Progetto di radioricevitore in reazione con 5 valvole octal
Articolo aggiornato in data 28 maggio 2018
Qualcuno avrà sicuramente letto qui, tempo fa, del ritrovamento in un armadietto di alcuni radioricevitori valvolari che avevo costruito tanti (troppi ?) anni fa, da ragazzino.
Il ritrovamento non è stato privo di conseguenze: da quando ho tirato fuori dall'oblio quei fischianti assemblaggi di legno e componenti di recupero sono stato sempre più spesso punto dal pensiero che in fin dei conti era possibile anche oggi realizzare qualcosa di analogo, utilizzando componenti d'epoca e moderni in modo da ottenere un oggetto dall'aspetto estetico più accettabile e meglio funzionante. Bastava solo avere la voglia di farlo.
E così un giorno, recuperato uno scatolone pieno zeppo di valvole octal dalle incerte condizioni, ho preso la decisione e mi sono messo a progettare un nuovo ricevitore valvolare con circuito in reazione. Obiettivo: ricevere ben più e meglio di quello che era possibile con le vecchie realizzazioni.
1. Un po' di teoria (poca, non spaventatevi...)
Poco sopra ho detto che la mia intenzione era di progettare un ricevitore a valvole con circuito in reazione. Già, ma cosa significa "radioricevitore a reazione" ?
All'inizio della storia delle radiodiffusioni di massa (diciamo dagli anni 30 in poi, prima si trattava più che altro di una fase pionieristica) il costo di un apparecchio radio di commercio era molto elevato, e ben poche persone potevano permettersi di acquistarne uno. Cominciarono così a nascere riviste e pubblicazioni dedicate alla radio dove si insegnava a costruirsi un apparecchio da soli. Ovviamente era necessario acquistare i componenti, ma anche questi avevano un costo considerevole, in particolare le valvole che non era possibile sostituire in alcun modo con qualche artifizio "fatto in casa".
La realizzazione amatoriale di un circuito a conversione di frequenza (supereterodina) come gli apparati commerciali sarebbe stata molto complessa e costosa, oltre che di difficile messa a punto richiedendo obbligatoriamente strumentazione e competenze tecniche in possesso solo di pochi tecnici specializzati. Si diffusero allora svariati circuiti "alternativi", che consentivano una buona capacità di ricezione pur essendo molto semplici ed economici.
Quello più diffuso, per la sua buona sensibilità e per la facilità di messa a punto, fu sicuramente il circuito in reazione. L'idea di fondo è semplicissima: se si applica in modo opportuno il segnale RF prelevato dal circuito di sintonia alla griglia di una valvola amplificatrice, sull'anodo si trovano sia il segnale rivelato in bassa frequenza sia lo stesso segnale RF amplificato.
Se questo segnale amplificato viene rimandato - tramite un opportuno avvolgimento - al circuito accordato di ingresso, si ottiene una ulteriore amplificazione con effetto di reazione positiva che innalza sensibilità e selettività. Il guadagno risulta talmente elevato che con una sola valvola in reazione si può arrivare ad ottenere prestazioni - in termini di sensibilità - al livello di una supereterodina di classe media.
Chiaramente c'è un rovescio della medaglia: se con soli 6 componenti (bobina di sintonia+reazione, due condensatori fissi, una resistenza fissa, un condensatore e una resistenza variabili) e una valvola fosse possibile sostituire tutta la complessa sezione a radiofrequenza di una supereterodina, tutti gli apparecchi radio del passato sarebbero stati fatti così.
Un ricevitore in reazione risulta particolarmente critico da utilizzare, perchè la quantità di segnale che viene rimandata indietro all'ingresso del circuito di sintonia va regolata esattamente al limite dell'autooscillazione: una quantità di reazione troppo bassa non ottiene l'effetto di aumento della sensibilità necessario, mentre un eccesso di segnale provoca l'autooscillazione dello stadio rivelatore con conseguente forte fischio a frequenza udibile e impossibilità di ricezione. Ad ogni minimo cambio della frequenza sintonizzata è necessario regolare con estrema cura il guadagno dello stadio rivelatore, in modo da mantenerlo sempre sul limite dell'oscillazione senza però arrivare mai all'innesco.
Ulteriore problema del rivelatore in reazione è la marcata sensibilità a qualsiasi elemento di disturbo esterno: basta avvicinare una mano alla bobina di sintonia per variare pesantemente l'effetto della reazione e la stessa frequenza di accordo, e se non è presente uno stadio di amplificazione RF che faccia anche da separatore anche lo stesso filo di antenna risulta sensibile a posizione, vicinanza di persone o oggetti, e quanto altro possa influenzarne capacità e induttanza.
Buon ultimo, in caso di errata regolazione della reazione l'apparecchio diventa un trasmettitore che irradia un segnale RF in grado di disturbare gli apparecchi vicini; per questa ragione in un periodo ne venne persino vietato l'uso in area urbana. Insomma, era un tipo di ricevitore che aveva parecchi difetti ma per il basso costo e la facilità costruttiva conobbe un grande successo, soprattutto presso gli autocostruttori (anche se svariate aziende produssero anche dei modelli commerciali a basso costo).
2. Un abbozzo di progetto iniziale
L'apparecchio doveva avere un aspetto
in grado di ricordare i vecchi progetti dei libri di radiotecnica
pratica degli anni 40-50, quindi doveva essere montato tutto su un
telaietto di legno o metallo "aperto", con un pannello frontale e le
valvole in vista sul retro. Nessun semiconduttore poteva essere
presente nel circuito, quindi occorreva innanzitutto trovare una
valvola raddrizzatrice (meglio se a doppia semionda). Ascolto in
altoparlante: stadio di potenza (facile, la più comune finale audio
octal montata nella maggior parte delle radio d'epoca è il tetrodo a
fascio 6V6G) e trasformatore di uscita per adattare l'elevata
impedenza di carico della valvola - 5KOhm - agli 8 Ohm
dell'altoparlante. Poi una rivelatrice in reazione, ed eventualmente
uno stadio amplificatore RF aperiodico e uno di BF per aumentare
sensibilità e livello audio.
Per coprire l'intera gamma di frequenze dalle onde lunghe (150KHz)
fino alle bande commerciali in onde corte (20MHz circa) occorreva
infine un sistema di bobine di sintonia intercambiabili, montate su
zoccolo simile a quello delle valvole.
Detta così sembrava semplice.... e in un
pomeriggio nacque anche uno schema elettrico da cui partire per le
prime prove.
3. La ricerca dei componenti
Innanzitutto andava trovato un trasformatore di alimentazione con ben 3 secondari: uno a 6.3V - 1.5A per i filamenti delle valvole, uno a 5V - 2A per la raddrizzatrice, uno a 180-200V x 2 per la tensione anodica. Teoricamente sarebbe stato possibile recuperarlo da qualche vecchio rottame, ma non era prudente affidarsi ad isolamenti vecchi di 70-80 anni magari screpolati o danneggiati dall'umidità. La soluzione è stata trovata in un toroidale da 80W venduto per un kit di preamplificatore hi-fi a prezzo modesto (meno di 20 euro) e dotato di tutto quello che serve... tranne il secondario a 5V per la raddrizzatrice. In luogo di un secondo trasformatore, ho preferito avvolgere le poche spire necessarie sul nucleo toroidale, come si vede nella foto sotto:
Il trasformatore è stato poi ricoperto da un avvolgimento di nastro isolante gommato, che ha sigillato il tutto.
Di condensatori variabili ne avevo un cassetto pieno, di varie forme e dimensioni. Ho optato per una doppia regolazione: un doppia sezione da 365+365pF nominali demoltiplicato meccanicamente per la sintonia fine, più un secondo 25+25pF per la sintonia fine.
Il trasformatore di uscita non è stato un problema: cercando in rete ho trovato sul sito di RS Components un trasformatore da 5W per uso audio con vari avvolgimenti che combinati insieme permettono di avere valori di impedenza di ingresso da 3 a 15KOhm; perfetto. Anche gli zoccoli Octal per le valvole e le bobine di sintonia non sono stati difficili da reperire.
Infine il telaio: ho optato per un misto di
pannelli di alluminio e fiancate in legno, entrambi materiali facili
da lavorare anche con attrezzi "casalinghi" come un comune trapano a
colonna e seghetto da traforo.
4. Costruzione e assemblaggio del telaio
Gli apparecchi del passato erano stati costruiti assolutamente "a occhio": disegnavo con una squadretta sul compensato un rettangolo che più o meno poteva andare bene come pannello frontale, poi le fiancate e la parte superiore venivano fatte usando come riferimento le dimensioni di quel che era effettivamente venuto fuori. Forature e disposizione dei componenti a casaccio. Stavolta invece ho deciso di fare le cose per bene e di avvalermi dei potenti mezzi messi a gentilmente a mia disposizione dalla tecnica moderna per fare una cosetta precisa e di bell'aspetto.
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| Prova disposizione dei componenti sul telaio | Disegno fatto al CAD con misure esatte |
Per iniziare ho stabilito la disposizione dei componenti sul telaio: condensatore di sintonia principale al centro, sulla sinistra la sintonia fine, gli zoccoli per le valvole (5 in tutto) e per la bobina di sintonia, il trasformatore di uscita e il toroidale di alimentazione da posizionare sotto. Nella parte bassa del pannello frontale sarebbero stati posizionati anche i comandi di volume e reazione, mentre la fiancata destra avrebbe fatto da supporto all'altoparlante magari dotato di una piccola cassa acustica. Il disegno è stato fatto con un programma di CAD, stampato, incollato sul pannello di alluminio e usato come dima per punzonare i punti di foratura destinati alle cure del nobile strumento meccanico detto "Trapano A Colonna".
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| Telaio di base completato e forato | Altoparlante e piccolo box acustico |
Il telaio iniziava a prendere forma. Ho potuto montare i vari componenti esterni, poi ho provveduto a disegnare il pannello anteriore con le forature necessarie a far uscire gli alberini di comando di condensatori variabili e potenziometri. Per puro effetto estetico, ho deciso di aggiungere anche un microamperometro per la misura della corrente anodica della valvola rivelatrice. In realtà serve a poco, ma "fa tanto professionale".
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| Telaio con zoccoli, condensatori varibili, trasformatore di uscita e fiancata con altopralante. | Vista laterale del telaio col pannello frontale montato |
Il trasformatore è stretto tra il pannello posteriore e un disco di alluminio trattenuto da una vite centrale. Lo spazio interno è riempito con un pezzo di poliuretano espanso (spugna sintetica, per capirci) tagliato nella giusta dimensione, tra trasformatore e lastre metalliche sono inseriti due dischi isolanti ritagliati da un foglio di acetato per stampanti. Le manopole sono tutte originali d'epoca, risalgono probabilmente a 70-80 anni fa e provengono un cassetto pieno di manopole raccattate nel corso degli anni da rottami di tutti i generi. In seguito le due laterali della parte bassa verranno sostituite da manopole ad indice.
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| Visto da sotto, con tre potenziometri montati (In seguito uno sarà sostituito da un condensatore variabile) e il trasformatore di alimentazione. | Vista frontale, notare la spia di accensione e il milliamperometro |
5. Lo schema elettrico e il montaggio della prima versione
Come ogni buon apparecchio radio a valvole che si rispetti, anche questo non poteva essere cablato altro che in aria utilizzando come ancoraggi per i componenti i contatti degli zoccoli e delle striscie di contatti da fissare al telaio con squadrette metalliche che una volta erano di uso comune, ma se si va a cercarle nei negozi di materiale elettronico oggi sembra un problema anche solo cercare di spiegare di cosa si tratta.
Sorpresa: nei negozi locali sembrano oggetti sconosciuti, ma il solito RS Components li ha a catalogo, in buste da 10 strisce lunghe una trentina di cm ciascuna. OK, ordino, aspetto l'arrivo del pacchetto e proseguo nel montaggio.
Alla fine dopo qualche modifica allo schema originale viene fuori quello che si vede qui sotto:
Qualche commento: subito a sinistra del trasformatore si notano due condensatori elettrolitici che fungono da filtro per la tensione anodica in uscita dalla valvola raddrizzatrice 5Y3. In alto accanto al potenziometro si ha lo zoccolo della 6V6G, tetrodo di potenza utilizzato come finale audio. Lo zoccolo al centro ospita un pentodo per alta frequenza di tipo 6K7G con funzione di rivelatrice in reazione, subito sotto un triodo 6Q7G preamplificatore di bassa frequenza. In basso a sinistra una seconda 6K7 con funzione di amplificatore RF aperiodico connesso tra l'antenna e il rivelatore vero e proprio, infine nello zoccolo a sinistra subito dietro al condensatore variabile si innestano le bobine di sintonia che permettono di modificare la banda di ricezione.
A proposito di bobine di sintonia, prima di poter provare se la baracca mostra qualche segno di vita è stato necessario costruirne almeno una. La cosa pià logica era realizzarne una che consentisse la ricezione sulla banda delle onde medie, che di notte si popola di diverse stazioni estere e di giorno consente comunque la ricezione di radio RAI 1 su almeno un paio di frequenze. Il calcolo dell'induttanza con il condensatore variabile montato dava un valore approssimativo di 200 uH.
Il problema adesso era trovare un supporto di materiale isolante robusto e del diametro giusto per essere fissato su uno zoccolo octal. Incredibilmente girando per negozi di materiale idraulico ho scoperto che esiste un tipo di tubo standard in polietilene che ha diametro esterno praticamente identico al diametro esterno di uno zoccolo octal; ciò significa che l'innesto femmina di tale tipo di tubo si adatta perfettamente alla bisogna. Con pochi spiccioli si trovano raccordi femmina-femmina da 50 cm, dai quali con un seghetto si possono tagliare i supporti per ben due bobine.
Ecco qui la prima bobina di sintonia fotografata prima
dell'assemblaggio sullo zoccolo octal: partendo dall'innesto (parte
larga del tubo) si vede l'avvolgimento di sintonia vero e proprio,
con una presa intermedia per la connessione all'antenna o al
preamplificatore RF. Distanziato di circa 5mm si trova
l'avvolgimento di reazione, più piccolo, nel quale viene fatto
passare il segnale RF prelevato dall'anodo della valvola rivelatrice
per consentire l'effetto di reazione positiva.
Un po' di adesivo epossidico bicomponente ha fissato in modo
definitivo la bobina allo zoccolo, realizzando un pezzo unico
facilmente inseribile nella sede del ricevitore.
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| Il ricevitore pronto per la prima prova, con valvole e bobina di sintonia montati. | Vista da dietro. Si vedono bene tutte le valvole e la bobina di sintonia; notare i cavetti che vanno ai cappellotti delle 6K7 e della 6Q7 per il collegamento della griglia di controllo. |
6. 3...2...1... accensione !
Giunse qundi il momento del "power on", dopo aver posizionato tra due alberelli in giardino una decina di metri di filo in funzione di antenna. Qualche secondo di attesa per far scaldare le valvole, un controllo col tester della tensione anodica, leggero ronzio dall'altoparlante... girando le manopole ad un certo punto arriva il fischio indice del funzionamento - almeno in modo approssimativo - del circuito.
Dopo un po' di tentativi, ecco un fischio "diverso" che abbassando la reazione si trasforma prima in una specie di ululato, poi in una voce comprensibile: sto ricevendo Radio RAI 1 in onde medie alla frequenza di 657KHz (come ho fatto a capirlo ? Beh, basta collegare alla presa di antenna un generatore modulato e variarne la frequenza fino a che non lo si riceve...): a quanto pare si tratta del trasmettitore di Pisa Coltano, distante più di 150Km in linea d'aria. Non male.
Un apparato a valvole si presta a modifiche ed esperimenti; nei giorni successivi ho provato a cambiare alcuni valori di componenti e a fare modifiche al circuito di reazione e di amplificazione RF, risucendo a migliorare le prestazioni generali. Nelle ore notturne l'intera banda delle onde medie si è popolata di decine di stazioni estere, soprattutto di lingua spagnola ed est-europea, ma anche francesi, inglesi e persino un paio indecifrabili ma probabilmente medio-orientali.
Le modifiche hanno portato un discreto cambiamento del cablaggio, che alla fine è diventato anche più ordinato e pulito.
Si può notare la sostituzione del potenziometro a sinistra,
originariamente pensato per la regolazione del guadagno dello stadio
preamplificatore RF, con un condensatore variabile che permette di
ottimizzare l'accoppiamento di tale stadio con la bobina di
sintonia. Sono state aggiunte delle basette di ancoraggio per
rendere più ordinato e stabile il cablaggio, eliminata l'impedenza
di bassa frequenza presente nel progetto iniziale, aggiunto un
condensatore di filtro sull'anodica della valvola finale e montato
un potenziometro multigiri per il controllo fine della reazione
tramite variazione della tensione di griglia schermo della
rivelatrice.
7. Più gamme di ricezione
Utilizzando un generatore RF modulato, è stato possibile verificare che la prima bobina di sintonia costruita copriva al 100% la gamma classica delle onde medie. Con un po' di calcoli preventivi e parecchie prove ho quindi realizzato altre 4 bobine che permettono di ricevere praticamente tutto quello che c'è tra 140KHz e 21 MHz.
Ho detto sopra "calcoli e prove": in effetti il calcolo di queste bobine è molto approssimativo, perchè - una volta stabilito il valore dell'induttanza necessaria - in fase di realizzazione pratica si scopre che l'induttanza reale dipende da moltissimi fattori, soprattutto per le bobine con poche spire: spaziatura delle spire, regolarità, lunghezza dei fili che arrivano allo zoccolo, vicinanza dell'avvolgimento di reazione, etc... in sostanza, occorre "provare e riprovare" ad aggiungere o togliere spire, controllando col generatore gli effettivi limite inferiore e superiore di ricezione. Alla fine il risultato è quello della foto: 5 bobine che accoppiate in vario modo alle due sezioni del condensatore utilizzato permettono la copertura continua o quasi (sono escluse alcune porzioni di banda in cui non c'è assolutamente nulla) di tutta la AM "classica". La bobina per le onde lunghe ha richiesto l'inserimento di una barretta di ferrite all'interno, onde evitare di dover avvolgere un numero di spire esagerato (ne sarebbero servite - in teoria - almeno 800).
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Banda |
Indutt.L2 |
Cap. |
FMin |
FMax |
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LW |
2100uH |
600pF |
120KHz |
370KJz |
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MW |
195uH |
400pF |
470KHz |
1670KHz |
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SW1 |
25uH |
200pF |
2.4MHz |
5.5MHz |
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SW2 |
4.1uH |
200pF |
5.2MHz |
11.8MHz |
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SW3 |
1.7uH |
200pF |
10MHz |
21MHz |
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Di notte sulle onde corte si trovano moltissime stazioni estere; la
regolazione non è semplicissima in quanto occorre girare le manopole
dei due condensatori variabili con precisione certosina per centrare
la frequenza, e con altrettanta cura va regolata la reazione per
avere la massima sensibilità senza fischi di innesco. Ogni
variazione della sintonia, anche minima, obbliga ad un ritocco della
reazione in un senso o nell'altro. Di giorno la ricezione peggiora
pesantemente, come è normale che sia, tuttavia alcune stazioni
particolarmente forti si ricevono ugualmente. Tra queste una potente
Radio China International, alla frequenza di circa 13-14 MHz.
8. Conclusione
Messo a confronto con i "reperti di gioventù" , questo ricevitore ha prestazioni veramente superiori e riesce a far sentire chiaramente stazioni che gli altri neppure percepiscono. La stabilità, grazie allo stadio di preamplificazione RF, è superiore, come superiore è la qualità dell'audio. Con tutti i difetti inevitabili di un ricevitore a reazione, le prestazioni sono davvero notevoli: mi posso fare i complimenti da solo ?
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| Apparecchio finito, visto da dietro | Vista di fianco |
Per completare l'opera, un occhio di riguardo per l'estetica: le due manopole rotonde marroni sono state sostituite con manopole ad indice dello stesso colore delle altre tre (nero), e sul pannello frontale ho aggiunto scale e didascalie stampate su foglio trasparente autoadesivo. Il risultato finale è veramente gradevole e completo, da fare invidia a qualsiasi radioappassionato... di oltre 80 anni fa:
Per chi fosse interessato, metto a disposizione tutta la documentazione necessaria in formato PDF: se volete provare a costruire una copia di questo apparecchio, buon divertimento e buoni ascolti !
9. Aggiornamento Maggio 2018
Utilizzando l'apparecchio, mi sono reso conto che la regolazione della reazione risultava abbastanza difficoltosa e critica. In particolare nella gamma delle onde lunghe anche regolando il relativo controllo al minimo (tensione di griglia schermo della valvola rivelatrice = 0V) era sufficiente un segnale anche molto basso per provocare l'innesco, mentre sulla gamma superiore delle onde corte (bobina di sintonia da 1.7uH) l'innesco era molto "duro" e impossibile da dosare con accuratezza.
Ho così voluto provare a sostituire la valvola rivelatrice (pentodo per RF di tipo 6K7G) con un triodo 6C5G, trovato nuovo di zecca ad una fiera.
Il risultato è stato più che eccellente: con pochissime modifiche al circuito l'innesco della reazione è diventato morbido e ben modulabile su tutte le gamme di ricezione offerte dalle varie bobine, facilitando la ricezione delle stazioni più deboli e riducendo il rumore di fondo.
Un ulteriore miglioramento è stato ottenuto modificando il condensatore variabile di sintonia. Il condensatore montato era un due sezioni 365+365 pF; tale capacità è adeguata per la ricezione delle onde medie e lunghe ma eccessiva per le onde corte, dove le stazioni risultano addensate in un piccolo arco di rotazione della manopola. La capacità elevata inoltre "squilibra" il circuito accordato, riducendone il fattore di merito.
La soluzione è stata molto semplice: con una pinza ho rimosso parte delle lamelle dello statore di una sezione, riducendone la capacità massima a circa 160pF. L'altra sezione rimane come è, e viene aggiunta in parallelo alla prima direttamente o tramite un condensatore da 470pF quando necessario. Si sono così ottenuti 3 diversi range di capacità considerando anche il verniero: da 10 a 190pF per le onde corte, da 15 a 400pF per le onde medie, da 15 a 600pF per le onde lunghe. Anche in questo caso il risultato è molto soddisfacente e nettamente migliorativo rispetto al progetto iniziale.
Infine una modifica estetica: alla fiera, insieme alla 6C5G, ho acquistato anche una gorssa manopola graduata per la sintonia che ho installato al posto di quella montata inizialmente. Il pannello frontale risulta adesso più "pieno", la manovra più agevole e l'impatto visivo migliore. Per installare la manopola è stato necessario modificare le forature e alzare il condensatore variabile con torrette di fissaggio più lunghe, il vecchio foro viene coperto dalla manopola stessa e non si vede.
Si rilascia la versione 2 dello schema elettrico. Consiglio caldamente a chiunque volesse cimentarsi nella realizzazione di questo apparecchio di affidarsi direttamente al nuovo schema.
Dati costruttivi bobine di sintonia
Disegno del pannello frontale in scala 1:1
Disegno del pannello superiore in scala 1:1
Disegno della fiancata laterale con forature per altoparlante da 10 cm
Schema elettrico 1.0 (con pentodo rivelatore 6K7G)
Schema elettrico 2.0 (con triodo rivelatore 6C5)
N.B. le forature dei pannelli vanno bene per i componenti che ho utilizzato, se trovate materiale diverso è probabile che sia necessario modificare qualcosa...
