Un ricevitore radio di cristallo , chiamato anche set di cristalli o ricevitore a baffo di gatto , è un ricevitore radio molto semplice , molto diffuso nei primi anni della radio. Non ha bisogno di altre fonti di energia, ma riceve solo dalla potenza delle onde radio ricevute da un’antenna a filo . Prende il nome dal suo componente più importante, noto come un rivelatore di cristalli , originariamente costituito da un pezzo di minerale cristallino come la galena . [1] Questo componente è ora chiamato diodo .
Le radio di cristallo sono il tipo più semplice di ricevitore radio [2] e possono essere realizzate con poche parti economiche, come un cavo per un’antenna, una bobina di filo di rame per la regolazione, un condensatore, un rivelatore di cristalli e auricolari . [3] Le radio di cristallo sono distinte dalle normali radio in quanto sono ricevitori passivi , mentre altre radio usano una fonte separata di energia elettrica come una batteria o l’ alimentazione di rete per amplificare il debole segnale radio in modo da renderlo più forte. Pertanto, i set di cristalli producono un suono piuttosto debole e devono essere ascoltati con gli auricolari sensibili e possono ricevere solo stazioni entro un raggio limitato.[4]
La proprietà rettificante dei cristalli fu scoperta nel 1874 da Karl Ferdinand Braun , [5] [6] [7] e i rivelatori di cristalli furono sviluppati e applicati ai ricevitori radio nel 1894 da Jagadish Chandra Bose , [8] [9] nel 1904 da GW Pickard , [10] e altri. Le radio di cristallo erano il primo tipo di ricevitore radio ampiamente utilizzato, [11] e il tipo principale utilizzato durante l’ era della telegrafia wireless . [12]Venduto e fatto a mano da milioni di persone, la radio di cristallo economica e affidabile è stata una delle principali forze trainanti nell’introduzione della radio al pubblico, contribuendo allo sviluppo della radio come mezzo di intrattenimento con l’inizio delle trasmissioni radiofoniche intorno al 1920 [13].
Intorno al 1920, i set di cristalli furono sostituiti dai primi ricevitori amplificatori, che usarono tubi a vuoto , dopo di che i set di cristalli diventarono obsoleti per uso commerciale. [11] Hanno continuato ad essere costruiti da hobbisti, gruppi giovanili e Boy Scouts [14] principalmente come un modo per apprendere la tecnologia della radio. Oggi sono ancora venduti come dispositivi educativi, e ci sono gruppi di appassionati dedicati alla loro costruzione. [15] [16] [17] [18] [19]
Le radio a cristallo ricevono segnali AM ( modulated width) e possono essere progettate per ricevere quasi tutte le bande di frequenze radio , ma la maggior parte riceve la banda di trasmissione AM . [20] Alcuni ricevono bande a onde corte , ma sono richiesti segnali forti. I primi set di cristalli hanno ricevuto segnali di telegrafia wireless trasmessi da trasmettitori spark-gap a frequenze fino a 20 kHz. [21] [22]
Storia
La radio di cristallo è stata inventata da una lunga e parzialmente oscura catena di scoperte nel tardo XIX secolo che gradualmente si è evoluta in ricevitori radio sempre più pratici all’inizio del XX secolo. Il primo utilizzo pratico della radio di cristallo fu quello di ricevere i segnali radio del codice Morse trasmessi, dai trasmettitori spark-gap , dai primi sperimentatori di radioamatori . Come si è evoluta l’elettronica, la possibilità di inviare segnali vocali via radio ha causato un’esplosione tecnologica negli anni intorno al 1920 che si sono evoluti in radio di oggi broadcasting settore.
Primi anni
La prima radiotelegrafia utilizzava gli spinterometri e i trasmettitori ad arco così come gli alternatori ad alta frequenza funzionanti alle radiofrequenze . Il coherer era il primo mezzo per rilevare un segnale radio. Questi, tuttavia, mancava della sensibilità per rilevare i segnali deboli.
All’inizio del XX secolo, vari ricercatori hanno scoperto che alcuni minerali metallici , come la galena , potevano essere utilizzati per rilevare i segnali radio. [23] [24]
Bengali – Il fisico indiano Jagadish Chandra Bose fu il primo a usare un cristallo come rilevatore di onde radio, utilizzando i rivelatori di galena per ricevere le microonde a partire dal 1894. [25] Nel 1901, Bose presentò un brevetto USA per “Un dispositivo per rilevare le perturbazioni elettriche” che menzionava l’uso di un cristallo di galena; questo fu concesso nel 1904, n. 755840. [26] Il dispositivo dipendeva dalla grande variazione della conduttanza di un semiconduttore con la temperatura; oggi chiameremmo la sua invenzione un bolometro. [ citazione necessaria ] Il brevetto di Bose è spesso, ma erroneamente, citato come un tipo di rilevatore di raddrizzamento. Il 30 agosto 1906, Greenleaf Whittier Pickarddepositò un brevetto per un rivelatore di cristalli di silicio, che fu concesso il 20 novembre 1906. [27] Il rivelatore di Pickard fu rivoluzionario in quanto scoprì che un filo sottile appuntito noto come ” baffo di gatto “, in delicato contatto con un minerale, produceva il miglior effetto semiconduttore (quello della rettificazione ).
Un rilevatore di cristalli include un cristallo, uno speciale filo sottile che entra in contatto con il cristallo e il supporto che tiene in posizione quei componenti. Il cristallo più comune utilizzato è un piccolo pezzo di galena ; spesso veniva usata anche la pirite , poiché era un minerale più facilmente aggiustato e stabile, e abbastanza sufficiente per le intensità del segnale urbano. Anche molti altri minerali hanno funzionato bene come rivelatori. Un altro vantaggio dei cristalli era che potevano demodulare segnali modulati in ampiezza . [ citazione necessaria ] Questo dispositivo ha portato i radiotelefoni e la trasmissione vocalead un pubblico. Gli insiemi di cristalli rappresentavano un metodo economico e tecnologicamente semplice per ricevere questi segnali in un momento in cui l’industria dell’emittenza radiofonica embrionale stava iniziando a crescere.
Anni 1920 e 1930
Nel 1922 il (allora chiamato) US Bureau of Standards pubblicò una pubblicazione intitolata Costruzione e funzionamento di un semplice vestito di ricezione radio casalinga . [28] Questo articolo mostrava come quasi ogni famiglia che avesse un membro a portata di mano con semplici strumenti potesse fare una radio e sintonizzarsi sul tempo, i prezzi delle colture, il tempo, le notizie e l’opera. Questo progetto è stato significativo nel portare la radio al pubblico in generale. NBS lo ha seguito con una versione a due circuiti più selettiva, la costruzione e il funzionamento di un apparato di ricezione radio a due circuiti con rivelatore di cristalli , che è stato pubblicato lo stesso anno [29] ed è ancora frequentemente costruito dagli appassionati di oggi.
All’inizio del 20 ° secolo, la radio aveva scarso uso commerciale e la sperimentazione radiofonica era un hobby per molte persone. [30] Alcuni storici considerano l’autunno del 1920 l’inizio della trasmissione radiofonica commerciale a fini di intrattenimento. La stazione di Pittsburgh KDKA , di proprietà di Westinghouse , ha ricevuto la sua licenza dal Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti appena in tempo per trasmettere i ritorni alle elezioni presidenziali di Harding-Cox . Oltre a riferire su eventi speciali, le trasmissioni agli agricoltori dei rapporti sui prezzi delle colture erano un importante servizio pubblico agli albori della radio.
Nel 1921, le radio prodotte in fabbrica erano molto costose. Poiché le famiglie meno abbienti non potevano permettersi di possederne una, giornali e riviste portavano articoli su come costruire una radio di cristallo con articoli per la casa comuni. Per ridurre al minimo il costo, molti dei piani hanno suggerito di avvolgere la bobina di sintonizzazione su contenitori di cartone vuoto come scatole di farina d’avena, che sono diventate una base comune per le radio fatte in casa.
Crystodyne
Nei primi anni ’20 della Russia , Oleg Losev stava sperimentando l’applicazione di polarizzazioni di tensione a vari tipi di cristalli per la produzione di rivelatori radio. Il risultato è stato sorprendente: con un cristallo di zinco- te ( ossido di zinco ) ha ottenuto l’amplificazione. [31] [32] [33] Questo era un fenomeno di resistenza negativa , decenni prima dello sviluppo del diodo tunnel . Dopo i primi esperimenti, Losev ha costruito ricevitori rigenerativi e supereterodina e persino trasmettitori.
Un crystodyne potrebbe essere prodotto in condizioni primitive; può essere fatto in una fucina rurale, a differenza delle valvole a vuoto e dei moderni dispositivi a semiconduttore. Tuttavia, questa scoperta non è stata supportata dalle autorità e presto dimenticata; nessun dispositivo è stato prodotto in quantità di massa oltre a pochi esempi di ricerca.
“Radio Foxhole”
Oltre ai cristalli minerali, i rivestimenti di ossido di molte superfici metalliche fungono da semiconduttori (rivelatori) in grado di rettificare. Le radio di cristallo sono state improvvisate usando rivelatori fatti con chiodi arrugginiti, pennacchi corrosi e molti altri oggetti comuni.
Quando le truppe alleate furono fermate vicino ad Anzio, in Italia, durante la primavera del 1944, i ricevitori radio personali alimentati erano severamente proibiti in quanto i tedeschi disponevano di apparecchiature in grado di rilevare il segnale dell’oscillatore locale dei ricevitori supereterodina . I set di cristalli mancano di oscillatori locali pilotati dalla potenza, quindi non possono essere rilevati. Alcuni soldati pieni di risorse hanno costruito set di “cristalli” di materiali scartati per ascoltare notizie e musica. Un tipo usava una lama di rasoio di acciaio blu e un piombo a matitaper un rilevatore. Il punto di contatto che toccava il rivestimento di ossido semiconduttore (ruggine) sulla lama formava un diodo a punto di contatto grezzo. Regolando accuratamente il puntale a matita sulla superficie della lama, potrebbero trovare punti sensibili, di ossido di ferro, in grado di rettificare. Il piombo della matita è fatto di grafite e argilla e quindi inibirebbe l’ulteriore corrosione che risulterebbe se al suo posto venisse usato filo di rame o di ferro. Qualsiasi ulteriore corrosione nel punto di contatto rovinerebbe l’effetto diodo trovato in quel punto e sarebbe necessario un ulteriore aggiustamento. I set furono soprannominati “foxhole radio” dalla stampa popolare, e divennero parte del folclore della Seconda Guerra Mondiale .
In alcuni paesi occupati dalla Germania durante la seconda guerra mondiale ci furono diffuse confische di apparecchi radio dalla popolazione civile. Ciò ha portato gli ascoltatori determinati a costruire i propri “ricevitori clandestini”, che spesso ammontavano a poco più di un set di base di cristallo. Tuttavia, chiunque lo facesse rischiava la prigione o addirittura la morte se catturato, e in molte parti d’Europa i segnali della BBC (o di altre stazioni alleate) non erano abbastanza forti per essere ricevuti su un tale set.
Anni successivi
Sebbene non abbia mai riguadagnato la popolarità e l’uso generale di cui godeva all’inizio, il circuito radio di cristallo è ancora usato. I boy scout hanno mantenuto la costruzione di una radio nel loro programma sin dagli anni ’20. Un gran numero di articoli di novità prefabbricati e di kit semplici si potevano trovare negli anni ’50 e ’60, e molti bambini con un interesse per l’elettronica ne costruirono uno.
Costruire radio di cristallo era una mania negli anni ’20 e ancora negli anni ’50. Di recente, gli hobbysti hanno iniziato a progettare e creare esempi dei primi strumenti. Ci sono molti sforzi per l’aspetto visivo di questi set e per le loro prestazioni. I concorsi annuali “DX” per la radio di cristallo (ricezione a lunga distanza) ei concorsi di costruzione consentono a questi proprietari di concorsi di competere tra loro e formare una comunità di interesse per l’argomento.
Design
Una radio di cristallo può essere pensata come un ricevitore radio ridotto al suo essenziale. [3] [34] Consiste almeno di questi componenti: [20] [35] [36]
- Un’antenna in cui le correnti elettriche sono indotte dalle onde radio .
- Un circuito risonante ( circuito sintonizzato) che serve a selezionare la frequenza della stazione radio desiderata tra tutti i segnali radio ricevuti dall’antenna. Il circuito sintonizzato consiste in una bobina di filo (chiamato un induttore ) e un condensatore collegati insieme, in modo da creare un circuito che risuona alla frequenza della stazione desiderata, e quindi “sintonizzare” in quella stazione. Una o entrambe le bobine o condensatori sono regolabili, consentendo di sintonizzare il circuito su frequenze diverse. In alcuni circuiti non viene utilizzato un condensatore, poiché l’antenna funge anche da condensatore. Il circuito sintonizzato ha una frequenza di risonanzae consente alle onde radio a quella frequenza di passare al rilevatore, mentre respingono le onde a tutte le altre frequenze. Un tale circuito è anche noto come filtro passa-banda .
- Un cristallo semiconduttore ( rivelatore ) che demodula il segnale radio per ottenere il segnale audio ( modulazione ). Il rivelatore di cristalli è un’impedenza non lineare che funziona come un rivelatore di legge quadrato [ citazione necessaria ] . L’uscita del rilevatore viene convertita in suono dall’auricolare. I primi set utilizzavano un rilevatore di baffi di gatto , costituito da un filo sottile che toccava la superficie di un campione di minerale cristallino come la galena . È stato questo componente a dare il nome ai set di cristalli.
- Un auricolare per convertire il segnale audio in onde sonore in modo che possano essere ascoltati. La bassa potenza prodotta da un ricevitore di cristallo non è sufficiente per alimentare un altoparlante , quindi vengono utilizzati gli auricolari.
Poiché una radio di cristallo non ha alimentazione, la potenza sonora prodotta dall’auricolare proviene esclusivamente dal trasmettitore della stazione radio ricevuta, tramite le onde radio catturate dall’antenna. [3] La potenza disponibile per un’antenna ricevente diminuisce con il quadrato della sua distanza dal trasmettitore radio . [37] Anche per una potente emittentecommerciale , se è a più di poche miglia dal ricevitore, la potenza ricevuta dall’antenna è molto piccola, tipicamente misurata in microwatt o nanowatt . [3] Nei moderni set di cristallo, si possono udire segnali deboli come 50 picowatt sull’antenna.[38] radio cristallo può ricevere tali segnali deboli senza utilizzare amplificazione solo grazie alla grande sensibilità umanadell’udito , [3] [39] in grado di rilevare suoni con un’intensità di soli 10 -16 W / cm 2 . [40] Pertanto, i ricevitori di cristalli devono essere progettati per convertire l’energia dalle onde radio in onde sonore nel modo più efficiente possibile. Anche così, di solito sono in grado di ricevere stazioni solo a distanze di circa 25 miglia per lestazioni di trasmissione AM , [41] [42] anche se isegnali di radiotelegrafia utilizzati durante la telegrafia senza filil’era poteva essere ricevuta a centinaia di chilometri, [42] e i ricevitori di cristallo venivano persino usati per la comunicazione transoceanica durante quel periodo. [43]
Lo sviluppo commerciale del ricevitore passivo è stato abbandonato con l’avvento di affidabili tubi a vuoto intorno al 1920, e la successiva ricerca sulla radio di cristallo è stata effettuata principalmente da radioamatori e appassionati. [44] Sono stati usati molti circuiti diversi. [2] [45] [46] Le sezioni seguenti illustrano in dettaglio le parti di una radio di cristallo.
Antenna
L’antenna converte l’energia nelle onde radio elettromagnetiche in una corrente elettrica alternata nell’antenna, che è collegata alla bobina di sintonia. Dato che in una radio di cristallo tutta l’energia proviene dall’antenna, è importante che l’antenna raccolga più energia possibile dall’onda radio. Più grande è un’antenna, maggiore è la potenza che può intercettare. Le antenne del tipo comunemente usato con i set di cristalli sono più efficaci quando la loro lunghezza è vicina a un multiplo di una lunghezza d’ onda di un quarto delle onde radio che stanno ricevendo. Poiché la lunghezza delle onde utilizzate con le radio a cristalli è molto lunga (le onde di trasmissione AM sono lunghe 182-566 me lunghe 597-1857 piedi) [47]l’antenna è fatta il più a lungo possibile, [48] da un lungo filo, in contrasto con le antenne a frusta o le antenne ad anello di ferrite usate nelle radio moderne.
Gli appassionati di radio cristallo serie usano antenne “invertite L” e “T” , costituite da centinaia di metri di filo sospeso il più in alto possibile tra edifici o alberi, con un filo di alimentazione fissato al centro o ad un’estremità che conduce al ricevitore . [49] [50] Tuttavia, più spesso vengono utilizzate lunghezze casuali di fili che pendono dalle finestre. Una pratica popolare nei primi tempi (in particolare tra gli abitanti degli appartamenti) consisteva nell’usare antenne come grandi oggetti metallici, come le reti da letto , [14] le uscite di sicurezza e le recinzioni di filo spinato. [42] [51] [52]
Ground
Le antenne a filo utilizzate con ricevitori di cristallo sono antenne monopolari che sviluppano la loro tensione di uscita rispetto a terra. Il ricevitore richiede quindi una connessione a massa (la terra) come circuito di ritorno per la corrente. Il filo di terra era collegato a un radiatore, un tubo dell’acqua o un paletto metallico conficcato nel terreno. [53] [54] Nei primi giorni, se non fosse possibile stabilire un collegamento di terra adeguato, talvolta veniva utilizzato un contrappeso . [55] [56] Una buona base è più importante per i set di cristalli di quanto non lo sia per i ricevitori alimentati, poiché i set di cristalli sono progettati per avere una bassa impedenza di ingressonecessario per trasferire la potenza in modo efficiente dall’antenna. È necessaria una connessione a terra a bassa resistenza (preferibilmente inferiore a 25 Ω) poiché qualsiasi resistenza nel terreno riduce la potenza disponibile dall’antenna. [48] Al contrario, i ricevitori moderni sono dispositivi a tensione, con un’impedenza di ingresso elevata, quindi poca corrente nel circuito antenna / terra. Inoltre, i ricevitori alimentati dalla rete sono adeguatamente collegati a terra attraverso i loro cavi di alimentazione, che sono a loro volta collegati alla terra tramite un terreno ben consolidato.
Circuito sintonizzato
Il circuito sintonizzato , costituito da una bobina e un condensatore collegati tra loro, funge da risuonatore , simile a un diapason. [57] La carica elettrica, indotta nell’antenna dalle onde radio, scorre rapidamente avanti e indietro tra le piastre del condensatore attraverso la bobina. Il circuito ha un’impedenza elevata alla frequenza del segnale radio desiderata, ma una bassa impedenza a tutte le altre frequenze. [58] Quindi, i segnali a frequenze indesiderate passano attraverso il circuito sintonizzato a terra, mentre la frequenza desiderata viene invece trasmessa al rivelatore (diodo) e stimola l’auricolare e viene ascoltata. La frequenza della stazione ricevuta è la frequenza di risonanza fdel circuito sintonizzato, determinato dalla capacità C del condensatore e dall’induttanza L della bobina: [59]
- {\ displaystyle f = {\ frac {1} {2 \ pi {\ sqrt {LC}}}} \,}
Variando l’induttore (L) o la capacità (C), il circuito può essere regolato su frequenze diverse. In insiemi economici, l’induttore è stato reso variabile tramite un contatto a molla premendo contro gli avvolgimenti che potrebbero scorrere lungo la bobina, introducendo così un numero maggiore o minore di spire della bobina nel circuito. Quindi l’ induttanza potrebbe essere variata, “sintonizzando” il circuito alle frequenze di diverse stazioni radio. [1] In alternativa, un condensatore variabile viene utilizzato per sintonizzare il circuito. [60] Alcuni moderni set di cristalli usano una bobina di sintonia del nucleo di ferrite , in cui un nucleo magnetico di ferrite viene spostato dentro e fuori dalla bobina, variando così l’induttanza cambiando ilpermeabilità magnetica (questo ha eliminato il contatto meccanico meno affidabile). [61]
L’antenna è parte integrante del circuito sintonizzato e la sua reattanza contribuisce a determinare la frequenza di risonanza del circuito. Le antenne di solito agiscono come una capacità , poiché le antenne più corte di una lunghezza d’onda di un quarto hanno una reattanza capacitiva . [48] Molti primi set di cristallini non avevano un condensatore di sintonizzazione, [62] e si basavano invece sulla capacità intrinseca nell’antenna a filo (oltre alla capacità parassita significativa nella bobina [63] ) per formare il circuito sintonizzato con la bobina .
I primi ricevitori di cristallo non avevano affatto un circuito sintonizzato e consistevano semplicemente di un rivelatore di cristalli collegato tra l’antenna e la terra, con un auricolare che lo attraversava. [1] [62] Poiché questo circuito mancava di elementi selettivi di frequenza oltre alla vasta risonanza dell’antenna, aveva scarsa capacità di rifiutare le stazioni indesiderate, quindi tutte le stazioni all’interno di un’ampia banda di frequenze erano udite nell’auricolare [44] ( in pratica il più potente di solito annega gli altri). Era usato nei primi giorni della radio, quando solo una o due stazioni erano all’interno della gamma limitata di un cristallo.
Corrispondenza di impedenza
Un principio importante utilizzato nella progettazione di cristalli radio per trasferire la massima potenza all’auricolare è la corrispondenza di impedenza . [44] [64] La potenza massima viene trasferita da una parte di un circuito ad un’altra quando l’ impedenza di un circuito è il complesso coniugato di quello dell’altro; questo implica che i due circuiti dovrebbero avere uguale resistenza. [1] [65] [66] Tuttavia, nei set di cristalli, l’impedenza del sistema antenna-terra (circa 10-200 ohm [48] ) è solitamente inferiore all’impedenza del circuito sintonizzato del ricevitore (migliaia di ohm alla risonanza ), [67]e varia anche in base alla qualità del collegamento a terra, alla lunghezza dell’antenna e alla frequenza a cui è sintonizzato il ricevitore. [38]
Pertanto, in circuiti del ricevitore migliorati, al fine di far corrispondere l’impedenza dell’antenna all’impedenza del ricevitore, l’antenna era collegata attraverso solo una parte delle spire della bobina di sintonizzazione. [59] [62] Ciò ha fatto sì che la bobina di sintonizzazione agisse come un trasformatore di adattamento di impedenza (in una connessione di autotrasformatore ) oltre a fornire la funzione di sintonizzazione. La bassa resistenza dell’antenna è stata aumentata (trasformata) da un fattore pari al quadrato del rapporto di spire (il rapporto tra il numero di giri a cui era collegata l’antenna, il numero totale di spire della bobina), per abbinare la resistenza attraverso il circuito sintonizzato. [66]Nel circuito “a due cursori”, popolare durante l’era wireless, sia l’antenna che il circuito del rivelatore erano collegati alla bobina con contatti striscianti, consentendo la regolazione (interattiva) [68] della frequenza di risonanza e del rapporto di rotazione. [69] [70] [71] In alternativa è stato utilizzato un interruttore multiposizione per selezionare i colpetti sulla bobina. Questi controlli sono stati regolati fino a quando la stazione suonava più forte nell’auricolare.
Problema di selettività
Uno degli inconvenienti dei set di cristalli è che essi sono vulnerabili alle interferenze da stazioni vicine in frequenza alla stazione desiderata; vale a dire, hanno bassa selettività . [ chiarimento necessario ] [2] [4] [38] Spesso si ascoltano due o più stazioni contemporaneamente. Questo perché il circuito sintonizzato semplice non respinge bene i segnali vicini; consente a un’ampia banda di frequenze di passare, cioè ha una larghezza di banda elevata ( fattore Q basso ) rispetto ai ricevitori moderni. [4]
Il rivelatore di cristalli ha peggiorato il problema, perché ha una resistenza relativamente bassa , quindi ha “caricato” il circuito sintonizzato, attingendo corrente significativa e quindi attenuando le oscillazioni, riducendo il suo fattore Q in modo da consentirne una più ampia banda di frequenze. [38] [72] In molti circuiti, la selettività è stata migliorata collegando il circuito del rivelatore e degli auricolari a un tocco attraverso solo una frazione delle spire della bobina. [44] Ciò ha ridotto il carico di impedenza del circuito sintonizzato, oltre a migliorare la corrispondenza di impedenza con il rilevatore. [44]
Accoppiamento induttivo
Nei ricevitori di cristallo più sofisticati, la bobina di sintonizzazione viene sostituita con un trasformatore di accoppiamento con antenna ad anima regolabile [1] [44] che migliora la selettivitàmediante una tecnica chiamata accoppiamento libero . [62] [71] [73] Questo è costituito da due bobine di filo accoppiate magneticamente , una (la primaria ) collegata all’antenna e terra e l’altra (la secondaria) collegato al resto del circuito. La corrente dall’antenna crea un campo magnetico alternato nella bobina primaria, che ha indotto una corrente nella bobina secondaria che è stata quindi rettificata e alimentata l’auricolare. Ciascuna bobina funziona come un circuito sintonizzato ; la bobina primaria risuonava con la capacità dell’antenna (o qualche volta un altro condensatore) e la bobina secondaria risuonava con il condensatore di sintonizzazione. Sia il primario che il secondario erano sintonizzati sulla frequenza della stazione. I due circuiti interagiscono per formare un trasformatore di risonanza .
Riducendo l’ accoppiamento tra le bobine, separandole fisicamente in modo che meno del campo magnetico di una interseca l’altra, riduce l’ induttanza reciproca , restringe la larghezza di banda e produce una sintonizzazione molto più nitida e più selettiva di quella prodotta da un singolo circuito sintonizzato . [62] [74] Tuttavia, l’accoppiamento più lento ha anche ridotto la potenza del segnale trasmesso al secondo circuito. Il trasformatore è stato realizzato con accoppiamento regolabile, per consentire all’ascoltatore di sperimentare varie impostazioni per ottenere la migliore ricezione.
Un design comune nei primi tempi, chiamato “loose coupler”, consisteva in una bobina secondaria più piccola all’interno di una bobina primaria più grande. [44] [75] La bobina più piccola era montata su un rack in modo da poter essere fatta scivolare linearmente dentro o fuori dalla bobina più grande. Se si incontravano interferenze radio, la bobina più piccola viene fatta scivolare ulteriormente dal più grande, allentando l’accoppiamento, restringendo la larghezza di banda e quindi rifiutando il segnale di interferenza.
Il trasformatore di accoppiamento dell’antenna funzionava anche come trasformatore di adattamento di impedenza , che consentiva una migliore corrispondenza dell’impedenza dell’antenna al resto del circuito. Una o entrambe le bobine di solito avevano diversi tocchi che potevano essere selezionati con un interruttore, consentendo la regolazione del numero di giri di quel trasformatore e quindi del “rapporto di spire”.
I trasformatori di accoppiamento erano difficili da regolare, perché le tre regolazioni, l’accordatura del circuito primario, la messa a punto del circuito secondario e l’accoppiamento delle bobine erano tutti interattivi e il cambiamento di uno influenzava gli altri. [76]
Crystal detector
Il rivelatore di cristalli demodula il segnale in radiofrequenza, estraendo la modulazione (il segnale audio che rappresenta le onde sonore) dall’onda portante della radiofrequenza . Nei primi ricevitori, il rilevatore era un rilevatore di baffi di gatto costituito da un sottile filo metallico, il “baffo del gatto”, su un braccio regolabile che toccava una massa di minerale semiconduttivo di dimensioni simili a un pisello . [1] [6] [79] Il punto di contatto tra il filo e il cristallo ha prodotto un effetto diodo. Il rilevatore di baffi del gatto era un diodo Schottky grezzoche permetteva alla corrente di fluire meglio in una direzione rispetto alla direzione opposta. [80] [81] I moderni set di cristalli usano diodi a semiconduttore moderni . [72] Il cristallo funziona come un rivelatore di inviluppo , raddrizzando il segnale radio in corrente alternata a una corrente continua pulsante , i cui picchi tracciano il segnale audio, quindi può essere convertito in suono dall’auricolare, che è collegato al rilevatore . [20] [ non in citazione data ] [78] [ non in citazione data ] La corrente raddrizzata dal rivelatore ha una radiofrequenzaimpulsi dalla frequenza portante in esso, che sono bloccati dall’alta reattanza induttiva e non passano bene attraverso le bobine degli auricolari di data precoce. Quindi, un piccolo condensatore chiamato condensatore di bypass viene spesso posizionato attraverso i terminali degli auricolari; la sua bassa reattanza in radiofrequenza aggira questi impulsi attorno all’auricolare a terra. [82] In alcuni set il cavo degli auricolari aveva una capacità sufficiente che questo componente poteva essere omesso. [62]
Nel rilevatore di baffi di un gatto solo determinati siti sulla superficie cristallina funzionavano come giunzioni di rettifica e il dispositivo era molto sensibile alla pressione del contatto del filo di cristallo, che poteva essere disturbato dalla minima vibrazione. [6] [83] Pertanto, un punto di contatto utilizzabile doveva essere trovato per tentativi ed errori prima di ogni utilizzo. L’operatore ha trascinato il filo attraverso la superficie del cristallo fino a quando una stazione radio o suoni “statici” sono stati ascoltati negli auricolari. [84] In alternativa, alcune radio (circuito, a destra) hanno utilizzato un cicalino alimentato a batteria collegato al circuito di ingresso per regolare il rilevatore. [84]La scintilla dei contatti elettrici del cicalino fungeva da debole fonte di elettricità statica, quindi quando il rilevatore ha iniziato a funzionare, il ronzio poteva essere udito negli auricolari. Il cicalino è stato quindi spento e la radio sintonizzata sulla stazione desiderata.
La galena (solfuro di piombo) era probabilmente il cristallo più comune usato nei rilevatori a basette di gatto, [71] [83] ma sono stati usati anche altri tipi di cristalli, il più comune è la pirite di ferro (oro del fesso, FeS 2 ), silicio , molibdenite (MoS 2 ), carburo di silicio (carborundum, SiC), e uno zincite – bornite (ZnO-Cu 5 FeS 4 ) cristallo a cristallo giunzione commercio nome Perikon . [39] [85] Le radio di cristallo sono state improvvisate da una varietà di oggetti comuni, come l’acciaio blulame di rasoio e matite di piombo , [39] [86] aghi arrugginiti, [87] e penni [39] In questi, uno strato semiconduttore di ossido o solfuro sulla superficie metallica è solitamente responsabile dell’azione rettificante. [39]
Nei set moderni, per il rivelatore viene utilizzato un diodo a semiconduttore , che è molto più affidabile del rilevatore a basette di un gatto e non richiede regolazioni. [39] [72] [88] Diodi al germanio (o talvolta diodi Schottky ) vengono utilizzati al posto dei diodi al silicio , poiché la loro caduta di tensione diretta più bassa (circa 0,3 V rispetto a 0,6 V [89] ) li rende più sensibili. [72] [90]
Tutti i rivelatori a semiconduttore funzionano in modo piuttosto inefficiente nei ricevitori di cristallo, poiché l’ingresso di bassa tensione al rivelatore è troppo basso per provocare molta differenza tra la direzione di conduzione migliore in avanti e la conduzione inversa più debole. Per migliorare la sensibilità di alcuni dei primi rivelatori di cristalli, come il carburo di silicio, è stata applicata una piccola tensione di polarizzazione diretta attraverso il rilevatore mediante una batteria e un potenziometro . [91] [ non in citazione data ] [92] [ non in citazione data ]La polarizzazione sposta il punto di funzionamento del diodo più in alto sulla curva di rilevamento producendo più tensione del segnale a scapito di una minore corrente del segnale (impedenza più elevata). C’è un limite al vantaggio che questo produce, a seconda delle altre impedenze della radio. Questa sensibilità migliorata è stata causata spostando il punto di funzionamento in CC su un punto di funzionamento a corrente di tensione più desiderabile (impedenza) sulla curva IV della giunzione . La batteria non alimentava la radio, ma forniva solo la tensione di polarizzazione che richiedeva poca energia.
Auricolari
I requisiti per gli auricolari utilizzati nei set di cristalli sono diversi dagli auricolari utilizzati con le moderne apparecchiature audio. Devono essere efficienti nel convertire l’energia del segnale elettrico in onde sonore, mentre la maggior parte degli auricolari moderni sacrificano l’efficienza al fine di ottenere una riproduzione ad alta fedeltà del suono. [93] Nei primi set homebuilt, gli auricolari erano la componente più costosa. [94]
I primi auricolari usati con set di cristallo dell’era wireless avevano driver in ferro che funzionavano in modo simile agli altoparlanti a tromba del periodo; i moderni diffusori usano un principio a bobina mobile. Ogni auricolare conteneva un magnete permanente attorno al quale si trovava una bobina di filo che formava un secondo elettromagnete . Entrambi i poli magnetici erano vicini a un diaframma di acciaio dell’altoparlante. Quando il segnale audio dalla radio è passato attraverso gli avvolgimenti dell’elettromagnete, la corrente è stata indotta a fluire nella bobina che ha creato un campo magnetico variabileche aumentava o diminuiva quello dovuto al magnete permanente. Ciò ha variato la forza di attrazione sul diaframma, facendolo vibrare. Le vibrazioni del diaframma spingono e tirano l’aria davanti a sé creando onde sonore. Le cuffie standard utilizzate nel lavoro telefonico avevano un’impedenza bassa , spesso 75 Ω, e richiedevano più corrente di quella fornita da una radio di cristallo. Pertanto, il tipo utilizzato con le radio con set di cristalli (e altre apparecchiature sensibili) è stato avvolto con più spire di filo più sottile dandogli un’alta impedenza di 2000-8000 Ω. [95] [96] [97]
I set di cristalli moderni utilizzano auricolari in cristallo piezoelettrico , che sono molto più sensibili e anche più piccoli. [93] Sono costituiti da un cristallo piezoelettrico con elettrodi fissati su ciascun lato, incollati su un diaframma leggero. Quando il segnale audio della radio viene applicato agli elettrodi, fa vibrare il cristallo, facendo vibrare il diaframma. Gli auricolari Crystal sono progettati come auricolari che si inseriscono direttamente nel condotto uditivo di chi li indossa, accoppiando il suono in modo più efficiente al timpano. La loro resistenza è molto più alta (tipicamente megohms) in modo che non “carichi” notevolmente il circuito sintonizzato, consentendo una maggiore selettivitàdel ricevitore. La maggiore resistenza del trasduttore piezoelettrico, in parallelo con la sua capacità di circa 9 pF, crea un filtro che consente il passaggio delle basse frequenze, ma blocca le frequenze più alte. [98] In questo caso non è necessario un condensatore di bypass (anche se in pratica viene utilizzato un piccolo da circa 0,68 a 1 nF per migliorare la qualità), ma invece è necessario aggiungere un resistore da 10-100 kΩ in parallelo con l’auricolare ingresso. [99]
Sebbene la bassa potenza prodotta dalle radio di cristallo sia tipicamente insufficiente a pilotare un altoparlante , alcuni set casalinghi degli anni ’60 ne hanno usato uno, con un trasformatore audio per abbinare la bassa impedenza dell’altoparlante al circuito. [100] Allo stesso modo, i moderni auricolari a bassa impedenza (8 Ω) non possono essere utilizzati non modificati in set di cristalli perché il ricevitore non produce abbastanza corrente per guidarli. A volte vengono utilizzati aggiungendo un trasformatore audio per far corrispondere la loro impedenza con l’impedenza più elevata del circuito dell’antenna di guida.
Usa come fonte di energia
Una radio di cristallo sintonizzata su un forte trasmettitore locale può essere utilizzata come fonte di energia per un secondo ricevitore amplificato di una stazione distante che non può essere ascoltato senza amplificazione. [101] : 122-123
C’è una lunga storia di tentativi infruttuosi e affermazioni non verificate per recuperare la potenza nel vettore del segnale ricevuto stesso. I set di cristalli tradizionali utilizzano raddrizzatori a semionda . Poiché i segnali AM hanno un fattore di modulazione di solo il 30% in termini di tensione ai picchi [ citazione necessaria ] , non più del 9% della potenza del segnale ricevuto ({\ displaystyle P = U ^ {2} / R}) sono le informazioni audio effettive e il 91% è appena collegato alla tensione CC. Dato che è improbabile che il segnale audio sia al massimo, il rapporto di energia è, in pratica, ancora più grande. È stato fatto un notevole sforzo per convertire questa tensione continua in energia sonora. Alcuni tentativi precedenti includono un amplificatore a un transistor [102] nel 1966. A volte gli sforzi per recuperare questo potere vengono confusi con altri sforzi per produrre un rilevamento più efficiente. [103] Questa storia continua ora con progetti elaborati come “invertitore di potenza a due onde invertite”. [101] : 129