンはやや特殊かもしれません。しかし8Ω系のヘッドフォンも同じような感度を持っています。きちんとインピーダンス整合を行なえば同じような電力で十分でしょう。 ヘッドフォンを新たに購入するならお店で試着して比べるのがベストです。感度の違いは比較すればすぐにわかります。 一部にHi-Fiを意識して低感度な製品もあるので要注意です。 HAM用には大きめの音量でも歪み感がなく高感度なものが適していると思います。 経験上、無線機オプションのヘッドフォンよりもHi-Fi用製品の中に使い心地の良いものが見つかるようです。

ヘッドフォン用・低周波出力アンプ
 おまけとしてSONY製の古い低周波増幅用トランジスタでヘッドフォン用パワーアンプを試作してみました。このアンプに交換すればさらにもう一歩「It's a SONY」に近付きます。(笑)

 手元に600Ω:600Ωの低周波トランスがあったので使いました。これは山水のST-71などで代替できるでしょう。
 こうしたトランス結合形式のアンプはHi-Fiではありません。 周波数特性を調べてみると、1kHz以下はダラダラと下がって行く特性です。

 そこでこの受信機はCW(無線電信)の受信がメインと考え、800Hzくらいで共振するようにしてみました。 トランスの1次側巻線(トランジスタ側)の両端に入った1μFが共振用のコンデンサです。 このコンデンサはフィルム系のコンデンサを使います。 コンデンサの値はトランスのインダクタンスと関係します。 トランスに代替品を使うときにはコンデンサの容量を加減して600から800Hzあたりで共振させます。 トランスには巻線抵抗があるので急峻な共振特性にはなりませんが、それがかえって好都合です。 不自然さをあまり感じさせずに「フィルタ効果」を発揮してくれます。

 このアンプは600Ωの負荷に5mW程度のパワーを歪みなく出力できます。 上記のようなヘッドフォンの駆動には適当なパワーです。

ヘッドフォン用アンプの回路図
 回路図です。 2T64はSONY製の年代物トランジスタです。 のちの2SD64と同じNPN型のゲルマニウム・トランジスタですが、もはや2SD64でさえ入手困難でしょう。 しかしNPN型の小信号用トランジスタなら何でも大丈夫です。 2SC1815とかで代替すれば同等以上の性能が得られます。

 2SC1815のようなシリコン・トランジスタで代替する場合はバイアス抵抗:R2・・・現状では56kΩ・・・をもっと小さくします。 これはゲルマとシリコンのVBEの違いによるものです。 コレクタ電流が7.5mAくらい流れるように加減すればOKです。 電源電圧は9Vの設計ですが、6Vにすることもできます。 同じように7.5mAくらい流れるようにR2を加減すれば大丈夫です。 8Ω系のヘッドフォンには、アウトプット・トランスにST-32(一例)を使います。

 このアンプはあまり電圧ゲインがありません。 再生検波回路に直結したのでは受信機としてゲイン不足になります。 簡単なもので良いので40dB(100倍)くらいのゲインを持った低周波アンプを前置して使います。

                   ☆

テストしたトランジスタたち
 おもに再生検波回路のテストに使用したトランジスタです。 すべてNPN型のトランジスタです。 2T76と2T73はゲルマニウム・トランジスタですが、他はすべてシリコン・トランジスタです。

 いちばん左のC1815GRと言うトランジスタは中国製で、日本製2SC1815GR(東芝)の互換品です。  中華通販で単価1円以下と非常に安価ですが性能も申し分ないので代替品として問題なく使えます。 2SC1923Y(東芝)は高周波用の小信号トランジスタです。良いトランジスタですが7MHzあたりの再生検波回路にはこれでなくても十分です。 中央のBC548はモトローラ製の汎用NPNトランジスタです。 使ってみるとノイズの少ない良い石でした。Eu圏ではポピュラーなようです。 2T73は2T76の選別品らしくfTが高いものです。 右端はCCS6400と言う正体不明のNPNトランジスタです。fT=100MHzくらいのごく平凡なトランジスタですが、再生検波回路に使うとスムースな再生の調整ができてなかなかFBでした。

◎ スムースな再生とは、再生回路のVRを再生度が増す方向へ回して行くと:

(1)バックグラウンドのノイズがだんだん増えて行くのがわかる。
(2)再生度が増してゲインがアップするとともに弱い発振が始まるのが感じられる。
(3)滑らかに発振が大きくなって行きだんだん一定の状態になる。
・・・というような過程で加減がスムースにできるものを言います。

スムースではない再生だと、(1)の状態をあまり経ずにいきなり強い発振に移行してしまいます。よく観察していると「ポコ」っという感じでいきなり強めの発振が始まるので少し慣れるとすぐにわかります。 このあたりの感触は文章を読んでわかったようなつもりになってもダメで、実際に経験しないと会得できないもののようです。

 手持ちのトランジスタを差し替えてテストしてみるのも面白いものです。 再生検波回路に使うと増幅回路に使った時とは違った個性が発揮されて興味深かったです。

# 以下は参考までに汎用のシリコン・トランジスタで製作する回路例です。

汎用トランジスタで作る回路図
 基本的に最初の回路と同じです。 ただしシリコン・トランジスタは性能が良いのでいくらか高利得になります。 そのため電源系を通して低周波の発振を伴うことがありました。 対策にアクティブ形式のデカップリング回路を追加してみました。 Q4:2SC1815Yがその部分です。作り方次第なので無くても大丈夫かも知れません。 電源電圧は6〜9Vが適当です。

 高周波増幅には2SK544Eもしくは2SK241Yを使います。 再生検波回路を含めNPN型トランジスタはすべて2SC1815Yです。 要(かなめ)の再生検波回路は使うトランジスタによってかなり様子が変わるので、交換できるようにしておくと面白いです。 組み立た後で調子の良いものを見つけると言った楽しみができます。

 再生式受信機は古臭い形式の受信機ですが、あえて年代物のトランジスタを使う必要はありません。 性能優先ならだんぜん近代的な半導体で作るべきです。 しかし懐かしい部品の手持ちがあるなら死蔵せずこの機会に使ってみるのも興味深いものです。

 回路はNPNトランジスタで設計しましたが、電源の極性を変更しコンデンサなど各部品の極性に気をつければPNP型トランジスタで作ることもできます。 実際に2SA58、2SA93、2SA70、2SA101と言ったPNP型ゲルマニウム・トランジスタでも試してみました。それぞれ個性があってそれなりに動作してくれます。 (低周波アンプには2SB54、2SB77、2SB111、2SB172など低周波用PNP型を使います)

                   ☆

セラロック式再生式受信機】(ムービー)
このところ7MHzのコンディションが良くないので受信テストに手間取りました。夜間になるとDXは開けるようですが、国内局はスキップしてしまいます。 様子を見て国内が開けたタイミングでムービーを撮影しました。 試作品の構造上ダイヤルを回して周波数を上下すると言った操作は撮影しながらでは難しいため受信周波数は固定した状態です。 いずれきちんと製作する機会があればダイヤル操作の様子も含めて撮影したいと思っています。(:再生すると音が出ます)
前回Blogの確認項目はどうだったでしょうか? まず、再生検波回路としての動作はうまく行っていることがわかります。 感度は標準信号発生器:SSGで測定して+20dBμEMFくらいが限界でした。+30dBμEMFならまずまず聞こえます。これは16μVくらいが十分聞こえると言うことです。7MHzの逆Vアンテナでかなり良く受信できました。
 周波数安定度ですが短時間ならまったく問題になりません。周波数の引っ張りもあまり感ぜず、ムービーにありませんがSSB局もまずまず受信できます。甚だ強い局だとわずかに引っ張られますがRFアッテネータで簡単に逃れられました。 欠点はAGCがないことです。弱い局は当たり前のように弱く、逆に強い局はとても大きな音で聞こえます。ワッチ中はゲイン調整を頻繁に行なわねばなりません。 最後に、選択度と関連する「シングル・シグナル」については次項をご覧ください。

                   ☆

シングル・シグナルについて
 左の図を見てもらえばなんとなくわかってもらえると期待しますが、すこし補足します。 

 重要な前提として再生検波回路は必ず弱い発振が始まる状態に調整しておきます。 強い発振状態に調整してしまうと図のような状態は再現できません。 再生度調整の可変抵抗器:VRを良く加減して必ず再生状態から弱い発振に移行した直後のところに調整しておきます。 CWを受信していて、ビート音が聞こえ始めた所にセットすればOKです。

 もう一つ、発振回路について補足が必要そうです。 発振回路は自然に発振を始めると思ってしまいますが、実際には発振の起動にはなんらかの「タネ」が必要です。 タネというとわかりにくいかも知れませんが、何かのきっかけや刺激のことです。 その電気的なタネが増幅回路で増大されて出力に現れます。出力から入力へ正帰還されることで発振が継続します。 しかし大元になるのはなんらかの「タネ」です。タネがなければ発振は始まりません。 具体的には電源投入時の電気的な刺激や熱雑音などがキッカケになっています。 再生式受信機では受信している外来の信号もその「タネ」の一つになり得ます。

 発振が起こるかどうか微妙な状態では、刺激の有無や加わり方の影響を受けます。 加わり方としては、例えば刺激の大きさや位相などが考えられます。 同じ大きさの刺激でもうまくタイミングが合っていない・・・具体的には位相が合わない・・・と有効な刺激とはならず発振が継続できないことがあるわけです。

 弱い発振状態において発振が継続できるのは外来信号の刺激が考えられますが、共振回路を含むため外来信号の条件がうまく合わないと発振が継続できないことがあるのでしょう。そのため、再生検波回路の・・・より具体的には、セラミック発振子部分の・・・共振周波数と入力信号の周波数関係が大切になります。 同調回路と入力信号の周波数関係が適切でないと発振が止まるのです。その結果シングル・シグナルのように振る舞うのでしょう。 残念ながら、真のシングル・シグナルではありませんから混信に対する効果はほとんど期待できないでしょう。 アンテナを繋いだ実際でも矛盾はなさそうでした。

# 色々な理解の仕方があると思います。 以上は「一つの考え方」としてご覧いただければ幸いです。 もちろん他の解釈を否定するものではありません。 このBlogは試作レポートが目的です。議論は目的ではないので悪しからず。(笑)

                   ☆

  セラミック発振子を積極的に使った再生式受信回路をテストしてみました。 感度、周波数安定度はだいたい合格点にあると思います。 選択度が良くないのは本質的な問題なので、他の再生式受信機と同じようなものです。 そのほか、強力な入力信号による引き込み(Pull-in)がほとんど感じられないのは明らかに優れている点です。 受信周波数範囲がセラミック発振子で決まってしまうと言った弱点もありますが全体的に見てFBな再生式受信機が実現できます。 現状の回路でもまずまずですが、さらに低周波増幅回路に帯域フィルタ(バンドパス・フィルタ)を補ってやれば実用性能はアップします。 ハンダ付けによる「本番」を製作するならそのあたりも考慮しておきましょう。

 セラミック発振子のお陰でかなり使えそうな受信機が実現できました。しかし良くできたスーパーヘテロダイン式に劣る部分はかなりあります。 (簡単な割には)高感度というカッコ付きの性能だと思ったら良いでしょう。 高性能受信機に慣らされている我々現代HAMが過剰な期待をしたら裏切られた気持ちになるかも知れません。 それでも週末の1日で完成できる規模の自作受信機として、なかなか楽しめる製作でした。

 以上、すこし長くなったので一旦まとめとしました。 次回は別形式の再生式受信機を検討したいと思っています。 ではまた。 de JA9TTT/1

(つづく)nm

2019年7月17日水曜日

【回路】Regenerative Receivers (3)

再生式受信機・その3 セラロック®︎式の予備テスト
 【セラミック発振子
 写真は手持ちのセラミック発振子(共振子・振動子)です。あとでよく見たら一部にセラミック・フィルタが混じっていました。(笑)

 手持ちの資料やYouTubeの動画など参考にしてどんな「再生式受信機」を試そうかと考えてみました。 印象に残った一つにVK3YE / Peterのセラミック発振子を使ったものがあります。 特に「シングルシグナル」(←先回のコラム参照)に興味を持ちました。 もちろんそのほかの「引張りがない」「強信号に強い」と言った特徴も注目すべきポイントです。

 あいにく、彼が使ったような都合の良い周波数のセラミック発振子は持っていません。しかし幾らか周波数は違っても本質は同じだろうと思うので手持ちを使ってテストしてみることにしたのです。 さっそくやってみましょう。

                   ☆

 いまでは懐かしい「再生検波式受信機」を扱う第3回目です。(第2回はこちら) 高性能な「通信型受信機」を作るわけではありません。 かろうじてHAMの交信に使えるかどうかと言ったミニマムな受信機です。 高級志向のお方の興味にはマッチしません。  つまらないと言われても困るので、あらかじめ書いておきます。

 【手持ちセラロックで受信テスト
 さっそくテスト回路を作ってみました。 セラミック発振子とトランジスタ(2SC372Y)を3石を使った再生式受信機の基本的な部分です。

テスト回路で確認すべきことは:
(1)再生検波回路としてうまく動作するのか?
 YouTubeの動画でも実績はありますが、回路としての感触はやはり自身で確認しないとわからないものです。
(2)感度はどうか?
 「再生検波回路」としてうまく動作しても低感度では困ります。どれくらいの受信能力があるのか信号発生器(SSG)などを使ってテストします。
(3)受信周波数の可変範囲はどうか?
 一般的な再生式受信機の受信周波数範囲は同調回路の周波数可変範囲となります。セラミック発振子はそもそも固定した周波数を発振するのが目的です。バリコンだけでどれくらいの周波数範囲を可変できるものでしょうか。
(4)シングル・シグナル受信は本当か?
 条件を変えながらシングル・シグナル受信が可能か否かを確認します。
(5)強い入力信号で引き込み(Pull-in)は起こらないのか?
 信号発生器から様々な強さの信号を与えて引き込みの状況を確認します。
(6)周波数安定度はどうか?
  受信周波数の安定度は受信機の3要素(ほかに感度、選択度)の一つです。CWの受信では音調の変化として現れますが、SSBでは復調音の良し悪しにも関係します。 ワッチのみならともかく、大幅な周波数変動があると交信の支障になるのでQSOするためには重要な項目です。

 以上のような目的・視点で手持ちのセラミック発振子を使って事前の評価を行ないました。 結論から言ってしまうと、総合的な結果から判断して十分に「合格点」でした。 重要な項目についてはこのあと実測結果など交えて話を進めます。

 【Digi-Keyで買えるが
 手持ちのセラミック発振子を使った試作結果はなかなか良好でした。 しかし受信可能な周波数は使うセラミック発振子で決まってしまいます。 HAM Bandにちょうど合った手持ちはなかったのです。

 さらに残念なことに国内の通販ショップを幾つかあたっても周波数がちょうどHAMバンドに掛かっていて、うまく使えそうなセラミック発振子は「発見」できませんでした。 海外通販まで探せば可能性もありそうですが面倒なので半ばあきらめかけたのですが・・・。(真っ先に調べた中華通販もダメそう)

 改めてVK3YEの動画を見ていたら、彼はオーストラリアのDigi-Keyで7160kHzのセラミック発振子を手に入れたらしいことがわかりました。 Digi-Keyならおそらく世界共通のはずです。 さっそくDigi-Key Japanで調べたら該当のセラミック発振子が売られていました。 価格も単価50円以下とお手軽です。 しかしDigi-Keyで残念なのは注文1件あたりの基本手数料が高いことにあります。 どうしてもダメならそれでもとは思ったのですが・・・。

 【3端子のセラミック発振子
  たまたま雑誌を見ていたら、国内通販ショップのmarutsu(マルツ)がDigi-Keyの商品を1個から扱うようになったと言う広告が目にとまりました。

 試しにmarutsu(←リンク)のサイトに飛んで調べたら目的のセラミック発振子が1個から買えることがわかりました。 もちろんDigi-Key直接よりも割高になります。 しかし簡易包装での発送がチョイスでき、安い送料で済むため安価な部品の少量購入ならメリットがありそうです。

 さっそく注文してみました。 私が購入したセラミック発振子は、7160kHz、7200kHz、3580kHzの3種類です。 製造メーカーは村田製作所です。 単価は40円から43円でした。価格は為替の状況によって変動があると思いますので興味があればご自身で調べてください。参考までに送料は259円でした。8月1日からネコポスの扱いになるので350円+税になるそうです。(価格・送料は2019年7月現在のもの)

 写真は7160kHzのものです。他の2つも外観・形状は同じです。 このセラミック発振子は3端子型です。中央のピンがGND端子です。  両側のピン間にセラミック発振子が入っており、さらにそのピンとGND間にはコンデンサが入ってπ型の回路になっています。この写真の例ではGND間のコンデンサは15pFのようです。

 このコンデンサは発振回路を構成する際に必要で、外付けを省くためのものです。 取ってしまうことはできないので応用上は少々不利ですが仕方ありません。 そのままで試してみることにします。 まあ、目的の用途に使えさえすれば良いので・・・ :-)

 【セラロック発振器のテスト
 「再生検波回路」を突き詰めて言うと「発振回路」のようなものです。 この例ではコルピッツ型発振回路と等価です。 前回のBlogではハートレー型やグリッド同調プレート帰還型などの「発振回路」そっくりの検波回路が使われているのがわかるでしょう。

 従って発振回路の数だけ「再生検波回路」があると言っても良いくらいです。注1 もちろん、単に「発振」させるのが目的ではありませんから「検波回路」としての適性も要求されます。 しかし大雑把に言っていずれの発振回路でも「再生検波器」を構成できそうなことがわかります。 あとは併せ持つ低周波の増幅能力の優劣で感度が決まると言った感じでしょうか。(注1:発振器でも非正弦波の、例えば弛張発振器は旨くありません)

 もう一つ重要なこと、普通の発振回路との違いは「スムースな発振状態の加減」にあります。 一般的な発振回路・・・LC発振回路、水晶発振回路を問わず・・・では、確実な発振が起こることが最優先です。微弱な発振状態など普通は目的としません。 再生検波回路では発振が起こることも必要ですが、「発振直前」の状態から「弱い発振」さらに「少し強い発振」までスムースに加減できることが極めて重要なのです。

 検波して得た低周波信号に対する増幅作用が十分にあって、発振状態の加減がスムースならどんな発振回路でも「再生検波回路」として使える可能性があります。 こんな話は過去の書物で見たことはないかも知れませんけれど・・・ウソではありません。(笑)

 写真はセラミック発振子を使ったコルピッツ等価型の発振回路で、発振周波数の可変範囲や発振振幅の加減がスムースに行なえるか確認している様子です。 回路は下記に示します。

 【テスト回路
 おもに発振周波数の可変範囲を調べるために試作した回路です。 基本的にどの回路も同じですが、(A)から(D)まで4種類の回路定数になっています。

 これは使用するセラミック発振子によって回路定数を変えたほうが望ましいからです。 また発振に使うトランジスタによっても定数を変える方が良いようです。

 発振に使うトランジスタは(A)、(C)、(D)の回路では2SC1923Yを使いました。これは2SC1815(Y or GR)でも大丈夫です。 RF特性の良いトランジスタの方がやや有利と言えますが、数MHzですから汎用のトランジスタでも十分でした。 「検波回路」としての特性も同じようでした。

 なお、(B)の回路はレトロなゲルマニウム・トランジスタ:2T76で実験した際のものです。遊びの実験なので無視してもらって結構です。(笑)

 これらの回路はセラミック発振子を使った発振回路になっているのですが、「再生検波」を意識した回路にもなっています。 一般的な発振回路では「確実な発振」が目的なので、バイアスの与え方が異なります。 この図のようにベースに高抵抗(数MΩ)を経由した与え方などしません。 図のような方法でバイアスを与えると、発振停止から弱い発振の開始・・・強い発振までスムースな加減が可能なのです。 「再生検波回路向き」と言うわけです。 普通の発振回路のようなバイアスの与え方だといきなり「強い発振」が始まってしまい「再生検波回路」としては不適当なのです。 エミッタ抵抗が10kΩと高いのもいきなり強い発振へ移行するのを防ぐのが目的です。 普通の発振回路ならもっと低くしてただちに強い発振が起こるような回路定数にします。 回路定数の選び方が再生検波回路向きになっているのです。

 なお、トランジスタの直流増幅率:hFEによってR2(R12、R22、R32も同じ)は変更する必要があります。   (B)の回路例のようなhFEの低いトランジスタ(100以下)なら1MΩくらいが適当です。 またhFEが300〜400と言ったトランジスタでは3.3MΩや4.7MΩが良い場合もあります。  製作後に再生状態や発振の様子を見ながら加減するのも効果的でしょう。 しかし、図のような2.2MΩでおおよその場合にマッチするはずです。 トランジスタの種類によっても再生検波への適否があってなかなか面白いものです。(拙宅ではCCS6400と言う正体不明のTrが意外に良かったりして・・・w)

参考:ゲルマニウム・トランジスタにはコレクタ・ベース間の漏れ電流:ICBOが大きいものがあります。 その場合、ベース抵抗を大きくし過ぎるとコレクタ電流の加減がうまくできなくなります。 ICBOが小さいものを選ぶか、ベース・エミッタ間にも抵抗を入れるなどの対策が必要になります。かなり古いトランジスタでもうまく活用できる可能性があるので試してみてください。

                   ☆

 これらの回路で発振させた時の発振周波数範囲を下記にグラフで示します。 この周波数範囲がそのままセラミック発振子を使った再生式受信機の受信周波数範囲になるわけです。 なお、必要に応じてバリコンの容量値を選んだり並列に入れるコンデンサを加減して使い易い周波数範囲に設定します。

 【実測VXO特性
 3種類のセラミック発振子について周波数の可変範囲を調べました。 この周波数可変範囲が再生式受信機の受信周波数範囲になります。 テストした発振子は規格の発振周波数が7160kHz、7200kHzそして3580kHzの3種類です。

 7160kHzの発振子は上記回路図の(A)または(B)の回路定数で測定しました。 7200kHzは(C)で、3580kHzは(D)の回路定数です。

 測定結果はグラフのようになりました。縦軸は周波数で横軸がバリコンの容量値です。 いずれの発振子も外付けでコンデンサを追加する形式になるため、規格の周波数よりも低い発振周波数になりました。
(1)7160kHzの発振子の場合、実用的には6970kHzから7110kHzくらいをカバーします。 7MHzのHAM Bandの下半分をカバーできます。CW受信向きと言えるでしょう。
(2)7200kHzの発振子では7030kHzから7160kHzくらいがカバーできます。 どちらかと言うとSSB向きのカバー範囲です。
(3)3580kHzの発振子は3460kHzから3560kHzで発振できました。 3.5MHzのCW受信には適当でしょう。

 いずれも回路定数を加減すると多少は変更も可能です。 ただし発振の加減のスムースさや周波数トビが起こらないかと言った条件もあるので総合的な再確認が必要です。

 結果として、7160kHzの発振子を使うと7MHz帯のCW受信に適したカバレッジが得られそうです。 同じ周波数の発振子を3個ほど交換して比べましたが、数kHzの差はあっても大きな違いはありませんでした。 再現性は悪くないでしょう。

 7200kHzの発振子は7MHz帯のSSB局がよくオンエアする周波数をカバーできます。 周波数安定度もLC回路を使った再生式受信機よりずっと優れるため、SSB局が思ったよりも良好に受信できそうでした。 扱い易い減速比を持ったダイヤルをつけてやれば実用になりそうです。

 3580kHzの発振子は3.5MHz帯のCW受信に向いています。 最大容量が50pFくらいのバリコンでも十分な可変範囲が得られそうです。 あまり容量の大きなバリコンを使うとオフバンドの範囲まで変化します。

 セラミック発振子の性能が現れるので、周波数安定度はLC回路を使った再生検波回路よりずっと良いのはもちろんです。 ただし温度係数は大きめですから水晶発振器やDDSと比べたら可哀想です。 それでもなかなか安定なので発振器としても使い物になりそうでした。

参考:実験した回路は水晶発振子でもうまく動作します。その代わり周波数の可変範囲はずっと狭くなります。一般的な水晶発振子を使ったVXOで行なわれるようなコイルを挿入する形式も可能です。

次回は
 Part3では主にセラミック発振子の周波数可変特性と発振調整のスムースさを調べました。 セラミック発振子を使った再生検波回路ではこの部分が最も基本だからです。

 marutsu経由で購入したセラミック発振子はなかなか良好でした。 Digi-Keyで売っている部品は正規の商品ですからジャンクと違って再現性は良いはずです。 入手性も悪くないだろうと思います。 この評価結果は同じような回路で試作するなら十分使えるでしょう。

 少々長くなってきたので一旦ここで区切りにします。 次回はセラミック発振子を使って試作した再生検波式受信機を具体的に扱うつもりです。 写真はレトロなトランジスタを使って試作中の様子ですが、ほかにも幾つかバリエーションを交えたいと思います。 まずはブレッドボードでの試作ですが好成績ならハンダ付けで製作して実際の交信まで進めてみたいです。 さて、どうなりますでしょうか・・。

                   ☆

 今回は再生式受信機の検討というよりもセラミック発振子を使った「VXO回路」の検討のようになってしまいました。 もちろん再生検波回路への活用が主目的ではありますが、例えば送信機の主発振器としても使えます。 その時は強い発振状態に固定すれば良いわけです。 セラミック発振子はQが高く、LC同調回路を使ったVFOよりも良好な周波数安定度が期待できます。 さらに発振素子そのものが小型ですから、シールドして外部の影響を防ぐのも容易でしょう。 振動に対しても有利です。 バリコンの可変範囲に対する周波数変化も穏やかですから減速比の小さなダイヤル機構でも使いやすいと思います。 従って送信機への適性も十分あると思います。

 さて次回もボチボチ行きましょう。 再生式受信機として全般的な話を続けたいと思います。 ではまた。 de JA9TTT/1

つづく)←リンクfm

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2019年7月3日水曜日

【回路】Regenerative Receivers (2)

再生式受信機・その2 YouTube編
 【YouTubeに見る再生式受信機
 再生式受信機の第2回です。 今さらながら再生式の受信機を扱ってみようと思ったのはYouTubeの動画を見たからでもあります。(第1回はこちら

  YouTubeでは世界中のHAMがアップした様々な受信機の動画を見ることができます。 自作品ではシンプルな再生式受信機がたくさん見つかるでしょう。 あまり面白みのないものが殆どかも知れませんが、かなりユニークで興味深い動画も見かけます。 中には暫く見入ってしまうものさえあります。(笑)

 では、再生式の受信機が現実に通信の分野で使われていた頃の様子はどうだったのだろうかと言う疑問が湧いてきました。 あんがい若い(?)私にとっては「紙の知識」に過ぎませんが、有名な再生式受信機としてSW-3という米National社の1-V-1があったそうです。 実際それをレストアして受信する動画もあって面白かったです。 しかしSW-3はずいぶん古い設計のシンプルな受信機です。 それで実用になっていたと言われればそれまでですが、より本格的な再生式受信機はなかったのでしょうか?

 たまたま『魅惑の軍用無線機』でお馴染みのJA2AGP矢澤OMのHomepage(←リンク)が移転されたとのことで、久しぶりに拝見していたらRCAのRALという再生式受信機に目がとまりました。 RALはプロ用の受信機です。プロが本気で作った再生式受信機はどんなものだったのでしょう?

 それで、実働状況の動画はないかと思ってYouTubeを探すと写真のような動画(←動画へリンク)が見つかりました。 フルセットで実働させており、実際に受信して様子を見せてくれます。  RALの動画は他にも幾つかあります。スーパーヘテロダインではない受信機でどんな風に聞こえるのか、良かったらYouTubeでどうぞ。(笑)

                   ☆

  こんな切っ掛けもあって改めて「再生式受信機」(TRF Receiver)に興味を持ったようなわけです。 興味は人それぞれです。 こんな古臭いものに何の意味もないとお感じでしたら早々にお立ち去りください。 この先、無理に読み進むような話は何も書いてありませんから。w

RALの回路
 さっそく動画をご覧になったでしょうか? 良く聞こえるものだと感心しますね。 微弱なHAMの電波がどう聞こえるのかまではわかりませんでしたが、相当の実力を持っていそうなことはわかります。 RALは「2-V-2」構成の受信機で、回路は左図のようになっています。 9バンドで0.3MHz〜23MHzをカバーします。 この受信機は船舶用で、長波帯用にはRAK型があって船舶の通信室ではRAKとRALがセットになって使われていたようです。

 ストレート受信機ですからさほど複雑ではありません。 2-V-2でRF2段なのはゲインを稼ぐというよりも検波以前の不要信号の除去にあるのでしょう。 再生検波回路は5極管(6D6)によるオーソドックスな形式です。 低周波増幅部には細かく周波数が切り替えられるオーディオフィルタが付いています。これで混信対策も万全な訳です。 また再生式受信機では珍しい自動音量調整、即ちAVCが設けられています。  こうした受信機は電気回路よりも見るべきなのは構造の方かも知れませんね。 ここまですれば再生式受信機でもプロの使用に耐えるという見本のような存在です。 下手なスーパーよりも存在感のある受信機です。

                  ー・・・ー

 しかし私は動画を見て再生式受信機の限界も感じました。 まず、周波数の読み取りですが直読式ではないのです。 決められた周波数を聞くためには、はじめに同調曲線のチャートを使ってダイヤルの数字を合わせます。そのあと受信機の右脇下にあるような「ヘテロダイン型周波数計」を使って正確な周波数にセットするのです。 決まった相手局との交信ならダイヤルの数字をメモっておけば良いので欠点とは言えません。しかしランダムなワッチには使いにくいでしょうね。
 流石にプロ用なので「引き込み」(Pull-inあるいはInter-Lockとも言う)はうまく抑えてあります。 しかしCWのようなビート受信では自己の発振周波数と受信波が接近してくると幾らか引き込まれるのがわかります。 強い局で顕著なのでRFのゲインを絞れば軽減できます。しかしよく出来たスーパーなら普通は起こらない現象なので扱いの厄介さを感じますね。
 また、原理上シングルシグナル受信にはなりません。 CW(無線電信)の受信では自身の発振周波数の上下2箇所に同じようにビートが現れます。 そのために細かく周波数が切り替えられる低周波フィルタがあるのでしょう。 逆サイドにビート混信を感じたら受信周波数を微調整し、フィルタ周波数を切り替えて混信から逃げる操作をします。これは近接信号による混信に対しても効果的です。 素早く良好な受信を行なうにはオペレータの技量を要します。それなりの受信訓練が必要だったでしょうね。hi hi

コラム :シングルシグナルとは
 今のHAMが普通に使っているような選択度が十分な受信機では、相手の電波が聞こえるのはダイヤルの1箇所だけです。CWフィルタが付いているような近代的なHAM用受信機ではこれが当たり前でしょう。
 しかし再生式受信機では同調周波数の上下2箇所でビート音が聞こえるのです。 CWを受信していてダイヤルを回しだんだん周波数を近づけて行くとビートの音程は低くなります。 やがて周波数が一致しゼロービートになりますが、更にダイヤルを回して行くと再びビートが聞こえ始めます。 ダイヤルの2箇所の位置で同一局が聞こえる訳です。これはシングルシグナルではないと言う事です。 原理上やむを得ないのですが再生式受信機やダイレクト・コンバージョン式受信機の欠点です。 おかげでHAMバンドが2倍にぎやかに聞こえてしまいます。(笑) これを逃れる手段として、ダイレクト・コンバージョン式なら移相打消式(PSN式)も考えられますが、再生検波式ではその手は使えません。

WU2DのJ-FET受信機
 RALのようなプロの再生式受信機ではなく、アマチュアの再生式受信機の動画もたくさん見つかります。 写真は面白い動画をたくさんアップしているWU2D / MikeのJ-FET(接合型電界効果トランジスタ)を使った再生式受信機の一コマです。該当の動画(←リンク)

 レトロなゲルマニウム・トランジスタを使った例などと共に様々な再生式受信機が紹介されていますが、写真のこれがいちばんスムースに受信できるように感じました。 Mikeが言うようにローノイズでスムースな再生が特徴のようです。

 アンテナからのリンクコイルの結合度を機械的に可変する仕組みが楽しいです。 強い信号で引き込み(Pull-in)があるのは避け難いので入力信号の大きさをスムースに加減できる機構は再生式受信機に欠かせません。 一般にアンテナと直列にバリコンやボリウムを入れて加減しますが、調整のしやすさではリンクコイルの結合度を変える方式にメリットがあるように感じました。  結合度を変えると少し周波数が動くにはやむを得ませんね。

J-FET受信機の回路図
 これは動画に出てくる回路図をキャプチャしたものです。 ハートレー式再生検波回路になっています。 面白いのは再生調整の方法で、ドレイン側に入っているバリキャップの静電容量を変えて加減しています。

 これで本当に再生の度合いが加減できるのかちょっと疑問もありますが、バリキャップ・・・整流用ダイオードで代用ですが・・・でうまく動作しているようなので興味深いです。 まだ試してはいませんがリンクコイルの結合度可変機構と合わせて実験してみたいですね。 おヒマなお方はそっくり真似てみては如何でしょうか?

 Mikeの動画には真空管式を含めて色々な再生式受信機が登場するので楽しいです。 6AK5を使った単球式オートダイン受信機とQRPな単球送信機で遠方とQSOする動画など1950年代のHAM局を彷彿とさせます。 メーカー製のリグをずらりと並べるのもFBですが、こう言うのがホントのHAM局じゃないかって思ってしまいました。(笑)

VK3YEのセラロック式再生受信機
 オーストラリアのHAM、VK3YE / Peterも積極的に自作HAMの動画を投稿しています。 ご覧になったお方もあるでしょう。 VK訛りの英語なのでちょっとわかりにくいことがあります。 Low-pass Filterが「ロイパスフィルタ」だったり、Ceramic Resonatorが「セラミック・スナイダ」のように聞こえてしまうので慣れるまで聞き取りに苦労しました。(笑) 映像の作品を拝見すると配線は大雑把で如何にもアマチュアっぽくて親近感がわきます。(爆)

 この動画(←リンク)では表題のように再生式受信機でシングルシグナルな受信が可能なのか?・・・と言う驚くような内容です。 これについてはすでに私も実験済みなので後ほど詳しく書くつもりです。しかし、なかなか興味深いお話です。

 この受信機は「シングルシグナル」以外にもメリットがあります。 信号による引き込み:Signal Pullingがほとんどない、だからRFゲインのコントロールは必要ない、周波数安定度に優れているなど見掛けとは違って(笑)なかなか素晴らしい性能だと思いました。 HAMバンドの受信機がコイルを一つも巻かずに作れると言うのも驚きモノです。hi hi

セラロック式再生受信機の回路図
 同じく動画からキャプチャしたセラミック・レゾネータ付き再生式受信機の回路図です。

 アンテナを非同調のRFアンプのベースに繋ぐなど、ビックリするような回路になっています。 再生検波はバイポーラ・トランジスタを使ったコルピッツ型発振器と等価な回路になっています。 セラミック・レゾネータ(セラロック)の一端にRFアンプからの受信信号を小容量経由で与えます。  このようにしてまったくコイルを使わずに完成させた驚くような再生式受信機です。(笑) イイカゲン(失礼)にも見える受信機ですが受信成績は「なかなか」のものと言えるでしょう。 上記のリンクとは別の動画ですが、同様の受信機と出力30WのMOS-FET送信部を組み合わせた自作トランシーバで米国とQSOする様子が見られます。

                 ー・・・ー

 いくつかYouTubeの動画を見てきましたが、せっかく作るならやはりQSOに使えるレベルを目指したいものです。 RALのように本格的な受信機はハードルが高過ぎますがMikeやPeterの作例なら作れそうです。 やはりHAMなのですから短波放送を受信しているだけではちょっと物足りなさを感じます。 まずは高性能でなくとも実際の交信に使えるレベルの「再生式受信機」を目指したいものだと思いました。 それほど「高級」でなくても行けそうに思うのですが・・・。(笑)

                   ☆

 YouTubeの動画を全部見た訳ではありませんが、他にも沢山あってどれも興味深いです。 それぞれ力作揃いですから優劣はないと思います。 思い思いに自作を楽しんでいる様子はたいへん微笑ましいと思いました。 再生式受信機を単に「レトロな短波ラジオ」として製作するだけではなく、HAMの交信に使うところまで持ってゆくのはスリルたっぷりで素晴らしいチャレンジではないでしょうか。

 ここで紹介した例をそのまま再現するつもりはありませんが、それぞれのアイディアなどヒントにさせてもらいながらオリジナルな回路に纏めるつもりです。 既に幾つか実験も始めているので順次レポートできたらと思っています。
 ところで、実際のところ再生式受信機を作ってみたお方はどれくらい居られるのでしょう? ご経験談などコメントをいただけたらVY-FBです。ではまた。 de JA9TTT/1

つづく)←リンクnm

2019年6月17日月曜日

【回路】Regenerative Receivers (1)

再生式受信機・その1 イントロ編
 【再生式受信機の時代
 再生式の受信機がHAMのシャックで活躍したのは戦前から終戦直後の時代でしょう。 私が電子工作やHAMの世界に入門したころ、すでに再生式受信機(オートダイン・レシーバ)の時代は終わっていました。 もうHAMの雑誌で再生式受信機を本気で扱う記事なんか見かけなかったですね。

 もちろん、入門者向けの雑誌記事には簡単なのに感度の良いことが書かれていました。 けれど、選択度が悪い、安定度が良くない、性能は操作者しだいで変わる・・・と言った大きな欠点があって『一度は作って見るもの』だが本命はスーパーヘテロダインだというのが結論だったと思います。 通信型受信機はスーパーヘテロダインが常識であり、しかもCollinsタイプ・ダブルスーパーがベストだという時代だったのです。

 SDR形式の受信機(受信部)の登場で、スーパーヘテロダインの絶対優位も変わろうとしています。 新たな時代も始まっていますが、かつて実用的に使われたこともある「再生式受信機」とはどんな物だったのか振り返ってみたいと思っています。
(参考:超短波帯:VHFで使われる「超再生式」については機会を改めて予定します)

                   ☆

 第1回はイントロ編の回路図集として再生式受信機の歴史(?)など辿ってみます。 過去のすべてを紹介する訳にも行きませんから「私」が適当と思う幾つかに絞っています。網羅的ではありませんが悪しからず。 レトロな受信機技術に興味が湧かないお方はここでお帰りが宜しいです。

写真はDG-MOS FETで再生検波回路をテストしている様子です。第3回あたりで扱うつもりです。

 【戦前の再生式受信機・その1
 Dr. E,H.アームストロングが正帰還の研究をしていて再生式受信機を発明したのは1912年(大正元年)だそうです。使ったのは真空度の低いソフトバルブだったようです。もちろん三極管です。 いまでもグリッド側の同調回路にプレート回路に入れたフィードバック・コイル(チックラー・コイルとも言う)で正帰還する形式をアームストロング型と言うことがあります。

 しかし3極管を使った再生検波回路には独特の難しさがあったのです。意図しない正帰還が起こってハウリングのような現象が現れます。ゲインを上げようとすると必ずと言って良いほど起こる厄介な現象のためそれが感度の限界にもなっていたのです。 これはフリンジハウルという現象で、半導体を使った再生式受信機でも起こることがあります。

 図は1936年(昭和11年)版のARRL Handbookに掲載された再生式受信機です。この頃になると5極管が発明され、そのお陰で一段と高感度な「再生式受信機」が作れるようになります。

 この回路はいまでも通用する筈です。回路形式はハートレー型です。 この形式のポイントは検波管のプレート負荷の低周波チョークコイル(AFC)でしょう。 数100H(ヘンリー)のインダクタンスを持ち、巻線抵抗が過度に大きくないAFCを使います。 なおかつスクリーングリッド電圧の加減で最大の増幅度が得られる状態を求め、そこで再生から発振に移行するようコイルのタップ位置を加減します。 この辺りが「言うは易く、されど行なうは難し」なところであって、部品配置や構造、さらには製作者のスキルに負う部分大です。 それゆえ誰でも等しく最高感度にはできないのです。  使用球の58や56、あるいは6D6や76も入手は可能です。 1930年代のレトロを体感してみるのも興味深いかも知れませんね。

 【戦前の再生式受信機・その2
 The "Radio" Handbookという1938年(昭和13年)出版の米国書籍に載っていた「GAINER」という名前の再生式受信機の回路です。 Gainerなる単語はその後も様々な所で目にするので「ゲインがいっぱいとれますよ」と言った再生式受信機で高感度を謳う決まり文句のようになっているのでしょう。(笑) 回路図の書き方がクラッシックで判りにくいですがよく見ると理解できます。hi

 回路は上記のARRL-HBと大差ありませんが、ナス管やST管から進歩したG管が入手できるようになっていたのでしょう。 6S7Gと6L5Gと言うG球を使っています。これらの球は6D6と76のベース違いの同等管ですから定番の構成と言えます。  当時のQST誌を見ると、6K7や6J5も登場していたようです。 そうしたメタル管を使った方がスマートかも知れませんね。(G管:グラスエンベロープはST管と同じですが、ベース・ソケットが8脚のUS型になった真空管です)

 この受信機でも検波管の負荷は低周波チョークで、500Hのものを使っています。 この回路のままでヘッドフォン(高インピーダンス型)が十分鳴るそうです。 家庭用のラジオではラウドスピーカを鳴らす必要がありますが、HAMの用途ではヘッドフォンでも十分だったのでしょうね。 下手にパワーアンプなど追加するとモーターボーティングと言った低周波発振が起こりやすかったと思います。いまのように数10〜数100μFのケミコンなどまだ存在しない時代です。 数μFがやっとのオイルコンでは電源系のデカップリングの効果も限られたでしょう。ヘッドフォンで聴くのが間違いのない所です。

 何れにしても、昭和10年代には再生式受信機の回路はほぼ定番化していたと考えて良いようです。 生きた回路として今でも存在するのですから受信機のシーラカンスのようです。(笑)

                 ☆  ☆

戦後の再生式受信機・その1
 そろそろ戦後の話にしましょう。  これは双三極管の6SN7を1本使ったHAMの入門用受信機です。 5極管を使って入念な調整を行ったものには敵いませんが、3極管を使った検波回路は初心者でも性能が出しやすいと言うメリットがあるそうです。 回路形式は「アームストロング型」そのものです。

 1953年(昭和28年)版のJARL Handbookより転載しました。おそらくオリジナルはARRL-HBにあると思います。 そろそろスーパー全盛の時代にあっても入門用には「再生式受信機」が最適と思われていたのです。 まだCW(無線電信)とAM(無線電話)の時代ですから、SSBが復調できる性能は必要ありませんでした。 いまの時代に再生式受信機を作ってみてもAMやCWモードならけっこう実用的です。 そのころお小遣いの少なかった入門HAMには良い教材になったでしょうね。ご近所のHAM(AM局)のラグチューくらいよく聞こえたことでしょう。(参考:昭和28年当時JAではHAMは再開したばかり)

 6SN7はmt管では6CG7が近似管です。あるいは12AU7で代用しても良いと思います。ハイ・インピーダンス型のヘッドフォンを使うのが前提ですが10kΩ:8Ωくらいの小型アウトプット・トランスを介せば近代的なヘッドフォンが使えます。 なるべく密閉式で感度の高いヘッドフォンを使うとよく聞こえます。 電源は外付けにしヒータ回路もDCで点灯してやるとブーンというHUMに悩まされません。

 【戦後の再生式受信機・その2
 図はR.S.G.Bの1961年版 Radio Communication Handbookからの引用です。 この時代、英国でも同じような事情だったようで入門用として再生式受信機が掲載されています。

 検波回路と低周波増幅は上記のJARL-HBの物とさして違いませんが「9D6」というリモートカットオフ特性の5極管で高周波増幅しています。 ここまで高周波増幅のない、いわゆる「0-V-1」形式ばかり紹介してきましたが、やはり高周波増幅を付けて「1-V-1」形式にすべきです。

 CWの受信では検波回路を必ず発振させて使います。 高周波増幅がなければ、その発振勢力がアンテナから輻射されてしまうのです。 真空管を使った検波回路の場合、意外にも強力な発振状態になっていることがあって、近隣のHAM局にビート妨害を与える可能性は否定しきれません。 わずか出力数mWのQRPPerとQSOできる事実を考えれば少々の漏れと言って無視もできないでしょう。 しかし検波回路の前に高周波増幅を設ければ防げるので、推奨されるべきです。

 9D6という球は入手困難でしょうから、米国型の6BD6で代用すれば同じように作れます。 プラグインコイル形式になっていてマルチバンドの受信が可能な設計です。同じ部品は手に入りませんからシングルバンドが作り易いです。

戦後の再生式受信機・その3
 『初歩のアマチュア無線製作読本』という1969年ころの書籍に掲載されていた回路です。 ミニチュア管ですから、真空管こそ新しくなっていますがご覧のように回路そのものは1936年のそれと大した違いはないのです。

 入門用ということで検波回路の負荷は高抵抗に置き換えていますから近代的な球とは言っても性能はちょっと劣るでしょう。 数100Hのチョークコイルは高価ですし、扱いも少々厄介なので抵抗器で代替する方が入門者向きなのです。 それでも結構良く聞こえるのでHAMバンドやBCLバンドを覗くには適当だったんでしょうね。 6AV6の3極部はHigh-μなので12AU7や6SN7よりもゲインがあります。検波部を補う意味もあるのでしょう。

  電源回路の整流管:5M-K9は超入手難なので1N4007のようなシリコン・ダイオードで整流します。 250Vもの電源電圧は必要ないと思うので電源トランスは100V:100Vのアイソレーション・トランスを使うと安上がりです。半波整流でも行ける筈ですがあえて高い電圧を掛けたいなら倍電圧整流します。 6.3Vの方も2球合わせて600mAですから6VのACアダプタでDC点灯できます。スイッチングタイプではない(トランス式の)ACアダプタに限ります。

半導体を使った再生式受信機・その1
 1947年にベル研究所でトランジスタが発明されます。増幅素子としての実用性に気づくや、様々な応用が考えられたそうです。その中にはラジオもありました。 最初はストレート形式のラジオから試みられたのは間違いないでしょう。

 一般に手に入るようになると1〜3石程度の「トランジスタ・ラジオ」の製作が流行りました。スーパ形式を作るにはたくさんトランジスタが必要ですし、周辺部品も発展途上でしたからストレート式ラジオが自作の主流でした。 私も中波BCバンドの再生式2石ラジオを作った事があります。 ただしそれを卒業した頃にはスーパー形式に目覚めていたのであえて再生式の短波受信機など試そうとは思いませんでした。 そのころ作ってみたら意外な発見があったと思うので本気でチャレンジしてみるべきでしたね。hi

 図はこのBlog(←リンク)で既出ですが、1970年版のJARL-Handbookに掲載されていた再生式受信機です。デバイスはトランジスタですがアームストロング式の再生検波回路です。 これはBCバンド用ではなくてHAMの用途を狙った物でしょう。 再生検波に2SA156、低周波アンプに2SB440を使っています。どちらもゲルマニウム・トランジスタですが性能が安定してきた時代のデバイスですから好成績が期待できます。 手に入り易い代替品として2SA70と2SB77など如何でしょうか。 シリコンTrでも良ければ2つとも2SA1015Yで代替して大丈夫です。
 トランジスタは意外にハイゲインで、ほんの僅かなコレクタ電流でも良く働きます。実際に類似の回路を作ってみるとかなり聞こえるのがわかります。 ジャンク箱から発掘してきたようなゲルマニウム・トランジスタも楽しいものですが、古臭い再生式受信機ではあっても近代的なシリコン・トランジスタの方が高性能化しやすいように感じました。

半導体を使った再生式受信機・その2
 わずか数年後、1973年版のJARL-Handbookに掲載されていた再生式受信機です。 再生検波にFET(電界効果トランジスタ)が使われています。 低周波増幅もシリコン・トランジスタ(2SC372)になりました。

 こちらもアームストロング型の再生検波回路ですが、入力インピーダンスが高く高周波性能の良い2SK19の方がこの用途には優れていたようです。 ただし、2SK19のように単純な構造のFETは3極管と同じ問題を抱えているようでした。再生がかかり始めて感度が(ゲインが)アップしてくると低周波発振を伴うことがあるのです。これは3極管を使った再生検波の挙動とそっくりなのだそうです。 結合トランスST-20のFET側にある2.2kΩはその発振を止めるのに効果的で、低周波発振が起こらぬ範囲でなるべく高い抵抗値にするのが高感度のコツだそうです。

 2SK19は2SK192A(Y or GR)あるいはBF256Bで代替できます。表面実装で行く場合は2SK210あるいは2SK211で良いでしょう。 2SC372は2SC1815Yが代表的な代替品です。こちらの表面実装型は2SC2712Yが適当でしょう。 受話器はクリスタル(セラミック)イヤフォンを使う設計です。 本格的なヘッドフォンを使うには低周波アンプを少し増強します。 上手に作るとごくわずかな消費電流で良く聞こえるCW受信機になります。 不要輻射を防ぐ観点から、できれば高周波増幅を前置すべきでしょうね。 同時にアンテナの動揺の影響やボディ・エフェクトが軽減できて扱いやすくなります。  次項のような簡単なRF-Ampでも十分効果的です。

半導体を使った再生式受信機・その3
 複雑な回路が蔓延している反動からでしょうか? 昨今はオートダイン(再生検波)のようにシンプルな受信機がブームのようになっています。 デバイスの進歩もあって既存の回路であっても高性能化が容易になっているのも理由でしょう。 真空管時代には難物だったハイゲインな低周波アンプも半導体ならずっと作り易いのです。

 図は、ARRL発行の1998年秋号:Communications Quarterly誌の再生式受信機特集で紹介されている「High-performance JFET shortwave receiver」と称する受信機です。 もう20年も前になる記事ですが今でもよく参照されているようなのでピックアップしました。 基本はアームストロング型の再生検波回路ですが、いくつか工夫されています。 もちろん高周波増幅が前置され不要輻射を防ぐとともに検波に最適な信号レベルに加減できるよう考えられています。

 低周波増幅にはAD745JNというこの記事の当時もっとも低ノイズと言われたOP-Amp.をハイゲインの設計で使い一発で必要なゲインを得ています。 簡易型ながらローパス・フィルタを設けたのも効果的でしょう。しかし回路そのものはオーソドックスですね。 定番回路の域をあまり踏み出る必要もなかったのでしょう。

 J-FETはJ310または2N4416が指定品ですが、2SK192A(Y or GR)でも十分なはずです。 J310と2N4416の特性はかなり違うのにどちらでも良いというのですからRF向きのFETなら何でも良いのでしょう。 また、BF256Bの中身は2N4416と同等だったはずなので同じように使えます。 OP-Amp.は高価なAD745JNを探すまでもなく入手容易なNE5532やNJM5532などで十分でしょう。4558クラスでも良いはずです。 検波回路には再生に伴うノイズの発生があるので後に続く低周波アンプは程々にこだわれば十分です。 それらのOP-Amp.は2回路入りですから片方をアクティブ型のローパスフィルタにするなど高性能化がはかれます。

 この雑誌の特集記事はPDF版がARRLのサイトで入手できたと思います。詳しくご覧になりたいお方はダウンロードされてください。「High-performance JFET shortwave receiver」で検索すればすぐ見つけられます。もちろん英文ですけどネ。(笑)

                 ☆ ☆ ☆

 こうして振り返ると回路形式として戦前から完成されていたことがわかります。あとはデバイスの進歩で少しずつ改良されていますが、本質的な部分は変わっていないように感じます。 それぞれ製作すれば先人の足跡を辿って追体験できる面白さがあるでしょう。私はもうちょっと違うアプローチで行こうと思っています。

 これからの時代、通信型受信機の高性能化を指向するならやはりSDRが本命でしょう。 ただしHAMが自作の対象にするのは難しいと感じます。開発のスキルも勿論ですがツールを始め開発するためのハードルが高すぎます。 結局、よくできたキットや完成品を求めた方が正解となってしまうでしょう。 そうなると完全自作で楽しめる実用的受信機はスーパーヘテロダイン型がもう暫く本命であり続けると思うのです。 もちろん私見に過ぎませんが、これは再生式受信機を幾つか試みたいまでも変わりません。

 しかし、再生検波の技術を使えばごくわずかなデバイス数で交信可能な感度を持った受信機が作れることは事実であり、そこに面白さや魅力を感じます。 これはQRPなCW送信機で交信するのと通ずるものがあるからではないでしょうか。 もちろん快適さはには欠けますがミニマムなリグでQSOを試みるというスリリングな体験はシンプルな自作機ならではのものです。 現代は優秀なデバイスがタダのようなお値段であふれているのですから、トランジスタを倹約してもまったく意味などないかも知れません。 でも、たった数球や数石で山ほどたくさん半導体を使ったトランシーバと同じこと(即ちQSO)が出来るのですから痛快ささえ感じますね。(笑)

 単にシンプルな受信機ならワンチップなラジオ用Cも選択肢です。 あえて再生検波式の受信機を試したいと思ったのはもう少し他の理由もあります。 以前からの疑問を試す機会でもあり、そのあたり追い追いお話ししたいと思います。 ではまた。 de JA9TTT/1

☆ 実験の進捗しだいで時々Blogをお休みするかも知れません。

つづく)←リンクfm

2019年6月7日金曜日

【回路】455kHz PLL Oscillator

【455kHzのPLL発振器:BFOまたはキャリヤ発生用に】
 【455kHzのフィルタ発掘
 選択度とAGC特性のよろしくない既成の受信機の改造でもしようかと思って先ずはフィルタから・・・と探し始めました。

 発掘されたのは良さそうなクリスタルフィルタです。どちらも新品ではありませんがSSB用とCW用がありました。 AM用はセラミック・フィルタがあるのでひと通り揃いそうです。 IFアンプはなにで行こうかと考え始めたのですが、その前にSSBやCWの復調に必要なBFOが心配になりました。 453.5kHzや456.5kHzと言った水晶発振子の持ち合わせはないと思ったからです。
 探したら456.5kHz(LSB用)は見つかったのですが、やはりUSB用やCW用はありませんでした。 今どきですからDDS発振器で行けば簡単に解決なのですが、探していてずいぶん昔に455kHz帯の発振器を検討したことを思い出しました。

                   ☆

 今となってはあまり有用とは言えないかもしれませんが、「実験基板」の保管場所から発掘した455kHzのBFO基板を評価しました。 この発振器はもともと455kHzのSSB用あるいはCW用のフィルタを活用するためだった筈です。 古いものでしたが思っていたより好成績だったのでBlogネタにしたようなわけです。 PLL回路を使ったものですがスペクトラムは十分綺麗ですし、マイコン+DDSで行くよりも消費電流が少ないのはメリットだと感じます。

 SSB用のフィルタは手元にあるけれど、BFOやキャリヤ発振器に困っているようでしたら少しは参考になるかも知れません。そんな程度の話です。  DDSモジュールに付き物の制御用マイコンはいらないのでプログラムの開発環境がなくても作れます。 この辺にメリットを感じる人もあるかも知れませんね。 とは言え、相変わらず自家用の備忘Blogですから大した中身はありません。悪しからず。 工夫で解決しようという精神は昔もいまも健在です。(笑)

参考:製作した当時のマイコン開発環境はいまのようにお手軽ではなく、DDSもまだ一般化しない時代だったのでPLLは合理的な実現手段の一つだった筈です。

 【455kHzのPLL-BFO全景
  ICB-93Sと言うサンハヤトのユニバーサル基板に作ってあります。サイズは72mm×95mmです。

この基板だけで453.5kHz及び456.5kHzのほか、CW用として455kHz±800HzのCW用(2種類)の発振出力が得られます。 各周波数は1回路4接点のスイッチで簡単に切り替えます。 50Ωの負荷に10dBm(=10mW、約2Vpp)得られるのでダイオードDBMにも適当でしょう。 ごく普通の水晶発振子を周波数の基準にしていますが、発生周波数が455kHzと低いため周波数安定度はまずまずです。一般的な水晶発振器と同じような性能です。 電源は標準12Vを与えます。 基板内部に8Vの三端子レギュレータがあるので10〜15Vの範囲なら大丈夫。約20mA消費します。

 この発振器の基本はPLL式です。 PLL発振器の設計方法は過去のBlog(←第1回へリンク)に詳しく書きました。 この基板は1992年に作ったものです。 何ぶんにも作った時期が古いので幾らか考え方に異なる所もありますが、その基本は違いません。 後ほど評価結果がありますが十分な性能でした。 いま見ると少し改善したいところもあるのですが、そのままそっくり製作しても使い物になります。

 【455kHz PLL-BFO 回路図
 回路の説明です。 基準周波数の発生には2MHzの水晶発振子(HC-49/U)を使っています。発振はFET(電界効果トランジスタ)で2SK241GRを使いましたが、ここ(Q3)は2SK192AGRでも良いです。 2000.1980kHzを発振させたあと、リファレンス・デバイダのTC9122P(U2)で666分周して比較周波数:3.00330033・・・kHzを得ます。 なお、CW用のときは665または667分周します。

 VCO(Q1)は2SK241GRを使ったハートレー型発振回路です。バリキャップ(可変容量ダイオード)は製作当時適当な手持ちがなかったらしく、05AZ33Yと言う33Vのツェナー・ダイオードで代用しています。 実験ノートのメモによると逆バイアス電圧が1Vのとき22pF、7Vのとき13pFの端子間容量とあります。 10pF程度の容量変化があれば455kHz付近で数kHzを可変するには十分ですから使ったものと思います。 今でしたら20pF程度の変化量が得られるバリキャップは容易に手に入ります。それを使うべきでしょう。それくらいの容量変化が得られれば4個使いではなく2個をつきあわせて使えば十分です。

 VCOの出力(Q2)には2SK241GRを使ったバッファアンプを置き、約10dBmの出力を得ています。 2SK241GRは2SK544Fや2SK439F(ピン配置注意)で代替できます。 VCO部分(Q1)は2SK192AGRやBF256Bで代替できますが、バッファアンプ(Q2)はなるべく2SK241GR等が良いです。

 VCOの出力はプログラマブル・デバイダのTC9122P(U3)で151あるいは152分周され位相比較器へ送られます。

 位相比較器はMC14046B(CD4046Bでも同じ)を使っています。比較周波数が約3kHzと低いため、スタンダードC-MOSの位相比較器で十分です。 もちろん74HC4046も使えますが高速C-MOSを使っても性能アップするわけではありません。もし74HC4046を使うなら最大電源電圧が低いので電源を7Vに下げる必要があります。 3kHzステップなので10kHzのPLLよりも設計は難しくなります。 ループ・フィルタはパッシブ型で、デザインが古いのでインピーダンスは高めの設計です。しかし後ほど示すようにスペクトラムを観測した限り支障は感じられませんでした。
 なお、リファレンスのフィードスルー(漏れ)が気になったらしく3段のリファレンス・フィルタが追加してあります。 いまでしたらC-MOS OP-Ampを使ってバッファ機能を持ったリファレンス・フィルタを構成するでしょう。 スペクトラムを観測していて性能が不十分なようなら改造しようと思っていたのですが、支障なかったためそのままにしました。 ただしVCOの調整は多少クリチカルなようです。

 電源は+8Vの3端子レギュレータで安定化しています。 周波数切り替えのためにプログラマブル・デバイダとリファレンス・デバイダの両方の分周数を切り替えます。 簡単なスイッチで済ませるためにダイオードを使ったマトリクス回路が組んであります。 この部分がハード的な「プログラム」の一種と言えないくもありませんね。hi

 回路はわりあい簡単ですので、部品が揃えば短時間で作れます。 ちょっと面倒なのはコイル巻きかも知れません。 コイルについて詳しくはVCOの写真のところにあります。

 【2MHz・基準発振回路】
 2.000MHzちょうどを発振させてしまうと、必要とする453.5kHzや456.5kzの誤差が大きくなりすぎるため、少しオフセットさせます。 具体的には約189Hzほど高く合わせます。 これを666分周して3.00330033・・・kHzを得ます。

 ごく普通の2MHzの水晶発振子は+189Hzくらいの周波数なら簡単に合わせられます。 特注などせず、ごく一般的な市販品の2MHz水晶発振子が使えます。 わざわざ水晶発振子を特注するくらいなら455kHz帯の水晶を頼めば良いわけですからね。既製品で間に合わせるのがミソです。(笑)

 昨今はTC9122Pがやや値上がり気味なので経済性が悪くなっていますが、水晶発振子を4つ特注するよりも安上がりでしょう。 納期を待つ必要もありません。 TC9122Pではなく標準的なHC-MOSのカウンタで構成することもできます。 ICの数は増えますがその方が経済的でしょう。(例えば74HC161を2+3=5個使う)

 お気付きのお方もあると思いますが、ごくわずかな周波数誤差は許容すると言う設計です。計算上、USB用/LSB用ともに約1.7Hzほど誤差を伴います。 しかし一般的な455kHz帯の水晶発振器でも数Hzの変動や誤差は普通に存在しますので性能は同等です。 実際に類似設計した455kHz帯のPLL-BFOで使った受信機ではなんらの支障も感じませんでした。 PLL式の場合、基準発振器を合わせれば全部の周波数が揃うので個々の周波数合わせの面倒がなくてむしろ便利なくらいです。

 完璧主義者ならTCXOとDDSでやるのが良いと思いますが恐らく実用の上で違いはわからないでしょう。 要するに電子回路は実用性能が得られれば十分なわけです。わずかの誤差を許容すれば水晶発振子の特注など不要になります。

VCO回路
 VCO(電圧制御発振器)はハートレー型のLC発振器です。 その同調コンデンサの一部にバリキャップを使い発振周波数を電気的に可変する形式です。 既述のようにバリキャップはツェナー・ダイオードで代用しています。

 発振コイル(L1)は東光の7PLAと言う低い周波数用のコイルボビンを使ったものです。 インダクタンスは500μHあります。 全部で112回巻きでタップはGND側から17回の位置から引き出します。巻線はφ0.05mmのポリウレタン電線です。

 同等のインダクタンスが得られれば良く、一例としてaitendoで売っている「IFTきっと」のような素材で作れます。 500μHを得るための巻き数は異なるのですが、タップ位置を同じ比率のところから取り出せば大丈夫です。 実測しておいた手元のデータによるとaitendoの「IFTきっと」の場合、φ0.08mmの巻線で127回くらい巻くと500μHが得られます。タップの引き出し位置はGND側から19回のところにします。

 VCO回路の出力部分にあるコイル(T1)は同じく東光の7PLAコイルボビンが使ってあり、同調側(FET側)が45回、出力リンクが8回巻いてあります。+10dBmを取り出すために低いインピーダンスに設計してあります。  1500pFで455kHzに同調すれば良いので同調側のインダクタンスは約80μHです。同じくφ0.05mmのポリウレタン電線で巻いてあります。 ここにもaitendoの「IFTきっと」を利用するなら、同調側は53回、出力リンク側は9回で良いでしょう。こちらの巻線はφ0.08mmのポリウレタン電線を使います。

 発振部(Q1)は2SK192AGRやBF256Bでも大丈夫ですが、バッファ・アンプ部(Q2)は2SK241GRや2SK544Fが良いです。 負荷インピーダンスが低いので2SK192AGRやBF256Bであっても発振してしまう可能性は低いのですが、2SK241GRや2SK544Fなら安全です。 もちろん日立ファンのお方は2SK439Fでしょうね。2SK439は足ピンの配列が逆順なので注意します。

【基板の裏面】
 裏側など見ても詰まらないと思います。 大した回路ではないので配線も簡単です。 部品配置が合理的ならあまりジャンパー線も増えません。

リファレンス・フィルタの部分を後から追加したように思うので、多少余裕のない部品配置になっています。 基板にはまだ余白があるのでVCO部分はもう少し場所を確保しておきたいと感じました。

 なるべく小型の部品を使い、リード線が不必要に長くならぬようにハンダ付けします。  特にVCO部分の部品や配線がブラブラすると出力信号のスペクトラムにノイズが乗る可能性があります。 使ったコイルはコアが強く止まっているので振動で緩む可能性は低いと思います。もし可能ならパラフィンなどを塗布して緩み留めを行なうとベストでしょう。 製作後少し経ってから再調整の必要があるかも知れません。接着剤のようなもので完全に固めてしまうのはうまくありません。

スペクトラムの観測・その1
 一例として、LSB用の456.5kHzを10kHzスパンで観測している状況です。 このように細くシャープなスペクトラムが得られます。 以前のBlogのとき見た7MHz PLL発振器のスペクトラムよりも裾野はずっとシャープですが、これには理由があります。

 VCOの可変範囲がずっと狭くなっており、VCOの感度が低くなるように作ってあるからです。さらにロックアップタイムもtL=500mSとかなり遅い応答にしています。頻繁に切り替える必要がないからですが、それでも0.5秒なら普通は支障ないです。 この辺りが3kHzステップのPLLであっても綺麗な出力が得られている理由です。
 そもそも周波数が低いのも有利なのでしょう。 このスペクトラムを見ると良くできた水晶発振器に遜色のない信号が得られていると思います。 写真のノイズフロアはスペアナの測定限界によるものです。

スペクトラムの観測・その2
 今度はUSB用の453.5kHzを発生させて、100kHzスパンで観測しています。 リファレンスのフィードスルー(漏れ)によるスペクトラムの汚れも見られず、非常に綺麗です。

 CW用のスペクトラムは示しませんが、USB/LSBと違いません。  何れにしても、これならSSB/CWの復調用にもSSBの発生用にもまったく問題はないでしょう。 普通に水晶発振子で作ったBFOやキャリヤ発生回路と同等に使えます。DDS発振器と違って折り返しのスプリアスが存在しないのもFBでした。

 少々古くなってきた技術で作った発振器ではありますが目的の用途には十分な性能でした。 あえて作りかえることなく、このまま完成したユニットとして活用しましょう。 作ったことを忘れていましたが旨いものが見つかってよかったです。(笑)

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CW用メカフィルも発掘
 探していたら600Hz幅のCW用メカフィルも見つかりました。 こうしたフィルタの中心周波数は概ね455kHzになっています。 CW用のBFOは中心周波数から約800Hz離れた位置に置けば良いでしょう。

 このPLL-BFOではリファレンス・デバイダの分周数とプログラマブル・デバイダの分周数の両方を変えることでCWにちょうど良いBFO周波数を得ています。 実際には455kHz±820Hzくらいになっています。 フィルタそのものの通過帯域幅は500〜600Hzあるので600〜1kHz程度のビート音で聞くことができます。 CW用としてちょうど良いです。

                  ☆  ☆
 
 455kHz帯でフィルタ・タイプのSSBジェネレータを作るには標準値として453.5kHzと456.5kHzの発振器が必要です。 無線機の自作が盛んだった頃なら既製の水晶発振子が売られていたのですが、いまでは特注するしかありません。

 ちょっと考えると、この2つの周波数はちょうど3kHz離れていますから3kHzステップのPLL発振器で作れそうに思えませんか? ところが、どちらの周波数も3kHzの整数倍ではありません。 また1.5kHzの整数倍でもないのです。 従って単純な3kHzステップのPLLでは発生できないのが面倒なところです。 まあ、100HzステップのPLLなら巧く行くのですが、こんどはソレを作るのが難しいです。他にヘテロダイン式という手もありそうですが・・・。

 この例のように、多少の周波数誤差を許容すれば簡単な回路でうまく作れます。 興味が湧いてきたら電卓を片手に計算されてみてください。 当てずっぽうではなく、合理的な設計・計算法があるのですが冗長になるので省きました。たぶん必要とする人は稀でしょう。

 完璧主義者には向きませんが実用主義者には十分な発振器が実現できます。 455kHzのSSBフィルタ用だけでなく、他の周波数のSSBフィルタが対象であっても同様に可能なので応用してみるのも面白いと思います。 国際電気のアマチュア用SSBメカフィルのように中心周波数が個々に少しずつずれているようなケースでもちょっと工夫すれば実現可能です。
 Blogに僅かでも計算の話が登場するとそこで思考ストップしてしまうみたいですが何だか淋しいですね。たまには頭の体操と思って試しては如何。(笑) ではまた。de JA9TTT/1

(終わり)nm+4