Кристаллический радиоприемник , также называемый набором кристаллов , представляет собой простой радиоприемник , популярный на заре радио. Для воспроизведения звука он использует только мощность принимаемого радиосигнала и не требует внешнего питания. Он назван в честь своего самого важного компонента — кристаллического детектора , первоначально сделанного из куска кристаллического минерала, такого как галенит . [1] Этот компонент теперь называется диодом .
Кварцевые радиоприемники представляют собой простейший тип радиоприемника [2] и могут быть изготовлены из нескольких недорогих деталей, таких как провод для антенны, катушка с проводом, конденсатор, кварцевый детектор и наушники (поскольку набор кристаллов имеет недостаточная мощность для громкоговорителя ). [3] Однако они являются пассивными приемниками, в то время как другие радиостанции используют усилитель , питаемый током от батареи или сетевой розетки, чтобы сделать радиосигнал громче. Таким образом, наборы кристаллов производят довольно слабый звук, их нужно слушать через чувствительные наушники, и они могут принимать станции только в пределах ограниченного радиуса действия передатчика. [4]
Выпрямляющее свойство контакта минерала с металлом было открыто в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном . [5] [6] [7] Кристаллы были впервые использованы в качестве детектора радиоволн в 1894 году Джагадишем Чандрой Бозе [8] [ 9] в его экспериментах по микроволновой оптике. Впервые они были использованы в качестве демодулятора для приема радиосвязи в 1902 году Г.В. Пикардом . [10] Кристаллические радиоприемники были первым широко используемым типом радиоприемника, [11] и основным типом, использовавшимся в эпоху беспроводной телеграфии . [12] Недорогое и надежное кристаллическое радио, продаваемое и самодельное миллионами, стало основной движущей силой в распространении радио среди населения, способствуя развитию радио как средства развлечения с началом радиовещания примерно в 1920 году . [ 12] 13]
Примерно в 1920 году наборы кристаллов были заменены первыми усилительными приёмниками, в которых использовались электронные лампы . Благодаря этому технологическому прогрессу наборы кристаллов стали устаревшими для коммерческого использования [11] , но продолжали создаваться любителями, молодежными группами и бойскаутами [14] главным образом как способ изучения технологии радио. Они до сих пор продаются как образовательные устройства, и существуют группы энтузиастов, занимающихся их созданием. [15] [16] [17] [18] [19]
Кристаллические радиоприемники принимают сигналы с амплитудной модуляцией (AM), хотя существуют конструкции FM . [20] [21] Они могут быть предназначены для приема практически любого диапазона радиочастот , но большинство из них принимают диапазон AM-вещания . [22] Некоторые принимают коротковолновые диапазоны, но требуются сильные сигналы. Первые наборы кристаллов принимали сигналы беспроводной телеграфии , передаваемые передатчиками с искровым разрядником на частотах всего 20 кГц. [23] [24]
Кристаллическое радио было изобретено в результате длинной, частично малоизвестной цепочки открытий в конце 19 века, которая постепенно превратилась во все более и более практичные радиоприемники в начале 20 века. Самым ранним практическим использованием кристаллического радио был прием радиосигналов азбуки Морзе , передаваемых от передатчиков с искровым разрядником первыми радиолюбителями- экспериментаторами. По мере развития электроники возможность передавать голосовые сигналы по радио вызвала технологический взрыв примерно в 1920 году, который превратился в сегодняшнюю индустрию радиовещания .
Ранняя радиотелеграфия использовала искровые разрядники и дуговые передатчики , а также высокочастотные генераторы переменного тока , работающие на радиочастотах . Когерер был первым средством обнаружения радиосигнала. Однако им не хватало чувствительности для обнаружения слабых сигналов.
В начале 20 века различные исследователи обнаружили, что некоторые металлические минералы , такие как галенит , можно использовать для обнаружения радиосигналов. [26] [27]
Бенгальский физик Джагадиш Чандра Бозе был первым, кто использовал кристалл в качестве детектора радиоволн, используя детекторы галенита для приема микроволн, начиная примерно с 1894 года. [28] В 1901 году Бозе подал заявку на патент США на «Устройство для обнаружения электрических помех», в котором упоминалось использование кристалла галенита; это было предоставлено в 1904 году, № 755840. [29] 30 августа 1906 года Гринлиф Уиттьер Пикард подал патент на кремниевый кристаллический детектор, который был выдан 20 ноября 1906 года. [30]
Кристаллический детектор включает в себя кристалл, обычно тонкую проволоку или металлический зонд, контактирующий с кристаллом, а также подставку или корпус, удерживающий эти компоненты на месте. Чаще всего используют небольшой кусочек галенита ; Также часто использовался пирит , поскольку он был более легко регулируемым и стабильным минералом, которого было вполне достаточно для городских сигналов. Некоторые другие минералы также хорошо зарекомендовали себя в качестве детекторов. Еще одним преимуществом кристаллов было то, что они могли демодулировать амплитудно-модулированные сигналы. [ нужна цитата ] Это устройство сделало радиотелефоны и голосовое вещание доступными для широкой аудитории. Кристаллические наборы представляли собой недорогой и технологически простой метод приема этих сигналов в то время, когда индустрия радиовещания только начинала расти.
В 1922 году (тогда называвшееся) Бюро стандартов США выпустило публикацию под названием « Строительство и эксплуатация простого самодельного радиоприемного устройства» . [31] В этой статье показано, как почти любая семья, в которой есть член, умеющий обращаться с простыми инструментами, может сделать радио и настроиться на погоду, цены на урожай, время, новости и оперу. Этот дизайн сыграл важную роль в обеспечении доступности радио для широкой публики. За этим последовала компания NBS, выпустившая более избирательную двухконтурную версию « Конструкция и эксплуатация двухконтурного радиоприемного оборудования с кристаллическим детектором» , которая была опубликована в том же году [32] и до сих пор часто создается энтузиастами.
В начале 20-го века радио практически не использовалось в коммерческих целях, и радиоэксперименты были хобби для многих людей. [33] Некоторые историки считают осень 1920 года началом коммерческого радиовещания в развлекательных целях. Питтсбургская станция KDKA , принадлежащая Westinghouse , получила лицензию от Министерства торговли США как раз вовремя для трансляции итогов президентских выборов Хардинга-Кокса . Помимо репортажей о специальных мероприятиях, передача фермерам отчетов о ценах на урожай была важной общественной услугой на заре радио.
В 1921 году радиоприемники фабричного производства стоили очень дорого. Поскольку менее обеспеченные семьи не могли позволить себе его иметь, в газетах и журналах публиковались статьи о том, как сделать кристаллический радиоприемник из обычных предметов домашнего обихода. Чтобы минимизировать затраты, во многих планах предлагалось наматывать катушку настройки на пустые картонные контейнеры, такие как коробки из-под овсянки, которые стали обычной основой самодельных радиоприемников.
В начале 1920-х годов в России Олег Лосев экспериментировал с применением напряжения смещения к различным типам кристаллов для изготовления радиодетекторов. Результат был ошеломляющим: с помощью кристалла цинкита ( оксида цинка ) он получил усиление. [34] [35] [36] Это явление отрицательного сопротивления возникло за десятилетия до разработки туннельного диода . После первых экспериментов Лосев построил регенеративные и супергетеродинные приемники и даже передатчики.
Кристодин можно было получить в примитивных условиях; его можно было сделать в сельской кузнице, в отличие от электронных ламп и современных полупроводниковых приборов. Однако это открытие не было поддержано властями и вскоре было забыто; ни одно устройство не производилось в массовом количестве, за исключением нескольких экземпляров для исследований.
Помимо минеральных кристаллов, оксидные покрытия многих металлических поверхностей действуют как полупроводники (детекторы), способные к выпрямлению. Кристаллические радиоприемники были импровизированы с использованием детекторов, сделанных из ржавых гвоздей, проржавевших монет и многих других обычных предметов.
Когда войска союзников были остановлены возле Анцио, Италия , весной 1944 года, использование личных радиоприемников с питанием было строго запрещено, поскольку у немцев было оборудование, которое могло обнаружить сигнал местного генератора супергетеродинных приемников. В наборах кристаллов отсутствуют мощные гетеродины, поэтому их невозможно обнаружить. Некоторые находчивые солдаты изготовили из выброшенных материалов «хрустальные» наборы для прослушивания новостей и музыки. В одном типе в качестве детектора использовалось лезвие из синей стали и стержень карандаша . Контактная точка, касающаяся полупроводникового оксидного покрытия (магнетита) на лезвии, образовывала грубый точечный диод. Тщательно регулируя грифель карандаша на поверхности лезвия, они могли найти места, которые можно было исправить. Популярная пресса окрестила эти установки « окопными радиоприемниками », и они стали частью фольклора Второй мировой войны .
В некоторых оккупированных Германией странах во время Второй мировой войны происходила массовая конфискация радиоприемников у гражданского населения. Это побудило решительных слушателей создавать свои собственные тайные приемники, которые часто представляли собой немногим больше, чем базовый набор кристаллов. Любой, кто делал это, рисковал попасть в тюрьму или даже умереть, если его поймают, а в большинстве стран Европы сигналы BBC ( или других родственных станций) были недостаточно сильными, чтобы их можно было принять на таком телевизоре.
В конце 1950-х годов было представлено компактное «ракетное радио» в форме ракеты, обычно импортируемое из Японии, которое приобрело умеренную популярность. [37] В нем использовался пьезоэлектрический наушник (описанный далее в этой статье), ферритовый сердечник для уменьшения размера катушки настройки (также описанный позже) и небольшой германиевый фиксированный диод, не требующий регулировки. Для настройки на станции пользователь перемещал револьвер ракеты, которая, в свою очередь, перемещала ферритовый сердечник внутри катушки, изменяя индуктивность в настроенной цепи. Более ранние кристаллические радиоприемники страдали от сильного снижения добротности и, как следствие, избирательности из-за электрической нагрузки наушников или наушников. Более того, благодаря эффективному наушнику «ракетному радио» не требовалась большая антенна для сбора достаточного количества сигнала. При гораздо более высокой добротности оно обычно могло настроиться на несколько сильных местных станций, в то время как более раннее радио могло принимать только одну станцию, возможно, на заднем плане слышны другие станции.
Для прослушивания в местах, где не было электрической розетки, «ракетное радио» служило альтернативой портативным радиоприемникам на электронных лампах того времени, для которых требовались дорогие и тяжелые батареи. Дети могли прятать «ракетные радиоприемники» под одеяло, чтобы слушать радио, когда родители думали, что они спят. Дети могли брать радиоприемники в общественные бассейны и слушать радио, когда выходили из воды, прикрепляя заземляющий провод к сетчатому забору, окружающему бассейн. Ракетное радио также использовалось в качестве аварийного радио, поскольку для него не требовались ни батарейки, ни розетка переменного тока.
Ракетное радио было доступно в нескольких типах ракет, а также в других стилях, имеющих ту же базовую схему. [38]
В то время стали доступны транзисторные радиоприемники , но они были дорогими. Как только эти радиоприемники упали в цене, популярность ракетного радио упала.
Хотя она так и не обрела ту популярность и широкое распространение, которыми пользовалась в начале своего существования, кварцевая радиосхема все еще используется. Бойскауты включили строительство радиоприемника в свою программу с 1920-х годов . В 1950-х и 1960-х годах можно было найти большое количество сборных новинок и простых комплектов, и многие дети, интересующиеся электроникой, построили их.
Создание кристаллических радиоприемников было повальным увлечением в 1920-х, а затем и в 1950-х годах. Недавно любители начали проектировать и создавать образцы первых инструментов. Много усилий уходит на внешний вид этих наборов, а также на их производительность. Ежегодные конкурсы кристаллического радио «DX» (прием на большие расстояния) и конкурсы по строительству позволяют владельцам телевизоров соревноваться друг с другом и формировать сообщество по интересам к этому предмету.
Кристаллическое радио можно рассматривать как радиоприемник, уменьшенный до минимума. [3] [39] Он состоит как минимум из следующих компонентов: [22] [40] [41]
Поскольку у кристаллического радиоприемника нет источника питания, звуковая мощность, создаваемая наушниками, исходит исключительно от передатчика принимаемой радиостанции через радиоволны, улавливаемые антенной. [3] Мощность, доступная приемной антенне, уменьшается пропорционально квадрату ее расстояния от радиопередатчика . [46] Даже для мощной коммерческой радиовещательной станции , если она находится на расстоянии более нескольких миль от приемника, мощность, принимаемая антенной, очень мала и обычно измеряется в микроваттах или нановаттах . [3] В современных кристаллах можно услышать сигналы мощностью до 50 пиковатт на антенне. [47] Кристаллические радиоприемники могут принимать столь слабые сигналы без использования усиления только благодаря большой чувствительности человеческого слуха , [3] [48] который способен улавливать звуки интенсивностью всего лишь 10 −16 Вт /см 2 . [49] Поэтому кристаллические приемники должны быть спроектированы так, чтобы максимально эффективно преобразовывать энергию радиоволн в звуковые волны. Несмотря на это, они обычно способны принимать станции только на расстоянии около 25 миль для радиовещательных станций AM , [50] [51] , хотя радиотелеграфные сигналы, используемые в эпоху беспроводной телеграфии , можно было принимать на расстоянии сотен миль, [51] и В тот период кристаллические приёмники даже использовались для трансокеанской связи. [52]
Разработка коммерческих пассивных приемников была прекращена с появлением надежных электронных ламп примерно в 1920 году, и последующие исследования кристаллического радиоприемника проводились в основном радиолюбителями и любителями. [53] Было использовано множество различных схем. [2] [54] [55] В следующих разделах более подробно рассматриваются части кристаллического радиоприемника.
Антенна преобразует энергию электромагнитных радиоволн в переменный электрический ток в антенне, которая подключена к настроечной катушке. Поскольку в кристаллическом радиоприемнике вся мощность поступает от антенны, важно, чтобы антенна собирала как можно больше мощности радиоволн. Чем больше антенна, тем больше энергии она может перехватить. Антенны того типа, который обычно используется с наборами кристаллов, наиболее эффективны, когда их длина близка к кратной четверти длины волны принимаемых ими радиоволн. Поскольку длина волн, используемых в кристаллических радиоприемниках, очень велика ( волны диапазона AM-вещания составляют 182–566 м или 597–1857 футов в длину) [56] антенна изготавливается как можно длиннее [57] из длинного провода. , в отличие от штыревых антенн или ферритовых петлевых антенн , используемых в современных радиоприемниках.
Серьезные любители кристаллического радио используют антенны типа «перевернутые L» и «T» , состоящие из сотен футов провода, подвешенного как можно выше между зданиями или деревьями, с питающим проводом, прикрепленным в центре или на одном конце, ведущим вниз к приемнику. . [58] [59] Однако чаще всего используются провода произвольной длины, свисающие из окон. В первые дни (особенно среди жильцов квартир) популярной практикой было использование существующих крупных металлических предметов, таких как пружины кроватей , [14] пожарные лестницы и заборы из колючей проволоки в качестве антенн. [51] [60] [61]
Проволочные антенны, используемые с кварцевыми приемниками, представляют собой несимметричные антенны , которые развивают свое выходное напряжение относительно земли. Таким образом, приемник требует подключения к земле (земле) в качестве обратной цепи для тока. Заземляющий провод крепился к радиатору, водопроводной трубе или металлическому столбу, вбитому в землю. [62] [63] Раньше, если не удавалось обеспечить адекватное заземление, иногда использовался противовес . [64] [65] Хорошее заземление более важно для наборов кристаллов, чем для приемников с питанием, поскольку наборы кристаллов спроектированы так, чтобы иметь низкий входной импеданс , необходимый для эффективной передачи мощности от антенны. Необходимо подключение заземления с низким сопротивлением (желательно ниже 25 Ом), поскольку любое сопротивление земли снижает доступную мощность антенны. [57] Напротив, современные приемники представляют собой устройства, управляемые напряжением, с высоким входным сопротивлением, следовательно, в цепи антенны/земли течет небольшой ток. Кроме того, приемники с питанием от сети должным образом заземляются через шнуры питания, которые, в свою очередь, подключаются к земле посредством надежного заземления.
Настроенный контур , состоящий из соединенных вместе катушки и конденсатора , действует как резонатор , аналогичный камертону. [66] Электрический заряд, индуцированный в антенне радиоволнами, быстро течет взад и вперед между обкладками конденсатора через катушку. Схема имеет высокий импеданс на желаемой частоте радиосигнала, но низкий импеданс на всех остальных частотах. [67] Следовательно, сигналы нежелательных частот проходят через настроенную схему на землю, в то время как желаемая частота вместо этого передается на детектор (диод), стимулирует наушник и слышен. Частота принимаемой станции представляет собой резонансную частоту f настроенного контура, определяемую емкостью C конденсатора и индуктивностью L катушки: [68]
Цепь можно настроить на разные частоты, изменяя индуктивность (L), емкость (C) или и то, и другое, «настраивая» схему на частоты разных радиостанций. [1] В самых дешевых комплектах индуктор делался переменным посредством пружинного контакта, прижимающегося к обмоткам, которые могли скользить вдоль катушки, тем самым вводя в цепь большее или меньшее количество витков катушки, изменяя индуктивность . Альтернативно для настройки схемы используется переменный конденсатор . [69] В некоторых современных наборах кристаллов используется настроечная катушка с ферритовым сердечником , в которой ферритовый магнитный сердечник перемещается в катушку и из нее, тем самым изменяя индуктивность за счет изменения магнитной проницаемости (это устраняет менее надежный механический контакт). [70]
Антенна является неотъемлемой частью настроенной схемы, и ее реактивное сопротивление способствует определению резонансной частоты схемы. Антенны обычно действуют как емкость , поскольку антенны длиной менее четверти волны обладают емкостным реактивным сопротивлением . [57] Многие ранние наборы кристаллов не имели подстроечного конденсатора, [71] и вместо этого полагались на емкость, присущую проволочной антенне (в дополнение к значительной паразитной емкости в катушке [72] ), чтобы сформировать настроенную цепь с катушкой. .
Самые ранние кварцевые приемники вообще не имели настроенной схемы и просто состояли из кварцевого детектора, подключенного между антенной и землей, с наушником, подключенным к нему. [1] [71] Поскольку в этой схеме отсутствовали какие-либо частотно-селективные элементы, кроме широкого резонанса антенны, у нее было мало возможностей отклонять нежелательные станции, поэтому все станции в широком диапазоне частот были слышны в наушниках [53] ( на практике самый мощный обычно заглушает остальных). Он использовался на заре радио, когда только одна или две станции находились в пределах ограниченного диапазона действия кристалла.
Важным принципом, используемым в конструкции радиоприемника для передачи максимальной мощности на наушники, является согласование импеданса . [53] [73] Максимальная мощность передается от одной части цепи к другой, когда полное сопротивление одной цепи является комплексно-сопряженным сопротивлением другой; это означает, что две цепи должны иметь одинаковое сопротивление. [1] [74] [75] Однако в наборах кристаллов сопротивление системы антенна-земля (около 10–200 Ом [57] ) обычно ниже, чем сопротивление настроенной цепи приемника (тысячи Ом при резонансе). ), [76] , а также варьируется в зависимости от качества наземной привязки, длины антенны и частоты, на которую настроен приемник. [47]
Следовательно, в улучшенных схемах приемника, чтобы согласовать полное сопротивление антенны с сопротивлением приемника, антенна подключалась только через часть витков настроечной катушки. [68] [71] Это заставило катушку настройки действовать как трансформатор согласования импеданса (при подключении автотрансформатора ), а также выполнять функцию настройки. Низкое сопротивление антенны было увеличено (преобразовано) в коэффициент, равный квадрату соотношения витков (отношению числа витков, к которым была подключена антенна, к общему числу витков катушки), чтобы согласовать сопротивление на настроенная схема. [75] В схеме «двухползунков», популярной в эпоху беспроводной связи, и антенна, и схема детектора были прикреплены к катушке с помощью скользящих контактов, что позволяло (интерактивно) [77] регулировать как резонансную частоту, так и витки. соотношение. [78] [79] [80] В качестве альтернативы для выбора отводов на катушке использовался многопозиционный переключатель. Эти элементы управления настраивались до тех пор, пока станция не звучала в наушниках максимально громко.
Одним из недостатков наборов резонаторов является то, что они уязвимы к помехам от станций, близких по частоте к нужной станции. [2] [4] [47] Часто одновременно слышны две или более станции. Это связано с тем, что простая настроенная схема плохо подавляет близлежащие сигналы; он позволяет проходить широкой полосе частот, то есть имеет большую полосу пропускания (низкую добротность ) по сравнению с современными приемниками, что придает приемнику низкую избирательность . [4]
Кварцевый детектор усугубил проблему, поскольку он имеет относительно низкое сопротивление , поэтому он «нагружает» настроенную цепь, потребляя значительный ток и, таким образом, гася колебания, уменьшая его добротность, чтобы он мог работать в более широком диапазоне частот. [47] [81] Во многих схемах селективность была улучшена за счет подключения детектора и цепи наушников к отводу лишь на части витков катушки. [53] Это уменьшило нагрузку по сопротивлению настроенной схемы, а также улучшило согласование импеданса с детектором. [53]
В более сложных кварцевых приемниках настроечная катушка заменяется регулируемым трансформатором связи с антенной с воздушным сердечником [1] [53] , который улучшает селективность с помощью метода, называемого слабой связью . [71] [80] [82] Он состоит из двух магнитно связанных катушек провода, одна ( первичная ) прикреплена к антенне и земле, а другая (вторичная ) прикреплена к остальной части цепи. Ток от антенны создает переменное магнитное поле в первичной катушке, которое индуцирует ток во вторичной катушке, который затем выпрямляется и питает наушники. Каждая из катушек функционирует как настроенная цепь ; первичная катушка резонировала с емкостью антенны (или иногда другого конденсатора), а вторичная катушка резонировала с настроечным конденсатором. И первичный, и вторичный были настроены на частоту станции. Две цепи взаимодействовали, образуя резонансный трансформатор .
Уменьшение связи между катушками путем физического разделения их так, чтобы меньшая часть магнитного поля одной пересекала другую, уменьшает взаимную индуктивность , сужает полосу пропускания и приводит к гораздо более точной и избирательной настройке, чем та, которая производится с помощью одной настроенной цепи. . [71] [83] Однако более слабая связь также снизила мощность сигнала, передаваемого во вторую цепь. Трансформатор был изготовлен с регулируемой связью, чтобы позволить слушателю экспериментировать с различными настройками для достижения наилучшего приема.
Одна конструкция, распространенная в первые дни, называемая «свободной муфтой», состояла из вторичной катушки меньшего размера внутри первичной катушки большего размера. [53] [84] Меньшая катушка была установлена на стойке , чтобы ее можно было линейно вдвигать в большую катушку или вынимать из нее. Если возникнут радиопомехи, меньшая катушка будет выдвинута дальше от большей, ослабляя связь, сужая полосу пропускания и тем самым подавляя мешающий сигнал.
Трансформатор антенной связи также функционировал как трансформатор согласования импеданса , что позволяло лучше согласовывать импеданс антенны с остальной частью схемы. Одна или обе катушки обычно имели несколько отводов, которые можно было выбирать с помощью переключателя, что позволяло регулировать количество витков этого трансформатора и, следовательно, «коэффициент трансформации».
Соединительные трансформаторы было трудно регулировать, поскольку все три регулировки: настройка первичной цепи, настройка вторичной цепи и соединение катушек - были интерактивными, и изменение одной влияло на другие. [85]
Кварцевый детектор демодулирует радиочастотный сигнал, извлекая модуляцию ( аудиосигнал , который представляет собой звуковые волны) из несущей радиочастотной волны . В ранних приемниках часто использовался кристаллический детектор « детектор кошачьих усов ». [44] [88] Точка контакта между проводом и кристаллом действовала как полупроводниковый диод . Детектор кошачьих усов представлял собой грубый диод Шоттки , который позволял току лучше течь в одном направлении, чем в противоположном. [89] [90] В современных наборах кристаллов используются современные полупроводниковые диоды . [81] Кристалл действует как детектор огибающей , преобразуя радиосигнал переменного тока в пульсирующий постоянный ток , пики которого отслеживают аудиосигнал, поэтому его можно преобразовать в звук с помощью наушников, подключенных к детектору. . [22] [ проверка не удалась ] [87] [ проверка не удалась ] Выпрямленный ток от детектора содержит в себе радиочастотные импульсы несущей частоты, которые блокируются высоким индуктивным сопротивлением и плохо проходят через катушки раннего выпуска. наушники. Следовательно, между разъемами наушников часто размещается небольшой конденсатор , называемый байпасным конденсатором ; его низкое реактивное сопротивление на радиочастоте позволяет обходить эти импульсы вокруг наушников и заземлять. [91] В некоторых комплектах шнур наушников имел достаточную емкость, поэтому этот компонент можно было не использовать. [71]
Только определенные участки поверхности кристалла выполняли функции выпрямляющих контактов, и устройство было очень чувствительно к давлению контакта кристалл-проволока, который мог быть нарушен малейшей вибрацией. [6] [92] Таким образом, перед каждым использованием приходилось находить подходящую точку контакта методом проб и ошибок. Оператор тащил провод по поверхности кристалла до тех пор, пока в наушниках не раздавались звуки радиостанции или «статические» звуки. [93] Альтернативно, некоторые радиоприемники (схема справа) использовали зуммер с батарейным питанием , подключенный к входной цепи для настройки детектора. [93] Искра на электрических контактах зуммера служила слабым источником статического электричества, поэтому, когда детектор начал работать, жужжание можно было услышать в наушниках. Затем зуммер выключился, и радио настроилось на нужную станцию.
Галенит (сульфид свинца) был наиболее распространенным кристаллом, [80] [92] [94] , но также использовались различные другие типы кристаллов, наиболее распространенными из которых являются железный пирит (золото дураков, FeS 2 ), кремний , молибденит (MoS 2 ), карбид кремния (карборунд, SiC) и соединение цинкит - борнит (ZnO-Cu 5 FeS 4 ) кристалл-кристалл под торговым названием Перикон . [48] [95] Кристаллические радиоприемники также изготавливались из различных обычных предметов, таких как бритвенные лезвия из синей стали и графитовые карандаши , [48] [96] ржавые иглы, [97] и монеты [48] . Полупроводниковый слой оксида или сульфида на поверхности металла обычно отвечает за выпрямляющее действие. [48]
В современных комплектах в качестве детектора используется полупроводниковый диод , который значительно надежнее кристаллического детектора и не требует настройки. [48] [81] [98] Германиевые диоды (или иногда диоды Шоттки ) используются вместо кремниевых диодов, поскольку их более низкое прямое падение напряжения (примерно 0,3 В по сравнению с 0,6 В [99] ) делает их более чувствительными. [81] [100]
Все полупроводниковые детекторы в кварцевых приемниках работают довольно неэффективно, поскольку низкое входное напряжение на детекторе слишком низкое, чтобы привести к большой разнице между прямым лучшим направлением проводимости и обратным, более слабым направлением проводимости. Чтобы улучшить чувствительность некоторых ранних кристаллических детекторов, таких как карбид кремния, к детектору прикладывалось небольшое напряжение прямого смещения с помощью батареи и потенциометра . [101] [102] [103] Смещение перемещает рабочую точку диода выше на кривой обнаружения, создавая большее напряжение сигнала за счет меньшего тока сигнала (более высокий импеданс). Существует предел получаемой от этого выгоды, зависящий от других импедансов радиостанции. Эта улучшенная чувствительность была вызвана перемещением рабочей точки постоянного тока в более желательную рабочую точку напряжение-ток (импеданс) на ВАХ перехода . Батарея не питала радиостанцию, а лишь обеспечивала напряжение смещения, которое требовало небольшой мощности.
Требования к наушникам, используемым в наборах кристаллов, отличаются от наушников, используемых с современным аудиооборудованием. Они должны эффективно преобразовывать энергию электрического сигнала в звуковые волны, в то время как большинство современных наушников жертвуют эффективностью ради обеспечения высокой точности воспроизведения звука. [104] В ранних самодельных комплектах наушники были самым дорогим компонентом. [105]
Первые наушники, использовавшиеся с кристаллическими наборами эпохи беспроводной связи, имели движущиеся железные драйверы , которые работали аналогично рупорным громкоговорителям того периода. Каждый наушник содержал постоянный магнит , вокруг которого была катушка с проволокой, образующая второй электромагнит . Оба магнитных полюса находились вблизи стальной диафрагмы динамика. Когда звуковой сигнал от радио проходил через обмотки электромагнита, в катушке возникал ток, который создавал переменное магнитное поле , которое увеличивало или уменьшало его из-за постоянного магнита. Это изменяло силу притяжения диафрагмы, заставляя ее вибрировать. Вибрации диафрагмы толкают и притягивают воздух перед ней, создавая звуковые волны. Стандартные наушники, используемые при работе по телефону, имели низкое сопротивление , часто 75 Ом, и требовали большего тока, чем мог обеспечить кварцевый радиоприемник. Поэтому тип, используемый в радиоприемниках с кристаллами (и другом чувствительном оборудовании), был намотан большим количеством витков более тонкого провода, что давало ему высокий импеданс 2000–8000 Ом. [106] [107] [108]
В современных наборах кристаллов используются наушники с пьезоэлектрическими кристаллами , которые гораздо более чувствительны и меньше по размеру. [104] Они состоят из пьезоэлектрического кристалла с прикрепленными к каждой стороне электродами, приклеенными к световой диафрагме. Когда на электроды подается звуковой сигнал от радиоприемника, он заставляет кристалл вибрировать, вызывая вибрацию диафрагмы. Наушники Crystal представляют собой вкладыши , которые вставляются непосредственно в ушной канал пользователя, более эффективно передавая звук на барабанную перепонку. Их сопротивление намного выше (обычно мегаом), поэтому они не сильно «нагружают» настроенную схему, что позволяет повысить избирательность приемника. Более высокое сопротивление пьезоэлектрического наушника вместе с его емкостью около 9 пФ создает фильтр , который пропускает низкие частоты, но блокирует более высокие частоты. [109] В этом случае обходной конденсатор не нужен (хотя на практике для улучшения качества часто используется небольшой конденсатор емкостью примерно от 0,68 до 1 нФ), вместо этого необходимо добавить резистор сопротивлением 10–100 кОм параллельно с разъемом наушников. вход. [110]
Хотя малой мощности, вырабатываемой кварцевыми радиоприемниками, обычно недостаточно для управления громкоговорителем , в некоторых самодельных устройствах 1960-х годов использовался один из них с аудиотрансформатором, чтобы согласовать низкое сопротивление динамика с цепью. [111] Точно так же современные наушники с низким сопротивлением (8 Ом) не могут использоваться в неизмененном виде в наборах кристаллов, поскольку приемник не вырабатывает достаточный ток для их управления. Иногда их используют путем добавления аудиотрансформатора, чтобы согласовать их полное сопротивление с более высоким сопротивлением цепи возбуждающей антенны.
Кварцевый радиоприемник, настроенный на сильный местный передатчик, может использоваться в качестве источника питания для второго усиленного приемника удаленной станции, которую невозможно услышать без усиления. [112] : 122–123
Существует долгая история безуспешных попыток и непроверенных заявлений о восстановлении мощности самого носителя принимаемого сигнала. В обычных наборах кристаллов используются полуволновые выпрямители . Поскольку сигналы AM имеют коэффициент модуляции всего 30% по напряжению в пиках [ нужна ссылка ] , не более 9% мощности принятого сигнала ( ) составляет фактическая аудиоинформация, а 91% — это просто выпрямленное напряжение постоянного тока. <коррекция> Значение 30% является стандартом, используемым для тестирования радиосвязи, и основано на среднем коэффициенте модуляции речи. Правильно спроектированные и управляемые AM-передатчики могут работать со 100% модуляцией на пиках, не вызывая искажений или «разбрызгивания» (избыточной энергии боковой полосы, которая излучается за пределы предполагаемой полосы пропускания сигнала). Учитывая, что аудиосигнал вряд ли будет постоянно на пике, соотношение энергии на практике еще больше. Значительные усилия были предприняты для преобразования этого напряжения постоянного тока в звуковую энергию. Некоторые более ранние попытки включают однотранзисторный усилитель [113] в 1966 году. Иногда попытки восстановить эту мощность путают с другими попытками обеспечить более эффективное обнаружение. [114] Эта история продолжается и в настоящее время с такими сложными конструкциями, как «инвертированный двухволновой импульсный блок питания». [112] : 129
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )