One transistor FM superregen - Ricevitore in superreazione per FM

Per completare il quadro delle tecniche usate nella costruzione di piccoli apparecchi radio, non resta che affrontare lo “scoglio” più temibile, quello della ricezione in FM. Le difficoltà derivano da tre fattori, tutti negativi. Il primo è la banda di frequenze utilizzata (88-108MHz), che come sappiamo cade nel campo delle onde “ultracorte”; il secondo è il tipo di modulazione, ottenuta variando la frequenza della portante; il terzo è legato all’ampiezza del segnale che si riceve, di gran lunga inferiore a quello ricevibile sulle onde medie o corte.

Infatti, se con una buona antenna per onde medie è possibile ricevere segnali di parecchie decine di millivolt, in grado di pilotare direttamente una cuffia, in FM si ricevono segnali decisamente più bassi, misurabili in microvolt invece che in millivolt, ossia di ampiezza oltre mille volte inferiore. D’altro canto, come unico fattore positivo, abbiamo che nella banda FM le stazioni trasmittenti, pur essendo tantissime, specie nelle città, sono ben distanziate l’una dall’altra (200kHz), per cui nei ricevitori non si pone il problema della selettività, che è invece tanto importante in AM. Ricapitolando quanto appena detto, ciò che serve è un ricevitore estremamente sensibile, anche se non particolarmente selettivo, e che sia in grado di rivelare un segnale modulato in frequenza.

Con una particolare tecnica è possibile realizzare un simile ricevitore usando un solo transistor; pur nella sua forma più semplice questo ricevitore sarà in grado di far ascoltare in cuffia almeno qualcuna tra le più forti emittenti cittadine. La tecnica è nota come “superreazione”, ossia la reazione positiva portata alle estreme conseguenze. Prima di andare avanti nell’esame del progetto credo che sia utile inserire una breve descrizione della superreazione e delle sue “miracolose” prestazioni.

Coloro che hanno provato l’esperienza dell’ascolto di qualche radio a reazione, per esempio una di quelle presentate in queste pagine, conoscono bene l’istante, spesso brusco, del passaggio dalla ricezione chiara all’innesco dell’oscillazione persistente, che trasforma la ricezione in un fischio o nel silenzio totale. Per poter sfruttare al massimo i vantaggi della reazione occorre infatti mantenere il tasso di reazione subito sotto la soglia dell’oscillazione: se si supera tale limite, il ricevitore si trasforma in un oscillatore. Ma nel brevissimo istante del passaggio da una condizione all’altra vi è una fase in cui la sensibilità viene esaltata in modo straordinario, molto al di sopra delle normali condizioni di funzionamento. Peccato che quella condizione “di grazia” sia instabile, tanto da non durare che una frazione di secondo.

Se fosse possibile tenere un oscillatore nella perenne condizione di passaggio attraverso i due stati, quello di innesco e quello di riposo, dall’uno all’altro e viceversa a frequenza elevatissima, la condizione “di grazia” di cui si è parlato sopra verrebbe raggiunta numerose volte al secondo, e in ciascuno di questi istanti si avrebbe la ricezione chiara di segnali debolissimi, e la loro rivelazione, sia che siano modulati in AM, sia in FM. L’idea è quindi quella di realizzare un circuito di ricezione con reazione, nel quale le oscillazioni vengano spente ogni volta che raggiungono una certa soglia.

Ciò si ottiene in pratica mediante la sovrapposizione di due oscillatori: un primo oscillatore alla frequenza che si vuole ricevere (nel nostro caso le VHF), ed un secondo oscillatore a frequenza molto più bassa (frequenza di “spegnimento”), dell’ordine di 20kHz o poco più, avente il compito di controllare il primo, innescando l’oscillazione e spegnendola con il proprio ritmo ultrasonico. Questo è il principio della superreazione. Detto così sembra molto complicato, ma nella pratica si rivela di realizzazione più semplice. La superreazione non è un'idea nuova: fu brevettata in America negli anni ’20 dello scorso secolo dal grande E. W. Armstrong, lo stesso che brevettò la supereterodina.

Un ricevitore a superreazione con un solo transistor (o una sola valvola) è talmente efficiente da essere equivalente ad un circuito supereterodina a tre transistor (o tre valvole). Il suo utilizzo pratico è però limitato per motivi tecnici, ai soli ricevitori amatoriali e a particolari applicazioni come i radiocomandi o simili, nei quali la semplicità costruttiva ed il peso complessivo possono essere dei fattori di scelta. I principali inconvenienti dei ricevitori in superreazione sono:

Dunque, al giorno d’oggi il “miracolo” della ricezione in superreazione è poco più che una curiosità per appassionati e abili costruttori, ma ritengo che comunque valga la pena spenderci qualche ora, dato che le soddisfazioni che si ottengono ripagano largamente delle inevitabili frustrazioni iniziali.

E veniamo ora al nostro circuito. Si tratta di una tra le tante possibili realizzazioni, progettate a partire dai primi anni ’60 intorno a qualunque tipo di transistor. Ho scelto di presentare questo perché è un circuito che mi ha dato parecchie soddisfazioni, anche nelle bande superiori alle FM (comprese le “aeronautiche” e fino ai 144MHz).

L’elemento attivo indicato è un transistor ad effetto di campo piuttosto comune, il BF244. E’ un JFET a canale N, adatto per amplificare segnali RF fino a 450MHz. Potendo scegliere, direi di utilizzare un BF244C, col quale ho ottenuto i migliori risultati. In mancanza può essere sostituito con altri simili, per esempio il BF256 o il 2N3819. Con quest'ultimo si ottengono prestazioni un po' inferiori. Il transistor è montato in un circuito oscillatore di tipo Hartley, nel quale gli elementi fondamentali sono la bobina L1 e la capacità C1. Queste sono fisicamente in parallelo, nonostante le apparenze: infatti C2 collega a massa l’estremo “alto” di L1. Il condensatore da 47pF indicato con l'asterisco serve per centrare la banda di ricezione, e può essere variato o eliminato a seconda dei casi. Il condensatore variabile C1 può essere ottenuto con facilità dalla "rottamazione" di una radiolina FM. Da notare il collegamento dell’antenna, realizzato con un condensatore di piccola capacità allo scopo di non perturbare troppo il circuito oscillante. TR1 è montato con “gate” a massa e con ingresso sul “drain”, come si conviene ad un circuito per radiofrequenza. Il condensatore C3 tra la presa centrale di L1 ed il “source” fornisce la reazione necessaria a instaurare un’oscillazione permanente. Fin qui è tutto abbastanza comune. Ora vediamo, invece, il ruolo del gruppo di componenti che fanno capo al “source”, ossia L2, R1 e C4. L2 serve a bloccare la componente a radiofrequenza, mentre R1 e C4 costituiscono un filtro di livellamento per la tensione che si forma sul source, la quale tende a crescere tanto più quanto più è ampia l’oscillazione. Si arriva ad un punto in cui la tensione gate-source (vista dal gate) supera la soglia di interdizione del transistor. E’ a questo punto che l’oscillazione si spegne, e la tensione del source ricomincia a calare seguendo la costante di tempo R1 x C4, che nel nostro caso vale 47μs. Dunque, nel punto “A” del circuito si forma una tensione con andamento a dente di sega simile a quella dello schizzo in figura, che corrisponde alle fasi di oscillazione e di spegnimento del circuito. Dentro questa tensione, che può essere dell’ordine di qualche volt è contenuto, nelle rampe di salita, anche il segnale ricevuto, che ha avuto modo di combinarsi col segnale locale dando luogo tra l’altro ad un segnale “differenza”, ossia il segnale BF rivelato. Dal momento che la frequenza di spegnimento è ultrasonica, collegando un auricolare piezoelettrico all’uscita del circuito si sente solo la componente a bassa frequenza, ossia l’emittente FM sintonizzata. Se consideriamo che un segnale in antenna, per quanto forte, è in genere di ampiezza molto inferiore ad 1μV, e che un segnale per essere udibile in auricolare deve avere un’ampiezza superiore ai 10mV, otteniamo, come rapporto, un guadagno complessivo di ben oltre 10000, il che è veramente straordinario per un circuito così semplice.

L1 è formata da 5 spire di rame da 1mm avvolte su un diametro di 1cm, distanziate in modo da occupare una lunghezza di 1cm circa. L2 è formata da 10-15 spire di rame smaltato da 0,5mm affiancate, su un diametro di 3mm.

Dato l’esiguo numero di componenti, il montaggio può essere eseguito “in aria”, utilizzando un piccolo numero di elementi di supporto (capicorda o altro). Nella costruzione di apparecchi VHF occorre comunque attenersi strettamente alle seguenti linee-guida:

· Il montaggio deve essere rigido e compatto: niente fili lunghi né flessibili. I collegamenti tra i vari componenti vanno effettuati con pezzetti di filo rigido senza esagerare in lunghezza, ma evitando anche di ammassare tutto insieme.

· Tutti i componenti utilizzati devono essere di ottima qualità, possibilmente acquistati nuovi per l’occasione, in modo che non nascano sospetti su condensatori in perdita o resistenze alterate quando le cose non funzionano. I piccoli condensatori ceramici e le resistenze da 1/4W al 5% vanno benissimo.

· I componenti grossi e quelli per i quali è richiesta la manovra dell’operatore (nel nostro caso solo il condensatore variabile) vanno montati direttamente sulla piastra, in modo che la manovra non comporti movimenti indesiderati di altre parti.

· Tenere conto che non solo i componenti, ma tutto il cablaggio (fili, saldature, capicorda…) contribuisce al funzionamento del circuito.

Tornando al nostro ricevitore, consiglierei di montare per ultimo il transistor, saldandolo in una posizione dalla quale sia possibile smontarlo con facilità per eseguire delle prove di sostituzione. E’ bene dotare il ricevitore di un interruttore, in modo da poterlo comodamente spegnere per effettuare i vari interventi di messa a punto, senza dover continuamente staccare la batteria.

Il collaudo è semplice: inserito l’auricolare nell’orecchio, una volta acceso il ricevitore si deve sentire chiaramente un “soffio”, segno che il sistema sta oscillando. Se la risposta è il silenzio completo per tutta l’escursione del condensatore variabile, ciò vuol dire che il ricevitore non funziona e bisogna cambiare qualcosa. Se si sente il soffio, noteremo che questo varia in qualche modo durante l’escursione del condensatore variabile, e nei casi più fortunati si arriva a sentire già qualche stazione. Altrimenti, il soffio cambia d’intensità in alcuni punti precisi, ad indicare che qualcosa si riceve, anche se forse il segnale non è sufficiente. Può capitare che in alcuni punti della sintonia il ricevitore si ammutolisca o emetta un fischio più o meno acuto: ciò significa che il livello di reazione è eccessivo o insufficiente per quelle frequenze.

Dato che in queste condizioni, come si è detto, il ricevitore emette un segnale alla frequenza di ricezione, il suo effetto deve essere percepibile da un qualunque ricevitore FM posto nelle vicinanze, il che ci permette di effettuare una taratura della gamma coperta. Sarà sufficiente sintonizzare la radio di prova verso il centro banda, e variare lentamente la sintonia del nostro ricevitore fino a sentire chiaramente l’interferenza sulla radio. Dopodichè, spostando le sintonie di entrambi i ricevitori in modo da mantenerli “agganciati”, sarà possibile definire gli estremi della banda di ricezione del ricevitore a superreazione, e modificarli di conseguenza. Per esempio, se la banda è troppo spostata verso le frequenze alte occorre aumentare l’induttanza. Ciò si fa avvicinando leggermente tra loro le spire di L1, ossia accorciandola. Viceversa, se la banda è eccessivamente spostata verso il basso occorre diminuire L1 allungandola leggermente, oppure diminuire il valore della capacità in serie a C1, indicata sullo schema con un asterisco.

Vi è la possibilità che il ricevitore resti completamente muto per tutta l’escursione di C1. Una volta appurato che l’auricolare funziona regolarmente e che non vi sono errori di montaggio (un secondo controllo va sempre fatto!), è probabile che basti semplicemente sostituire il transistor con uno identico o equivalente per risolvere il problema. Infatti, in questi casi le caratteristiche particolari di ciascun componente sono determinanti. In genere questo passo è risolutivo. Può essere utile anche abbassare il valore della resistenza R1, dalla quale dipende la polarizzazione iniziale del transistor e quindi la sua propensione ad oscillare. Se l’oscillazione si ottiene con un valore di R1 molto diverso da quello indicato, occorrerà aggiustare anche il valore di C4 in modo che il prodotto R1 x C4 resti circa costante, perché da questo dipende la frequenza di spegnimento.

Attenzione: se il transistor non è un BF244 ma un equivalente, può darsi che i collegamenti ai piedini siano diversi da quelli mostrati in figura. Occorre essere perfettamente certi della disposizione dei terminali del transistor prima di montarlo nel circuito. Sarà bene quindi richiedere questa informazione nel negozio dove si acquistano i componenti, oppure cercarla su Internet, in uno dei vari siti che forniscono le caratteristiche dei semiconduttori.

Un transistor per l'FM