【電子管】Testing the Battery Tube Product Detector : 1R5-SF

【1R5-SFをプロダクト・検波でテスト】（活用編）

Introduction
I tried out a product detector circuit with a pentagrid battery tube. The Battery tube 1R5 is the converter tube of the super receivers.　The product detector works on the same principle as the converter circuit. It should work well.　I used a ceramic resonator for the BFO, which is essential for SSB/CW detection.　While the frequency stability is a bit lower than a crystal oscillator, it's still good enough.(2025.04.13 de JA9TTT/1 Takahiro Kato)　

【ペンタ・グリッド管のプロダクト検波器】
　1960年代のはじめ日本のHAMは未だ戦後の復興期にありました。そのころのお話です。　ハム再開(1952）から間もないころ、米国で新しい電波型式（モード）が登場しました。

　従来のAM波から搬送波と片側の側波帯（サイドバンド）を取り除いた文字通りSSB：シングル・サイド・バンドが登場したのです。当初、AM波でのオンエアでさえ精一杯だったJAのHAM局にはさして相手にされませんでした。しかし米国での動向を見て（聞いて）DXerから徐々に電話モードSSB化の機運が高まって行ったのです。

　高１中２受信機を持つのが当時のHAM局の標準であり開局予備軍の目標でもありました。そうした受信機でもSSB波を聞くことは可能ではありましたが、もともとAMとCWが前提の受信機です。やはり快適ではありません。

　何が問題だったかといえば検波回路です。それらの受信機ではSSBの復調にもCW用の検波器を使うのですが、一般にダイオード（二極管）検波器にBFOを注入しただけと言った単純な回路だったのです。　CW受信を考えるとBFOはあまり強く注入しません。強いCW波が飽和傾向になる特性を利用したかったからです。

　弱いSSB波なら悪くないものの、59+と言った強い局は飽和して歪みます。場合によって音にすらなりません。結局、RF-IFゲインを絞り、CW検波器への入力をわざと小さく絞ってSSB受信する方法にならざるをえませんでした。　しかもCWでは常識的だったAGC/AVCをOFFする受信法もSSB受信の快適さを損ねていました。

　そのため、CQ誌や無線と実験、電波科学と言った雑誌のSSB関連の記事では既存の受信機に付加するSSB検波器の製作記事が頻繁に登場したのです。まずはSSB化の推進は受信にあって「プロダクト検波器」の付加はその入り口と捉えられていたからでしょう。

　写真は５グリッド管：1R5-SFを使ったプロダクト検波器を実験している様子です。当時、1R5-SFで試した人も居られたかもしれませんが、一般的にはポピュラーな6BE6が使われていました。6BE6は標準的な5グリッド・コンバータ管です。

　今回はそれに倣って電池管の５グリッド・コンバータ管である1R5-SFでプロダクト検波を試します。行く行くは電池管で短波帯の受信機を目指しており、SSBやCWの受信機能は必須です。そのための準備としてテストすることにしました。

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　物好きでもなければ、いまさら電池管でプロダクト検波でもありますまい。見たからと言って役立つお方は皆無でしょう。もっぱら自身の興味とこの先のRX開発準備のためにデータを蓄積しています。　一年で最も素晴らしい季節です。お部屋にこもってネットではもったいない。人生長いようでも短いもの。　こんなBlogを眺めるのはもうやめにして部屋を飛び出し春を満喫しましょう。

【七極管プロダクト検波回路】
　6BE6のような５グリッド管（７極管）を使ったプロダクト検波器は雑誌の記事ではたいへんポピュラーでしたが、メーカー製の受信機ではあまり見なかったように思うのです。どちらかと言えば自作HAMが付加装置で使う簡易回路のように感じていました。

・参考リンク：プロダクト検波器（←ここ）

　ですから本格的に製作した経験はありません。三極管３本の回路やリング・ダイオード検波器が本命と思っていました。

　今回テストしてみたのは５グリッド管のプロダクト検波器は復調ゲインが得られることからです。やや低周波アンプのゲインが少ないことから検波器でゲインが得られれば有利です。　どの程度のゲインが得られ、また最適な入力信号の範囲（大きさ）はどれ位なのか検波器として基本的な性能を掴むことを目的とします。

　さっそく実験回路ですが、プロダクト検波器にはBFOが必要です。　できるだけ球数は増やしたくないですから自励式で行くことにします。　最適化にやや難しさもありますが検波管の1R5-SF自体でBFO発振まで行なうわけです。
　簡易な付加装置と考えられていたころはコンバータ管の6BE6をLC発振の自励式BFOで使うケースが多かったように思います。その場合、入力信号が強く（大きく）なるとBFOの発振周波数が「引っ張られて変動するのが問題だ」とされていました。1R5(-SF)でも同じ傾向はあるでしょう。

　そのためBFOは初めから水晶発振式にすることにしました。それで引き込み対策は万全になるはず。　やがて実験しているうちセラミック発振子でも十分な性能が得られることが判明します。それで最終的にはセラミック発振子を使うことにしました。　水晶発振子よりも周波数調整がやりやすいことも理由です。（入手の容易さも大きな魅力です）

　水晶（セラロックですが）発振器としてはピアースPG型（無調整型）に相当します。電池管にセラロックという組み合わせはこれまで見たこともなく回路定数の設定に苦心しましたが結果としてオーソドックスな回路定数に落ち着きました。

　以前、入力信号を中間周波に変換するのがコンバータであり低周波に変換するのがプロダクト検波だと書いたことがありました。　確かにその通りなのですが、1R5(-SF)でプロダクト検波する例など実例がありません。プレート負荷を変えてデータを取る、グリッド抵抗はどうか？・・・ほかにも各部を試行的に追求して決定しています。概ね最適化されたと思っていますが、例えばEp=90Vにすると言った変更の際は見直しが必要かもしれません。

【復調用キャリヤ：BFO】
　SSB/CWの復調にはBFOが必要です。　水晶発振器が最適なのですが455kHz付近の水晶発振子は市販品がありません。　特注という手はありますが納期と費用がかかるでしょう。　写真のようにセラミック発振子を使うことにしました。

　はじめ手持ちに456.5kHzのHC-6/u型水晶発振子があったので、それでテストしていました。

　当たり前ですが周波数安定度も良くBFOとしては最適でしょう。そのまま使っても良かったのですが手元にたくさんあったセラミック発振子（セラロック®︎：CSB455E村田製作所製）でも試してみることにしました。

　少し回路定数を変更する必要はありますが同じように良好な発振が得られています。　さらにセラミック発振子には良い点があって周波数の微調整が容易なのです。使ったセラミック発振子は455kHz用ですがトリマ・コンデンサを抱かせて調整することで±800Hzくらいなら容易に可変できます。

　さらに回路定数も幾分変えてやれば±1.5kHzの可変も可能そうですからSSBフィルタに合わせた復調用キャリヤが得られます。

【BFOの周波数】
　455.000kHzに合わせています。　すこし追い込み不足で4Hz弱の誤差があります。

　この誤差も入念に合わせ込めばゼロに近づけることが可能です。　ただしセラミック発振子には温度係数があって周囲温度の変化で発振周波数が微小に変動します。そのため常に455.000kHzを保つことはできません。　ところが実際に製作し測定していて周波数のふらつきはあまり感じませんでした。　ぞれに少々の変動はあっても実用範囲であれば支障はないのです。　少し検討しておきましょう。

　発振子メーカ：村田製作所の仕様書によると-20〜+80℃の範囲で周波数の変動は±0.3%以内が規格になっています。　同時にグラフの記載があって、おそらく代表的な特性と思われますが、それによると同じ温度範囲で±0.1%くらいが実力値のようです。　これを参考にすると455kHzに対して約9Hz/℃の温度による変化が有りそうなことがわかります。

　この数値だけを見ると高級な受信機ではちょっと課題がありそうです。　しかし実際にテストしていて周波数の不安定さは感じられませんでした。発熱の少ない電池管というもの有利なのでしょう。従って電池管で作る簡易な受信機には合格点です。それにLC発振のBFOと比べたら10倍以上安定していると感じられます。　かなり実用的であることが確認できたのです。　どうしても心配なら水晶発振がベストですがその必要は感じない筈です。

【入出力特性】
　入力信号の大きさと出力に得られる復調電圧の関係です。

　BFOは455.000kHzに合わせてあります。入力信号は455.400kHzですから復調出力は400Hzということになります。

　プロダクト検波器はI-Fアンプの後に置きますので、ある程度大きな入力信号・・・ここではmVオーダから測定を始めました。

　測定を始めて意外だったのは大きな入力電圧まで復調の直線性が保たれることでした。　予想ではせいぜい数10mV程度で飽和してしまい、直線性が失われるだろうと思っていたのです。　実力的に1Vpp、即ち300mV(rms)あたりまで十分直線的ですからずいぶん大きな入力まで使えるわけです。

　高１中２受信機のI-Fアンプ出力は時に10Vにも及ぶことがあって、そのまま加えたら大きすぎるでしょう。　上手な使い方としては1/30〜1/50くらいに絞ってプロダクト検波器へ加えれば良いはずです。　それでもこれは意外な結果でした。　300mVも加えて大丈夫とは・・・。

　ずいぶん前になりますが、ミキサー管の歪みについて検討したことがありました。　ビーム偏向管7360,etcについて評価していたのです。そのとき比較のため6BE6も評価しました。
　２信号を使って評価していたのですが意外にもずいぶん大きな入力までIMD特性は劣化せず、ちょっと誇張して言えば7360と比べて極端な違いはないのではないかと思ったほどです。メーカー製管球式ダブルスーパ受信機で第二ミキサに6BE6を採用する例が多い理由がわかったような次第です。上手に使うとペンタ・グリッド管の歪み特性はなかなか優秀なのです。（ノイジーという欠点はあるのですが・・・）

　もちろんバランス型ではありませんので出力のプレート側で局発やRF入力信号のアイソレーションはありません。ほとんどそのまま出てきます。　しかし受信ミキサやプロダクト検波器なら必要な周波数帯と離れているので支障ありません。　ペンタ・グリッド管のプロダクト検波器は思った以上に良好です。　テストしてみた甲斐がありました。

【出力波形】
　入力として100mVpp(≒35.4mVrms)を加えた時の復調出力波形です。

　BFOは455kHzで入力信号は455.8kHzですから、復調出力は800Hzになります。　このように綺麗な正弦波が得られ、リニヤリティの良さが感じられました。

　同時に復調ゲインは約6.7倍、16.5dBくらい得られることがわかります。（ゲインは復調出力が800Hzのとき）　なお、信号のピーク部で輝線がやや太く見えますが、これはBFO(455kHz)のモレが取りきれていないためです。

　LPFを強化すればモレはさらに減らせます。　なにしろBFOの発振振幅は20Vppもあって非常に大きいため完全に除くのも大変なのです。　I-Fアンプ系に漏れないよう十分注意しないとBFOによってAGCが掛かってしまうと言ったトラブルも起こり得るのです。

【復調周波数特性】
　復調出力の周波数特性です。

　BFOは455kHzで、入力信号を455kHzに対して30Hz〜7kHzまで離して周波数特性を測定しました。信号のレベルは100mVppです。

　意外に低い周波数から出力が低下して行きますが、これは回路図のC6とC9が1000pFとやや大きめだからです。　これらを470pFあるいは270pFに交換すれば3kHz程度までフラットにできるので目的次第で選択します。

　一般に男声は低音が豊かであり、この程度の周波数特性でも問題ないです。　必要以上に高音域を伸ばすよりも聴感上のS/Nは有利になります。　好みに応じで変更して構いませんので適宜コンデンサを選びます。

【引込み特性】
　入力信号によってBFOの周波数がどれくらい引き込まれるか（影響を受けるか）実測しました。

　実はほとんど意味のないようなグラフになってしまい、公開すべきか迷ったのですが事実は事実として掲載します。

　測定方法ですが、入力信号として大きさが1Vppというかなり大きめの信号を用意します。信号が大きいほど影響が出やすくて影響度がわかり易いのです。　BFOは周波数カウンタで常に監視しておきます。　その上で、入力信号の周波数をBFOの発振周波数の前後で変えてみて、そのときBFOの発振周波数が影響を受ける度合いを観察します。

　結果として、ほとんど影響を受けないことがわかりました。　精密にいうと0.1Hz以下の引き込み現象は存在するように思います。ただし、発振回路自体の微小な発振周波数変動の影響もあって明確にはわかりません。　入力信号をON/OFFしながらFカウンタを見ていると何となく感覚的にほんの少し引き寄せられるような感じを受けます。しかし復調出力を耳で聞いている程度では、まず判別できないでしょう。　要するに引き込み現象は耳ではまったく感じられないことがわかります。

　実はこれにも伏線があって、以前セラミック発振子を使ったオートダイン式受信機を作ったことがありました。驚いたことに体感できるほどの引き込み現象は存在しなかったのです。　今回の回路も言わば発振器の入力端子に信号を加えているわけでオートダイン検波器と同じような状況です。セラミック発振子を使った発振器は外部信号の影響を受けにくく一定した発振周波数を保つことが良くわかりました。　もちろんこれは水晶発振子でも同じです。　発振子を使うと引き込みを気にせずに使えるプロダクト検波器です。

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　以上で1R5-SFを使ったプロダクト検波の評価はおしまいにします。　おもにフィラメント電流が25mAの1R5-SFで実験しましたが、50mAのノーマルな1R5でも違いは感じません。　同じ回路定数で同等の性能が得られると思って良いです。

　電池管の弱点はマイクロフォニック・ノイズです。　1R5はコンバータ管ですから、おそらく低周波で問題になるマイクロフォニック・ノイズは考慮されていないでしょう。そのため、低周波ゲインが存在するプロダクト検波器に使うと問題になるかも知れません。　実際に受信機として纏める際には考慮しておく必要がありそうです。

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　ところで、JAにおけるSSBのその後の普及ですが少なくとも1970年までにはHF帯のすべてがSSB化されました。　もはやごく少数の愛好家がAM（全搬送波・両側帯波）でオンエアするだけになったのです。　同時にメーカ製SSBトランシーバが隆盛になり自作機が主体の時代も完全に終わったと言えるでしょう。　講習会生まれのHAMが大挙して出現し彼ら・彼女らが新たな顧客になったわけです。（6mはもう少しAMの時代が続きました）

【1D8-GTアンプに固定バイアスを】
　これは前回のテーマですが、1D8-GTの低周波アンプを改造しました。

　出力用五極管のバイアス電圧を乾電池で与えるようにしました。　改造前は+B電源の負極側に抵抗器を入れ、電圧降下でバイアス電圧を得る形式でした。

　写真で黒い扁平な容器がバッテリーボックスです。CR2032型リチウムマンガン電池が2個直列になって入っています。実測で6.2Vの起電圧があってグリッド抵抗：470kΩを通して1D8-GTの五極管部・第１グリッドへ加えられています。少し高いように感じますが起電圧まかせなので自由度がありません。　なおバイアスは負電圧ですから電池のプラス極側をGNDに接続しグリッド抵抗側が負極になります。　パワー・アンプはA級増幅器でありグリッド電流はほとんどゼロです。マイナス6Vも掛かっていれば初速電子流によるグリッド電流も完全に遮断されてしまいます。　従って電池の消耗は自己放電程度でしょう。リチウムマンガン電池は自己放電が少ないですからかなり長期間使えるはずです。

　この改造によって+B電源の電流値によってバイアス電圧が影響を受けることがなくなります。+B電源の負極側はそのままGNDへ接続されます。電源利用率も1割近く改善され各段の動作に有利に働きますし結果として電池の持ちも良くなります。　欠点はバイアス電圧に自由度がないことです。幸い1D8-GTの五極管部はだいたい-5〜-6Vのバイアス電圧で良いため十分使い物になりそうです。　なお、使用した中華モノの電池ボックスは作りがちゃちでイマイチでした。もう少し信頼できるような製品はないものでしょうか？（笑）

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　コンバータ管から始めて低周波アンプまで一通りの電池管を評価しました。　中波帯(BCバンド)のラジオ作りが目的でしたらそれでお仕舞いですが、目標はHAMが使える受信機です。　HAMバンドで必須となるSSB/CW検波器に絞ってペンタ・グリッド管を使ったプロダクト検波器を追試しました。たいへん有望な結果が得られたと思います。　簡易な受信機だけでなく本格的な「通信型受信機」に使っても支障のない性能が得られています。

　残念ですが1R5(-SF)は電池管なので一般性に欠けています。いまさら電池管の時代じゃありません。　まあ6BE6だってすでに真空管の時代でもないのですが、同じような評価をしておけば有益な設計情報が得られるかも知れません。　もしも機会があったら手がけてみたいと思います。　次回もHAM用受信機に向けた付加機能を検討したいと思っています。電池管の活用が通信機の範囲へと広げられたらだんだん面白くなると思っています。　ではまた。　de JA9TTT/1

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（つづく）fm