Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 30. Искажение звука
Дальше: Эксперимент 32. Объединение аппаратных средств и программного обеспечения
Эксперимент 31. Радио без пайки и без питания
Вернемся к катушкам индуктивности. Мне хочется показать вам, как, имея катушку, можно создать простейшую схему, которая принимает радиосигналы с амплитудной модуляцией без источника питания. Часто такой вариант называют «детекторным радиоприемником», потому что в самых первых образцах присутствовал кристаллический детектор из природного минерала, который играл роль полупроводника. Эта идея возникла на заре развития телекоммуникаций, и если вы никогда не пробовали ее реализовать, то упустили поистине волшебный опыт.
Что вам понадобится
• Жесткий цилиндрический предмет диаметром около 7,5 см, например, пластиковая бутылка из-под воды или витаминов (1 шт.)
• Монтажный провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), как минимум 18 метров
• Более толстый провод, желательно 16-го калибра (1,3 мм), длиной от 15 до 30 метров (этот провод может быть витой, можно также попробовать провод тоньше, чтобы уменьшить его стоимость, хотя при этом ваш радиоприемник не сможет принимать много станций)
• Полипропиленовый или нейлоновый шнур длиной 3 метра
• Германиевый диод (1 шт.)
• Головной телефон с высоким импедансом (1 шт.)
• Тестовый провод (1 шт.)
• Зажимы «крокодилы» (3 шт.) или дополнительные тестовые провода
Необязательно:
• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)
• Микросхема-усилитель LM386
• Небольшой динамик (диаметр 5 см подойдет)
Диод и головной телефон можно заказать в каталоге Scitoys Catalog (). Головной телефон с высоким импедансом доступен также на сайте amazon.com.
Катушка индуктивности
Прежде всего, вам необходимо сделать катушку индуктивности, которая будет настроена на радиодиапазон с амплитудной модуляцией (AM). Эта катушка будет содержать 65 витков монтажного провода 22-го калибра длиной около 18 метров.
Вы можете намотать такую катушку на любой стеклянный или пластиковый каркас, лишь бы только он имел постоянный диаметр около 7,5 см. Подойдет бутылка из-под воды, если она сделана из не очень тонкого пластика, который легко мнется или деформируется при нажатии.
У меня нашлась пластмассовая баночка из-под витаминов, размер которой оказался в самый раз. На фотографиях вы увидите, что она без этикетки. Я размягчил клей термофеном (слегка, чтобы не расплавить бутылку), а затем снял ее. Остатки клея удалил спиртом (ксилолом).
Рис. 5.64. Отверстия для крепления намотанного провода
Рис. 5.65. Крепление провода в отверстиях
Подготовив чистую жесткую бутылку, острым предметом, например, шилом или гвоздем проколите пару отверстий, как показано на рис. 5.64. Эти отверстия понадобятся для закрепления концов обмотки.
Очистите конец монтажного провода от изоляции и закрепите его в одной паре отверстий, как показано на рис. 5.65. Затем намотайте вокруг бутылки пять витков провода и не дайте им размотаться, закрепив небольшим кусочком изоленты. Подойдет лента для герметизации труб или обычный скотч.
Теперь вам необходимо снять около 1,5 см изоляции с провода. Замысел состоит в том, чтобы сделать в этом месте отвод для подключения к обмотке. С помощью инструмента для зачистки проводов надрежьте изоляцию, а затем отведите в стороны пластиковое покрытие (рис. 5.66).
На следующем шаге скрутите зачищенный провод в петельку, чтобы сделать ее легко доступной и предотвратить смыкание изоляции (рис. 5.67).
Только что вы сделали отвод на вашей обмотке. Снимите изоленту, которой вы временно закрепили первые пять витков, и намотайте вокруг бутылки еще пять витков. Снова закрепите их изолентой и сделайте еще один отвод. Всего вам нужно сделать 12 отводов. Совсем не обязательно выравнивать их друг с другом вдоль одной линии. Когда вы сделаете последний отвод, намотайте еще пять витков вокруг бутылки, а затем обрежьте провод. Согните конец в виде крючка размером около 1,5 см, чтобы вы смогли продеть его через пару отверстий в нижней части бутылки. Протяните провод сквозь них, а затем обмотайте снова, чтобы надежно закрепить.
Рис. 5.66. Снятие изоляции на участке длиной около 1,5 см
Рис. 5.67. Скрутка зачищенного участка провода в виде петельки
Моя катушка индуктивности, намотанная на баночке из-под витаминов, показана на рис. 5.68.
Рис. 5.68. Готовая катушка с плотной намоткой вокруг бутылки
Следующий этап — установка антенны, которой может стать отрезок провода как можно толще и длиннее. Если вы живете в доме с выходом во двор, то все просто: откройте окно, выбросьте моток провода 16-го калибра, придерживая свободный конец, а затем выйдите наружу и натяните вашу антенну с помощью пропиленового или нейлонового шнура, который можно купить в любом строительном магазине. Антенну можно закрепить на любых доступных опорах: деревьях, водостоках или столбах. Общая длина провода должна быть 15-30 метров. Там, где антенна проходит через окно, подвесьте ее на другом шнуре. Смысл в том, чтобы установить антенну по возможности дальше от земли или от любого заземленного предмета.
Если у вас нет доступа во двор, можно натянуть антенну внутри помещения, закрепив ее шнуром на оконных проемах, дверных ручках и других предметах, которые не дадут ей коснуться пола. Антенна не обязательно должна располагаться по прямой линии, ее можно пустить по стенам вокруг комнаты.
Молниезащита антенны
Мир вокруг нас полон электричества. Обычно мы не замечаем его, но гроза внезапно напоминает о том, что между землей и облаками существует огромный электрический потенциал.
Если вы установили внешнюю антенну, то никогда не используйте ее при малейшей угрозе удара молнии. Это может оказаться чрезвычайно опасным. Отключите находящийся в помещении конец антенны, вытащите наружу и заземлите, чтобы сделать его безопасным.
Антенна и заземление
Воспользуйтесь тестовыми проводами «крокодилами», чтобы подключить конец провода антенны к верхней части изготовленной вами катушки.
Затем вам необходимо установить провод заземления. Он в буквальном смысле должен соединяться с землей снаружи. В идеале вам необходимо закопать метровый отрезок провода в мягкую влажную землю (хотя, если вы живете в засушливой местности, как я, то это будет проблематично). Если вы используете колышек заземления из числа тех, которые продаются в оптовых магазинах электротоваров, проявляйте осторожность, когда забиваете его в землю. Вы же не хотите повредить скрытые трубопроводы или кабели.
Труба холодного водоснабжения часто рассматривается в качестве хорошего заземления, но (понятное дело!), если такая труба целиком металлическая. Даже если ваш дом оснащен медными трубами, отдельные их участки могли быть когда-то отремонтированы и заменены пластиковыми.
Возможно, самое надежное решение — прикрепить провод к клемме заземления сетевой розетки, поскольку электрическая система в вашем доме заземлена безоговорочно. Но проверьте при этом безопасность крепления провода, чтобы у него не было возможности коснуться гнезд розетки. Я предпочитаю не вставлять провод заземления в гнездо заземления сетевой розетки, потому что есть вероятность воткнуть его по ошибке в гнездо, находящееся под напряжением.
Рис. 5.69. Такой головной телефон понадобится вам для детекторного радиоприемника
Теперь вам понадобится пара предметов, которые довольно непросто найти: германиевый диод, который лучше, чем кремниевый, работает при малых напряжениях и токах, с которыми вам придется иметь дело, а также головной телефон с высоким импедансом. Наушники или вкладыши от плеера здесь не подойдут; это должно быть старомодное устройство, подобное показанному на рис. 5.69. Если на конце у него есть разъем, его следует отрезать и аккуратно снять изоляцию с кончика каждого провода.
Детали соединяются с помощью тестовых проводов и зажимов «крокодилов», как показано на рис. 5.70. Собранная мною реальная версия не такая аккуратная, как на иллюстрации, но соединения те же, что и на рис. 5.71. Заметьте, что тестовые провода в нижней части можно подключать к любому отводу катушки. Таким способом вы будете настраивать радиоприемник.
Рис. 5.70. Соединение компонентов детекторного приемника
Рис. 5.71. Конструкция реального устройства в сборе
Если все инструкции соблюдены, вы живете в 40-50 км от радиостанции, использующей амплитудную модуляцию, а ваш слух в пределах нормы, то вы сможете услышать слабый звук в головном телефоне, причем без подачи питания на схему. Этот опыт хорошо известен уже несколько десятилетий, но по-прежнему удивляет и вызывает интерес (рис. 5.72).
Если вы живете очень далеко от радиостанции или не можете повесить достаточно длинную антенну, или если заземление посредственное, то сигнал в наушнике совсем не будет слышен. Не сдавайтесь, подождите до заката. Прием АМ- радиосигнала существенно улучшается, когда солнце не возбуждает атмосферу.
Чтобы выбрать радиостанцию, переключайте зажим «крокодил» на конце тестового провода с одного отвода катушки на другой. В зависимости от того, где вы живете, вы сможете поймать только одну радиостанцию или несколько, осуществляющих передачу раздельно или одновременно.
Может показаться, что вы получаете нечто даром, но на самом деле вы берете энергию от источника мощности — передающего устройства, которое находится на радиостанции. Передатчик «накачивает» мощность на вышку радиовещания, модулирующую определенную частоту. Когда ваша комбинация катушки и антенны резонирует на этой частоте, выделяемой мощности достаточно, чтобы обеспечить питание головного телефона с высоким импедансом.
Причина, по которой вам необходимо создать хорошее заземление, заключается в том, что ток будет проходить через катушку, только если ему есть куда течь. Вы можете представлять себе землю как почти бесконечный отвод энергии с опорным напряжением, равным нулю. А передающее устройство на AM-радиостанции также, по всей видимости, создает потенциал относительно земли (рис. 5.73).
Рис. 5.72. Истинное удовольствие — поймать радиосигнал с помощью простейших деталей и без дополнительного источника питания
Рис. 5.73. Без источника питания радиоприемник получает от передатчика количество энергии, достаточное лишь для создания слабого звука в головном телефоне
Улучшения
Если звук в головном телефоне слишком слабый, попробуйте использовать пьезоэлектрический преобразователь, также называемый пьезозуммером. Вам нужен тот, который не имеет встроенного генератора и работает пассивно, как динамик. Плотно приложите его к уху, и вы обнаружите, что он работает как головной телефон или даже лучше.
Вы можете также попробовать усилить сигнал. В идеале для первого каскада следует применить операционный усилитель, поскольку он имеет очень высокий импеданс. Но я решил рассказать об операционных усилителях в книге Make: More Electronics, где у меня достаточно места, чтобы более подробно раскрыть эту тему. Как вариант, можно подать сигнал напрямую на микросхему- усилитель LM386 из эксперимента 29.
На рис. 5.74 показана весьма простая схема. Германиевый диод можно соединить напрямую со входом микросхемы LM3S6, поскольку я не думаю, что вам понадобится регулятор громкости. Проверьте, что вы установили конденсатор емкостью 10 мкФ между выводами 1 и 8, чтобы максимально увеличить коэффициент усиления микросхемы. Даже там, где живу я, приблизительно в 200 км от города Феникс, штат Аризона, мне удалось поймать радиостанцию, вещающую из района Феникса.
Если вы хотите улучшить избирательность, можно добавить конденсатор переменной емкости, чтобы настроить резонанс более точно. Сегодня конденсаторы переменной емкости встречаются редко, но вы можете найти их на том же ресурсе, который я рекомендовал для поиска германиевого диода и головного телефона, на сайте Scitoys Catalog (http://www.scitoyscatalog.com).
Этот ресурс поддерживается предприимчивым человеком по имени Саймон Квеллан Филд (Simon Quellan Field). На его сайте есть много интересных проектов, которые вы можете осуществить в домашних условиях. Одна из его остроумных идей — заменить в радиоприемнике германиевый диод слаботочным светодиодом, подключенным последовательно к батарее 1,5 В. У меня такая схема не заработала, потому что я живу в отдаленной местности, но если вы находитесь рядом с радиопередатчиком, то сможете увидеть, как светодиод изменяет интенсивность свечения при прохождении радиосигнала.
Рис. 5.74. Микросхема-усилитель LM386 позволит слушать радиопередачи через динамик
Как работает радио
Высокочастотное электромагнитное излучение может распространяться на многие километры. Чтобы сделать радиопередатчик, я мог бы использовать таймер 555, работающий на частоте, предположим, 850 кГц, и пропустить этот сигнал через очень мощный усилитель к передающей вышке или просто подать на длинный отрезок провода. Если бы вам каким-либо образом удалось подавить все другие электромагнитные процессы в атмосфере, то вы смогли бы уловить мой сигнал и усилить его.
Приблизительно то же самое проделал Гульель- мо Маркони (Guglielmo Marconi) в 1901 году, правда, для создания колебаний ему пришлось применить искровой разрядник, а не таймер 555. Его передачи были довольно примитивными, потому что различались лишь два состояния: включено или выключено. Такой передатчик способен отправить сообщения, использующие азбуку Морзе, и все. Маркони изображен на рис. 5.75.
Рис. 5.75. Гульельмо Маркони, первопроходец в исследовании радио (фотография взята с сайта Wikimedia Commons)
Пять лет спустя путем наложения низких частот на несущую волну высокой частоты был впервые передан настоящий аудиосигнал. Другими словами, звуковой сигнал был «прибавлен» к несущей частоте, чтобы ее энергия изменялась в соответствии с максимумами и минимумами аудиосигнала (рис. 5.76).
На приемной стороне колебательный контур из конденсатора с катушкой индуктивности выделял несущую частоту среди всех других сигналов. Номиналы конденсатора и катушки подбирались таким образом, чтобы их контур мог резонировать на частоте, равной несущей. Принципиальная схема показана на рис. 5.77, где конденсатор переменной емкости изображен символом конденсатора с наложенной на него стрелкой.
Несущая частота меняется так быстро, что головной телефон не способен воспроизвести эти изменения. Мембрана будет оставаться в среднем положении, совсем не производя звука. Диод решает эту проблему, срезая нижнюю половину сигнала и оставляя только положительные полупериоды напряжения. И хотя их амплитуда мала, а частота слишком велика, теперь все они перемещают диафрагму головного телефона в одном направлении, а при их усреднении приблизительно восстанавливается исходный звуковой сигнал (рис. 5.78).
Рис. 5.76. Использование несущей для передачи аудиосигнала
Рис. 5.77. Если к схеме детекторного приемника добавить конденсатор переменной емкости, то избирательность устройства возрастет
Когда во входную цепь приемника помимо катушки добавлен конденсатор, образуется колебательный контур. Если частота принимаемого сигнала совпадает с резонансной частотой контура (при правильно подобранных номиналах катушки и конденсатора), то амплитудно-модулированный сигнал, поступающий от радиопередатчика, выделяется на выходе цепи. Изменения амплитуды несущей соответствуют изменениям исходного звукового сигнала.
Вероятно, вам интересно, что же происходит с другими частотами, принимаемыми антенной? Низкие частоты проходят через катушку индуктивности к заземлению. Туда же направляются и высокие, но через конденсатор. Они просто отфильтровываются и не проходят на выход.
Рис. 5.78. Преобразование сигналов в АМ-радиоприемнике
К радиовещанию с амплитудной модуляцией относят диапазон волн с несущей частотой от 300 кГц до 3 МГц. Многие другие частоты выделены для иных целей, например для радиолюбительской связи. Сдав несложный экзамен по радиолюбительской связи, а также имея соответствующее оборудование и хорошо расположенную антенну, вы сможете напрямую общаться с людьми из самых разных мест, не полагаясь на какие-либо коммуникационные сети.
Назад: Эксперимент 30. Искажение звука
Дальше: Эксперимент 32. Объединение аппаратных средств и программного обеспечения
