Исследуем необычные детекторы
Из школьного курса физики мы помним, что детектор в простейшем радиоприёмнике — это высокочастотный полупроводниковый диод. А точнее, такой детектор огибающей, осуществляющий амплитудную демодуляцию, состоит из выпрямителя и интегратора, он же — фильтр нижних частот.
Если копнуть ещё глубже, для амплитудного детектирования нужен не столько выпрямитель, сколько нелинейный элемент. В качестве которого на протяжении десятилетий развития радио успешно использовались разные неожиданные вещи.
Сегодняшняя статья расскажет про необычные детекторы в истории радио. Некоторые из них мы испытаем на практике.
В прошлой статье мы уже писали про то, что Реджинальд Обри Фессенден 23 декабря 1900 года впервые в мире передал по радио звуковой сигнал. А теперь уточним, что для демодуляции последнего он использовал не когерер.
Фотопортрет Реджинальда Фессендена. Википедия
Какие бывают когереры
Со школьной скамьи мы привыкли к тому, что когерер в исполнении Попова и Маркони — это пробирка с металлическими опилками и двумя электродами, то есть трубка Бранли.
Серебряно-никелевый когерер Маркони. Скошенные контакты позволяли изменять длину полосы опилок путём поворота трубки, за счёт чего регулировалась чувствительность когерера. Википедия
На самом деле Эдуард Бранли экспериментировал с разными вариантами «радиокондукторов», как он называл когереры. Всем им свойственны точечные контакты между разными металлами через плёнку оксида, либо очень малый воздушный зазор между электродами.
Варианты радиокондукторов Эдуарда Бранли. Википедия
Сильный высокочастотный сигнал приводил к свариванию точечных контактов и резкому снижению сопротивления когерера в несколько сот раз. Чтобы восстановить высокое сопротивление, прибор было необходимо встряхнуть.
Устройства с точечными контактами, в которых принимают участие оксиды металлов и другие полупроводники, способны детектировать и слабые радиосигналы.
Первым обратил на это внимание изобретатель угольного микрофонаДэвид Хьюз в 1877 году. Но на академиков Лондонского королевского общества по развитию знаний о природе демонстрация эффекта не произвела впечатления. Естествоиспытателя убедили, что это всего-навсего электромагнитная индукция, и потому отчёт об опытах был написан лишь спустя 22 года после открытия.
Палочный микрофон Хьюза. Ж. Дари. Электричество во всех его применениях, с многочисленными иллюстрациями. С.-Петербург, типография А.С. Суворина, 1903 год
Впоследствии «микрофонный детектор» Дэвида Хьюза станет прототипом окопного радио 1940-х годов.
«Окопное радио» с сайта foxholeradio.com
Наилучшие результаты показывали синие лезвия Gillette. Синий цвет побежалости придавал металлу не лак, а прозрачная оксидная плёнка, химический состав которой аналогичен минералу магнетиту. Этот оксид железа имеет полупроводниковые свойства.
Лезвие Gillette Blue времён Второй мировой войны под микроскопом с 500-кратным увеличением с сайта foxholeradio.com
Телефонный приёмник депеш
Независимо от Дэвида Хьюза, способность когерера детектировать слабый сигнал открыл автор конструкции грозоотметчика, ассистент А.С. Попова, преподаватель Минного офицерского класса Пётр Николаевич Рыбкин.
Фотопортрет Петра Рыбкина, 1894 год. Википедия
28 мая 1899 года по совету военного инженера Дмитрия Семёновича Троицкого Пётр Рыбкин проверил исправность приёмника на форте «Милютин» с помощью телефонной трубки. При подключении трубки к когереру в ней стали слышны сигналы искрового передатчика с форта «Константин».
Фотопортрет Дмитрия Семёновича Троицкого. Википедия
На основании данного опыта Александр Степанович Попов разработал и запатентовал три варианта «приёмника депеш, посылаемых [с] помощью электромагнитных волн»: с непосредственным и трансформаторным подключением телефонной трубки к когереру, а также с горизонтальной антенной.
Иллюстрация к привилегии профессора электротехнического института Императора Александра III А. Попова №6066 от 30 ноября 1901 г.
Описание изобретения содержит подробности технологии изготовления когерера с наполнением из раздавленного стального бисера, варианты с платиновыми и угольными электродами, а также варианты когерера с часовыми пружинами вместо стальных фрагментов.
Ещё более необычные варианты детектора
Несмотря на способность когерера демодулировать радиосигнал, Реджинальд Фессенден использовал для приёма телефонных сигналов нечто другое, а именно детекторы собственной конструкции. И они были не кристаллическими.
Барретерный детектор
Первым детектором Фессендена было «реагирующее на радиоволны устройство, приводимое в действие током» (патент US706744A). Оно представляло собой барретер. Кстати, слово «барретер» ввёл в употребление именно Фессенден.
Сегодня барретер ассоциируется у нас со стабилизатором тока на основе специальной лампы накаливания, работающим благодаря отрицательному температурному коэффициенту сопротивления (ТКС) металла.
Чтобы при включении барретер и питаемые через него узлы не сгорели от броска тока, барретер часто объединялся с урдоксом. Так называли терморезисторы с положительным ТКС на основе оксида урана. Впоследствии применялись оксиды магния, алюминия и титана.
Идея состоит в том, что в момент включения сопротивление урдокса будет высоким, что ограничит бросок тока. Далее урдокс нагреется, и его сопротивление снизится, но к тому времени нагреется нить барретера, которая будет стабилизировать ток.
Сегодня PTC терморезисторы повсеместно используются в импульсных блоках питания, чтобы ограничить ток заряда накопительных конденсаторов.
Почти нанотехнологии более века назад
Фессенден использовал одно из изобретений великого английского химика Уильяма Волластона, а именно тончайшую, диаметром полтора микрометра (74 AWG) платиновую нить, которая получалась путём протяжки через последовательно сужающиеся фильеры платиновой проволоки диаметром 76 мкм (40 AWG) в серебряной оболочке диаметром 2.5 мм (10 AWG).
Портрет Уильяма Волластона. Википедия
Получалась композитная нить диаметром 51 микрон (44 AWG). Далее серебро растворяли в кислоте, и оставалась платиновая нить Волластона. Причём можно растворить серебро на необходимом участке, сохранив толщину и механическую прочность нетронутых частей проволоки.
Благодаря тому, что нить накаливания 14 была очень тонкой, она могла нагреваться и охлаждаться за время, соответствующее периоду колебаний звуковой частоты.
Барретерный детектор Фессендена. Иллюстрация из патента US706744A. 1902 год
Барретер монтировался в стеклянной колбе 17, которая могла быть вакуумированной, с необязательным дополнительным тепловым экранированием внутренней серебряной колбой 18, закрепленной посредством стеклянного изолятора 19.
Вы до сих пор думаете, что тепловые процессы медленные? — У вас просто не было достаточно тонкой платиновой нити. Высокочастотные токи с антенны нагревали нить, и её температура, а соответственно и омическое сопротивление, возрастали и падали в такт амплитудной модуляции.
Соответственно, в цепи барретера, телефонной трубки и гальванической батареи возникал переменный ток звуковой частоты, и можно было слушать радиопередачу.
Электролитический детектор
Годом спустя Фессенден получает патент US727331A на более простой и эффективный детектор — электролитический.
Та же самая проволока Волластона помещалась в раствор азотной кислоты или иного электролита. Поверх раствора наливался слой керосина, чтобы электролит не испарялся, и кислород не вызывал коррозию (Fig.1).
Электролитический детектор Фессендена. Иллюстрация из патента US706744A. 1902 год
Началось всё с того, что Фессенден просто хотел использовать слой жидкости для охлаждения платиновой нити (Fig.2). Проволока Волластона настолько тонкая, что капиллярные силы поднимали жидкость на достаточную высоту и смачивали нить барретера 6.
В ходе дальнейших экспериментов выяснилось, что может получиться нечто большее, чем барретер.
Под действием напряжения питающей батареи происходил электролиз воды с выделением микропузырьков газа. Интенсивность процесса и сопротивление электролита зависят от температуры электрода, которая, как и в барретерном демодуляторе, возрастала пропорционально мощности высокочастотного тока с антенны.
Главным преимуществом данного типа детектора было то, что перегоревший конец проволоки легко заменить, просто повернув винт, регулирующий глубину её погружения. Серебряная оболочка при этом растворялась, и появлялся новый рабочий участок платиновой нити.
Также детектированию помогали интегрирующие свойства ёмкости поляризации двойного электрического слоя, возникающей в электролите под действием разности потенциалов. Получался ионистор, то есть конденсатор.
И наконец, благодаря пузырькам газа нить Волластона в растворе электролита действует подобно содовому выпрямителю, то есть как выпрямительный диод. Иными словами, получается самый обычный детекторный приёмник, требующий батареи смещения.
Схема детекторного радиоприёмника с электролитическим детектором. Википедия
Как её требовали микрофонный детектор Хьюза и симметричный вариант окопного детектора, в которых оба выводных провода подключались соответственно к двум металлическим креплениям угольного стержня или двум графитовым стержням, соприкасающимся с лезвием, вместо того, чтобы подключить один из проводов к лезвию напрямую.
Схема окопного радио из Википедии
Также можно использовать в качестве электролитического детектора «картофельную батарейку».
Схема «картофельного радио» с сайта foxholeradio.com
Учёные до сих пор спорят, какие из упомянутых механизмов являются решающими в работе микрофонного и электролитического детекторов. За факт можно принять только то, что все эти устройства действуют, сыграли значительную роль в развитии техники, могут быть повторены и сегодня, но вместе с тем глубоко устарели по сравнению с современными приборами, решающими те же задачи.
Домашний эксперимент
Для окопного детектора совсем необязательно искать подходящие лезвия для безопасной бритвы, когда в каждом строительном магазине продаются чёрные воронёные шурупы из закалённой стали. В 40-е годы прошлого века такая роскошь если и была (что сомнительно), то далеко не на каждом шагу. А графитовый стержень можно достать из солевой батарейки ААА.
Модулированный радиочастотный сигнал я беру с мониторной обмотки микромощного средневолнового радиопередатчика AMT-MW207 и подаю через самодельный детектор на вход регулятора громкости транзисторного усилителя низкой частоты (УНЧ). Регулятор представляет собой переменный резистор сопротивлением 10 килоом.
Входной каскад этого УНЧ сам по себе проявляет свойства детектора, но если подать высокочастотный сигнал на его вход напрямую, то звук едва слышно. А если через окопный детектор, то слышно гораздо громче, причём сила и качество звука зависят от точки соприкосновения шурупа с графитовым стержнем и силы прижима.
Работоспособен и детектор на основе медной проволочки в крепком растворе поваренной соли с питанием от батарейки «Крона». Однако он менее чувствительный и более шумный.
