Obwód nadajnika FM pozwala przesłać sygnał audio drogą radiową w paśmie UKF. Jeśli w projekcie potrzebujesz prostego toru radiowego, miniaturowego nadajnika do testów albo modułu edukacyjnego, warto zacząć od zrozumienia podstaw: mikrofonu lub wejścia audio, stopnia wzmacniającego, oscylatora LC, modulacji i anteny.
Proste nadajniki FM nie są skomplikowane, ale wymagają staranności. Niewłaściwa wartość cewki, źle dobrany kondensator albo zbyt długa antena potrafią przesunąć częstotliwość pracy, pogorszyć jakość dźwięku lub całkowicie rozstroić układ. Poniżej porządkujemy temat praktycznie: od zasady działania po dobór elementów i uruchomienie.
Schemat blokowy układu nadajnika FM.
Warto pamiętać, że nadajnik radiowy nie jest tylko „wzmacniaczem z anteną”. Jego sercem jest generator wysokiej częstotliwości, a sygnał audio zmienia parametry tej fali nośnej. Dlatego layout PCB, krótkie połączenia w części RF i stabilne zasilanie mają tu większe znaczenie niż w typowym układzie audio.
Zacznijmy od podstaw.
1. Co to jest obwód nadajnika FM
Przykładowy rdzeń nadajnika FM.
Nadajnik FM to układ elektroniczny, który generuje falę nośną i moduluje jej częstotliwość sygnałem użytecznym, najczęściej dźwiękiem. W praktyce oznacza to, że mikrofon, odtwarzacz audio lub inne źródło sygnału wpływa na pracę oscylatora, a antena wypromieniowuje zmodulowany sygnał.
Najprostsze konstrukcje mają małą moc i służą do eksperymentów, testów laboratoryjnych albo krótkodystansowej transmisji audio. Bardziej rozbudowane układy dodają przedwzmacniacz mikrofonowy, bufor RF, stopień mocy, filtrację zasilania i stabilizację częstotliwości.
Do uruchomienia podstawowego nadajnika FM wystarczy źródło dźwięku, na przykład mikrofon elektretowy, odtwarzacz MP3 albo wyjście słuchawkowe telefonu. Sygnał z takiego źródła trzeba jednak dopasować poziomem i impedancją do wejścia układu.
Przykładowa płytka układu FM.
Źródło sygnału audio podaje się na wejście nadajnika, a odbiornik FM ustawiony na tę samą częstotliwość może odebrać transmisję w zasięgu układu.
W praktyce zasięg zależy od mocy, anteny, zasilania, częstotliwości pracy, otoczenia oraz jakości wykonania PCB. W wielu krajach emisja w paśmie FM podlega ograniczeniom prawnym, dlatego konstrukcje amatorskie należy uruchamiać z małą mocą i zgodnie z lokalnymi przepisami.
2. Jak zbudować obwód nadajnika FM
Poniższy przykład pokazuje, jak podejść do budowy prostego nadajnika FM krok po kroku.
W tej części opisujemy najprostszy nadajnik DIY, ale zasady pozostają podobne również w bardziej dopracowanych projektach: stabilny generator, poprawna polaryzacja tranzystorów, sensowne sprzężenie sygnału audio i możliwie krótka ścieżka RF do anteny.
2.1 Elementy potrzebne do budowy nadajnika FM
Typowy zestaw elementów do prostego nadajnika FM obejmuje:
Bateria 9 V lub inne stabilne źródło zasilania.
Kondensator zmienny albo trymer do strojenia częstotliwości.
Antena, najczęściej krótki odcinek przewodu lub antena prętowa.
Mikrofon elektretowy albo inne źródło sygnału audio.
Cewka obwodu rezonansowego.
Rezystory i kondensatory do polaryzacji, sprzężenia oraz filtracji.
Tranzystory, na przykład małosygnałowe NPN dobrane do pracy w torze audio i RF.
2.2 Schemat obwodu i zasada działania
Dla początkujących schemat nadajnika FM może wyglądać chaotycznie, ponieważ łączy w sobie tor audio i tor wysokiej częstotliwości. Najłatwiej czytać go blokami: wejście mikrofonowe, przedwzmacniacz, oscylator LC, sprzężenie z anteną i zasilanie.
Schemat sygnału nadajnika FM.
Źródło — Pinterest.
Przykładowy schemat pracuje z zasilaniem 9 V. Mikrofon elektretowy odbiera dźwięk i zamienia go na niewielki sygnał elektryczny, który następnie trafia przez kondensator sprzęgający do tranzystora wejściowego.
Kondensator sprzęgający C1 odcina składową stałą i przepuszcza sygnał audio. Dzięki temu polaryzacja tranzystora pozostaje stabilna, a do kolejnego stopnia trafia tylko zmienna część sygnału.
Tranzystor wzmacnia sygnał audio i podaje go na obwód rezonansowy LC. Cewka oraz kondensator tworzą generator o częstotliwości zbliżonej do pasma FM, zwykle 88-108 MHz. Sygnał audio powoduje niewielkie zmiany częstotliwości generatora, czyli modulację FM.
Zmodulowany sygnał trafia do anteny. W prostych układach realny zasięg wynosi zwykle od kilku do kilkudziesięciu metrów i zależy od warunków pracy, a nie tylko od samego schematu.
2.3 Projektowanie obwodów nadajników FM
Nadajniki FM mogą być bardzo proste albo dość rozbudowane. Poniżej omawiamy kilka wariantów, które pokazują, jak zmienia się funkcjonalność układu wraz z liczbą stopni i sposobem stabilizacji częstotliwości.
Przykład starszego układu nadajnika FM.
Przykład nowszego układu nadajnika FM.
2.3.1 Projektowanie toru bezprzewodowego
Tor bezprzewodowy odpowiada za wygenerowanie sygnału o właściwej częstotliwości oraz doprowadzenie go do anteny. Kluczowe są tu obwód LC, rozmieszczenie elementów i minimalizacja pasożytniczych pojemności oraz indukcyjności.
Częstotliwość pracy zależy głównie od indukcyjności cewki i pojemności kondensatorów w obwodzie rezonansowym. Strojenie wykonuje się przez zmianę trymera, rozciągnięcie lub ściśnięcie zwojów cewki albo dobór kondensatorów o innej wartości.
Do punktu antenowego można podłączyć krótki przewód, na przykład kilka lub kilkanaście centymetrów. Dłuższa antena nie zawsze poprawia efekt, bo w prostym układzie może rozstroić obwód i pogorszyć stabilność częstotliwości.
Tak może wyglądać przykładowy projekt toru bezprzewodowego nadajnika FM.
Projekt obwodu bezprzewodowego.
Źródło — Pinterest.
2.3.2 Obwód nadajnika FM — projekt z jednym tranzystorem
Układ z jednym tranzystorem jest najprostszy i dobry do nauki, ale ma oczywiste ograniczenia.
Niewielki zasięg.
Zasilanie z baterii o ograniczonej pojemności.
Prosty nadajnik jednotranzystorowy często nie ma osobnego przedwzmacniacza mikrofonowego ani stabilizacji częstotliwości. Z tego powodu dźwięk bywa cichy, układ łatwo się rozstraja, a częstotliwość pracy zależy od ułożenia przewodów, zbliżenia ręki i stanu baterii.
Tak wygląda przykładowy projekt.
Projekt obwodu z jednym tranzystorem.
Przyjrzyjmy się elementom, które są potrzebne do wykonania takiego nadajnika FM.
Obwód nadajnika FM — projekt przedwzmacniacza audio 2.3.3
Przedwzmacniacz audio podnosi poziom sygnału z mikrofonu i ustawia punkt pracy tranzystora. W prostych konstrukcjach wystarcza jeden stopień wzmacniający z tranzystorem NPN.
Dobór napięcia Vcc
Jako przykład można przyjąć małosygnałowy tranzystor NPN BC109. Jego dopuszczalne napięcia są wyższe niż typowe zasilanie nadajnika, dlatego w układzie edukacyjnym wygodnie zastosować Vcc = 9 V z baterii lub stabilizowanego zasilacza.
Rezystor obciążenia R4
Tabela pomocnicza do doboru rezystora obciążenia.
Źródło — Wikimedia Commons.
Rezystor obciążenia dobiera się do zakładanego prądu kolektora i punktu pracy. W klasycznym wzmacniaczu ze wspólnym emiterem napięcie kolektora ustawia się często w pobliżu połowy Vcc, aby stopień miał zapas na dodatnią i ujemną połówkę sygnału. Dla małego prądu kolektora wartość rzędu 4,7-5,1 kΩ jest rozsądnym punktem startowym.
Rezystory dzielnika napięcia R2 i R3
Dzielnik napięcia dla rezystorów R2 i R3.
Źródło — Pinterest.
Rezystory R2 i R3 tworzą dzielnik, który ustala napięcie bazy. Wartości oblicza się z przyjętego napięcia emitera, spadku baza-emiter oraz prądu dzielnika.
Praktyczna zasada mówi, że prąd dzielnika powinien być kilka do kilkunastu razy większy od prądu bazy. Dzięki temu punkt pracy mniej zależy od wzmocnienia konkretnego egzemplarza tranzystora.
Napięcie bazy Vb jest zwykle o około 0,6-0,7 V wyższe od napięcia emitera Ve. Jeśli przy zasilaniu 9 V ustawisz Ve w okolicach 1 V, baza powinna mieć około 1,6-1,7 V.
Dla dolnego rezystora dzielnika można przyjąć wartość rzędu 22 kΩ.
Dla górnego rezystora dzielnika typowa wartość będzie większa, na przykład około 82-91 kΩ, zależnie od wybranego punktu pracy.
Rezystor emiterowy R5
Rezystor R5 stabilizuje prąd emitera. Oblicza się go ze wzoru R5 = Ve / Ie, gdzie Ie jest w przybliżeniu równy prądowi kolektora. Jeśli Ve wynosi około 1 V, a prąd emitera około 2 mA, wartość R5 będzie bliska 500 Ω.
Kondensator sprzęgający C1
Kondensator C1 przepuszcza sygnał audio i blokuje składową stałą. Większa pojemność lepiej przenosi niskie częstotliwości, mniejsza ogranicza bas i może pogorszyć jakość dźwięku. W prostym przedwzmacniaczu wartość kilku mikrofaradów, na przykład 4,7-5 µF, jest typowa.
Rezystor mikrofonu R1
Rezystor R1 polaryzuje mikrofon elektretowy i ogranicza jego prąd. Dla zasilania 9 V i mikrofonu pobierającego ułamki miliampera stosuje się zwykle wartości od kilku do kilkunastu kiloomów. Wartość około 18 kΩ może być właściwa, jeśli odpowiada wymaganiom konkretnej wkładki mikrofonowej.
Kondensator obejściowy C4
Kondensator C4 omija rezystor emiterowy dla składowej zmiennej i zwiększa wzmocnienie stopnia audio. Wartość rzędu 10-15 µF jest typowa dla prostych układów mikrofonowych.
Obwód nadajnika FM — projektowanie obwodu oscylatora 2.3.4
Oscylator generuje falę nośną, dlatego jego elementy muszą być dobrane i rozmieszczone bardzo starannie.
Elementami obwodu rezonansowego są cewka L1 i kondensator C6. Dla pasma 88-108 MHz typowe są indukcyjności rzędu dziesiątych części mikrohenra oraz pojemności kilku do kilkunastu pikofaradów. Przykładowo cewka około 0,2 µH z kondensatorem około 10-15 pF daje zakres zbliżony do UKF FM, z uwzględnieniem pojemności pasożytniczych.
Kondensator w obwodzie rezonansowym powinien mieć stabilny dielektryk i małą stratność. Jeśli stosujesz trymer, wybierz zakres umożliwiający dostrojenie układu bez pracy na skrajach regulacji, na przykład kilka do kilkunastu pikofaradów.
Rezystory polaryzacji R6 i R7 ustalają punkt pracy tranzystora oscylatora. Ich wartości zależą od wybranego tranzystora i prądu kolektora; w prostych układach mogą mieć rząd kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu kiloomów.
Kondensator sprzęgający między stopniami powinien mieć małą impedancję dla użytecznego sygnału, ale nie powinien rozstrajać obwodu rezonansowego. W wielu konstrukcjach stosuje się niewielkie pojemności, od kilku pikofaradów w torze RF do około 10 nF w torze audio.
Rezystor emiterowy R8 stabilizuje pracę tranzystora oscylatora. Wartość około 1 kΩ jest częstym punktem wyjścia, ale należy ją zweryfikować pomiarem prądu i stabilności generatora.
Projekt obwodu zasilania 2.3.5
Prosty nadajnik FM nie wymaga dużej mocy, ale wymaga czystego zasilania. Zakłócenia z baterii, przewodów lub przetwornicy mogą modulować generator i powodować przydźwięk albo pływanie częstotliwości.
Na wejściu zasilania warto dodać kondensator elektrolityczny oraz kondensator ceramiczny 100 nF blisko tranzystorów. Jeśli układ ma stopień mocy klasy A, trzeba także sprawdzić pobór prądu i nagrzewanie elementów, ponieważ taka klasa pracy jest prosta, ale ma niską sprawność.
2.3.6 Dobór anteny
Antena powinna być dopasowana do zakresu częstotliwości i mocy układu. Dla prostych nadajników testowych używa się zwykle krótkiego odcinka przewodu. Antena ćwierćfalowa dla 100 MHz ma około 75 cm, ale w małych konstrukcjach często stosuje się krótsze przewody, ponieważ pełnowymiarowa antena mogłaby zbyt mocno obciążyć oscylator.
2.4 Obwód nadajnika FM — szczegółowe kroki
Poniższe kroki pomogą zbudować i uruchomić prosty obwód nadajnika FM.
2.4.1 Zbierz potrzebne elementy
Przed rozpoczęciem montażu upewnij się, że masz komplet elementów i znasz ich wartości. W układach RF pomyłka między pF, nF i µF prowadzi do zupełnie innego zachowania obwodu.
Dla przykładowego nadajnika możesz potrzebować dwóch tranzystorów 2N3904, rezystorów 100 kΩ, 1 kΩ, 100 Ω, 10 kΩ i 1 MΩ, kondensatorów 0,1 µF, trymera około 40 pF, kondensatorów kilku pikofaradów, cewki, anteny, baterii 9 V z klipsem oraz płytki PCB. Konkretne wartości zawsze dobieraj do schematu, który budujesz.
2.4.2 Wykonaj PCB, jeśli nie korzystasz z gotowej płytki
PCB jest w nadajniku FM szczególnie ważne, ponieważ geometria ścieżek wpływa na częstotliwość i stabilność układu. Płytka uniwersalna może wystarczyć do eksperymentu, ale do powtarzalnej pracy lepszy jest dedykowany layout.
Do ręcznego wykonania prostej płytki potrzebujesz laminatu miedziowanego, markera odpornego na trawienie albo wydruku do transferu tonera, roztworu trawiącego, wiertarki do PCB i wody do płukania.
Typowa procedura wygląda następująco.
Oczyść powierzchnię miedzi z tłuszczu i tlenków.
Przenieś wzór ścieżek markerem albo metodą termotransferu.
Przygotuj roztwór trawiący zgodnie z instrukcją producenta i zachowaj środki ochrony osobistej.
Umieść laminat w roztworze i poczekaj, aż nieosłonięta miedź zostanie usunięta.
Wypłucz płytkę w czystej wodzie i usuń pozostałości maski lub tonera.
Osusz PCB i sprawdź ścieżki pod lupą, zwłaszcza przerwy oraz zwarcia.
Na końcu wywierć otwory montażowe i przygotuj płytkę do lutowania elementów.
Obwód nadajnika FM — montaż układu
Najpierw porównaj layout PCB ze schematem. Następnie wlutuj elementy od najniższych do najwyższych: rezystory, małe kondensatory, tranzystory, cewkę, trymer, przewody zasilania i antenę. Lutuj krótko, aby nie przegrzać tranzystorów ani mikrofonu elektretowego.
Lutowanie elementów obwodu.
Cewkę można nawinąć z drutu miedzianego o odpowiedniej średnicy. W prostych układach stosuje się kilka zwojów na średnicy kilku milimetrów; dokładna liczba zwojów zależy od schematu, średnicy drutu i wymaganej indukcyjności.
Po nawinięciu cewki przylutuj ją możliwie krótko do pól obwodu rezonansowego. Długie wyprowadzenia zwiększają indukcyjność pasożytniczą i utrudniają strojenie.
Podłącz antenę do wskazanego punktu układu. Na początek bezpieczniej użyć krótszego przewodu, a dopiero później sprawdzać wpływ długości anteny na zasięg i stabilność.
Obwód nadajnika FM — strojenie
Strojenie nadajnika wymaga cierpliwości. Ustaw odbiornik FM na wolną częstotliwość, włącz nadajnik i powoli reguluj trymer albo rozstaw zwojów cewki, aż odbiornik zacznie odbierać sygnał z układu.
Nie stroisz „na zniekształcenia”, tylko na możliwie czysty odbiór przy minimalnej mocy i stabilnej częstotliwości. Jeśli sygnał przeskakuje, zanika po zbliżeniu ręki albo mocno szumi, sprawdź zasilanie, lutowanie, długość anteny i położenie cewki.
Po zakończeniu strojenia otrzymasz działający obwód nadajnika FM.
Praktyczna demonstracja budowy i testów może pomóc w porównaniu własnych wyników z przykładowym uruchomieniem.
https://www.youtube.com/watch v = WLMNYMSALC
3. Nadajniki FM ze specjalnymi funkcjami
Poniżej znajdziesz kilka rozwiązań, które można spotkać w bardziej rozbudowanych obwodach nadajników FM.
3.1. Obwód nadajnika FM — działanie obwodu
Po włączeniu zasilania kondensatory zaczynają się ładować, a tranzystory ustawiają swoje punkty pracy. Dopiero po ustabilizowaniu polaryzacji oscylator może generować powtarzalny sygnał.
W generatorze kondensator i cewka cyklicznie wymieniają energię między polem elektrycznym i magnetycznym. Tranzystor kompensuje straty obwodu rezonansowego, dzięki czemu drgania mogą być podtrzymane i przekazane przez sprzężenie do anteny.
3.2. Używanie regulowanej cewki
W obwodzie FM wykonanym na PCB częstotliwość zależy nie tylko od elementów, ale też od ścieżek i pól miedzi. Dla lepszej powtarzalności zwykle stosuje się klasyczną cewkę z drutu lub cewkę z regulowanym rdzeniem, zamiast traktować długą ścieżkę PCB jako element indukcyjny.
3.3. Obwód nadajnika FM — współczynnik Q
Współczynnik Q opisuje dobroć obwodu rezonansowego. Im wyższa dobroć, tym węższy i wyraźniejszy rezonans, ale także większa wrażliwość na strojenie i obciążenie anteną. Dobre elementy LC poprawiają stabilność oraz sprawność toru RF.
3.4 + Obwód nadajnika FM — większe nasycenie stopnia
Niektóre układy pracują z silniej wysterowanym tranzystorem, aby uzyskać większą amplitudę sygnału RF. Trzeba jednak uważać: zbyt głębokie nasycenie pogarsza liniowość, zwiększa zniekształcenia i może powodować emisję niepożądanych harmonicznych.
3.5 + Regulowana cewka z rdzeniem ferrytowym
Cewka z regulowanym rdzeniem ferrytowym pozwala zmieniać indukcyjność bez mechanicznego rozciągania zwojów. Ułatwia to strojenie, ale wymaga delikatnej regulacji, ponieważ niewielki obrót rdzenia może wyraźnie przesunąć częstotliwość.
3.6. Zwiększenie stabilności
Stabilność poprawia się przez dobre odsprzęganie zasilania, krótkie ścieżki RF, ekranowanie wrażliwych fragmentów i słabsze sprzężenie anteny z obwodem rezonansowym. Jeśli antena jest podłączona bezpośrednio do obwodu LC, jej położenie może zmieniać częstotliwość nadajnika.
3.7. Obwód nadajnika FM — transmisja muzyki
Jeśli nadajnik ma przesyłać muzykę, warto dodać wejście audio o odpowiednim poziomie, prostą regulację głośności i filtrację, aby nie przesterować modulatora. Klasyczne radio FM nadaje sygnał stereo w bardziej złożony sposób, dlatego prosty nadajnik DIY zwykle pracuje jako mono albo sumuje kanały lewy i prawy.
Przykładowy projekt muzycznego nadajnika FM.
3.8. Obwód nadajnika FM — analiza układu z dwoma tranzystorami
Dodanie drugiego tranzystora pozwala oddzielić przedwzmacniacz audio od oscylatora albo dodać bufor RF. Taki układ jest zwykle stabilniejszy i bardziej czuły niż konstrukcja jednotranzystorowa, ponieważ mikrofon nie obciąża bezpośrednio generatora.
3.9/ Układ z IC 741 i połączeniem przewodowym
Jeśli projekt wymaga przesłania dźwięku przewodem do kolejnego stopnia lub głośnika, nadajnik RF nie jest konieczny. W takim zastosowaniu wzmacniacz operacyjny 741 może pracować jako stopień wstępny audio, choć w nowych projektach często wybiera się nowsze układy o niższych szumach i lepszych parametrach zasilania.
3.10. Nadajnik alfabetu Morse'a
Nadajnik telegraficzny wysyła sygnał po naciśnięciu klucza, dzięki czemu można nadawać znaki alfabetu Morse'a. Realny zasięg zależy od częstotliwości, mocy, anteny, propagacji i przepisów licencyjnych; deklaracje rzędu setek kilometrów są możliwe tylko dla odpowiednio zaprojektowanych nadajników i warunków radiowych, a nie dla prostego układu eksperymentalnego.
Podsumowanie
Wybór najlepszego obwodu nadajnika FM zależy od celu projektu. Do nauki wystarczy układ z jednym tranzystorem, do stabilniejszej pracy lepszy będzie nadajnik z oddzielnym przedwzmacniaczem, buforem RF i starannie zaprojektowanym obwodem LC.
Najlepsze wyniki daje połączenie poprawnego schematu, dobrego layoutu PCB i spokojnego strojenia. W części radiowej liczą się szczegóły: długość ścieżek, masa, odsprzęganie zasilania, położenie cewki i sposób podłączenia anteny.
Jeśli przygotowujesz własny projekt PCB dla nadajnika FM lub innego układu radiowego, OurPCB może pomóc w wykonaniu płytek i montażu prototypów. Prześlij pliki projektowe, BOM i wymagania produkcyjne; nasza obietnica to wycena w 12 godzin roboczych.