Рация, которая дома ловит станции чисто, в автомобиле внезапно начинает гудеть и шипеть, и вся красота эфира уходит в ровный свист, растущий вместе с оборотами двигателя. Знакомая история для владельцев Си-Би станций и для тех, кто питает носимую рацию от прикуривателя. Виноват не приёмник и не антенна, а бортовая сеть, по которой бегут пульсации генератора, щелчки реле и всплески зажигания. Лечится всё фильтром на дросселях ДМ-0,1 и паре конденсаторов, собранным за один вечер из деталей, которые есть почти в каждом доме. Ниже рассказано, откуда берётся шум, как фильтр его давит, как посчитать детали под конкретную станцию и что проверить после сборки, чтобы свист ушёл с первой минуты и больше не вернулся.
Чем гудит бортовая сеть и как шум добирается до приёмника
Бортовая сеть легковушки на первый взгляд ровная, на деле живёт в постоянных качелях. Заглушённый двигатель оставляет на клеммах заряженного аккумулятора 12,6-12,8 В. После запуска подключается генератор с реле-регулятором, и напряжение поднимается до 13,8-14,4 В. Во время прокрутки стартером оно проваливается до 8-10 В, а затем скачком возвращается. Медленные качели приёмник переживает спокойно, хуже другое.
Генератор переменного тока выдаёт не идеально гладкое напряжение. Трёхфазная обмотка со шестидиодным выпрямителем даёт шесть пульсаций за каждый период, ротор несёт обычно шесть пар полюсов. На холостых оборотах около 800 об/мин частота пульсаций доходит до 480 Гц, на трёх тысячах оборотов растёт до 1800 Гц. Именно этот фон слышен в динамике как свист, следующий за педалью газа. К нему добавляются короткие всплески от контактов реле и щёток электромоторов печки и дворников, а также импульсы системы зажигания, фронты которых измеряются микросекундами, а спектр тянется до десятков мегагерц. Отдельный случай, когда клемма аккумулятора отходит под нагрузкой и сеть выбрасывает одиночный пик в несколько десятков вольт, способный повредить входные цепи без защиты.
До приёмника весь этот шум добирается по проводам. Плюсовой провод от прикуривателя тянется через полмашины и делит свои вольты между печкой, магнитолой и рацией. Каждый метр круглого провода несёт около 1 мкГн индуктивности, так что помеховый ток на общем участке создаёт падение напряжения, которое доходит до клемм приёмника почти нетронутым. Контакты самого гнезда прикуривателя добавляют 0,1-0,3 Ома переходного сопротивления, при токе в 2 А это лишние 0,2-0,6 В просадки и греющийся предохранитель. Почему же частотная модуляция терпит таких соседей, а Си-Би связь и приём на амплитудной модуляции страдают заметно сильнее? Потому что импульсные помехи по природе ближе к амплитудной, и приёмник честно воспроизводит их в динамике.
Простой LC фильтр против помех и граница его возможностей
Идея фильтра умещается в одну строку. Последовательно с плюсовым проводом ставится дроссель, а после него на массу идёт конденсатор. Постоянному току дроссель почти безразличен, он замечает только сопротивление обмотки. С переменным током всё меняется с частотой, индуктивное сопротивление растёт по закону XL = 2πfL, ёмкостное падает по XC = 1/(2πfC). Граница между ними называется частотой среза, считается по формуле fc = 1/(2π√(LC)) и делит спектр на две части. Ниже границы полезный сигнал проходит почти без потерь, выше он давится тем сильнее, чем дальше от границы, с крутизной около 40 дБ на декаду.
Цифры поясняют лучше слов. Возьмём дроссель на 100 мкГн и конденсатор 4700 мкФ. Корень из произведения 0,0001 Гн и 0,0047 Ф равен 0,000686 секунды, частота среза выходит 232 Гц. Помеху на 5 кГц такой фильтр ослабит в 464 раза, это 53 дБ, на слух уже тишина. Фон генератора на 480 Гц уйдёт лишь в 4,3 раза, то есть на 12,6 дБ, и свист останется. Кажется, что решение простое, поставить конденсатор побольше, но расчёт охлаждает пыл. Чтобы одной секцией получить 40 дБ на 480 Гц, нужна частота среза не выше 48 Гц, а при индуктивности 100 мкГн это тянет на 110 000 мкФ, конденсатор размером с полстакана и ценой приличного фильтра целиком. Практичный выход, собрать два звена подряд, тогда крутизна удваивается до 80 дБ на декаду, и фон на 480 Гц при тех же деталях проваливается ниже порога слышимости.
Почему в фильтре стоит именно малогабаритный дроссель
Среди кандидатов на роль дросселя серия ДМ занимает особое место. ДМ-0,1 - малогабаритная деталь советской разработки, которую до сих пор несложно найти в старых приёмниках, магнитофонах и телевизорах, а также в ящиках радиолюбителей, и стоит она при этом копейки. Обмотка сидит на магнитном сердечнике, габариты позволяют уложить фильтр в компактную коробку под панелью, и такие дроссели не жалко ставить группами по несколько штук.
У детали есть две особенности, о которых стоит знать заранее. Индуктивность у ДМ-0,1 скромная, и от выпуска к выпуску она заметно гуляет, поэтому первый шаг сборщика, измерить конкретные экземпляры. Если под рукой есть измеритель индуктивности, всё делается за минуту. Нет измерителя, выручит резонансный способ, катушка соединяется с конденсатором известной ёмкости, например 1 мкФ, генератор качает частоту, и по пику на экране осциллографа находится резонанс. Индуктивность считается по той же формуле fc = 1/(2π√(LC)). Пик встал на 22,5 кГц, значит L = 1/((2π × 22500)² × 0,000001 Ф) ≈ 50 мкГн.
Вторая особенность, рабочий ток. При токах в сотни миллиампер деталь чувствует себя спокойно, при амперах обмотка начинает греться, и это легко проверить ладонью после минуты передачи. Отсюда правило, токовую нагрузку раскидывают между параллельными ветками, а не сваливают на один дроссель. Почему бы не купить готовый фильтр в магазине? Можно, но самодельный дешевле, перестраивается под конкретную станцию и собирается из того, что уже лежит в ящике.
Как соединять дроссели для нужной индуктивности и тока
Дроссели суммируются, как резисторы, только у индуктивности всё наоборот. При последовательном соединении индуктивности складываются, три детали по 50 мкГн дают 150 мкГн. Сопротивление обмоток складывается тоже, и здесь подстерегает ловушка. Пусть омметр показал 0,4 Ома на деталь, три последовательно дают 1,2 Ома, и при токе передачи 2 А падение напряжения составит 2,4 В. Станция вместо 13,8 В получит 11,4 В, и выходная мощность заметно просядет. Приём с его 0,6 А переживёт просадку в 0,72 В без драмы, передача нет.
Параллельная ветка решает две задачи разом. Две одинаковые катушки параллельно делят ток пополам и уменьшают общее сопротивление вдвое, правда, и индуктивность падает вдвое. Комбинация работает лучше всего, две группы по два дросселя последовательно, соединённые параллельно, дают 50 мкГн при 0,4 Ома и двойной запас по току. Выбор схемы зависит от станции, для приёмника с током в полампера хватит простых двух деталей последовательно, для полноценной станции с передачей на 2 А и выше уже нужна параллельная группа.
Расчёт фильтра для станции на 27 мегагерц с числовым примером
Типичная Си-Би станция работает в диапазоне 27 МГц, в приёме потребляет около 0,6 А, в передаче до 2 А. Задача фильтра, пропустить постоянный ток без заметных потерь и задавить всё переменное, от свиста генератора на сотнях герц до всплесков зажигания на десятках мегагерц.
Берём два дросселя ДМ-0,1 по 50 мкГн последовательно, суммарно 100 мкГн, и оксидный конденсатор 10 000 мкФ на 25 В. Частота среза fc = 1/(2π√(0,0001 × 0,01)) = 159 Гц. Фон генератора на 480 Гц ослабляется в 9 раз, на 1800 Гц уже в 128 раз, а второе такое же звено удваивает ослабление в децибелах. Если хочется задавить свист сильнее уже в одном звене, расчёт покажет цену вопроса. Цель 30 дБ на 480 Гц требует частоты среза 85 Гц, а это при конденсаторе 10 000 мкФ индуктивность 350 мкГн, семь дросселей последовательно. Сопротивление их обмоток при 0,4 Ома на деталь составит 2,8 Ома, и при двух амперах передачи рация потеряет 5,6 В, ни одна станция такого не переживёт. Два звена по сто микрогенри оказываются честной развязкой между желаемым и реальным.
Высокочастотную часть спектра добивает керамический конденсатор 0,1 мкФ прямо на клеммах питания, его сопротивление на 27 МГц составляет 0,06 Ома. У оксидного конденсатора на таких частотах картина обратная, паразитная индуктивность выводов порядка десятков наногенри добавляет около 7 Ом на той же частоте, и высокочастотный шум проходит мимо, как будто конденсатора нет. Пара разных конденсаторов закрывает оба конца спектра.
Осталось убедиться, что фильтр не зазвенит на собственной резонансной частоте. Добротность считается как Q = (1/R) × √(L/C), подставляем L = 100 мкГн, C = 10 000 мкФ, R = 0,8 Ома. Корень из 0,01 равен 0,1, добротность выходит 0,125. Значение много меньше единицы, звенеть нечему, схема работает как широкополосный делитель с плавным спадом. Сопротивление обмотки, которое в расчёте просадки выглядело врагом, здесь оборачивается союзником.
Провод и защита тоже считаются, а не берутся на глаз. Провод сечением 0,75 мм² имеет сопротивление около 0,023 Ома на метр, три метра туда и обратно добавят 0,07 Ома и 0,14 В просадки при двух амперах. Более толстый провод в 1,5 мм² сокращает эти цифры вдвое. Предохранитель на 5 А ставится в разрыв плюсового провода у самой клеммы аккумулятора, он защищает не столько рацию, сколько проводку автомобиля. Во время прокрутки стартером, когда сеть проваливается до 8-10 В, фильтр ничем не мешает, постоянный ток проходит через него с минимальными потерями, и станция просто терпит кратковременные качели.
Сборка фильтра и его проверка в автомобиле
Для сборки фильтра под рукой стоит держать такие детали и материалы:
- два-четыре дросселя ДМ-0,1 с измеренной индуктивностью около 50 мкГн;
- оксидный конденсатор 10 000 мкФ на 25 В;
- керамический конденсатор 0,1 мкФ;
- второй оксидный конденсатор 100 мкФ на 25 В для выходного звена;
- держатель предохранителя со вставкой на 5 ампер;
- провод сечением 0,75-1 мм², припой, изолента и небольшая коробка с крышкой.
Монтаж начинается с корпуса. Дроссели и крупный конденсатор закрепляются в коробке, вход и выход разводятся короткими отрезками, все соединения пропаиваются, скрутки в автомобиле долго не живут. Коробка ставится рядом со станцией, а не у аккумулятора, чем короче нефильтрованный участок, тем меньше шансов, что провода снова подхватят чужие помехи. Минус фильтра соединяется с кузовом отдельным коротким проводом, корпус станции тоже должен сидеть на массе без перекосов и переходников через прикуриватель.
Проверка идёт по нарастающей. Сначала омметр показывает сопротивление собранной цепи, потом без передачи включается приём на амплитудной модуляции с заведённым двигателем. Свист, который раньше рос с оборотами, должен уйти или стихнуть до лёгкого шелеста. Если остатки фона слышны, добавляется второе звено или ёмкость на входе. Осциллограф при наличии покажет картину точнее уха, до фильтра на клеммах питания видны пульсации амплитудой в сотни милливольт, после фильтра остаются десятки, и на слух это разница между комфортным приёмом и нервным. Последний штрих, проверить нагрев дросселей после пары минут передачи, ладонь должна чувствовать лишь лёгкое тепло.
Типичные ошибки при сборке и способы их обойти
Первая ошибка, поставить только крупный оксидный конденсатор без керамики. На низких частотах он великолепен, но паразитная индуктивность выводов на мегагерцах превращает его в кусок провода, и высокочастотные помехи проходят мимо. Керамическая мелочь на 0,1 мкФ рядом с клеммами закрывает эту брешь.
Вторая ошибка, слишком много дросселей последовательно в погоне за индуктивностью. Индуктивность растёт, вместе с ней растёт и сопротивление обмоток, станция недополучает вольты на передаче и теряет мощность. Правило простое, сначала измерить падение напряжения под нагрузкой, потом наслаждаться чистотой эфира.
Третья ошибка, длинные провода после фильтра. Каждый метр провода снова собирает помехи из жгутов и из-под капота, и работа фильтра теряет смысл. Коробка ставится вплотную к станции, а не на противоположном конце салона.
Четвёртая ошибка, общая коса массы с магнитолой и подсветкой. Импульсные токи подсветки и печки бегут по общему проводу и просачиваются в приёмник. Отдельный короткий провод на кузов решает вопрос без переделок.
Пятая ошибка, забытый предохранитель. Конденсатор в 10 000 мкФ при коротком замыкании в цепи отдаёт такой ток, что проводка успевает нагреться раньше, чем сработает защита. Вставка на 5 ампер у клеммы аккумулятора стоит копейки, а бережёт и провода, и нервы.
Фильтр питания не требует дефицитных деталей, дорогих приборов и глубоких познаний, нужны дроссели ДМ-0,1, пара конденсаторов и вечер спокойной работы. Зато эффект заметен с первой минуты, свист генератора уходит, шипение зажигания стихает, и рация наконец начинает работать так, как она умеет, чисто и уверенно на любой передаче.