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Rivelatori FM

Il rivelatore è il vero cuore dell’apparecchio AM/FM: tutti i circuiti che lo precedono servono a preparare un buon segnale, adatto per il rivelatore. Quelli che seguono servono per potenziare il segnale audio ed inviarlo agli altoparlanti. Una cattiva rivelazione fornirà un segnale BF distorto e disturbato, mentre una buona rivelazione fornirà un segnale BF pulito, chiaro e fedele. La figura qua sotto mostra il confronto tra la modulazione di ampiezza (curva "c") e la modulazione di frequenza (curva "d") della stessa portante ("a") da parte di una medesima onda modulante ("b"). Come si vede, la curva "c" ricorda, nella forma, l'onda modulante, mentre la curva "d" è di più difficile interpretazione intuitiva. Ciò che più conta è che l'ampiezza dell'onda modulata in frequenza resta costante, e di conseguenza non può essere rivelata facendo ricorso ad un semplice diodo rivelatore e ad un filtro, come si fa per i segnali AM.

Il metodo generalmente usato per rivelare un segnale FM è quello di trasformarlo, un istante prima della rivelazione, in un segnale modulato sia in ampiezza sia in frequenza. Ciò viene fatto in diversi modi, il più semplice dei quali è quello che viene descritto qua sotto.

Rivelatore a Pendenza

Questo tipo di rivelatore si basa sull'effetto di un circuito accordato a banda stretta, che sia leggermente fuori sintonia rispetto al segnale in arrivo, ossia che lavori su un "fianco" e non sulla cima della curva di risonanza. Se la frequenza centrale ricevuta sta lungo uno dei fianchi della curva di risonanza, per esempio sul punto f₀ nella figura qua sotto, avremo che variazioni positive di frequenza si trasformeranno in un apprezzabile aumento dell’ampiezza, e variazioni negative in una diminuzione.

In questo modo è possibile trasformare la modulazione di frequenza in modulazione d’ampiezza. Un segnale FM che subisce questo trattamento, in linea di principio può poi venire rivelato con un comune diodo, secondo gli schemi usuali adottati in AM. Questo metodo, semplice ed economico, ha però lo svantaggio di non essere sufficientemente lineare, e di non avere alcuna immunità ai disturbi, dato che questi appaiono come segnali modulati in ampiezza. Il problema dei disturbi in FM può essere molto più grave che in AM, dato che il segnale in antenna è debolissimo, mentre i disturbi possono essere di gran lunga più ampi, anche parecchie volte maggiori. Quindi, un rivelatore FM privo della possibilità di discriminare il segnale dal rumore è pressoché inutilizzabile, ed infatti il rivelatore a pendenza fu usato solo nei primissimi tempi delle trasmissioni FM e poi abbandonato. Lo si può incontrare in qualche schema semplice di ricevitore per dilettanti. Comunque, il suo principio di funzionamento è servito a dare un’idea del tipo di conversione che deve essere fatta.

Rivelatori a sfasamento

Molti rivelatoriper FM di uso pratico si basano sullo sfasamento che viene introdotto da un circuito accordato su un segnale, quando la frequenza di accordo non coincide con quella del segnale. I circuiti non sono semplicissimi, ed il principio di funzionamento necessita di una spiegazione accurata, che cercherò di mantenere su un piano discorsivo ed intuitivo. Bisogna fare ricorso alla rappresentazione vettoriale delle grandezze elettriche, in quanto ci interessa non solo la loro ampiezza, ma anche il verso e l’angolo di fase che formano l’una con l’altra.

Osserviamo la figura qua sopra. In essa è rappresentato un trasformatore con entrambi i circuiti, primario e secondario, accordati sulla medesima frequenza. La tensione d’ingresso è indicata con Vp, quella d’uscita con Vs. La freccetta sui due simboli indica appunto la natura vettoriale delle grandezze in esame. La resistenza R costituisce il “carico” del trasformatore. Se la frequenza del segnale Vp coincide con quella comune dei due circuiti accordati, questi si comportano come se fossero dei carichi puramente “resistivi”, e non introducono alcuno sfasamento nel segnale, a parte uno sfasamento fisso di 90° introdotto dal trasformatore. Quest’angolo cambia se la frequenza del segnale è diversa da quella d’accordo. In particolare, per frequenze maggiori si ha uno sfasamento, diciamo, positivo; per frequenze minori si ha uno sfasamento negativo. Questo sfasamento è proporzionale alla differenza di frequenza.

Se quindi mandiamo sull’ingresso del trasformatore un segnale modulato in frequenza, all’uscita avremo un segnale più o meno sfasato rispetto a quello d’ingresso, in maniera proporzionale alle variazioni di frequenza. Combinando quindi opportunamente il segnale d’ingresso con quello d’uscita di un trasformatore a doppio circuito accordato, si può ottenere un segnale modulato in frequenza e in ampiezza, adatto, quindi, ad essere rivelato.

Questo è il principio di funzionamento dei rivelatori a sfasamento. Diversi circuiti, che adottano questo principio, sono stati adottati nei ricevitori FM. I due classici sono il rivelatore a discriminatore, detto anche Foster-Seeley, ed il rivelatore a rapporto(che vediamo in dettaglio più avanti). Più recentemente è entrato in uso un terzo tipo di rivelatore, detto rivelatore a quadratura, molto adatto ad essere realizzato con la tecnologia dei circuiti integrati. Ancora più recentemente si è adottato il sistema di rivelazione a PLL, che utilizza le tecniche dei sistemi a sintesi di frequenza, ed è anch’esso facilmente integrabile in quanto non fa uso di circuito accordati. Comunque, per tornare al nostro “mondo” delle radio d’epoca a valvole, la maggior parte dei ricevitori AM/FM “classici” utilizza il rivelatore a rapporto; il circuito Foster-Seeley lo si può trovare solo in apparecchi di una certa classe, ed i rivelatori a quadratura e a PLL sono impiegati ormai comunemente nelle radio a circuiti integrati, insieme ad altri sistemi che fanno uso di tecniche digitali. Ora vediamo in dettaglio il circuito del rivelatore a rapporto.

Rivelatore a rapporto

Abbiamo visto che il principio della rivelazione a sfasamento consiste nel combinare il segnale d'ingresso con quello d'uscita di un trasformatore a doppio circuito accordato. Ciò viene realizzato nel rivelatore a rapporto, facendo uso di un particolare trasformatore con doppio avvolgimento secondario. Lo schema di principio è illustrato nella figura qua sotto.

Il trasformatore sulla sinistra è l’ultimo trasformatore IF di un ricevitore FM, quindi sul primario abbiamo il segnale a 10,7MHz proveniente dalla placca della valvola amplificatrice. Il secondario è diviso in due sezioni, mediante una presa centrale. Su questa presa è collegato un secondo avvolgimento, che prende il nome di "terziario". Quello che segue, sulla destra, è un doppio circuito rivelatore costituito da due diodi che si comportano come i rami di un “ponte di misura". Ai capi di questo ponte si forma il segnale rivelato. Il funzionamento del circuito è spiegabile alla luce di quanto detto sopra circa gli sfasamenti. Per un segnale alla frequenza di 10,7MHz privo di modulazione, i due rami del circuito si comportano in modo simmetrico. Un segnale a frequenza differente dalla centrale, invece, subirà uno sfasamento opposto nulle due sezioni del secondario. La ricombinazione tra il segnale originale e quello a sfasamento variabile avviene sullo stesso terziario, dando luogo ad un segnale modulato sia in ampiezza che in frequenza. Questo segnale viene rivelato dai diodi, livellato dal gruppo RC d'uscita e avviato verso l'amplificazione di bassa frequenza.

Da notare che i due diodi, montati in serie per quanto riguarda il segnale, sono di fatto collegati in opposizione: infatti uno dei due è collegato al secondario del trasformatore mediante il catodo, l'altro mediante l'anodo. Questo fatto comporta l'utilizzo di una apposita valvola i cui collegamenti interni permettano questa connessione.

La presenza del condensatore elettrolitico, visibile sulla destra del circuito, ha lo scopo di mantenere costante l'ampiezza del segnale complessivo in uscita dal rivelatore. Il condensatore si comporta come una specie di "volano", capace di immagazzinare l'energia durante i picchi di ampiezza, e restituirla per ripianare gli avvallamenti. In questo modo si ottiene una notevole immunità ai disturbi, che si presentano generalmente come variazioni di ampiezza. Questa caratteristica è tipica del rivelatore a rapporto, ed è una delle cause che lo hanno reso tanto popolare.

Circuiti reali

La maggior parte dei rivelatori a rapporto montati su apparecchi commerciali non differisce molto dallo schema di principio discusso sopra. La valvola adottata quasi universalmente è la EABC80 (noval) o una delle sue varianti (UABC80, 6TD32, 6T8, ecc.). Queste valvole, progettate appositamente, sono costituite da tre diodi e un triodo. Due dei diodi sono adatti per il collegamento in opposizione, mentre il terzo funziona solo nella ricezione in AM.

Lo schema di qua sopra è la parte di rivelazione e amplificazione BF del ricevitore Telefunken modello "Domino", del 1956. E' chiaramente visibile il rivelatore a rapporto con i due diodi contrapposti e il gruppo di livellamento. Il segnale BF viene prelevato da un capo dell'avvolgimento terziario, ed il condensatore "volano", da 2 microfarad, è visibile in alto a destra. Da notare che questo condensatore è collegato col terminale positivo a massa, dato che la tensione media su quel lato del ponte è negativa. Questa tensione viene anche utilizzata per polarizzare la griglia di soppressione della valvola amplificatrice di media frequenza, la qual cosa serve a fornire un certo effetto di controllo automatico di guadagno. Altre volte la stessa tensione è utilizzata per pilotare la griglia dell'occhio magico, quando è presente.

Non sempre il circuito è perfettamente riconoscibile, come nell'esempio precedente. Talvolta il disegno stesso è meno chiaro, e spesso si possono riscontrare delle variazioni rispetto al modello base, inversioni di collegamenti o aggiunte di componenti. Quello di qua sotto per esempio è il rivelatore a rapporto del ricevitore CGE mod.5577. In questo schema il terziario è collegato a massa, e il segnale rivelato viene prelevato dalla presa centrale dell'avvolgimento secondario. Non è importante capire tutte le singolarità del progetto, mentre è importante riconoscere la tipologia e gli elementi fondamentali che servono per la taratura. Per esempio è molto utile imparare a riconoscere il condensatore "volano", che in questo caso è da 2 uF ed e' visibile subito sotto i piedini del filamento della 6T8. 

Un'altra variante possibile, che si incontra abbastanza di frequente, è quella che fa uso di un principio differente rispetto al rivelatore a rapporto. Se ne può vedere un esempio nello stralcio di schema riprodotto qua sotto, relativo al modello Prandoni PD223. Si tratta del cosiddetto rivelatore di Foster-Seeley (o discriminatore), nel quale i due diodi non sono contrapposti, ma disposti con gli anodi rivolti verso il secondario del trasformatore IF.

A parte ciò, il circuito è alquanto simile, e spesso viene confuso, col rivelatore a rapporto.

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