bélyegkép|Kétfokozatú, három hangolt körös középfrekvenciás erősítő. A középfrekvenciás erősítő a szuperheterodin rádiókészülékek egyik legfontosabb szerkezeti eleme. A középfrekvenciás erősítőt gyakran rövidítve, KF erősítőként is említik. A szuperheterodin rádiókészülékek átviteli tulajdonságait, szelektivitását, érzékenységét leginkább a középfrekvenciás erősítő határozza meg.
A középfrekvenciás erősítő a rádiófrekvenciás keverő által létrehozott középfrekvenciás jelet erősíti, a felerősített középfrekvenciás jel pedig a demodulátorba kerül.
A középfrekvenciás erősítő egy keskenysávú, nagy erősítési tényezővel rendelkező, nagyfrekvenciás erősítőkapcsolás.
A középfrekvenciás erősítő értelmezhető aktív sávszűrőként is.
A középfrekvenciás erősítő jelentősége Az első rádiókészülékek egyenes vevők voltak, amelyeknél probléma volt a kis bemeneti érzékenység, és a gyenge szelektivitás. Ezekre a problémákra hatásos megoldásnak tűnt, hogy a demodulátor elé nagyfrekvenciás, szelektív erősítőt építettek. Minél több hangolt erősítő került a demodulátor elé, annál érzékenyebb és annál jobb szelektivitása lett a készüléknek.
A hangolt erősítők számának növekedésével új probléma vetődött fel: mivel mindegyik hangolt kört egyforma frekvenciára kellett hangolni, így problémát okozott, hogy állomáskeresésnél az összes fokozat frekvenciáját egyszerre kellett hangolni. Kettőnél több hangoltkörös vevőnél több hangolt kört tartalmazó vevőt nem hoztak kereskedelmi forgalomba.
A problémára a megoldást a szuperheterodin rendszer hozta, melyben két hangoltkör együttfutása elegendő volt arra, hogy a bemeneti jel frekvenciájából, és a helyi oszcillátor frekvenciájából létrejöjjön a középfrekvenciás jel. A rendszer további részében már csak ezt a középfrekvenciás jelet kellett erősíteni. Mivel a készülék hangolásakor, állomáskereséskor ez a középfrekvencia nem változik, így a középfrekvenciás erősítő frekvenciáját már nem kell hangolni, így akárhány fokozatból áll, akármennyi hangolt kört tartalmaz, nem vetődik fel az együttfutási probléma.
A szupeheterodin rendszert adóberendezéseknél is használják. Itt a modulált jel előállításához néhányszáz kHz-es oszcillátort használnak a vivőjel előállításához, a modulációt ezen a frekvencián végzik, és az így keletkezett középfrekvenciás modulált jelet összekeverik egy megfelelő frekvencián üzemelő oszcillátor jelével.
A középfrekvenciás erősítő jellemzői
Középfrekvencia A középfrekvencia a középfrekvenciás erősítő üzemi frekvenciája. A középfrekvenciát a keverőfokozat állítja elő, oly módon, hogy az antennajel frekvenciáját keveri a helyi oszcillátor frekvenciájával. Az antennajel-erősítőt modulátorkörnek, a helyi oszcillátort pedig oszcillátorkörnek nevezik. Az oszcillátorkör és a modulátorkör jelének összekeverésével két frekvencián is létrejön a középfrekvenciás jel, ezt a két frekvenciát tükörfrekvenciának nevezik.
és , tehát a tükörfrekvencia
ahol
fK1, FK2 – a keverőben létrejövő frekvenciák fo – a helyi oszcillátor frekvenciája fm – a modulátorköri frekvencia (pl. a készülék által vett rádióállomás frekvenciája) fT – tükörfrekvencia
Attól függően, hogy a középfrekvenciás erősítőben melyik frekvenciát használjuk fel, kétféle készüléket különböztetünk meg:
Ha akkor felső keverésű készülékről beszélünk, mert Ha akkor alsó keverésű készülékről beszélünk, mert A rádiókészülékeknél általában felső keverést használnak. Ez alól kivételt a hosszúhullámok vétele, ott alsó keverést használnak.
A középfrekvencia megválasztásának feltételei
A középfrekvencia ne essen bele egyik sávba sem, amelyet a rádiókészülék használ Tükörszelektivitás-biztonság: A tükörfrekvencia (FT) olyan távolságra legyen a rádiókészülék bemeneti frekvenciájától, hogy arra az antennakör már ne legyen érzékeny. Az egyszerű, műsorvételre alkalmas rádiókészülékek esetén egyszeres transzponálást végeznek, vagyis a KF erősítő kimenő jelét a demodulátorba vezetik. Amatőr rádióknál előfordul, hogy többszörös transzponálást végeznek, vagyis a KF erősítő jelét összekeverik egy második helyi oszcillátor jelével, ezáltal keletkezik egy kisebb frekvenciájú középfrekvencia. Így lehetővé válik, hogy még kisebb sávszélességű jeleket tovább erősítsenek, ezzel tovább javítva a készülék szelektivitását és érzékenységét. SSB esetén elegendő 3KHz, távírójelek esetén pedig a 100Hz-es sávszélesség.
Ha a középfrekvencia nagy értékű, a bemeneti rezgőkör csillapítása a tükörfrekvencián már kellően nagy, tehát a készüléknek jó a tükörszelektivitása. Ha nagy középfrekvencia miatt BKF = fKF /Q összefüggés alapján a hagyományos módon megépített KF erősítőnek nagy sávszélessége, és így a szomszédos vivőfrekvenciájú adóállomásokkal szembeni szelektivitás lesz gyenge. Ha a középfrekvencia kis értékű, igaz ugyan, hogy a KF erősítő kis sávszélessége miatt jó lesz a szelektivitás, de közel esik a tükörfrekvencia, és ezt a bemeneti rezgőkör már nem csillapítja a kellő mértékben, tehát a tükörszelektivitás romlik.
Sávszélesség A középfrekvenciás erősítő feladata, hogy egy csatorna sávszélességével megegyező méretű frekvenciatartományt (B) spektrális torzítástól mentesen erősítsen. A KF erősítő sávszélesség szempontjából keskenysávú nagyfrekvenciás erősítő.
A KF erősítő által átvitt f1 – f2 frekvenciatartomány egyszerű amplitúdómodulált és szögmodulált jelek esetén:
Összetett jelek (pl. analóg televíziós csatorna) esetén pedig:
Erősítés A KF erősítők nagy erősítési tényezővel rendelkeznek. A KF erősítők maximális bemeneti jelének csúcsértéke néhány mV nagyságrendű, amit 2-3 V nagyságrendű jellé kell felerősíteni. Ekkora erősítés eléréséhez több hangolt erősítőfokozatot használnak. Egy erősítőfokozat erősítése 50, körüli. Az egymás után kapcsolt erősítőfokozatok erősítése összeszorzódik, pl. 3 fokozat esetén:
A kereskedelemben kapható olcsóbb rádiók KF-je általában 2 fokozatot tartalmaz, erősítésük 70 dB körüli.
A több fokozat alkalmazása nemcsak a csatornán belüli erősítést növeli, hanem a csatornán kívüli jelek elnyomását is hasonlóan sokszorozza. Ha a szelektivitás javítása az elsődleges szempont, több, kisebb erősítésű fokozatot építenek egymás után.
További problémát jelent, hogy a venni kívánt rádióállomások jele széles határok között mozoghat, ezért szükség van automatikus erősítésszabályozásra. A bemeneti jel ingadozása elérheti a 60 dB-t is.
Szabványosított középfrekvenciás paraméterek AlkalmazásfKFBAM rádióműsorszórás468 kHz9 kHzFM rádióműsorszórás10.7 MHz210 kHzOIRT analóg televízióműsorszórás38 MHz (Hangjel: 31.5 MHz)8 MHzCCIR analóg televízióműsorszórás38.9 MHz (Hangjel: 33.4 MHz)7 MHz
Áramköri megoldások A középfrekvenciás erősítő lényegében egymás után épített sávszűrőkből és erősítőkből áll.
600x600px
A keverőből a középfrekvenciás jel induktív csatolású sávszűrővel kerül a rendszerbe, az egymást követő erősítőfokozatok szintén induktív csatolású sávszűrővel kapcsolódnak egymáshoz. A felerősített KF jel induktív csatolású sávszűrőn keresztül kerül ki a demodulátorra.
A középfrekvencia értékét, a sávszélességet és az erősítés frekvenciamenetét a sávszűrők határozzák meg. A KF erősítő erősítésének mértékét az erősítőkben használt félvezetők erősítési tényezője határozza meg.
Középfrekvenciás sávszűrők A KF erősítő frekvenciamenetét és üzemi frekvenciáját a sávszűrők határozzák meg. Sávszűrőként általában
induktív csatolású sávszűrőket kerámiaszűrőket szilárdtest szűrőket egyéb RLC elemekből felépített sávszűrőket
illetve sok esetben ezek valamilyen kombinációját használják.
Induktív csatolású LC sávszűrő Az LC alapú, induktív csatolású (transzformátoros) sávszűrők frekvenciája az alkalmazott kondenzátorok kapacitásától, és a csatolt tekercsekben használt tekercsek induktivitásátol függ. Az induktív csatolású sávszűrő nem más, mint két, csatolásban lévő rezgőkör, ahol mindkét rezgőkör rezonanciafrekvenciája megegyezik. Mindkét rezgőkör rezonanciafrekvenciája a KF erősítő üzemi frekvenciájára van behangolva.
300x300px
A KF erősítő frekvenciamenetét a csatolt tekercsek közti k csatolási tényező, az előző fokozat kimeneti ellenállása és a következő fokozat bemeneti ellenállása határozza meg. Általánosan elmondható, hogy a két tekercs laza és a szoros csatolás határán van, a szakirodalom kritikus csatolásként említi.
Ahol L1, L2 a tekercsek induktivitása, M a kölcsönös induktivitás. Az M értéke az alkalmazott vasmagtól függ.
A k csatolási tényező függvényében a következőképp alakul a sávszűrő frekvenciamenete:
500x500px +Görbekk (%)Pr1.v0.0050.5A csatolás túl laza, a primer oldal által adott teljesítmény töredéke jut át a szűrőnPr2.v0.0151.5A csatolás mértéke elérte azt a pontot, amikor a primer oldal teljesítménye átjut a szekunder oldalraPr3.v0.0353.5A csatolás megfelelő, a sávszélesség egy AM hangcsatorna sávszélességével megegyezikPr4.V0.0555.5A csatolás túl szoros, a szűrő sávszélessége túlnyúlik egy AM csatornán
Belső kapacitív csatolású LC szűrő 300x300px
A csatolás mértékét a C3 kondenzátor határozza meg. A csatolás mértéke a C3 kondenzátor kapacitásával fordítottan arányos. A rezgőkörök rezonanciafrekvenciája az alsó határfrekvenciát határozza meg, a kondenzátor kapacitásának csökkentésével az átviteli sáv szélesedik, oly módon, hogy a felső határfrekvencia növekszik. Az alábbi ábra a fenti kapcsolás átviteli görbéjét mutatja, a C3 kondenzátor különböző értékeivel:
500x500px +GörbeC3 (nF)kk(%)Pr1.v2000.00250.25A csatolás túl laza, a csatolókondenzátor földeli a jeletPr2.v250.022A csatolás mértéke elérte azt a pontot, amikor a primer oldal teljesítménye átjut a szekunder oldalraPr3.v150.0333.3A csatolás megfelelő, a sávszélesség egy AM hangcsatorna sávszélességével megegyezikPr4.v100.055A csatolás túl szoros, a szűrő sávszélessége túlnyúlik egy AM csatornán
Külső kapacitív csatolású LC szűrő
450x450px
A csatolás mértékét a C3 kondenzátor határozza meg. A csatolás mértéke a C3 kondenzátor kapacitásával arányos. A rezgőkörök rezonanciafrekvenciája a felső határfrekvenciát határozza meg, a kondenzátor kapacitásának növelésével az átviteli sáv szélesedik, oly módon, hogy az alsó határfrekvencia csökken. Az alábbi ábra a fenti kapcsolás átviteli görbéjét mutatja, a C3 kondenzátor különböző értékeivel:
500x500px GörbeC3 (pF)kk(%)Pr1.v10.0020.2A csatolás túl laza, a csatolókondenzátor földeli a jeletPr2.v100.022A csatolás mértéke elérte azt a pontot, amikor a primer oldal teljesítménye átjut a szekunder oldalraPr3.v150.33A csatolás megfelelő, a sávszélesség egy AM hangcsatorna sávszélességével megegyezikPr4.v250.055A csatolás túl szoros, a szűrő sávszélessége túlnyúlik egy AM csatornán
Belső induktív csatolású sávszűrő 350x350px
A csatolás mértékét az L3 tekercs határozza meg. A csatolás mértéke az L3 tekercs induktivitásával arányos. A rezgőkörök rezonanciafrekvenciája a felső határfrekvenciát határozza meg, a tekercs induktivitásának növelésével az átviteli sáv szélesedik, oly módon, hogy az alsó határfrekvencia csökken. Az alábbi ábra a fenti kapcsolás átviteli görbéjét mutatja, a L3 tekercs különböző értékeivel:
500x500px GörbeL3 (μH)kk(%)Pr1.v0.80.00360.36A csatolás túl laza, a csatolókondenzátor földeli a jeletPr2.v2.50.01141.14A csatolás mértéke elérte azt a pontot, amikor a primer oldal teljesítménye átjut a szekunder oldalraPr3.v60.02722.72A csatolás megfelelő, a sávszélesség egy AM hangcsatorna sávszélességével megegyezikPr4.v100.4554.55A csatolás túl szoros, a szűrő sávszélessége túlnyúlik egy AM csatornán
Külső induktív csatolású sávszűrő 350x350px
A csatolás mértékét az L3 tekercs határozza meg. A csatolás mértéke az L3 tekercs induktivitásával fordítottan arányos. A rezgőkörök rezonanciafrekvenciája az alsó határfrekvenciát határozza meg, a tekercs induktivitásának csökkentésével az átviteli sáv szélesedik, oly módon, hogy a felső határfrekvencia növekszik. Az alábbi ábra a fenti kapcsolás átviteli görbéjét mutatja, az L3 tekercs különböző értékeivel:
500x500px