従来式AM終段コレクタ変調方式送信機のマイナス変調の計算再現とその原因

随分以前(おそらく1970年頃?)から現在(2017年12月)でも、日本国内では「AM終段コレクタ変調方式」によるAM送信機は大変有名な方式で、現在でも無線技術専門書籍やインターネット上の記事に、その応用回路例が多数見られます。

この方式は「マイナス変調」と呼ばれる現象が発生しやすいことが、実験的も、経験的にも広く知られています。僕も、この「マイナス変調」の現象を、高校時代の最初の本格的無線機(設計目標仕様AM出力5W)製作・実験の過程で経験しましたが、当時は、ついにこの現象を解決できませんでした。

「マイナス変調」とは、AM送信機にベースベンド変調信号である音声を入力すると、送信キャリア電圧が下がり、変調を深くするほど、そのキャリア電圧の下がり具合が大きくなります。同時に、送信電力も減少します。(音声をマイクへ向けてしゃべると、RFパワー計の針が下がりました。)

この現象は、トランジスタアンプの動作をA級またはAB級にして、かつトランジスタ負荷インピーダンスの高い小電力回路にして出力を下げると、例えば0.1W〜0.2W程度までは、なんとかプラス変調で動作します。しかし、それ以上の負荷インピーダンスが低い大電力に上げてゆくと、この「マイナス変調」の発生を避けることは不可能になりました。
(これは、実製作と実験で確認しました。)

図1. マイナス変調を起こしているAM送信機の例(BJT TR終段コレクタ変調方式)

図1.に、あえて国内では実用になると言われているC級アンプを構成し、1MH zキャリアを入力し、変調トランスを介して低周波アンプ信号で、「終段コレクタ変調」をかけてる様子をLTspiceで計算しました。
このように「マイナス変調」現象は、実際の実験と同様に、spice計算でも再現しています。

図1.では、低周波変調を深くかけるほど、無変調時のキャリア電圧よりも変調時の電圧が低くなる現象と、変調された送信電力が下がる現象が見られます。

図2. Cクラストランジスタアンプの高周波アンプの歪み発生の過渡解析とFFTスプリアス解析

図2.には、あえて、CクラスRFアンプを2N2222で構成し、その電気的動作の過渡解析および、スプリアスのFFT解析で、結果を示しました。

Cクラスアンプでは大きな歪みが発生することが電子工学でも基礎知識として良く知られています。
図2でもコレクタ電圧は、ほぼ矩形波のような形状にまで歪み、奇数次のスプリアスが強力に出ていることがわかります。

この過渡解析では、高周波(1MHz)での過渡時間解析にて、トランジスタのhFE(=Ic/Ib)が、極めて短周期で動的に大きく変化する様子や、コレクタ電圧Vce がベース電圧Vbe より低くなる様子(コレクタ電流の飽和現象)が起こっており、マイナス変調を引き起こす原因(コレクタ電流飽和の動作点近辺でhFEが下がる)となる現象が見られます。

図3.1    2N2222 のhFE(電流増幅率特性　Vbe = 0.35[V]〜1.19[V] )

図3.1のように、BJT TR 2N2222 の電流増幅率(hFE=Ic/Ib)は、電源電圧Vcc=12V 固定、負荷抵抗=100[Ω]固定の条件では、Vbe(ベース・エミッタ間電圧)をDCスキャンすると、コレクタ電流Ic(Q1)が上昇して飽和状態に近づく動作点近辺で、急激に下降する特性が見られます。

すなわち、ベース電圧Vbeに高周波電圧が加わり、その電圧が上がってくると、hFEがほぼ一定で調子良く増幅できていたのに、Icが飽和してくるとhFE値が低下するために、コレクタ端子の出力電圧Vceは低下することになります。

このコレクタ電流が飽和状態に近づく動作点近辺で、電流/電圧増幅度が、一定から下降へ転ずる特性のために、マイナス変調が発生すると考えることができます。

図3.2   2N2222 のhFE(電流増幅率特性　Vbe = 0.00[V]〜1.50[V] )

BJT TRには、Vbe=0.3[V]近辺で、hFEが非常に高くなる良く知られていない謎の特性領域がありそうです。

この従来式AM終段コレクタ変調方式は1970年代に考案されたと思われ、国内の一部の通信機製品に一時期だけ採用されました。この方式はメーカでは短期間で不採用になっていますが、一方、専門技術書籍や実験機作成事例では、現在でも同方式の採用と不具合発生が大変多く続いており、方式課題の存在と解決方法の理解がほとんど進んでいない足踏み状態であることがわかってきました。
今後の設計文化の改善課題の一部と考えます。

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Rev.0.1 : トランジスタ 2N2222のVbe:電流増幅率hFEの静的特性のグラフ図3.1, 3.2とその説明文を追記。(2020/11/17)

ミュー同調式手作りゲルマニウム・ラジオで放送が聞こえない現象の原因解明

Why "Boy scout radio" (Crystal Radio 1997 US) cannot stay tuned on AM/MW ?

1997 ARRL式「ボーイスカウト・ラジオ」(日本語名:ゲルマニウム・ラジオ)は、中波AM放送局にうまく同調できる場合と、同調が非常に難しい場合があるという異なる現象が報告されています。
こうしたほぼ同じ設計のクリスタル・ラジオが、作る人により、中波AM放送を、うまく受信できる場合と、受信できない場合と、異なる動作となる現象が出る原因を解析しました。

その結果、ダイオード内部のPN接合部にある小容量のコンデンサ成分C1[F]と、クリスタル・イヤホンの等価容量C2 = 0.02[uF] が、高周波特性上、C = 1/(1/C1+1/C2) の合成直列容量を構成し、この合成容量Cが大変小さい容量になるため、共振周波数　f=1/(2π√(LC)[Hz]  が、市販のバーアンテナを使った場合より、非常に高い短波帯の周波数に同調するため、目的の中波AM放送が受信できない現象が出ることがわかりました。

目的の中波AM放送を受信するには、コイルの巻数を大幅に増やし、5000[uH]のように大変大きくして、LC共振周波数を下げ、中波放送局の周波数に同調させることで問題が解決できることがわかりました。

図1

図1は、大変大きな巻数のコイル5000[uH] (=5[mH])を使用した場合の、RF同調利得と、出力されるベースバンド信号1[KHz]とその高調波成分を示したものです。
この回路の特徴は、ミュー同調と呼ばれるコイルのインダクタンスを変化させることで放送局を選曲しますが、並列LC共振回路にみられるコンデンサがない構成になっています。

こうした一見コイルだけに見えるラジオが、なぜ、ラジオ放送に同調できるのか、非常に不思議に見えます。
この構成では、LC同調コイルに無いように見えるコンデンサが、ダイオード内部のPN接合容量C1[F]と、クリスタル・イヤホンの等価コンデンサ容量C2[F]が直列接続され、大変小さい容量の直列型合成コンデンサ　C=1/(1/C1+1/C2)[F] を構成するため、一般のバリコンの容量より相当に小さなコンデンサ容量になり、その分だけ、大きなインダクタンス　例: 5000[uF]になるよう、たくさんの回数コイルを巻いた大きなコイルが必要になることがわかりました。

一般の市販バリコンを使用する場合は、バーアンテナなど  例 : 600[uH] と、約一桁分小さなインダクタンス値のコイルを使用すれば、目的の中波放送に同調できそうです。

図2

図2.は、手作りの大きなコイル　5000[uH]を一個使い、同調用コンデンサを使わない構成のラジオが、1KHzの放送局のベースバンド信号を復調できている状態を再現したものです。

このラジオは、一見すると並列LC共振による同調コンデンサが見当たらないため、不思議な構成になっていますが、これが中波放送局に同調できる秘密は、巻数の大変多い大きなインダクタンス値のコイルを使っていることに、その謎が隠されていました。

図3

図3は、クリスタル・イヤホンC3の等価容量 0.02[uF]を　抵抗1m[Ω] でほぼショート状態にしたものです。
図3では、図1で見られた中波放送の周波数領域に同調する特性が失われ、放送が全く受信できない同調特性になってしまっています。
ここでは、ダイオードD1のPN接合容量が大変微小であるため、このような共振現象が見られない特性になっています。

図4

図4は、ダイオードD1をショートして、ラジオの同調特性を見たものです。
並列LC共振コイルは、クリスタル・イヤホンの等価容量が0.02[uF]と、通常のバリコンとは桁違いに大きな静電容量になるため、同調周波数は約17KHzと、中波帯放送局の周波数から大きく離調しています。

図5

図5は、図4と同じ状態で、ダイオードをショートしているので、検波動作がおこらず、緑色の信号は、検波されていない信号が、クリスタル・イヤホンに現れています。

日本国内でも、同じミュー同調方式で、共振用LC同調回路のコンデンサを省略した手作りゲルマニウム・ラジオが見られ、放送受信に成功している自作例を見ると、一般のバーアンテナよりかなり大型で、たくさんの巻線によるコイルが使われているのがわかりました。

手作りで、5000[uH]という大きなコイルを作るのは、インダクタンスメータ等の測定器がないと、大変困難で、相当に苦労しても中波放送が受信できない、という事例が起こっているようです。

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レフレックス・ラジオ(ダーリントン接続トランジスタ式)

高卒工員さんが実験しているスーパーhFEトランジスタ使用・超再生式・レフレックス式
中波AMラジオの再現をパソコン計算で試みた。

結果：
再生帰還をなくし、汎用小信号用TR　2N3904 のダーリントン接続で、
レフレックス式AM検波が再現した。

出力データを.WAV directiveでファイル出力すると、綺麗な1KHzのトーンが、パソコン上のオーディオ再生アプリで聞くことができた。

再生の帰還をかけると、正常動作が得られなかったので、上記回路でよしとした。
乾電池1.5V 一本で動作できるが、現時点では、スピーカ8オームは鳴らせそうにない結果になっています。ハイインピーダンスのスピーカなら可能性はあるかもしれない感じです。

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