Выше схема радиоприемника 1926 года. В те годы детекторные приемники уважительно назывались радиостанциями, иногда с уточнением "приемная радиостанция". Радиостанцию можно было купить (в стране был НЭП и расцвет частной инициативы), а также изготовить самостоятельно, купив или изготовив кристалл, катушку, конденсаторы, головные телефоны и пр. необходимые детали.
В схеме привлекает внимание интересная особенность, совершенно исчезнувшая из схем детекторных приемников, изготавливаемых в радиокружках при Домах пионеров в 60-е годы, когда в продаже уже появились полупроводниковые диоды, и никто уже не плавил в пробирке свинец с серой для получения кристалла галенита, на котором еще приходилось искать чувствительную точку, чтобы добиться приема местной станции.
Эпоха огромных наружных антенн, с высотой подвеса в несколько метров или даже 10-15 метров, и горизонтальной частью до полусотни метров, также ушла в прошлое, шансов поймать на детекторный приемник Берлин или Варшаву было мало. А ведь в начале прошлого века на детекторный приемник осуществлялась связь через Атлантику.
От детекторного каскада требовалось лишь одно - достаточно было в порядке самообразования убедиться в его работоспособности, а затем нарастить чувствительность приемника, добавляя до него каскады высокой частоты, а после - низкой, и добиваясь громкоговорящего приема на громкоговоритель.
А вот в 20-е годы из кристалла выжимали максимум возможного, для чего его рабочая точка смещалась подачей регулируемого напряжения, чему служили батарея питания и потенциометр. Наличие батареи питания переводило детекторный приемник в промежуточное положение между детектором без смещения и одноламповым приемником на триоде, требовавшем для работы уже 2 батарей - накала и анодной.
Ниже подробный разбор работы детектора со смещением; надеемся, что статья будет дочитана до конца, вряд ли этот материал удастся найти в подобном изложении в других источниках.
Ниже коллекция вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых диодов, идеальных и реальных с разной степенью приближения.
Рисунок а - ВАХ идеального диода, каких в природе не бывает. Полное пропускание в прямом направлении, и никакой проводимости в обратном. Такой диод работает идеально при любом сопротивлении нагрузки и любом входном напряжении, пропуская одну полуволну входного напряжения и отсекая другую (рисунок д на рисунке ниже).
На рисунке б ВАХ при обычно принимаемом условии, что диод обладает малым прямым сопротивлением Rпр, и большим обратным Rобр. Подобный диод (также нереализуемый в природе, но помогающий понять некоторые принципы работы детектора или выпрямителя), в сравнении с диодом а неполностью пропускает прямую полуволну, и частично пропускает обратную, что снижает его коэффициент передачи - отношение выпрямленного напряжения к входному (рисунок е).
Анализ показывает, что коэффициент передачи максимален, когда сопротивление нагрузки равно корню квадратному из произведения Rпр*Rобр. Так, при прямом сопротивлении диода 200 Ом и обратном 20 кОм оптимальным сопротивлением нагрузки являлись 2 кОм. Диодов с подобной ВАХ также не существует, но подобное представление позволяет пояснить необходимость подбора сопротивления нагрузки.
С подобным сталкивались конструкторы первых детекторных приемников, выбирая между низкоомными и высокоомными телефонами, а также выбирая способ соединения (параллельно, последовательно или параллельно-последовательно при возможности подключения к приемнику нескольких телефонов с целью расширения аудитории).
На рисунке в еще одна часто применяющаяся аппроксимация ВАХ полупроводниковых диодов. При прямом напряжении, меньшем некоторого напряжения отсечки (или порогового напряжения) Uотс, ток через диод отсутствует. При напряжении, большем Uотс, ток растет линейно. Напряжение отсечки германиевых диодов считается равным 0,15-0,20 В, кремниевых 0,6-0,8 В.
Подобный диод не реагирует на входные напряжения, по амплитуде меньшие напряжения отсечки, а при большем напряжении открывается лишь при мгновенных значениях напряжения, больших Uотс. Это приводит к тому, что импульсы тока через нагрузку сужаются в сравнении с выпрямлением по диодам с ВАЗ а и б, пример приведен на рисунке. Несмотря на то, что диодов с характеристиками, в точности соотвествующими ВАХ в, не существует, эта схема хорошо исследована теоретически и работа диода с отсечкой рассматривается во всех учебниках, как с методическими целями, так и как позволяющая с некоторым приближением описывать реальные схемы. На рисунке ж ток через диод с отсечкой.
ВАХ характеристика реального диода приведена на рисунке г, и выбрали мы в качестве примера не современные диоды промышленного производства, а детектор с парой цинкит-халькопирит. Такой детектор работает при любом подаваемом напряжении, но коэффициент передачи сильно зависит от величины подаваемого напряжения. Также, именно при подобной реальной ВАХ, имеется возможность увеличить коэффициент передачи (а тем самым чувствительность детекторного приемника) путем подачи на него напряжения смещения в прямом направлении.
Имеет смысл подробно разобрать работу реального диода в качестве детектора при разных режимах. Ниже характеристика диода Д9.
Прямая ветвь ВАХ диода Д9 хорошо аппроксимируется в диапазоне напряжений 0-0,3 В параболой (квадратичной зависимостью), где ток пропорционален квадрату напряжения. Это нижняя линия тренда, зеленая.
В диапазоне 0-0,35 В квадратичная интерполяция уже неудовлетворительна (верхняя красная линия тренда). Тем более, не удастся аппроксимировать (приблизить) ВАХ диода квадратичной зависимостью во всем диапазоне допустимых прямых напряжений (вплоть до максимально допустимого прямого тока).
Но на большом удалении от передающей станции напряжение на входе детектора составляет не более нескольких десятков милливольт, и квадратичная интерполяция оказывается очень удобной для теоретического рассмотрения, что и делается в учебниках. Подобное детектирование так и называется - квадратичное детектирование.
В отсутствие постоянного смещения выходное постоянное напряжение при выпрямлении пропорционально квадрату входного напряжения, т.е. чем слабее сигнал, тем он хуже воспринимается, притом отсутствует прямая пропорциональность, с чем еще можно было бы примириться; по сути, можно сказать, что квадратичное детектирование подавляет слабые сигналы.
В плане данной статьи для нас важно то, что при квадратичном детектировании (т.е. при детектировании в пределах квадратичного участка характеристики) смещение рабочей точки не приводит к увеличению коэффициента передачи, он остается неизменным и малым.
Так работает схема со смещением диода или нет? Работает, если отвлечься от идеализированных характеристик диодов и обратиться к реальным. Но работу реального диода для начала рассмотрим на более сложной аппроксимации его ВАХ, чем представленные выше.
Ниже эквивалентная схема полупроводникового диода (слева) и упрощенная схема для низких частот и постоянного напряжения (справа).
Упрощенная эквивалентная схема диода - последовательное соединение p-n-перехода и сопротивления. Ток через переход определяется напряжением на переходе, и отображается экспонентой (формулу можно всегда найти в справочных материалах). Ток через сопротивление прямо пропорционален приложенному к нему напряжению (согласно закону Ома). По эквивалентной схеме токи через переход и сопротивление равны, а напряжение на выводах диода равно сумме напряжений на переходе и сопротивлении, что позволяет построить ВАХ диода исходя из ВАХ перехода и сопротивления. Графики ниже.
Видно, что ВАХ диода при малых напряжениях (и токах) близка к ВАХ перехода, а затем, по мере увеличения напряжения, проходит параллельно ВАХ сопротивления базы, ниже ее.
Это и объясняет наличие на ВАХ точки с наибольшей чувствительностью. Рассмотрим график ниже.
Входное напряжение (зеленая синусоида) подается на диод. Ток через диод изменяется (красная линия). Если бы детектирование происходило на прямолинейном участке характеристики, выходное напряжение было бы синусоидальным, и его средняя линия бы не изменилась - детектирования бы не произошло; что с сигналом, что без сигнала, средний ток через диод не изменился бы.
Если же детектирование происходит на криволинейном участке характеристики, то в силу того, что крутизна характеристики на участках АВ и АС разная, синусоида искажается, амплитуда в одну сторону превышает амплитуду в другую, в итоге появляется небольшая постоянная составляющая Uвых.
Это и есть детектирование - сигнал обнаружен. Если передача ведется телеграфом, слышится щелчок в телефонах либо тональный сигнал. В случае телефонной передачи слышится аудиосигнал. При этом неизбежны искажения (называемые нелинейными), оттого при телефонной передаче и амплитудной модуляции глубина модуляции не может быть выбрана большой.
Итак, детектирование наступает, когда в рабочей точке меняется крутизна характеристики. Крутизна - это первая производная зависимости "ток-напряжение", а изменение крутизны - вторая производная. Мы вынуждены были воспользоваться терминами из высшей матматики, но большинство читателей наверняка с этими понятиями знакомились.
Если перейти к понятным аналогиям, и счесть, что ток - это путь, то первая производная - это скорость, а вторая - ускорение.
Видно, что вторая производная имеет максимум, штриховая линия отмечает соответствующее этому смещение на диоде. Перенеся это значение смещения на ВАХ диода (см. соответствующий рисунок), отмечаем наиболее выгодную рабочую точку (черный маркер).
Согласитесь, что визуально по графику эту точку выделить никак невозможно, необходим тщательный анализ ВАХ. А еще лучше - подбор тока смещения на практике, что и делали радиолюбители далеких 1920-х годов.
Теперь также становится понятным, отчего при квадратичной характеристике смещение не меняет чувствительности детектора. 1-я производная квадратичной ВАХ изменяется линейно, отсюда 2-я производная постоянна - экстремумы отсутствуют.
При этом наличию подобной точки ВАХ обязана сопротивлению базы. Если бы сопротивление базы было нулевым, ВАХ диода соответствовала бы ВАХ перехода, которая экспоненциальна. Экспоненциальная зависимость замечательна тем, что любая ее производная изменяется также по экспоненте (слово ЭКСПОНЕНТА теперь известно всем благодаря недавно появившемуся заболеванию), и чем больше ток смещения, тем выше коэффициент передачи.
Сопротивление базы спрямляет ВАХ на больших напряжениях и токах, и тогда 1-я производная стремится к постоянной величине, а 2-я к 0. В начале ВАХ 2-я производная также близка к нулю, отсюда неизбежен максимум на участке характеристики. Но он может быть недостижим на практике, если точка максимума в области недопустимых токов. Все определяла практика.
Имеющаяся и представленная выше ВАХ детекторной пары цинкит-халькопирит оцифрована, аппроксимирована и определена 2-я производная. Ее максимум оказался при напряжении 1,98 В.
В литературе пишется, что для пары сталь-карборунд напряжение смещения должно составлять, по разным источникам, 1 В или 1,3 В. Разброс понятен, поскольку каждый радиолюбитель изготавливает кристалл по своим понятиям, а приобретенный нередко раскалывает, что делает сопротивление базы совершенно непредсказуемой величиной с большим разбросом.
Казалось бы, все эти схемные ухищрения давно забыты с появлением усилительных каскадов на электронных лампах и транзисторах. Но вот современная схема на современных деталях. Есть еще энтузиасты.
Смещение диода через потенциометр R1 от батареи 1,5 В, и не может быть установлено выше 0,4 В , исходя из сопротивления телефона и резисторов делителя. Очевидно, для указанного диода этого достаточно. Регулировку рекомендуется делать вплоть до наилучшей громкости и отсутствия искажений.
