Mini radiolatarnia

Aktualnie w morskiej i lądowej nawigacji wykorzystuje się dokładniejszy, globalny system GPS i tradycyjne radiolatarnie morskie są wycofywane z użytku. Jednak są na świecie jeszcze miejsca, gdzie działają bezobsługowe radiolatarnie zasilane przez radioizotopowy generator termoelektryczny. Źródłem energii w takim generatorze jest rozpad izotopu promieniotwórczego z wydzieleniem ciepła, które następnie jest zamieniane w energię elektryczną.

Niezastąpione są wciąż radiolatarnie bezkierunkowe NDB, pracujące w zakresie fal długich i średnich, wykorzystywane w systemie radionawigacji lotniczej. Radiolatarnie takie umieszcza się najczęściej na osi pasa lotniska, kilka kilometrów przed jego progiem. Z kolei radiokompas ADF zainstalowany na pokładzie statku powietrznego, po dostrojeniu do częstotliwości wybranej radiolatarni, wskazuje na nią kąt kursowy.

Poza lotnictwem radiolatarnie bezkierunkowe (zwane bikonami) są wykorzystywane wśród krótkofalowców do określania propagacji czy jako wzorce częstotliwości.

Innymi rodzajami nadajników działających podobnie, jak radiolatarnie, są radiopławy czy radioboje. Służą one do automatycznego wzywania pomocy, np. po wyrzuceniu na wodę ze statku czy jachtu. Pracują na specjalnych częstotliwościach lotniczych i satelitarnych, generując sygnał zawierający numer identyfikacyjny statku (jachtu).

[caption id="attachment_2309" align="alignleft" width="300"] Rys. 1 Wyprowadzenia układu scalonego[/caption]

Proponowane urządzenie, nazwane, jak w tytule, ?mini radiolatarnia?, to swego rodzaju zabawkowy nadajnik. Do współpracy z nim w formie radiokompasu będzie potrzebny przenośny radioodbiornik z zakresem fal średnich.

Nasz eksperymentalny nadajnik ma moc kilka miliwatów (radiolatarnie profesjonalne mają z reguły po kilkaset watów) i ze względu na zasięg dochodzący do kilkunastu metrów jest nieszkodliwy. Nie wymaga ubiegania się o pozwolenie na jego zainstalowanie (tak jak jest to wymagane na inne urządzenia radiowe o większej mocy). Ponadto pracuje w zakresie fal średnich, od kilkunastu lat nie wykorzystywanych w Polsce.

Jest to układ bardzo tani i prosty w konstrukcji, ale dający zupełnie przyzwoite efekty. Najdroższe elementy, nie licząc baterii zasilającej, to układ scalony i rezonator piezoceramiczny (kosztują po około 1 zł).

Cały nadajnik składa się z trzech generatorów zestawionych z inwerterów wchodzących w skład struktury układu scalonego 74HC04.

Wyprowadzenia układu scalonego pokazane są na rysunku 1, zaś cały schemat ideowy naszej mini radiolatarni na rysunku 2.

[caption id="attachment_2310" align="alignleft" width="300"] Rys. 2 Cały schemat ideowy naszej mini radiolatarni[/caption]

Najważniejszy w tym układzie jest generator wysokiej częstotliwości, czyli ten, który generuje falę nośną. Został on zbudowany z wykorzystaniem rezonatora piezoceramicznego 560 kHz (może być także rezonator kwarcowy, ale z reguły kwarce na niższe częstotliwości - za wyjątkiem 1 MHz - nie są łatwo dostępne i są droższe od piezoceramicznych). Dzięki zastosowaniu właśnie takiego elementu mamy zagwarantowaną stabilizację częstotliwości i nie musimy dokonywać jakiegokolwiek strojenia układu. W innym wypadku, w układzie bez rezonatora, dobieranie wartości elementów LC (czyli liczby zwojów cewek i wartości pojemności współpracujących kondensatorów w taki sposób, aby powstały obwód rezonansowy zapewnił pożądaną częstotliwość pracy generatora) może być trudne dla początkującego radioamatora. Ponadto układ taki zawsze ma gorszą stabilność, co objawia się płynięciem (zmianą) częstotliwości w górę lub w dół od wartości początkowej.

W układzie można zastosować wyższe wartości częstotliwości, niż 560 kHz (taki akurat był w szufladzie autora), byleby zmieścił się w zakresie fal średnich, czyli do około 1,6 MHz. Dobre więc będą typowe wartości 1 MHz, ale najbardziej popularne 455 kHz lub zbliżone do tej wartości nie będą dobre do naszego nadajnika, gdyż zakres fal średnich jest właśnie powyżej 100 kHz od częstotliwości pośredniej w radioodbiorniku AM.

Uruchomienia generatora fali nośnej można dokonać już na samym początku budowy nadajnika, bowiem warto przekonać się, czy mamy właściwy rezonator, który będzie generował właśnie w zakresie fal średnich.

Na wstępnie lokalizujemy nóżki 8, 9, 10 i 11 układu scalonego. Jeden koniec rezystora R3 (4,7 k) wkładamy pomiędzy nóżki 9 a 10 i lutujemy je razem, aby kropla cyny zalała przestrzeń pomiędzy nóżkami (zwracając uwagę, by nadmiar cyny nie spowodował zwarcia sąsiednich nóżek). Następnie drugi koniec tego rezystora, razem z jedną z nóżek rezonatora X (560 kHz) dolutowujemy do nóżki 11 układu scalonego. Drugą wolną nóżkę rezonatora lutujemy do nóżki 8 zamykając w ten sposób pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego (warunek wzbudzenia się generatora). Pozostaje jeszcze tylko podłączenie baterii zasilającej 4,5 V (typowa bateria płaska). Można też użyć dowolnego akumulatora 6 V (ewentualnie 3 lub 4 ogniw R6, tak zwanych paluszków AA, ale wymagają one połączenia w szereg, np. za pomocą specjalnego koszyczka stykowego; lutowanie do wyprowadzeń nie jest wskazane). Do dwóch skrajnych wyprowadzeń układu scalonego lutujemy odcinki izolowanych przewodów lub linki doprowadzające zasilanie z baterii.

Tutaj bardzo ważna uwaga: minus baterii (-) musi być dołączony do nóżki 7, a plus (+) do nóżki 14. Dobrze jest użyć różnokolorowych izolacji przewodów, aby łatwo identyfikować biegunowość (pomyłka w zamianie zasilania może doprowadzić do uszkodzenia układu scalonego), np. czerwony plus a czarny lub biały minus.

Jako anteny można użyć kawałka przewodu o długości np. 1 m lub antenę teleskopową ze starego radioodbiornika. Nieco gorsze rezultaty, ale za to wygodę, kiedy brakuje miejsca na antenę, daje nawiniecie drutu w spiralę, np. na zewnątrz plastikowego pojemnika czy butelki.

Aby sprawdzić, czy powstały układ generuje sygnał zbliżony do wartości 560 kHz, wystarczy włączyć w pobliżu radioodbiornik ustawiony na zakres fal średnich. Pokręcając skalą częstotliwości w początkowym zakresie tego pasma powinien wystąpić wyraźny punkt, kiedy następuje wyciszenie szumu w głośniku. Aby upewnić się, czy to jest efekt naszego nadajnika, wystarczy odłączyć zasilanie (wyraźnie wzrośnie poziom szumu i nastąpi cisza przy ponownym załączeniu zasilania).

Zasięg naszego nadajnika jest niewielki, bo moc nadajnika nie przekracza kilku mW i bardzo dużo zależy od długości anteny. Z anteną o długości około 1 m zasięg powinien wynosić co najmniej 10 m (na pewno wystarczy w mieszkaniu).

Kiedy już stwierdzimy, że nasz nadajnik wysyła falę nośną, którą udaje na się zlokalizować na radioodbiorniku, czas zabrać się za drugi generator modulujący.

Oczywiście wszystkie operacje lutowania należy wykonywać przy odłączonym zasilaniu, a każdorazowe jego załączenie musi być poprzedzone chwilą uwagi (należy sprawdzić, czy nie ma niezamierzonych zwarć w układzie, np. poprzez narzędzia czy inne przedmioty metalowe znajdujące się w pobliżu).

Podobnie jak w przy montażu poprzedniego generatora, teraz lokalizujemy nóżki 5, 6 oraz 12 i 13 układu scalonego. Koniec rezystora R2 (47 k) dolutowujemy do nóżki 6 razem z kawałkiem przewodu (drugi koniec przewodu prowadzimy dalej i lutujemy do nóżki 13). Do nóżki 5 dolutowujemy drugi koniec rezystora razem z końcówką kondensatora C2. Przylutowując drugi koniec kondensatora do nóżki 12 zamykamy pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego drugiego generatora. Tak powstały generator akustyczny o częstotliwości około 1 kHz można sprawdzić na wiele sposobów (np. dołączając do nóżki 12 akustyczny przetwornik piezoceramiczny, stosowany w niektórych układach alarmowych).

Kontroli naszego drugiego generatora najprościej dokonać po dolutowaniu diody D2 (1N4148), a następnie podłączeniu zasilania 4,5 V. Jeżeli wszystko odbyło się poprawnie, to zamiast ciszy w głośniku radioodbiornika będziemy słyszeli wyraźny, silny sygnał akustyczny (pisk) o częstotliwości około 1 kHz. Co najważniejsze, będziemy mieli okazję w prosty sposób dokonać korekcji częstotliwości tego tonu akustycznego.

Poprzez zwiększanie stałej czasowej R2C2 można obniżyć częstotliwość tonu (w zasadzie obojętne, czy zwiększamy wartość rezystora czy pojemność kondensatora). Analogicznie, obniżenie wartości R2C2 powoduje wzrost częstotliwości tonu. W zależności od upodobań ta wartość częstotliwości może być różna (telegrafiści preferują sygnał w granicach 600 - 800 Hz).

Jeżeli ktoś chciałby mieć płynną regulację tonu, to w najprostszy sposób można ją osiągnąć zastępując rezystor R2 potencjometrem rzędu 100 k (dobrze jest dołączyć w szereg rezystor ograniczający rzędu 4,7 k).

W tym momencie możemy dokonać małego eksperymentu w postaci kluczowania generatora. Wystarczy w tym celu przerywać pętlę dodatniego sprzężenia generatora, np. odłączając i dołączając kondensator C2. Jeżeli do tego użyjemy klucza telegraficznego, którym będziemy zamykali obwód w takt znaków alfabetu Morse?a, to mamy do dyspozycji najprostszy nadajnik telegraficzny (w jednym pokoju jedna osoba nadaje, a w drugim ktoś inny słucha na radioodbiorniku przesyłanej informacji, zakodowanej w postaci sygnałów dłuższych (kresek - ta) i krótszych (kropek - ti). Aby uprościć sobie kluczowanie warto wykonać kolejny krok i zmontować trzeci generator powolnego impulsu, który będzie dokonywał automatycznego przerywania pracy generatora akustycznego.

W tym celu montujemy pozostałe dwa elementy, pamiętając o wyłączonym zasilaniu podczas lutowania.

Ze zlokalizowaniem nóżek 1, 2, 3 i 4 układu scalonego teraz nie będzie żadnego problemu (tylko te pozostały wolne). Jeden koniec rezystora R1 (470 k) wkładamy pomiędzy nóżki 2 a 3 i lutujemy je razem, aby kropla cyny zalała przestrzeń pomiędzy tymi nóżkami, zwracając uwagę, by nadmiar cyny nie spowodował zwarcia sąsiednich nóżek. Potem drugi koniec tego rezystora, razem z jedną z nóżek kondensatora C1 (1 uF), dolutowujemy do nóżki 1 układu scalonego. Następnie drugą wolną nóżkę kondensatora lutujemy do nóżki 4, zamykając w ten sposób pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego trzeciego generatora.

Tak powstały generator powolnego impulsu można sprawdzić poprzez dołączenie do nóżki 4 diody LED (oczywiście dioda musi być podłączona w szereg z rezystorem ograniczającym rzędu 470 Ohm). Miganie diody (równomierne zapalanie i gaśnięcie) świadczy o działaniu układu kluczującego. Jeżeli teraz pomiędzy nóżki 4 i 5 dolutujemy diodę D1 (1N4148), to doprowadzimy do przerywania pracy generatora akustycznego.

Wysoki poziom logiczny na nóżce 4 powoduje zablokowanie diody D1 (przestaje płynąć prąd przesz diodę) powodując normalną pracę generatora akustycznego. Z kolei niski poziom logiczny na nóżce 4 daje w efekcie zablokowanie tego generatora (brak generacji tonu 1 kHz).

W podobny sposób działa klucz z diodą D2.

[caption id="attachment_2311" align="alignleft" width="300"] Rys. 3 Orientacyjne przebiegi sygnałów w trzech punktach układu[/caption]

Efektem pracy trzech kluczowanych generatorów jest powstanie na wyjściu nadajnika kluczowanej fali nośnej z modulacją amplitudy, co w efekcie daje charakterystyczny sygnał w głośniku radioodbiornika ta-ta-ta...

Orientacyjne przebiegi sygnałów w trzech punktach układu są pokazane na rysunku 3.

Końcową czynnością związaną z budową nadajnika będzie wykonanie obudowy. Tutaj nie podamy gotowych recept, licząc na inwencję twórczą naszych Czytelników.

Najprościej będzie wykorzystać gotowe opakowania plastikowe (jakich z reguły nie brakuje w naszym gospodarstwie domowym) i zapakować zmontowany układ elektroniczny wraz z zasilaniem. Naszego elektronicznego pająka najlepiej najpierw zamknąć w woreczku plastikowym, aby uchronić go przed zawilgoceniem czy przypadkowym zwarciem wyprowadzeń, mogącym doprowadzić do uszkodzenia układu scalonego.

Jak wspomniano wcześniej, anteną może być wystający z obudowy kawałek przewodu bądź kilkumetrowy przewód nawinięty na zewnątrz obudowy (taka spirala bywa nazywana anteną helikalną). Anteny takie mają charakterystykę dookólną i gdyby ktoś chciał uzyskać charakterystykę kierunkową, można poeksperymentować z użyciem anteny ferrytowej ze starego radioodbiornika. Ta operacja jest nieco skomplikowana, bo taką antenę należy dopasować do wyjścia, ale z pewnością znajdą się Czytelnicy, którzy wiedzą, o co chodzi, i na pewno przeprowadzą taki eksperyment (prosimy potem o listy).

Teraz kilka słów, jak przeprowadzać inne zabawy, poza wspomnianą powyżej nauką alfabetu Morse?a.

Najprostszą zabawą będą tak zwane mini łowy na lisa, polegające na odnalezieniu ukrytego mininadajnika (oczywiście ze względu na charakterystykę fal radiowych nie można ukryć nadajnik z anteną do metalowej szafy czy innej ekranującej obudowy metalowej).

Po zestrojeniu radia pełniącego zadanie rolradiokompasu na najsilniejszy sygnał, należy zlokalizować źródło tego sygnału wykorzystując charakterystykę anteny ferrytowej.

Ferrytową antenę kierunkową naszego radioodbiornika najlepiej jest ustawiać na najsłabszy sygnał. Ta metoda namierzania na ostrzejsze minimum jest dokładniejsza, niż na maksimum sygnału.

[caption id="attachment_2312" align="alignleft" width="300"] Rys. 4 Szkic omówionej metody lokalizacyjnej nadajnika[/caption]

Oczywiście do zlokalizowania ukrytego nadajnika niezbędne jest dokonanie namiarów radioodbiornikiem (RX) z dwóch różnych miejsc. W każdym z nich trzeba określić kierunek - azymut, z którego przychodzą sygnały. Linie biegnące z obu punktów namiarów przetną się w miejscu, w którym znajduje się ukryty nadajnik (lis). Szkic omówionej powyżej metody lokalizacyjnej nadajnika jest pokazany na rysunku 4.

W każdym razie takie namierzanie i odnajdywanie ukrytego lisa wymaga nieco wprawy i wygrywa ten, kto tego dokona w jak najkrótszym czasie. Być może Czytelnicy znajdą inne zastosowania dla naszej mini radiolatarni, np odnajdywanie swojego samochodu na parkingu.

Warto wiedzieć, że odnajdywanie ukrytych nadajników małej mocy za pomocą odbiorników z antenami kierunkowymi jest oficjalnym sportem międzynarodowym o nazwie Amatorska Radiolokacja Sportową (ARS). W zależności od częstotliwości ARS prowadzona jest w paśmie 80 m (3,5 MHz), gdzie stosowane są anteny ramowe, ferrytowe oraz w paśmie 2 m (144 MHz) z zastosowaniem kilkuelementowych anten kierunkowych Yagi. Ten rodzaj sportu łączy w sobie umiejętności krótkofalarskie, sprawność fizyczną i umiejętności orientacji w terenie.

Do organizowania prawdziwych łowów na lisa potrzeba sześciu kilkuwatowych nadajników (lisów), które emitują ściśle określone sygnały. Nadajniki te należy rozmieszczać w odległościach nie mniejszych niż 750 m jeden od drugiego. Wszystkie nadajniki powinny być słyszalne w punkcie startu. Każda stacja nadawcza nadaje inny sygnał rozpoznawczy alfabetem Morse?a w pięciu minutowych odstępach: MOE; MOI; MOS; MOH; MO5 (nadajniki są załączane jeden po drugim).

Więcej o konstrukcji takich urządzeń i samym sporcie ARS można dowiedzieć się między innymi z miesięcznika Świat Radio.