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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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10 件のコメント:

本田/JK1LSE さんのコメント...

おはようございます。
探せば、ちょうどいい物が見つかる物ですね。色々な物に応用できそうです。
再生ラジオは先日の懇親会でも、試された方がいて中々の感度でした。昔チャレンジしてうまく行かなかった物のひとつなので試してみたくなりました。

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、おはようございます。 北関東は薄日がさしています。暑くなるんでしょうか?hi

早速のコメント有難うございます。
> 探せば、ちょうどいい物が・・・・
ずいぶん前から外誌では3.58MHzを使った例を見かけていました。 JAでは水晶発振子なら売っているのですがセラミックの方はあまり見ない感じでした。 7MHz帯のものは何の目的か良くわかりませんが既製品があって驚きました。hi hi

> 試された方がいて中々の感度でした。
再生式受信機は回路が簡単ですからすぐに製作できますね。 簡単なのに意外なほど高感度なので驚かされますよ。

> 試してみたくなりました。
スーパーほど実用性が高いとは言えませんが、QSOに使えそうなくらいにはなりそうなのでお試しください。 セラミック発振子方式はお勧めできそうです。

JA6IRK@岩永 さんのコメント...

おはようございます。
新しい記事掲載が始まっているのに気づいていませんでした。
後ほどゆっくり読まさせていただきます。

TTT/hiro さんのコメント...

JA6IRK/3 岩永さん、おはようございます。 今日はまあまあのお天気ですね。

いつもコメント有難うございます。
> 新しい記事掲載が始まっている・・・
半年ほど休憩したので、ボチボチ再開しました。例によってマイペースです。hi

> 後ほどゆっくり・・・
大した話もありませんが、お暇でもあればご覧になってください。

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。

VXOにアンテナをつなぐだけで受信機になるというのは面白いですね。
クリコンを付けるタイプに使えば一般的なセラロックが使えると思いますが、コンバーター部分の方が複雑になりそうですw

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんばんは。 今夜は久しぶりに蒸し暑いです。hi

いつもコメント有難うございます。
> VXOにアンテナをつなぐだけで受信機に・・・・
なんだか怪しげなエープリル・フールみたいな受信機ですよねえ。(笑)
最初に見たときはにわかには信じられなかったんですが、作ってみると意外な結果でした。

> クリコンを付けるタイプに使えば一般的なセラロックが・・・・
ちょうど良いクリスタルがあれば可能性があると思います。 なるべく簡単なクリコンというのがポイントになりますね。 実は幾らか実験済みです。(笑)

ここ暫くシンプルな再生式受信機で遊んでます。 プロは相手にしないでしょうがアマチュア的には面白いテーマが多いです。

JR1QJO さんのコメント...

セラロックと言えば、FujiyamaのVXO、世羅多フィルタと何かとしゃぶり甲斐のある素材ですね。
そもそも、7.160MHzのセラロックはもともと何の為に作られたのかと疑問に思いましたが分周
すると3.58MHzと昔のカラーバースト信号になることから、カラー信号復調或いは簡易カラー
信号の生成に使ったかと推察されます。見事に拡大40mバンドに使えるとはアマチュア冥利
ですね。そうなると、7.2MHzは?と疑問が出ますが水晶発振子にも同周波数があるので分周する
と便利な周波数かも知れませんね。
セラロックで再生受信機が上手く行くなら、水晶の再生受信機も面白いと思いますし、ポピュラー
な455KHzのセラロックを使った周波数変換式再生受信機など妄想が膨らむばかりです。HIHI

TTT/hiro さんのコメント...

JR1QJO 矢部さん、こんにちは。 急に蒸し暑くなってきましたね!

いつもコメント有難うございます。
> セラロックと言えば・・・
過去にいくつか活用例もあるんですが、市販品の種類は限られているので活用しにくいと思っていました。まさか再生式受信機にとは思いませんでしたね。

> 7.160MHzは分周すると3.58MHzと昔のカラーバースト信号に・・・
2倍の周波数になっていますね。 7.2MHzの方も水晶発振子を見かけますから定型的な用途があるのでしょう。 カラーバースト用はTVがデジタルに変わったので過去の遺物になりそうです。

> 見事に拡大40mバンドに使えるとは・・・
バンドの上端の方がカバーできないのがちょっと残念ですけど、CWには支障ないのでFBだと思います。 安定度は水晶のVXOほど良くありませんが、何とか我慢できる程度なので実用性は十分ありそうですよ。

> 水晶の再生受信機も面白いと思います・・・
うまく行きますけれど、数〜10kHz程度動かすのが精一杯の感じでした。 周波数安定度を云々しなければもっと行けそうですが・・・。hi

> 周波数変換式再生受信機など妄想が膨らむばかりです。HIHI
455kHzでも回路定数を選べばもちろんうまく働くようです。 妄想をイッパイ膨らませて下さい。(笑)

セラミック発振子は周波数が限られますけど発想次第で活用できるかも知れません。 魅力のないパーツと思わぬが良かったのかも。

Kenji Rikitake さんのコメント...

セラロックの可変周波数発振器、よいアイディアですね。安定度を維持するのがちょっと大変そうですが。
14.31818MHz=(3.579545MHzx4)は昔のIBM-PCのリアルタイムクロックに使われていました。

最近はSDR受信機で遊んでいます。フロントエンドが優秀だと、あとはソフトウェアを書けばかなりの性能のものができるので楽しいです。1970年代のFMチューナと同程度のものはできるようになりました。先達が作ったのを改造しながら遊びつつ、このURLで公開しています。

https://github.com/jj1bdx/airspy-fmradion

再生式受信機は昔のCQ誌でデュアルゲートMOSFETを使った回路を見たのを記憶しています。

73 de Kenji Rikitake, JJ1BDX(/3)

TTT/hiro さんのコメント...

JJ1BDX/3 力武さんこんにちは。 関東地方は今週にも梅雨明けしそうです。暑くなってきました。hi

いつもコメントありがとうございます。
> 安定度を維持するのがちょっと大変そうですが。
セラミック発振子は案外安定なのでLC共振回路の安定度を維持するよりも容易ですが水晶発振のようには行きませんね。hi

> 昔のIBM-PCのリアルタイムクロックに使われていました。
最初は水晶発振子が多かったようですがコスト競争で定番の周波数ではセラミック発振子が多くなったようです。 近頃は安定度も重視されるようですし水晶もかなり安く作れるようになったので巻き返しているようです。

> フロントエンドが優秀だと・・・
SDRでも信号の入力部分が性能を決めるのは当然なのでしょうね。あとはソフト次第でな何とも・・・(笑)

> このURLで公開しています。
ご案内どうもありがとうございます。後ほど拝見させていただきます。

> 昔のCQ誌でデュアルゲートMOSFETを使った回路を・・・
このBlogでもいずれ扱うつもりです。テスト中ですがなかなかうまく動作していますよ。