Предлагаю вам работу ученицы нашего интерната. Эта работа была отмечена дипломом первой степени конференции "Шаг в будущее", а также на интернет-конференции с представителями Технологического университета (г. Цукуба, Япония), Чуньчханьского университета (КНР) и Технологического университета NTID (г. Рочестер, США). Кроме исследовательской деятельности Арина в составе полярной экспедиции под руководством Дмитрия Шпаро на лыжах достигла Северного Полюса. Окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Печатается с сокращениями, сохранена нумерация рисунков.
Детекторный приёмник с кристаллическим детектором и наушниками был долгое время самым распространённым радиоприёмным устройством благодаря своей простоте и дешевизне. Детекторный приём - это целая эпоха в истории развития радиотехники. Главным преимуществом этого приёмника является то, что он не требует источника электрического тока. Популярности детекторного приёмника могли бы позавидовать современные приёмники[3] Так, например, в конце 20-х годов в Москве была джазовая тусовка, меломаны делали детекторные приёмники и слушали прямые трансляции концертов из Лондона. Но самое главное, что эти простейшие приёмники, благодаря многочисленным публикациям, повторили десятки тысяч энтузиастов. Это позволило радиофицировать такую огромную страну, как СССР.
В 1949 году стоимость самого детекторного приёмника составляла 52...56 рублей, электромагнитных наушников 18 руб. 40 коп, а пьезоэлектрических - 28 руб. Дешёвый ламповый батарейный приёмник "Родина" стоил почти в шесть раз дороже детекторного приёмника. При этом слушательская плата за детекторный приёмник составляла 5 руб. в год, то есть в 7 раз меньше, чем за ламповый радиоприёмник. Для сравнения, в этот период времени заработная плата в нашей стране начинающего научного сотрудника составляла 1050 рублей, а молодого инженера на заводе - 800 руб.
Детекторный радиоприёмник в XXI веке, естественно, не может конкурировать с современными приёмными устройствами на микросхемах. Однако, сам процесс его создания и последующее прослушивание на него радиопередач может доставить не меньше положительных эмоций радиолюбителю, чем во время конструирования современных радиолюбительских приёмников, а во многих случаях даже больше. В настоящее время существуют Интернет – сообщества [4], где обсуждаются конструкции детекторных приёмников. Кроме того проводятся международные соревнования по радиоприёму на детекторные приёмники.
3. Схемотехника детекторных приёмников.
Дадим определение детекторного приёмника: это приемник, работающий за счет энергии радиоволн и не имеющий усилителя и предназначенный для приёма амплитудно модулированных сигналов. Схема детекторного приёмника состоит всего из нескольких деталей (рис. 3)
Сигнал наведённый в антенне поступает на колебательный контур, состоящий из катушки L1 и конденсатора С1. На резонансной частоте контур имеет высокое сопротивление, а на других частотах – низкое. Поэтому не детектор поступает только сигнал, соответствующий резонансной частоте, а другие – «замыкаются» на землю. Диод VD1 демодулирует сигнал, при этом колебания несущей частоты через конденсатор С2, представляющий для них малое сопротивление, «замыкаются» на землю, а низкочастотный сигнал проходит через наушники НР и преобразуется в акустические колебания.
Но этой схеме присущь ряд недостатков. Основным недостатком является то, что входное сопротивление демодулятора в несколько раз ниже, чем сопротивление колебательного контура на резонансной частоте. Ненагруженный колебательный контур имеет полосу пропускания порядка 40кГц, что позволяет уверенно выделять полезный сигнал (красная кривая на рис. 4).
При подключении диода добротность контура падает и полоса пропускания расширяется до 100-150 кГц. И в полосу пропускания попадает уже не одна радиостанция, а две. Для того, чтобы не нагружать контур детектором, диод подключают к отводу катушки или используют катушку связи (рис. 5).
Но в этом случае напряжение, подаваемое на детектор, меньше напряжения, возбуждаемого в контуре, во столько раз, во сколько число витков катушки связи меньше количества витков катушки контура. Обычно в этом случае напряжение, подаваемое на детектор составляет 0,1-0,2 напряжения на входном контуре. Во столько же раз снижается громкость приёма. При использовании в детекторе одного диода используется энергия одного полупериода сигнала.
Для увеличения коэффициента передачи детектора применяют различные схемы детектирования. Известны следующие схемы: двухполупериодные, двухполупериодные с удвоением напряжения, двухполупериодные мостиковые и другие. Двухполупериодная или двухтактная схема детектирования в приёмнике может быть построена по-разному. Наиболее известная схема детекторного приёмника, в которой резонансный контур связан индуктивно с детекторной цепью, посредством катушки имеющий отвод от середины, рис.6. Количество витков катушки связи L2 должно быть в 1,5....2 раза больше, чем контурной катушки L1. В этой схеме колебания одного полупериода проходят через диод VD1, а другого - через диод VD2, в результате этого колебания звуковой частоты приходят в наушник BF1 с одинаковой полярностью.
Улучшить селективность детекторного приёмника можно за счёт увеличения количества и добротности резонансных контуров, включаемых между антенной и детектором. При этом надо иметь в виду, что с увеличением числа контуров, происходит ослабление полезного сигнала. На практике обычно ограничиваются двумя настраиваемыми резонансными контурами. На рис. 8 представлена схема приёмника с двухконтурным полосовым фильтром. В двухконтурных детекторных приёмниках чаще всего используется трансформаторная или ёмкостная связь, а в высококачественных приёмниках отдается предпочтение комбинированной связи между контурами
Выбор диодов для детекторного приёмника обусловлен минимизацией потерь, которые прямо пропорциональны сопротивлению диодов в прямом направлении и обратно пропорциональны сопротивлению диода в обратом направлении. Так как у нас имеется достаточно большая номенклатура диодов и транзисторов, а решила провести небольшое исследование: измерить их параметры. Результаты измерения и внешний вид диодов приведены на рис. 9.
Измерения проводились цифровым мультиметром MV63.
Для экспериментов я собрала детекторный приёмник по схеме, приведённой на рис 10. Я собрала его методом навесного монтажа. В качестве катушки я использовала однослойную катушку диаметром 50мм, каркасом которой служил отрезок фановой трубы длинной 140 мм. Катушка намотана проводом ПЭЛ 1,0 в один слой, виток к витку и содержит 42+18+20 витков. Её индуктивность составила 130 мкГн (измерено прибором MASTECH MY6243).
Вторая тип катушки намотана на бумажной гильзе диаметром 9мм, в которую с трением мог вдвигаться ферритовый стержень диаметром 8мм и длинной 200мм из феррита 600НН. Катушка намотана литцендратом ЛЕШО 0,7х7 (рис. 11.) в один слой и содержит три секции по 20 витков. Индуктивность катушки без сердечника - 30мкГн, а с полностью введенным сердечником – 249мкГн.
Обычно для прослушивания радиопередач на детекторном приёмнике используют высокоомные головные телефоны типа ТОН – 2, которые имеют высокое сопротивление (2500 Ом при последовательном включении) и не шунтируют колебательный контур. Но они сильно искажают низкочастотный сигнал и имеют низкий КПД (из-за металлической мембраны). Они особенно малоэффективны при работе на низких частотах, из-за жесткой мембраны не работают на высоких звуковых частотах. Рабочий диапазон частот наушников 300-3500 Гц. Получить качественный звук в этом случае просто невозможно. Хорошее качество звука дают электродинаимческие телефоны и громкоговорители, но они имею низкое сопротивление (32 – 4 Ом) и при их непосредственном подключении сильно шунтируют контур и уровень сигнала резко падает.
Для того, чтобы согласовать высокое выходное сопротивление детектора и низкое сопротивление наушников, я решила применить трансформатор. У нас в «Сколково» нашёлся трансформатор от старого телевизора типа ТВК. Его первичную обмотку я присоединила к выходу детектора, а к вторичной подключила наушники. Всё работало превосходно, но размер ТВК был уж очень велик по сравнению с другими деталями.
Поэтому я решила изготовить самодельный трансформатор. Для него я взяла Ш-образный ферритовый сердечник из феррита 2000НМ. Первичная обмотка содержала 1200 вит провода ПЭВ-0,1, а вторичная – 60вит. провода ПЭВ-0,25. Внешний вид трансформаторов приведён на рис.13.
Внешний вид экспериментально приемника приведён на рис. 14. На этом макете я проверила диапазон частот, которые я могла принимать с разными катушками. Оказалось, что я правильно рассчитала количество витков катушек и при изменении ёмкости переменного конденсатора от максимальной до минимальной перекрывался диапазон от 550 до 1300 кГц, т.е. почти полностью перекрывался диапазон средних волн. Источником сигнала служил генератор Г4-102, а индикатором – цифровой осциллограф PDS 6062T, который я подключала к вторичной обмотке трансформатора, параллельно наушникам
Вечером я сумела принять на этот приёмник следующие станции:
- «Народное радио» на русском языке, частота 612 кГц;
- «Всемирная радиосеть» на русском языке, частота 738 кГц;
- «Голос Америки» на английском языке, частота 810 кГц;
- «РТВ» на русском языке, частота 846 кГц;
- «Радио Свобода» на русском языке, частота 1044 кГц;
- Религиозная радиостанция на русском языке, частота 1134 кГц;
Частота работы радиостанций определялась путем одновременного приема их на трансивер FT857, любезно предоставленный мне руководителем. Для приема использовалась антенна "Длинный провод" длинной 40 м, растянутой между корпусами нашего интерната.
Затем я приступила к измерению уровня сигнала НЧ при использовании разных диодов. По литературным данным [6,7] наиболее пригодными должны были быть диоды с наименьшим прямым сопротивлением, т.е., в моём случае, германиевые диоды типа Д311. Но эксперименты показали, что не всё так однозначно. Данные, полученные мной, приведены в таблице 1.
Как оказалось, большинство кремниевых диодов давали чуть более худший результат, чем Д311. Однако рекордсменами оказались кремниевый диод КД103 свехбыстрый выпрямительный диод с барьером Шоттки SF16, хотя другой диод с барьером Шоттки – выпрямительный сильноточный IN2822 – показал противоположный результат.
Кроме промышленных изделий мне очень хотелось попробовать использовать в качестве диода кристалл природного галенита. В принципе я готова была и сама изготовить такой кристалл путём сплавления серы и свинцовых стружек. Галенит (свинцовый блеск)— это сульфид свинца(II), представляющее собой кристаллическое соединение с окраской от сине-серого до серебристо-серой. Кусок породы с очень красивыми кристаллами галенита (рис. 15) нашёлся в коллекции минералов кабинета химии. Мне не только разрешили сфотографировать его, но и отколоть кусочек.
Конструкция кристаллического детектора была описана в [2]. Хотя она достаточно проста, но для первого раза я ещё более упростила её. Я взяла кристалл галенита и обернула его с одной стороны фольгой. Под фольгу я подложила зачищенный конец многожильного монтажного провода (рис. 16).
Другой частью моего детектора была пружинка, которую я свернула из отрезка стальной гитарной струны. Кончик проволоки, который должен был соприкасаться с кристаллом, я постаралась заострить на точильном бруске, но, судя по рис. 17, мне это не очень-то удалось.
Чтобы исключить влияние своего тела на работу приёмника, я сложила полоску бумаги и таким образом сделала простейший держатель. Подключив один вывод детектора к колебательному контуру, а другой к трансформатору я надела наушники и с трепетом прикоснулась проволочкой к кристаллу. Предварительно я настроила приёмник на самую громкую станцию диапазона – «Радио Свобода». И, о чудо, я услышала треск и слабые сигналы станции. Я стала водить проволочкой к кристаллу, и вдруг услышала громкий, чистый сигнал. Осциллограф показал амплитуду сигнала почти в два раза больше, чем с самым лучшим диодом – почти 100мВ! Хотя я и читала, что кристалл может работать не только как детектор, но и как усилитель, не верилось, что у меня получится.
Я не только измеряла напряжение низкочастотного сигнала, но и записывала сигнал на компьютер, подсоединив параллельно наушникам микрофонный вход звуковой карты компьютера. Для записи я использовала свободно распространяемую программу Power Sound Editor Free. На рисунке 18 представлен скриншот окна программы, видна панель выбора параметров записи (битрейт, моно/стерео). Запись осуществляется в файл формата wave
5. Результаты проекта.
Подводя первые итоги моего проекта я могу сделать следующие выводы:
- детекторные приёмники это не анахронизм, а интересная область для исследования, тем более, что множество людей в мире до сих пор собирают детекторные приёмники;
- сборка детекторного приёмника позволяет проще усвоить основы радиотехники и такие приёмники непременно должны собираться на лабораторных работах по физике;
- мне удалось собрать детекторный приёмник, работающий в диапазоне средних волн и успешно использовать для приёма радиостанций, работающих в московском регионе (из 8-ми радиостанций мне удалось принять шесть);
- проведённые исследования эффективности работы диодов разных типов в детекторе позволили сделать вывод о том, что прямое сопротивление диода не имеет большого значения при работе детектора на высокоомную нагрузку, а наиболее эффективными являются сверхбыстрые диоды с барьером Шоттки;
- удалось опробовать детектор, выполненный на основе кристалла галенита, убедиться в его работоспособности и возможности усиления с помощью него;
- я сделала запись работы различный радиостанций, в том числе с детектором на кристалле галенита, которые продемонстрирую при защите.
Я предполагаю продолжить свою работу и за оставшееся до конференции время провести сравнительное испытание однотактного и двухтактного детекторов, а также попробовать сделать усилитель для детекторного приёмника, питающийся за счёт энергии радиоволн, в том числе с использованием микромощных интегральных усилителей. Также мне хочется собрать малогабаритный детекторный приёмник.
Ну и несколько фотографий Интернет - конференции.
Всем здоровья и успехов!