Radio kryształowe - Crystal radio
Odbiornik radiowy kryształ , zwany także zestaw kryształ , to prosty odbiornik radiowy , popularna w pierwszych dniach radia. Wykorzystuje tylko moc odebranego sygnału radiowego do wytwarzania dźwięku, nie wymagając zewnętrznego zasilania. Jego nazwa pochodzi od najważniejszego elementu, detektora kryształów , pierwotnie wykonanego z kawałka krystalicznego minerału, takiego jak galena . Ten element nazywa się teraz diodą .
Radia kryształkowe są najprostszym rodzajem odbiornika radiowego i mogą być wykonane z kilku niedrogich części, takich jak przewód antenowy, cewka przewodu, kondensator, wykrywacz kryształów i słuchawki (ponieważ zestaw kryształów ma niewystarczającą moc do głośnik ). Są to jednak odbiorniki pasywne , podczas gdy inne radia używają wzmacniacza zasilanego prądem z baterii lub gniazdka ściennego, aby zwiększyć głośność sygnału radiowego. W związku z tym zestawy kryształowe wytwarzają raczej słaby dźwięk i muszą być słuchane za pomocą wrażliwych słuchawek i mogą odbierać tylko stacje w ograniczonym zasięgu.
Właściwość rektyfikacyjną kontaktu minerału z metalem odkrył w 1874 roku Karl Ferdinand Braun . Kryształy zostały po raz pierwszy użyte jako detektory fal radiowych w 1894 roku przez Jagadish Chandra Bose w jego eksperymentach z optyką mikrofalową. Po raz pierwszy zostały użyte jako demodulatory do odbioru łączności radiowej w 1902 roku przez GW Pickarda . Radia kryształowe były pierwszym szeroko stosowanym typem odbiornika radiowego i głównym typem używanym w erze telegrafii bezprzewodowej . Sprzedawane i domowej roboty przez miliony, niedrogie i niezawodne radio kryształowe było główną siłą napędową wprowadzenia radia do społeczeństwa, przyczyniając się do rozwoju radia jako medium rozrywkowego z początkiem nadawania radia około 1920 roku.
Około 1920 r. zestawy kryształowe zostały wyparte przez pierwsze amplifikatory, w których zastosowano lampy próżniowe . Wraz z tym postępem technologicznym zestawy kryształowe stały się przestarzałe do użytku komercyjnego, ale nadal były budowane przez hobbystów, grupy młodzieżowe i harcerzy głównie jako sposób na poznanie technologii radiowej. Wciąż są sprzedawane jako urządzenia edukacyjne, a nad ich budową działają grupy entuzjastów.
Radia kryształowe odbierają sygnały z modulacją amplitudy (AM), chociaż zbudowano konstrukcje FM . Mogą być zaprojektowane do odbioru prawie każdego pasma częstotliwości radiowych , ale większość odbiera pasmo transmisji AM . Nieliczne odbierają pasma krótkofalowe , ale wymagane są silne sygnały. Pierwsze zestawy kryształów odbierały bezprzewodowe sygnały telegraficzne nadawane przez nadajniki iskiernikowe na częstotliwościach tak niskich, jak 20 kHz.
Historia
Radio kryształowe zostało wynalezione przez długi, częściowo niejasny łańcuch odkryć pod koniec XIX wieku, które stopniowo przekształciły się w coraz bardziej praktyczne odbiorniki radiowe na początku XX wieku. Najwcześniejsze praktyczne zastosowanie radia kryształkowego polegało na odbieraniu sygnałów radiowych kodu Morse'a przesyłanych z nadajników iskiernikowych przez wczesnych amatorskich eksperymentatorów radiowych . Jak elektronika ewoluowały, zdolność do wysyłania sygnałów głosowych przez radio spowodował eksplozję technologicznego wokół 1920, które ewoluowały w dzisiejszych radiowych nadawczych branży.
Wczesne lata
Wczesna telegrafia radiowa wykorzystywała iskierniki i nadajniki łukowe, a także alternatory wysokiej częstotliwości działające na częstotliwościach radiowych . Coherer było pierwsze środki wykrywania sygnału radiowego. Brakowało im jednak czułości na wykrywanie słabych sygnałów.
Na początku XX wieku różni badacze odkryli, że niektóre minerały metaliczne , takie jak galena , mogą być wykorzystywane do wykrywania sygnałów radiowych.
Indyjski fizyk Jagadish Chandra Bose jako pierwszy użył kryształu jako detektora fal radiowych, używając detektorów galeny do odbierania mikrofal, począwszy od około 1894 roku. kryształ galeny; to zostało przyznane w 1904, #755840. 30 sierpnia 1906 Greenleaf Whittier Pickard złożył patent na wykrywacz kryształów krzemu, który został przyznany 20 listopada 1906.
Detektor kryształu zawiera kryształ, zwykle cienki drut lub metalową sondę, która styka się z kryształem, oraz stojak lub obudowę, która utrzymuje te elementy na miejscu. Najczęściej używanym kryształem jest mały kawałek galeny ; Piryt był również często używany, ponieważ był łatwiejszym do dostosowania i stabilnym minerałem, i całkiem wystarczającym dla siły sygnału miejskiego. Kilka innych minerałów również sprawowało się dobrze jako detektory. Kolejną zaletą kryształów była możliwość demodulacji sygnałów modulowanych amplitudą . To urządzenie przyniosło radiotelefony i transmisję głosową do publiczności. Zestawy kryształowe stanowiły niedrogą i technologicznie prostą metodę odbierania tych sygnałów w czasie, gdy zarodkowy przemysł radiofonii zaczynał się rozwijać.
Lata 20. i 30. XX wieku
W 1922 roku (wówczas nazwane) Amerykańskie Biuro Standardów wydało publikację zatytułowaną Budowa i eksploatacja prostego domowego odbiornika radiowego . Ten artykuł pokazał, jak prawie każda rodzina mająca członka, który był pod ręką z prostymi narzędziami, może zrobić radio i dostroić się do pogody, cen upraw, czasu, wiadomości i opery. Ten projekt był znaczący w udostępnianiu radia ogółowi społeczeństwa. NBS podążył za tym z bardziej selektywną wersją dwuobwodową, Budowa i działanie dwuobwodowego radiowego urządzenia odbiorczego z wykrywaczem kryształów , która została opublikowana w tym samym roku i nadal jest często budowana przez entuzjastów.
Na początku XX wieku radio miało niewielkie zastosowanie komercyjne, a eksperymenty radiowe były hobby dla wielu ludzi. Niektórzy historycy uważają jesień 1920 roku za początek komercyjnego nadawania radia w celach rozrywkowych. Pittsburghska stacja KDKA , należąca do Westinghouse , otrzymała licencję od Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych w samą porę na transmisję wyników wyborów prezydenckich Harding-Cox . Oprócz relacjonowania wydarzeń specjalnych, w pierwszych dniach radia ważną usługą publiczną były transmisje dla rolników dotyczące cen upraw.
W 1921 r. radia fabryczne były bardzo drogie. Ponieważ mniej zamożne rodziny nie mogły sobie pozwolić na posiadanie radia, gazety i czasopisma publikowały artykuły o tym, jak zbudować kryształowe radio ze zwykłych przedmiotów gospodarstwa domowego. Aby zminimalizować koszty, wiele planów sugerowało nawijanie cewki strojenia na puste kartonowe pojemniki, takie jak pudełka po płatkach owsianych, które stały się powszechną podstawą domowych odbiorników radiowych.
Krystodyna
Na początku 1920 roku Rosja , Oleg Losev eksperymentował z zastosowaniem napięcia uprzedzeń do różnych rodzajów kryształów do produkcji detektorów radiowych. Rezultat był zdumiewający: dzięki kryształowi cynkitu ( tlenku cynku ) uzyskał wzmocnienie. Było to zjawisko negatywnej rezystancji na dziesięciolecia przed opracowaniem diody tunelowej . Po pierwszych eksperymentach Losev zbudował odbiorniki regeneracyjne i superheterodynowe , a nawet nadajniki.
Krystodyna mogła powstać w prymitywnych warunkach; może być wykonany w wiejskiej kuźni, w przeciwieństwie do lamp próżniowych i nowoczesnych urządzeń półprzewodnikowych. Jednak odkrycie to nie zostało poparte przez władze i wkrótce zostało zapomniane; żadne urządzenie nie zostało wyprodukowane w ilości masowej poza kilkoma przykładami do badań.
„Radia do okopu”
Oprócz kryształów mineralnych powłoki tlenkowe wielu powierzchni metalowych działają jak półprzewodniki (detektory) zdolne do rektyfikacji. Radia kryształkowe zostały zaimprowizowane przy użyciu detektorów wykonanych z zardzewiałych gwoździ, skorodowanych monet i wielu innych powszechnych przedmiotów.
Kiedy wiosną 1944 r. wojska alianckie zostały zatrzymane w pobliżu Anzio we Włoszech , używanie osobistych odbiorników radiowych z zasilaniem było surowo zabronione, ponieważ Niemcy dysponowali sprzętem, który mógł wykryć lokalny sygnał oscylatora odbiorników superheterodynowych . W zestawach kryształowych brakuje lokalnych oscylatorów zasilanych energią, dlatego nie można ich było wykryć. Niektórzy zaradni żołnierze skonstruowali „kryształowe” zestawy z wyrzuconych materiałów do słuchania wiadomości i muzyki. Jeden typ używał niebieskiej stalowej żyletki i ołówka do detektora. Punkt ołowiu stykający się z półprzewodnikową powłoką tlenkową (magnetyt) na ostrzu utworzył prymitywną diodę styku punktowego. Ostrożnie dopasowując wkład ołówka na powierzchni ostrza, mogli znaleźć miejsca, które można naprawić. Zestawy zostały nazwane „ okopie radia ” przez prasę, i stały się częścią folkloru z II wojny światowej .
W niektórych krajach okupowanych przez Niemców podczas II wojny światowej miały miejsce szeroko zakrojone konfiskaty odbiorników radiowych od ludności cywilnej. To skłoniło zdeterminowanych słuchaczy do zbudowania własnych tajnych odbiorników, które często stanowiły niewiele więcej niż podstawowy zestaw kryształów. Każdy, kto tak postępuje, groził więzieniem, a nawet śmiercią, jeśli zostanie złapany, aw większości krajów Europy sygnały z BBC (lub innych alianckich stacji) nie były wystarczająco silne, aby mogły być odbierane na takim zestawie.
Późniejsze lata
Chociaż nigdy nie odzyskał popularności i powszechnego użytku, którym cieszył się na początku, obwód radia kryształkowego jest nadal używany. W harcerze zachowały budowę odbiornika radiofonicznego w swoim programie od 1920 roku. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych można było znaleźć dużą liczbę prefabrykowanych nowości i prostych zestawów, a wiele dzieci zainteresowanych elektroniką je zbudowało.
Budowanie radia kryształkowego było szaleństwem w latach dwudziestych i ponownie w latach pięćdziesiątych. Ostatnio hobbyści zaczęli projektować i budować przykłady wczesnych instrumentów. Wiele wysiłku wkłada się w wygląd tych zestawów, a także w ich wykonanie. Coroczne konkursy radia kryształowego „DX” (odbiór dalekobieżny) i konkursy budowlane pozwalają tym właścicielom zestawów konkurować ze sobą i tworzyć społeczność zainteresowanych tematem.
Podstawowe zasady
Radio kryształkowe można traktować jako odbiornik radiowy sprowadzony do tego, co niezbędne. Składa się co najmniej z tych elementów:
- Antena , w którym prądy indukowane są przez fale radiowe .
- Obwód rezonansowy (dostrojony obwód), który wybiera częstotliwość żądanej stacji radiowej ze wszystkich sygnałów radiowych, odbieranych przez antenę. Obwód strojony składa się z cewki drutu (zwanej cewką indukcyjną ) i połączonego ze sobą kondensatora . Obwód ma częstotliwość rezonansową i umożliwia przechodzenie fal radiowych o tej częstotliwości do detektora, jednocześnie blokując w dużej mierze fale o innych częstotliwościach. Jedna lub obie cewki lub kondensatory są regulowane, co pozwala na dostrojenie obwodu do różnych częstotliwości. W niektórych obwodach nie stosuje się kondensatora, a antena spełnia tę funkcję, ponieważ antena krótsza niż ćwierć długości fali radiowej, którą ma odbierać, jest pojemnościowa.
- Półprzewodnikowy kryształ detektor , który demoduluje sygnał radiowy w celu wyodrębnienia sygnału audio ( modulacji ). Detektor kryształowy działa jak detektor prawa kwadratowego , demodulując prąd przemienny o częstotliwości radiowej do modulacji częstotliwości audio. Wyjście częstotliwości dźwięku wykrywacza jest konwertowane na dźwięk przez słuchawki. Wczesne zestawy wykorzystywały „ wykrywacz kocich wąsów ” składający się z małego kawałka krystalicznego minerału, takiego jak galena, z cienkim drucikiem dotykającym jego powierzchni. Detektor kryształ był elementem, który dał kryształ Radia ich nazwy. Nowoczesne zestawy wykorzystują nowoczesne diody półprzewodnikowe , chociaż niektórzy hobbyści nadal eksperymentują z detektorami kryształowymi lub innymi.
- Słuchawka do konwersji sygnału audio fale dźwiękowe dzięki czemu mogą one być wysłuchane. Niska moc wytwarzana przez odbiornik kryształowy jest niewystarczająca do zasilania głośnika , dlatego stosuje się słuchawki.
Ponieważ radio kryształkowe nie ma zasilania, moc dźwięku wytwarzana przez słuchawki pochodzi wyłącznie z nadajnika odbieranej stacji radiowej, za pośrednictwem fal radiowych przechwyconych przez antenę. Moc dostępna dla anteny odbiorczej maleje wraz z kwadratem jej odległości od nadajnika radiowego . Nawet dla potężnej komercyjnej stacji nadawczej , jeśli jest ona dalej niż kilka mil od odbiornika, moc odbierana przez antenę jest bardzo mała, zwykle mierzona w mikrowatach lub nanowatach . W nowoczesnych zestawach kryształowych można usłyszeć sygnały tak słabe jak 50 pikowatów na antenie. Radia krystaliczne można otrzymać tak słabych sygnałów bez stosowania amplifikacji tylko ze względu na dużą czułość ludzkiego słuchu , co można wykryć dźwięki o natężeniu tylko 10 -16 W / cm 2 . Dlatego odbiorniki kryształowe muszą być zaprojektowane tak, aby jak najefektywniej przetwarzać energię fal radiowych na fale dźwiękowe. Mimo to zwykle są w stanie odbierać stacje w odległości około 25 mil dla stacji nadawczych AM , chociaż sygnały radiotelegraficzne używane w erze telegrafii bezprzewodowej można było odbierać z odległości setek mil, a odbiorniki kryształowe były nawet używane do komunikacji transoceanicznej podczas w tym okresie.
Projekt
Rozwój komercyjnych odbiorników pasywnych został porzucony wraz z pojawieniem się niezawodnych lamp próżniowych około 1920 roku, a późniejsze badania nad radiem kryształowym były prowadzone głównie przez radioamatorów i hobbystów. Zastosowano wiele różnych obwodów. Poniższe sekcje omawiają bardziej szczegółowo części radia kryształkowego.
Antena
Antena zamienia energię w elektromagnetycznych falach radiowych na zmienny prąd elektryczny w antenie, która jest połączona z cewką strojenia. Ponieważ w radiu kryształkowym cała moc pochodzi z anteny, ważne jest, aby antena zbierała jak najwięcej mocy z fali radiowej. Im większa antena, tym więcej mocy może przechwycić. Anteny typu powszechnie stosowanego w zestawach kryształowych są najskuteczniejsze, gdy ich długość jest zbliżona do wielokrotności jednej czwartej długości fali odbieranych przez nie. Ponieważ długość fal używanych w radiach kryształowych jest bardzo duża ( fale pasma AM mają długość 182-566 m lub 597-1857 stóp), antena jest wykonana tak długo, jak to możliwe, z długiego drutu , w przeciwieństwie do bicza anteny lub anteny pętlowe ferrytowe stosowane w nowoczesnych radioodbiornikach.
Poważni hobbyści radia kryształkowego używają anten typu „odwrócone L” i „T” , składające się z setek stóp drutu zawieszonego jak najwyżej między budynkami lub drzewami, z przewodem zasilającym przymocowanym pośrodku lub na jednym końcu prowadzącym do odbiornika . Jednak częściej stosuje się losowe długości drutu zwisającego z okien. Popularną praktyką w dawnych czasach (szczególnie wśród mieszkańców mieszkań) było wykorzystywanie istniejących dużych metalowych przedmiotów, takich jak sprężyny łóżka , schody przeciwpożarowe i ogrodzenia z drutu kolczastego jako anten.
Grunt
Anteny przewodowe stosowane z odbiornikami kryształowymi są antenami jednobiegunowymi, które wytwarzają swoje napięcie wyjściowe w stosunku do ziemi. Odbiornik wymaga zatem połączenia z ziemią (ziemia) jako obwód powrotny dla prądu. Przewód uziemiający był przymocowany do grzejnika, rury wodociągowej lub metalowego kołka wbitego w ziemię. Na początku, jeśli nie można było wykonać odpowiedniego połączenia naziemnego, czasami używano przeciwwagi . Dobre uziemienie jest ważniejsze dla zestawów kryształów niż dla zasilanych odbiorników, ponieważ zestawy kryształów mają niską impedancję wejściową potrzebną do wydajnego przesyłania mocy z anteny. Połączenie uziemienia o niskiej rezystancji (najlepiej poniżej 25 Ω) jest konieczne, ponieważ każda rezystancja uziemienia zmniejsza dostępną moc anteny. W przeciwieństwie do tego, nowoczesne odbiorniki są urządzeniami zasilanymi napięciem, o wysokiej impedancji wejściowej, stąd niewielki prąd płynie w obwodzie antena/masa. Ponadto, z zasilaniem sieciowym odbiorniki są uziemione odpowiednio przez ich przewodów zasilających, które są z kolei dołączony do ziemi drodze ugruntowaną ziemi.
Dostrojony obwód
Dostrojony obwód , składający się z cewki i kondensatora połączonych ze sobą, działa jako rezonator , podobnie do widełek. Ładunek elektryczny, indukowany w antenie przez fale radiowe, szybko przepływa tam iz powrotem pomiędzy płytkami kondensatora przez cewkę. Obwód ma wysoką impedancję przy pożądanej częstotliwości sygnału radiowego, ale niską impedancję przy wszystkich innych częstotliwościach. W związku z tym sygnały o niepożądanych częstotliwościach przechodzą przez dostrojony obwód do masy, podczas gdy pożądana częstotliwość jest przekazywana do detektora (diody) i stymuluje słuchawkę i jest słyszalna. Częstotliwość odbieranej stacji to częstotliwość rezonansowa f strojonego obwodu, określona przez pojemność C kondensatora i indukcyjność L cewki:
Obwód można dostosować do różnych częstotliwości, zmieniając indukcyjność (L), pojemność (C) lub obie, „dostrajając” obwód do częstotliwości różnych stacji radiowych. W najtańszych zestawach cewkę regulowano za pomocą styku sprężynowego dociskającego uzwojenia, które mogły ślizgać się wzdłuż cewki, wprowadzając w ten sposób do obwodu większą lub mniejszą liczbę zwojów cewki, zmieniając indukcyjność . Alternatywnie do dostrojenia obwodu używany jest zmienny kondensator . Niektóre nowoczesne zestawy kryształów wykorzystują cewkę do strojenia rdzenia ferrytowego , w której rdzeń magnetyczny ferrytowy jest wsuwany i wysuwany z cewki, zmieniając w ten sposób indukcyjność poprzez zmianę przenikalności magnetycznej (co wyeliminowało mniej niezawodny styk mechaniczny).
Antena jest integralną częścią obwodu strojonego, a jej reaktancja przyczynia się do określenia częstotliwości rezonansowej obwodu. Anteny zwykle działają jako pojemność , ponieważ anteny krótsze niż ćwierć długości fali mają reaktancję pojemnościową . Wiele wczesnych zestawów kryształowych nie posiadało kondensatora strojenia i polegało zamiast tego na pojemności właściwej anteny drutowej (oprócz znacznej pojemności pasożytniczej cewki), aby utworzyć obwód strojony z cewką.
Najwcześniejsze odbiorniki kryształowe w ogóle nie miały strojonego obwodu, a jedynie składały się z kryształowego detektora podłączonego między anteną a ziemią, ze słuchawką na uchu. Ponieważ obwód ten nie posiadał żadnych elementów selektywnych częstotliwościowo poza szerokim rezonansem anteny, miał on niewielką zdolność do odrzucania niechcianych stacji, więc wszystkie stacje w szerokim paśmie częstotliwości były słyszalne w słuchawkach (w praktyce najmocniejsze zwykle zagłuszają inni). Był używany w pierwszych dniach radia, kiedy tylko jedna lub dwie stacje znajdowały się w ograniczonym zasięgu zestawu kryształów.
Dopasowania impedancji
Ważną zasadą stosowaną w projektowaniu radia kryształkowego w celu przeniesienia maksymalnej mocy do słuchawek jest dopasowanie impedancji . Maksymalna moc jest przenoszona z jednej części obwodu do drugiej, gdy impedancja jednego obwodu jest złożoną sprzężoną impedancją drugiego; oznacza to, że oba obwody powinny mieć jednakową rezystancję. Jednak w zestawach kryształowych impedancja układu antena-ziemia (około 10-200 omów ) jest zwykle mniejsza niż impedancja obwodu strojonego odbiornika (tysiące omów w rezonansie), a także zmienia się w zależności od jakości uziemienia mocowanie, długość anteny i częstotliwość dostrojenia odbiornika.
Dlatego w ulepszonych układach odbiorczych, aby dopasować impedancję anteny do impedancji odbiornika, antena była podłączona tylko na części zwojów cewki strojenia. To sprawiło, że cewka strojenia działała jako transformator dopasowujący impedancję (w połączeniu z autotransformatorem ), oprócz zapewniania funkcji strojenia. Niska rezystancja anteny została zwiększona (przekształcona) o współczynnik równy kwadratowi stosunku zwojów (stosunek liczby zwojów anteny do całkowitej liczby zwojów cewki), aby dopasować rezystancję w poprzek dostrojony obwód. W popularnym w erze bezprzewodowej obwodzie „dwusuwakowym”, zarówno antena, jak i obwód detektora, były przymocowane do cewki za pomocą styków ślizgowych, umożliwiających (interaktywną) regulację zarówno częstotliwości rezonansowej, jak i zwojów. Alternatywnie do wyboru odczepów cewki użyto przełącznika wielopozycyjnego. Te elementy sterujące były dostosowywane, aż stacja brzmiała najgłośniej w słuchawkach.
Problem selektywności
Jedną z wad zestawów kryształów jest to, że są one podatne na zakłócenia ze stacji znajdujących się w pobliżu częstotliwości żądanej stacji. Często słychać jednocześnie dwie lub więcej stacji. Dzieje się tak, ponieważ prosty obwód strojony nie odrzuca dobrze pobliskich sygnałów; przepuszcza szerokie pasmo częstotliwości, to znaczy ma dużą przepustowość (niski współczynnik Q ) w porównaniu z nowoczesnymi odbiornikami, dając odbiornikowi niską selektywność .
Detektor kryształowy pogorszył problem, ponieważ ma stosunkowo niską rezystancję , przez co "obciążał" strojony obwód, pobierając znaczny prąd, a tym samym tłumiąc oscylacje, zmniejszając swój współczynnik dobroci tak, że przepuszczał szersze pasmo częstotliwości. W wielu obwodach selektywność została poprawiona przez podłączenie detektora i obwodu słuchawek do odczepu na zaledwie ułamku zwojów cewki. Zmniejszyło to obciążenie impedancyjne strojonego obwodu, a także poprawiło dopasowanie impedancji detektora.
Sprzężenie indukcyjne
W bardziej wyrafinowanych odbiornikach kryształowych cewka strojenia jest zastąpiona regulowanym transformatorem sprzęgającym antenę z rdzeniem powietrznym, który poprawia selektywność dzięki technice zwanej luźnym sprzężeniem . Składa się on z dwóch magnetycznie sprzężonych cewek drutu, jednej ( pierwotnej ) podłączonej do anteny i uziemienia, a drugiej ( wtórnej ) dołączonej do reszty obwodu. Prąd z anteny wytwarza zmienne pole magnetyczne w cewce pierwotnej, które indukuje prąd w cewce wtórnej, który następnie jest prostowany i zasila słuchawkę. Każda z cewek działa jako obwód strojony ; cewka pierwotna rezonowała z pojemnością anteny (lub czasem innego kondensatora), a cewka wtórna rezonowała z kondensatorem strojenia. Zarówno pierwotna, jak i wtórna były dostrojone do częstotliwości stacji. Dwa obwody współdziałały ze sobą, tworząc transformator rezonansowy .
Zmniejszenie sprzężenia między cewkami poprzez fizyczne oddzielenie ich tak, aby mniej pola magnetycznego jednego przecinało się z drugim, zmniejsza indukcyjność wzajemną , zawęża pasmo i skutkuje znacznie ostrzejszym, bardziej selektywnym strojeniem niż to wytwarzane przez pojedynczy obwód strojony . Jednak luźniejsze sprzężenie zmniejszyło również moc sygnału przekazywanego do drugiego obwodu. Transformator został wykonany z regulowanym sprzęgłem, aby umożliwić słuchaczowi eksperymentowanie z różnymi ustawieniami w celu uzyskania najlepszego odbioru.
Jeden z powszechnie stosowanych w dawnych czasach projektów, zwany „luźnym sprzęgłem”, składał się z mniejszej cewki wtórnej wewnątrz większej cewki pierwotnej. Mniejsza cewka została zamontowana na stojaku, dzięki czemu można ją było wsunąć liniowo do większej cewki lub z niej wysunąć. W przypadku napotkania zakłóceń radiowych mniejsza cewka zostałaby wysunięta dalej z większej, rozluźniając sprzężenie, zawężając pasmo, a tym samym odrzucając sygnał zakłócający.
Transformator sprzęgający anteny działał również jako transformator dopasowujący impedancję , co pozwalało na lepsze dopasowanie impedancji anteny do reszty obwodu. Jedna lub obie cewki miały zwykle kilka odczepów, które można było wybrać przełącznikiem, co pozwalało na regulację liczby zwojów tego transformatora, a co za tym idzie „przełożenia zwojów”.
Transformatory sprzęgające były trudne do wyregulowania, ponieważ trzy regulacje, dostrajanie obwodu pierwotnego, dostrajanie obwodu wtórnego i sprzężenie cewek, były interaktywne, a zmiana jednego wpływała na pozostałe.
Detektor kryształów
Detektor kryształowy demoduluje sygnał o częstotliwości radiowej, wyodrębniając modulację ( sygnał audio reprezentujący fale dźwiękowe) z fali nośnej o częstotliwości radiowej . We wczesnych odbiornikach często używanym rodzajem detektora kryształowego był „ wykrywacz kocich wąsów ”. Punkt styku drutu z kryształem działał jak dioda półprzewodnikowa . Detektor kocich wąsów stanowił prymitywną diodę Schottky'ego, która umożliwiała lepszy przepływ prądu w jednym kierunku niż w przeciwnym. Nowoczesne zestawy kryształowe wykorzystują nowoczesne diody półprzewodnikowe . Funkcje Kryształ jako detektor obwiedni , prostujące na prąd przemienny sygnał radiowy z pulsującym prądu stałego , piki, które wytyczają sygnału audio, dzięki czemu może być przekształcone do dźwiękiem słuchawki, który jest połączony z czujnikiem. Wyprostowany prąd z detektora zawiera impulsy o częstotliwości radiowej z częstotliwości nośnej, które są blokowane przez wysoką reaktancję indukcyjną i nie przechodzą dobrze przez cewki słuchawek dousznych. Dlatego mały kondensator zwany kondensatorem obejściowym jest często umieszczany na zaciskach słuchawek; jego niska reaktancja na częstotliwości radiowej omija te impulsy wokół słuchawki do masy. W niektórych zestawach przewód słuchawkowy miał na tyle pojemność, że ten element można było pominąć.
Tylko niektóre miejsca na powierzchni kryształu działały jako złącza prostownicze, a urządzenie było bardzo wrażliwe na nacisk styku kryształ-drut, który mógł zostać zakłócony przez najmniejsze wibracje. Dlatego przed każdym użyciem trzeba było znaleźć użyteczny punkt kontaktowy metodą prób i błędów. Operator ciągnął drut po kryształowej powierzchni, aż w słuchawkach słychać było stację radiową lub „statyczne” dźwięki. Alternatywnie, niektóre radia (obwód po prawej) używały brzęczyka zasilanego bateryjnie podłączonego do obwodu wejściowego do regulacji detektora. Iskra na stykach elektrycznych brzęczyka służyła jako słabe źródło elektryczności, więc gdy detektor zaczął działać, brzęczenie było słyszalne w słuchawkach. Brzęczyk został następnie wyłączony, a radio dostroiło się do żądanej stacji.
Najczęściej stosowanym kryształem była galena (siarczek ołowiu), ale stosowano również różne inne rodzaje kryształów, najczęściej piryt żelaza (złoto głupców, FeS 2 ), krzem , molibdenit (MoS 2 ), węglik krzemu (karborund, SiC ), oraz złącze kryształ-kryształ cynkit - bornit (ZnO-Cu 5 FeS 4 ) o nazwie handlowej Perikon . Radia krystaliczne zostały również improwizowany z wielu typowych przedmiotów, takich jak niebieskie stali ostrzami i ołówków , zardzewiałych igły i groszy w nich, półprzewodnikowego warstwa tlenku lub siarczku na metalowej powierzchni, są zwykle działanie rektyfikacyjnej.
W nowoczesnych zestawach do detektora stosuje się diodę półprzewodnikową , która jest znacznie bardziej niezawodna niż detektor kryształowy i nie wymaga regulacji. Zamiast diod krzemowych stosuje się diody germanowe (lub czasami diody Schottky'ego ), ponieważ ich mniejszy spadek napięcia przewodzenia (około 0,3 V w porównaniu do 0,6 V) czyni je bardziej czułymi.
Wszystkie detektory półprzewodnikowe działają raczej nieefektywnie w odbiornikach kryształowych, ponieważ niskie napięcie wejściowe do detektora jest zbyt niskie, aby spowodować dużą różnicę między lepszym kierunkiem przewodzenia do przodu a słabszym przewodzeniem do tyłu. Aby poprawić czułość niektórych wczesnych detektorów kryształowych, takich jak węglik krzemu, do detektora przyłożono małe napięcie polaryzacji w kierunku przewodzenia za pomocą baterii i potencjometru . Odchylenie przesuwa punkt pracy diody wyżej na krzywej detekcji, wytwarzając większe napięcie sygnału kosztem mniejszego prądu sygnału (wyższa impedancja). Korzyści, jakie to daje, są ograniczone, w zależności od innych impedancji radia. Ta poprawiona czułość była spowodowana przesunięciem punktu pracy DC do bardziej pożądanego punktu pracy napięciowo-prądowej (impedancji) na krzywej IV złącza . Akumulator nie zasilał radia, a jedynie dostarczał napięcie polaryzujące, które wymagało niewielkiej mocy.
Słuchawki
Wymagania dotyczące słuchawek stosowanych w zestawach kryształowych różnią się od słuchawek stosowanych w nowoczesnym sprzęcie audio. Muszą być wydajne w przetwarzaniu energii sygnału elektrycznego na fale dźwiękowe, podczas gdy większość nowoczesnych słuchawek poświęca wydajność, aby uzyskać wysoką wierność odtwarzania dźwięku. We wczesnych domowych zestawach słuchawki były najbardziej kosztownym elementem.
Wczesne słuchawki używane z zestawami kryształowymi z epoki bezprzewodowej miały ruchome żelazne przetworniki, które działały w sposób podobny do głośników tubowych z tamtego okresu. Każda słuchawka zawierała magnes stały, wokół którego była zwój drutu, który tworzył drugi elektromagnes . Oba bieguny magnetyczne znajdowały się blisko stalowej membrany głośnika. Kiedy sygnał audio z radia przechodził przez uzwojenia elektromagnesu, w cewce płynął prąd, który wytworzył zmienne pole magnetyczne, które zwiększało lub zmniejszało to dzięki magnesowi trwałemu. Zmieniało to siłę przyciągania na przeponie, powodując jej drgania. Wibracje membrany pchają i ciągną powietrze przed nią, tworząc fale dźwiękowe. Standardowe słuchawki używane w pracy telefonicznej miały niską impedancję , często 75 Ω i wymagały większego prądu niż może dostarczyć radio kryształkowe. Dlatego typ używany w radiotelefonach z kryształem (i innym czułym sprzęcie) został nawinięty większą liczbą zwojów cieńszego drutu, co daje mu wysoką impedancję 2000-8000 Ω.
Nowoczesne zestawy kryształowe wykorzystują kryształowe słuchawki piezoelektryczne , które są znacznie czulsze, a także mniejsze. Składają się z kryształu piezoelektrycznego z przymocowanymi z każdej strony elektrodami, przyklejonym do lekkiej przesłony. Gdy sygnał audio z radioodbiornika zostanie doprowadzony do elektrod, wprawia kryształ w drgania, wibrując membranę. Słuchawki Crystal są zaprojektowane jako wkładki douszne, które podłącza się bezpośrednio do kanału słuchowego użytkownika, skuteczniej łącząc dźwięk z błoną bębenkową. Ich rezystancja jest znacznie wyższa (zwykle megaomy), dzięki czemu nie obciążają znacząco układu strojonego, co pozwala na zwiększenie selektywności odbiornika. Wyższa rezystancja słuchawek piezoelektrycznych, równolegle z ich pojemnością około 9 pF, tworzy filtr, który umożliwia przejście niskich częstotliwości, ale blokuje wyższe częstotliwości. W takim przypadku kondensator bocznikujący nie jest potrzebny (chociaż w praktyce często używany jest mały o wartości około 0,68 do 1 nF, aby poprawić jakość), ale zamiast tego należy dodać rezystor 10-100 kΩ równolegle z wejściem słuchawek.
Chociaż niska moc wytwarzana przez radia kryształkowe jest zwykle niewystarczająca do napędzania głośnika , niektóre domowe zestawy z lat 60. używają takiego, z transformatorem audio, aby dopasować niską impedancję głośnika do obwodu. Podobnie, nowoczesne słuchawki douszne o niskiej impedancji (8 Ω) nie mogą być używane w niezmodyfikowanych zestawach kryształowych, ponieważ odbiornik nie wytwarza wystarczającego prądu do ich napędzania. Czasami są one używane przez dodanie transformatora audio, aby dopasować ich impedancję do wyższej impedancji obwodu anteny sterującej.
Użyj jako źródła zasilania
Radio kryształkowe dostrojone do silnego lokalnego nadajnika może być używane jako źródło zasilania dla drugiego wzmocnionego odbiornika odległej stacji, której nie można usłyszeć bez wzmocnienia.
Istnieje długa historia nieudanych prób i niezweryfikowanych roszczeń o odzyskanie mocy w samej nośnej odbieranego sygnału. Tradycyjne zestawy kryształów wykorzystują prostowniki półfalowe . Ponieważ sygnały AM mają współczynnik modulacji wynoszący tylko 30% wartości szczytowej napięcia, nie więcej niż 9% mocy odbieranego sygnału ( ) to rzeczywista informacja audio, a 91% to tylko wyprostowane napięcie DC. <korekta> Wartość 30% jest standardem stosowanym w testach radiowych i jest oparta na średnim współczynniku modulacji mowy. Prawidłowo zaprojektowane i zarządzane nadajniki AM mogą działać do 100% modulacji na szczytach bez powodowania zniekształceń lub „rozprysków” (nadmiar energii wstęgi bocznej, który promieniuje poza zamierzonym pasmem sygnału). Biorąc pod uwagę, że sygnał audio prawdopodobnie nie będzie przez cały czas szczytowy, stosunek energii jest w praktyce jeszcze większy. Włożono duży wysiłek w zamianę tego napięcia stałego na energię dźwiękową. Niektóre wcześniejsze próby obejmują jedno tranzystorowy wzmacniacz w 1966. Niekiedy starania w celu odzyskania tej władzy są mylone z innymi działaniami, aby uzyskać bardziej efektywne wykrywanie. Ta historia jest teraz kontynuowana dzięki projektom tak skomplikowanym, jak „odwrócony dwufalowy zasilacz impulsowy”.
Galeria
Zobacz też
- Radio bez baterii
- Camille Papin Tissot
- Detektor
- Demodulator
- Detektor (radio)
- Detektor elektrolityczny
- Historia radia
Bibliografia
Dalsza lektura
- Ellery W. Stone (1919). Elementy radiotelegrafii . D. Van Nostranda. 267 stron.
- Elmer Eustice Bucher (1920). Podręcznik Eksperymentatora Bezprzewodowego: Wprowadzenie do prowadzenia klubu radiowego .
- Śpiący Milton Blake (1922). Podłączenia radiowe: Księga odniesień i zapisów obwodów używanych do podłączania instrumentów bezprzewodowych . Współpracy wydawniczej Normana W. Henleya; 67 stron.
- JL Preston i HA Wheeler (1922) „ Budowa i działanie prostego domowego odbiornika radiowego ”, Bureau of Standards, C-120: 24.04.1922.
- PA Kinzie (1996). Crystal Radio: historia, podstawy i design. Stowarzyszenie Xtal Set.
- Thomas H. Lee (2004). Projektowanie układów scalonych o częstotliwości radiowej CMOS
- Derek K. Shaeffer i Thomas H. Lee (1999). Projektowanie i wdrażanie odbiorników radiowych CMOS małej mocy
- Iana L. Sandersa. Tickling the Crystal — domowe brytyjskie zestawy kryształów z lat dwudziestych; Tomy 1–5. Książki BVWS (2000-2010).
Zewnętrzne linki
- Strona internetowa z mnóstwem informacji o wczesnych zestawach radiowych i kryształowych
- Hobbydyne Radia Kryształowe Historia i Informacje Techniczne na temat Radia Kryształowego
- Rozmowa techniczna Ben Tongue Sekcja 1 zawiera link do „Systemy radioodbiorników kryształowych: projektowanie, pomiary i udoskonalenia”.
- „ Archeologia półprzewodników lub hołd dla nieznanych prekursorów ”. earthlink.net/~lenyr.
- Nyle Steiner K7NS, wzmacniacz RF o ujemnej odporności na cynk dla zestawów kryształowych i odbiorników regeneracyjnych nie używa lamp ani tranzystorów . 20 listopada 2002 r.
- Zestaw kryształów DX? Roger Lapthorn G3XBM
- Szczegóły kryształów używanych w zestawach kryształów
- Askin, Don; Rabjohn, Gord (kwiecień 2012). „Radia kryształowe o wysokiej wydajności” (PDF) . Ottawski Klub Elektroniki . Źródło 2016-09-27 .
- http://www.crystal-radio.eu/endiodes.htm Diody
- http://www.crystal-radio.eu/engev.htm Jak zbudować czuły odbiornik kryształowy?
- http://uv201.com/Radio_Pages/Pre-1921/crystal_detectors.htm Detektory kryształów
- http://www.sparkmuseum.com/DETECTOR.HTM Detektory radiowe