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radio de cristal

Radio sueca de cristal del año 1922 fabricada por Radiola , con auriculares. El dispositivo de arriba es el detector de bigotes de gato de la radio . Se proporciona un segundo par de conectores para auriculares.
Radio de cristal Arrow de la década de 1970 comercializada para niños. El auricular está a la izquierda. El cable de la antena, a la derecha, tiene un clip para fijar a objetos metálicos como un somier, que sirven como antena adicional para mejorar la recepción.

Un receptor de radio de cristal , también llamado equipo de cristal , es un receptor de radio simple , popular en los primeros días de la radio. Utiliza únicamente la potencia de la señal de radio recibida para producir sonido y no necesita alimentación externa. Lleva el nombre de su componente más importante, un detector de cristales , fabricado originalmente a partir de un trozo de mineral cristalino como la galena . [1] Este componente ahora se llama diodo .

Las radios de cristal son el tipo más simple de receptor de radio [2] y se pueden fabricar con algunas piezas económicas, como un cable para una antena, una bobina de cable, un condensador, un detector de cristal y auriculares (porque un juego de cristal tiene potencia insuficiente para un altavoz ). [3] Sin embargo, son receptores pasivos , mientras que otras radios utilizan un amplificador alimentado por la corriente de una batería o un tomacorriente de pared para hacer que la señal de radio sea más fuerte. Por lo tanto, los aparatos de cristal producen un sonido bastante débil y deben escucharse con auriculares sensibles y sólo pueden recibir emisoras dentro de un alcance limitado del transmisor. [4]

La propiedad rectificadora del contacto entre un mineral y un metal fue descubierta en 1874 por Karl Ferdinand Braun . [5] [6] [7] Los cristales fueron utilizados por primera vez como detector de ondas de radio en 1894 por Jagadish Chandra Bose , [8] [9] en sus experimentos de óptica de microondas. Fueron utilizados por primera vez como demodulador para la recepción de comunicaciones por radio en 1902 por GW Pickard . [10] Las radios de cristal fueron el primer tipo de receptor de radio ampliamente utilizado, [11] y el tipo principal utilizado durante la era de la telegrafía inalámbrica . [12] Vendido y hecho en casa por millones, la radio de cristal confiable y económica fue una fuerza impulsora importante en la introducción de la radio al público, contribuyendo al desarrollo de la radio como medio de entretenimiento con el comienzo de la radiodifusión alrededor de 1920. [ 13]

Hacia 1920, los equipos de cristal fueron reemplazados por los primeros receptores amplificadores, que utilizaban válvulas de vacío . Con este avance tecnológico, los aparatos de cristal quedaron obsoletos para uso comercial [11] pero continuaron siendo construidos por aficionados, grupos de jóvenes y los Boy Scouts [14] principalmente como una forma de aprender sobre la tecnología de la radio. Todavía se venden como dispositivos educativos y hay grupos de entusiastas dedicados a su construcción. [15] [16] [17] [18] [19]

Las radios Crystal reciben señales de amplitud modulada (AM), aunque se han construido diseños de FM . [20] [21] Pueden diseñarse para recibir casi cualquier banda de radiofrecuencia , pero la mayoría recibe la banda de transmisión AM . [22] Algunos reciben bandas de onda corta , pero se requieren señales fuertes. Los primeros conjuntos de cristales recibieron señales de telegrafía inalámbrica transmitidas por transmisores de chispas en frecuencias tan bajas como 20 kHz. [23] [24]

Historia

Una familia escuchando una radio de cristal en la década de 1920.
Diagrama de la patente estadounidense 836.531 de Greenleaf Whittier Pickard "Medios para recibir inteligencia comunicada por ondas eléctricas"
La Circular 120 de 1922 de la Oficina de Normas de EE. UU. " Un sencillo equipo receptor de radio casero " enseñó a los estadounidenses cómo construir una radio de cristal. [25]

La radio de cristal fue inventada gracias a una larga y en parte oscura cadena de descubrimientos a finales del siglo XIX, que gradualmente evolucionaron hasta convertirse en receptores de radio cada vez más prácticos a principios del siglo XX. El primer uso práctico de la radio de cristal fue recibir señales de radio en código Morse transmitidas desde transmisores de chispa por los primeros experimentadores de radioaficionados . A medida que la electrónica evolucionó, la capacidad de enviar señales de voz por radio provocó una explosión tecnológica alrededor de 1920 que evolucionó hasta convertirse en la industria de la radiodifusión actual .

Primeros años

Equipo de radio de cristal con doble detector tipo 'C' y forma 'A', fabricado por la británica Thomson Houston Ltd. en 1924, conservado en el Museo de la radio - Monteceneri (Suiza)

Las primeras radiotelegrafías utilizaban transmisores de chispas y de arco , así como alternadores de alta frecuencia que funcionaban con radiofrecuencias . El cohesor fue el primer medio para detectar una señal de radio. Sin embargo, estos carecían de la sensibilidad necesaria para detectar señales débiles.

A principios del siglo XX, diversos investigadores descubrieron que ciertos minerales metálicos , como la galena , podían utilizarse para detectar señales de radio. [26] [27]

El físico bengalí Jagadish Chandra Bose fue el primero en utilizar un cristal como detector de ondas de radio, utilizando detectores de galena para recibir microondas a partir de 1894. [28] En 1901, Bose solicitó una patente estadounidense para "Un dispositivo para detectar perturbaciones eléctricas" que mencionaba el uso de un cristal de galena; esto fue concedido en 1904, # 755840. [29] El 30 de agosto de 1906, Greenleaf Whittier Pickard presentó una patente para un detector de cristal de silicio, que fue concedida el 20 de noviembre de 1906. [30]

Un detector de cristal incluye un cristal, generalmente un cable delgado o una sonda metálica que hace contacto con el cristal, y el soporte o gabinete que mantiene esos componentes en su lugar. El cristal más comúnmente utilizado es un pequeño trozo de galena ; La pirita también se usaba a menudo, ya que era un mineral estable y más fácil de ajustar, y suficiente para la intensidad de la señal urbana. Varios otros minerales también funcionaron bien como detectores. Otro beneficio de los cristales era que podían demodular señales de amplitud modulada . [ cita necesaria ] Este dispositivo llevó los radioteléfonos y la transmisión de voz a una audiencia pública. Los aparatos de cristal representaban un método económico y tecnológicamente simple para recibir estas señales en un momento en que la incipiente industria de la radiodifusión comenzaba a crecer.

Décadas de 1920 y 1930

En 1922, la (entonces denominada) Oficina de Normas de los Estados Unidos publicó una publicación titulada Construcción y operación de un equipo receptor de radio casero simple . [31] Este artículo mostró cómo casi cualquier familia que tuviera un miembro que fuera hábil con herramientas simples podía hacer una radio y sintonizar el clima, los precios de las cosechas, la hora, las noticias y la ópera. Este diseño fue importante para acercar la radio al público en general. NBS siguió esto con una versión de dos circuitos más selectiva, Construcción y operación de un equipo receptor de radio de dos circuitos con detector de cristal , que se publicó el mismo año [32] y que los entusiastas todavía construyen con frecuencia en la actualidad.

A principios del siglo XX, la radio tenía poco uso comercial y la experimentación con la radio era un pasatiempo para muchas personas. [33] Algunos historiadores consideran que el otoño de 1920 fue el comienzo de la radiodifusión comercial con fines de entretenimiento. La estación KDKA de Pittsburgh , propiedad de Westinghouse , recibió su licencia del Departamento de Comercio de Estados Unidos justo a tiempo para transmitir los resultados de las elecciones presidenciales de Harding-Cox . Además de informar sobre eventos especiales, la transmisión a los agricultores de informes sobre los precios de las cosechas fue un servicio público importante en los primeros días de la radio.

En 1921, las radios fabricadas en fábrica eran muy caras. Como las familias menos acomodadas no podían permitirse el lujo de tener una, los periódicos y revistas publicaron artículos sobre cómo construir una radio de cristal con artículos domésticos comunes. Para minimizar el costo, muchos de los planes sugerían enrollar la bobina sintonizadora en recipientes de cartón vacíos, como cajas de avena, que se convirtieron en una base común para las radios caseras.

cristodina

A principios de la década de 1920 en Rusia , Oleg Losev estaba experimentando aplicando polarizaciones de voltaje a varios tipos de cristales para la fabricación de detectores de radio. El resultado fue sorprendente: con un cristal de zincita ( óxido de zinc ) consiguió amplificación. [34] [35] [36] Este fue un fenómeno de resistencia negativa , décadas antes del desarrollo del diodo túnel . Después de los primeros experimentos, Losev construyó receptores regenerativos y superheterodinos , e incluso transmisores.

Se podría producir un cristodina en condiciones primitivas; podría fabricarse en una fragua rural, a diferencia de los tubos de vacío y los dispositivos semiconductores modernos. Sin embargo, este descubrimiento no fue respaldado por las autoridades y pronto quedó en el olvido; No se produjo ningún dispositivo en gran cantidad más allá de unos pocos ejemplos para la investigación.

"Radios de trinchera"

"Radio Foxhole" utilizada en el frente italiano en la Segunda Guerra Mundial. Utiliza una mina de lápiz unida a un imperdible que presiona contra una hoja de afeitar como detector.

Además de los cristales minerales, las capas de óxido de muchas superficies metálicas actúan como semiconductores (detectores) capaces de rectificarse. Se han improvisado radios de cristal utilizando detectores hechos con clavos oxidados, monedas de un centavo corroídas y muchos otros objetos comunes.

Cuando las tropas aliadas fueron detenidas cerca de Anzio, Italia, durante la primavera de 1944, los receptores de radio personales eléctricos estaban estrictamente prohibidos, ya que los alemanes tenían equipos que podían detectar la señal del oscilador local de los receptores superheterodinos . Los conjuntos de cristales carecen de osciladores locales accionados por energía, por lo que no pudieron detectarse. Algunos soldados ingeniosos construyeron aparatos de "cristal" con materiales desechados para escuchar noticias y música. Un tipo usaba una hoja de afeitar de acero azul y la mina de un lápiz como detector. La punta del cable que tocaba la capa de óxido semiconductor (magnetita) de la cuchilla formaba un tosco diodo de contacto puntual. Al ajustar cuidadosamente la mina del lápiz en la superficie de la hoja, pudieron encontrar puntos capaces de rectificarse. Los aparatos fueron denominados " radios de trinchera " por la prensa popular y se convirtieron en parte del folclore de la Segunda Guerra Mundial .

En algunos países ocupados por los alemanes durante la Segunda Guerra Mundial hubo confiscaciones generalizadas de aparatos de radio a la población civil. Esto llevó a oyentes decididos a construir sus propios receptores clandestinos, que a menudo equivalían a poco más que un juego de cristal básico. Cualquiera que lo hiciera se arriesgaba a ser encarcelado o incluso a morir si lo pillaban, y en la mayor parte de Europa las señales de la BBC (u otras emisoras aliadas) no eran lo suficientemente fuertes como para ser recibidas en un aparato de este tipo.

"Radio cohete"

A finales de la década de 1950, se introdujo la "radio cohete" compacta, con forma de cohete, típicamente importada de Japón, que ganó una popularidad moderada. [37] Utilizaba un auricular de cristal piezoeléctrico (descrito más adelante en este artículo), un núcleo de ferrita para reducir el tamaño de la bobina de sintonización (también descrito más adelante) y un pequeño diodo fijo de germanio, que no requería ajuste. Para sintonizar estaciones, el usuario movía el portaobjetivo del cohete, que, a su vez, movía un núcleo de ferrita dentro de una bobina, cambiando la inductancia en un circuito sintonizado. Las radios de cristal anteriores sufrían una Q muy reducida y una selectividad resultante debido a la carga eléctrica del auricular o auricular. Además, con su eficiente auricular, la "radio cohete" no necesitaba una antena grande para captar suficiente señal. Con una Q mucho más alta, normalmente podría sintonizar varias estaciones locales potentes, mientras que una radio anterior podría recibir solo una estación, posiblemente con otras estaciones escuchadas de fondo.

Para escuchar en áreas donde no había una toma de corriente disponible, la "radio cohete" sirvió como una alternativa a las radios portátiles de tubo de vacío de la época, que requerían baterías costosas y pesadas. Los niños podían esconder "radios de cohetes" debajo de las sábanas para escuchar la radio cuando sus padres pensaban que estaban durmiendo. Los niños podían llevar las radios a las piscinas públicas y escuchar la radio cuando salían del agua, sujetando el cable de tierra a una cerca de tela metálica que rodeaba la piscina. La radio del cohete también se utilizó como radio de emergencia, porque no requería baterías ni una toma de corriente alterna.

La radio cohete estaba disponible en varios estilos de cohetes, así como en otros estilos que presentaban el mismo circuito básico. [38]

Las radios de transistores ya estaban disponibles en ese momento, pero eran caras. Una vez que esas radios bajaron de precio, la radio cohete perdió popularidad.

Años despues

Radio Crystal utilizada como receptor de respaldo en un barco Liberty de la Segunda Guerra Mundial

Si bien nunca recuperó la popularidad y el uso general que gozó en sus inicios, el circuito de radio de cristal todavía se utiliza. Los Boy Scouts mantienen la construcción de un aparato de radio en su programa desde los años 1920. Durante las décadas de 1950 y 1960 se pudo encontrar una gran cantidad de artículos novedosos prefabricados y kits simples, y muchos niños interesados ​​en la electrónica construyeron uno.

La construcción de radios de cristal fue una moda en la década de 1920 y nuevamente en la década de 1950. Recientemente, los aficionados han comenzado a diseñar y construir ejemplos de los primeros instrumentos. Se dedica mucho esfuerzo a la apariencia visual de estos decorados, así como a su rendimiento. Los concursos anuales de radio cristal 'DX' (recepción de larga distancia) y los concursos de construcción permiten a los propietarios de aparatos competir entre sí y formar una comunidad de interés en el tema.

Principios básicos

Diagrama de bloques de un receptor de radio de cristal.
Diagrama de circuito de una radio de cristal simple.

Una radio de cristal puede considerarse como un receptor de radio reducido a lo esencial. [3] [39] Consta de al menos estos componentes: [22] [40] [41]

Diagrama pictórico de 1922 que muestra el circuito de una radio de cristal. Este circuito común no utilizaba un condensador de sintonización , sino que utilizaba la capacitancia de la antena para formar el circuito sintonizado con la bobina. El detector era un detector de bigotes de gato , que consistía en un trozo de galena con un alambre delgado en contacto con él en una parte del cristal, haciendo contacto con un diodo.

Como una radio de cristal no tiene fuente de alimentación, la potencia sonora producida por el auricular proviene únicamente del transmisor de la estación de radio que se recibe, a través de las ondas de radio captadas por la antena. [3] La potencia disponible para una antena receptora disminuye con el cuadrado de su distancia al transmisor de radio . [46] Incluso para una potente estación de radiodifusión comercial , si está a más de unos pocos kilómetros del receptor, la potencia recibida por la antena es muy pequeña, normalmente medida en microvatios o nanovatios . [3] En los equipos de cristal modernos se pueden escuchar señales de hasta 50 picovatios en la antena. [47] Las radios de cristal pueden recibir señales tan débiles sin utilizar amplificación sólo debido a la gran sensibilidad del oído humano , [3] [48] que puede detectar sonidos con una intensidad de sólo 10 −16 W /cm 2 . [49] Por lo tanto, los receptores de cristal deben diseñarse para convertir la energía de las ondas de radio en ondas sonoras de la manera más eficiente posible. Aun así, generalmente solo pueden recibir estaciones dentro de distancias de aproximadamente 25 millas para las estaciones de transmisión AM , [50] [51] aunque las señales de radiotelegrafía utilizadas durante la era de la telegrafía inalámbrica podrían recibirse a cientos de millas, [51] y Los receptores de cristal incluso se utilizaron para comunicaciones transoceánicas durante ese período. [52]

Diseño

El desarrollo de receptores pasivos comerciales se abandonó con la llegada de tubos de vacío confiables alrededor de 1920, y la investigación posterior sobre radios de cristal fue realizada principalmente por radioaficionados y aficionados. [53] Se han utilizado muchos circuitos diferentes. [2] [54] [55] Las siguientes secciones analizan las partes de una radio de cristal con mayor detalle.

Antena

La antena convierte la energía de las ondas de radio electromagnéticas en una corriente eléctrica alterna en la antena, que está conectada a la bobina de sintonización. Dado que en una radio de cristal toda la energía proviene de la antena, es importante que la antena recoja la mayor cantidad de energía posible de la onda de radio. Cuanto más grande sea una antena, más potencia podrá interceptar. Las antenas del tipo comúnmente utilizado con equipos de cristal son más efectivas cuando su longitud es cercana a un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de las ondas de radio que reciben. Dado que la longitud de las ondas utilizadas con las radios de cristal es muy larga ( las ondas de la banda de transmisión AM miden entre 182 y 566 mo 597 y 1857 pies de largo) [56] la antena se fabrica lo más larga posible, [57] con un cable largo , a diferencia de las antenas de látigo o antenas de bucle de ferrita que se utilizan en las radios modernas.

Los aficionados serios a la radio de cristal utilizan antenas tipo "L invertida" y "T" , que consisten en cientos de pies de cable suspendido lo más alto posible entre edificios o árboles, con un cable de alimentación conectado en el centro o en un extremo que conduce al receptor. . [58] [59] Sin embargo, más a menudo, se utilizan longitudes aleatorias de alambre que cuelgan de las ventanas. Una práctica popular en los primeros días (particularmente entre los habitantes de apartamentos) era utilizar grandes objetos metálicos existentes, como somieres , [14] escaleras de incendios y cercas de alambre de púas como antenas. [51] [60] [61]

Suelo

Las antenas de hilo utilizadas con los receptores de cristal son antenas monopolo que desarrollan su voltaje de salida con respecto a tierra. Por tanto, el receptor necesita una conexión a tierra (tierra) como circuito de retorno de la corriente. El cable de tierra estaba conectado a un radiador, una tubería de agua o una estaca de metal clavada en el suelo. [62] [63] En los primeros días, si no se podía hacer una conexión a tierra adecuada, a veces se usaba un contrapeso . [64] [65] Una buena conexión a tierra es más importante para los conjuntos de cristal que para los receptores autoamplificados, ya que los conjuntos de cristal están diseñados para tener una impedancia de entrada baja necesaria para transferir energía de manera eficiente desde la antena. Es necesaria una conexión a tierra de baja resistencia (preferiblemente por debajo de 25 Ω) porque cualquier resistencia en el suelo reduce la potencia disponible de la antena. [57] Por el contrario, los receptores modernos son dispositivos impulsados ​​por voltaje, con alta impedancia de entrada, por lo que fluye poca corriente en el circuito de antena/tierra. Además, los receptores alimentados por la red eléctrica están conectados a tierra adecuadamente a través de sus cables de alimentación, que a su vez están conectados a tierra mediante una conexión a tierra bien establecida.

circuito sintonizado

El primer circuito receptor de cristal no tenía un circuito sintonizado .

El circuito sintonizado , formado por una bobina y un condensador conectados entre sí, actúa como un resonador , similar a un diapasón. [66] La carga eléctrica, inducida en la antena por las ondas de radio, fluye rápidamente hacia adelante y hacia atrás entre las placas del capacitor a través de la bobina. El circuito tiene una impedancia alta en la frecuencia de la señal de radio deseada, pero una impedancia baja en todas las demás frecuencias. [67] Por lo tanto, las señales en frecuencias no deseadas pasan a través del circuito sintonizado a tierra, mientras que la frecuencia deseada se pasa al detector (diodo) y estimula el auricular y se escucha. La frecuencia de la emisora ​​recibida es la frecuencia de resonancia f del circuito sintonizado, determinada por la capacitancia C del condensador y la inductancia L de la bobina: [68]

El circuito se puede ajustar a diferentes frecuencias variando la inductancia (L), la capacitancia (C) o ambas, "sintonizando" el circuito a las frecuencias de diferentes estaciones de radio. [1] En los conjuntos de menor costo, el inductor se hacía variable mediante un contacto de resorte que presionaba contra los devanados que podían deslizarse a lo largo de la bobina, introduciendo así un mayor o menor número de vueltas de la bobina en el circuito, variando la inductancia . Alternativamente, se utiliza un condensador variable para sintonizar el circuito. [69] Algunos conjuntos de cristales modernos utilizan una bobina de sintonización con núcleo de ferrita , en la que un núcleo magnético de ferrita se mueve dentro y fuera de la bobina, variando así la inductancia al cambiar la permeabilidad magnética (esto eliminó el contacto mecánico menos confiable). [70]

La antena es parte integral del circuito sintonizado y su reactancia contribuye a determinar la frecuencia de resonancia del circuito. Las antenas suelen actuar como capacitancia , ya que las antenas más cortas que un cuarto de longitud de onda tienen reactancia capacitiva . [57] Muchos de los primeros conjuntos de cristales no tenían un condensador de sintonización [71] y, en cambio, dependían de la capacitancia inherente a la antena de alambre (además de la capacitancia parásita significativa en la bobina [72] ) para formar el circuito sintonizado con la bobina. .

Los primeros receptores de cristal no tenían ningún circuito sintonizado, y simplemente consistían en un detector de cristal conectado entre la antena y tierra, con un auricular a través de él. [1] [71] Dado que este circuito carecía de elementos selectivos de frecuencia además de la amplia resonancia de la antena, tenía poca capacidad para rechazar estaciones no deseadas, por lo que todas las estaciones dentro de una amplia banda de frecuencias se escuchaban en el auricular [53] ( en la práctica, los más poderosos suelen ahogar a los demás). Se utilizó en los primeros días de la radio, cuando sólo una o dos estaciones estaban dentro del alcance limitado de un aparato de cristal.

Coincidencia de impedancia

Circuito de radio de cristal de "dos deslizadores". [53] y ejemplo de la década de 1920. Los dos contactos deslizantes de la bobina permitieron ajustar la impedancia de la radio para que coincidiera con la antena a medida que se sintonizaba la radio, lo que resultó en una recepción más fuerte.

Un principio importante utilizado en el diseño de radios de cristal para transferir la máxima potencia al auricular es la adaptación de impedancia . [53] [73] La potencia máxima se transfiere de una parte de un circuito a otra cuando la impedancia de un circuito es el conjugado complejo de la del otro; esto implica que los dos circuitos deben tener la misma resistencia. [1] [74] [75] Sin embargo, en los conjuntos de cristal, la impedancia del sistema antena-tierra (alrededor de 10 a 200 ohmios [57] ) suele ser menor que la impedancia del circuito sintonizado del receptor (miles de ohmios en resonancia). ), [76] y también varía dependiendo de la calidad de la conexión a tierra, la longitud de la antena y la frecuencia a la que está sintonizado el receptor. [47]

Por lo tanto, en los circuitos receptores mejorados, para hacer coincidir la impedancia de la antena con la impedancia del receptor, la antena se conectaba sólo a través de una parte de las vueltas de la bobina sintonizadora. [68] [71] Esto hizo que la bobina de sintonización actuara como un transformador de adaptación de impedancia (en una conexión de autotransformador ) además de proporcionar la función de sintonización. La baja resistencia de la antena se incrementó (transformó) en un factor igual al cuadrado de la relación de espiras (la relación entre el número de vueltas a las que estaba conectada la antena y el número total de vueltas de la bobina), para igualar la resistencia a través de el circuito sintonizado. [75] En el circuito de "dos controles deslizantes", popular durante la era inalámbrica, tanto la antena como el circuito detector estaban conectados a la bobina con contactos deslizantes, lo que permitía el ajuste (interactivo) [77] tanto de la frecuencia resonante como de los giros. relación. [78] [79] [80] Alternativamente, se utilizó un interruptor multiposición para seleccionar derivaciones en la bobina. Estos controles se ajustaron hasta que la estación sonara más fuerte en el auricular.

Circuito de acoplamiento directo con derivaciones para adaptación de impedancia [53]

Problema de selectividad

Uno de los inconvenientes de los juegos de cristales es que son vulnerables a la interferencia de estaciones cercanas en frecuencia a la estación deseada. [2] [4] [47] A menudo se escuchan dos o más estaciones simultáneamente. Esto se debe a que el circuito sintonizado simple no rechaza bien las señales cercanas; permite el paso de una amplia banda de frecuencias, es decir, tiene un gran ancho de banda ( factor Q bajo ) en comparación con los receptores modernos, lo que confiere al receptor una baja selectividad . [4]

El detector de cristal empeoró el problema porque tiene una resistencia relativamente baja , por lo que "cargó" el circuito sintonizado, consumiendo una corriente significativa y amortiguando así las oscilaciones, reduciendo su factor Q para permitir el paso de una banda más amplia de frecuencias. [47] [81] En muchos circuitos, la selectividad se mejoró conectando el detector y el circuito de auriculares a una derivación en solo una fracción de las vueltas de la bobina. [53] Esto redujo la carga de impedancia del circuito sintonizado, además de mejorar la coincidencia de impedancia con el detector. [53]

Acoplamiento inductivo

Circuito acoplado inductivamente con adaptación de impedancia. Este tipo se utilizó en la mayoría de los receptores de cristal de calidad a principios del siglo XX.
Receptor de cristal construido por aficionados con transformador de antena de "acoplador suelto", Belfast, alrededor de 1914

En receptores de cristal más sofisticados, la bobina de sintonización se reemplaza con un transformador de acoplamiento de antena con núcleo de aire ajustable [1] [53] que mejora la selectividad mediante una técnica llamada acoplamiento flojo . [71] [80] [82] Consiste en dos bobinas de cable acopladas magnéticamente , una (la primaria ) unida a la antena y a tierra y la otra (la secundaria ) unida al resto del circuito. La corriente de la antena crea un campo magnético alterno en la bobina primaria, que indujo una corriente en la bobina secundaria que luego se rectificó y alimentó el auricular. Cada una de las bobinas funciona como un circuito sintonizado ; la bobina primaria resonaba con la capacitancia de la antena (o, a veces, con otro condensador) y la bobina secundaria resonaba con el condensador de sintonización. Tanto la primaria como la secundaria estaban sintonizadas en la frecuencia de la emisora. Los dos circuitos interactuaron para formar un transformador resonante .

Reducir el acoplamiento entre las bobinas, separándolas físicamente de modo que menos campo magnético de una interseque a la otra, reduce la inductancia mutua , estrecha el ancho de banda y da como resultado una sintonización mucho más nítida y selectiva que la producida por un solo circuito sintonizado. . [71] [83] Sin embargo, el acoplamiento más flojo también redujo la potencia de la señal pasada al segundo circuito. El transformador se fabricó con acoplamiento ajustable, para permitir al oyente experimentar con varias configuraciones para obtener la mejor recepción.

Un diseño común en los primeros tiempos, llamado "acoplador suelto", consistía en una bobina secundaria más pequeña dentro de una bobina primaria más grande. [53] [84] La bobina más pequeña se montó en un estante para que pudiera deslizarse linealmente dentro o fuera de la bobina más grande. Si se encontrara interferencia de radio, la bobina más pequeña se deslizaría más fuera de la más grande, aflojando el acoplamiento, reduciendo el ancho de banda y rechazando así la señal de interferencia.

El transformador de acoplamiento de antena también funcionó como un transformador de adaptación de impedancia , que permitió una mejor adaptación de la impedancia de la antena al resto del circuito. Una o ambas bobinas generalmente tenían varias derivaciones que podían seleccionarse con un interruptor, lo que permitía ajustar el número de vueltas de ese transformador y, por tanto, la "relación de vueltas".

Los transformadores de acoplamiento eran difíciles de ajustar, porque los tres ajustes, la sintonización del circuito primario, la sintonización del circuito secundario y el acoplamiento de las bobinas, eran todos interactivos y el cambio de uno afectaba a los demás. [85]

detector de cristal

detector de cristal de galena
Diodo de germanio utilizado en radios de cristal modernas (aproximadamente 3 mm de largo)
Cómo funciona el detector de cristales. [86] [87] (A) La señal de radio de amplitud modulada del circuito sintonizado. Las oscilaciones rápidas son la onda portadora de radiofrecuencia . La señal de audio (el sonido) está contenida en las variaciones lentas ( modulación ) de la amplitud (de ahí el término modulación de amplitud, AM) de las ondas. El auricular no puede convertir esta señal en sonido porque las excursiones de audio son las mismas en ambos lados del eje, con un promedio de cero, lo que no daría como resultado ningún movimiento neto del diafragma del auricular. (B) El cristal conduce la corriente mejor en una dirección que en la otra, produciendo una señal cuya amplitud no tiene un promedio de cero sino que varía con la señal de audio. (C) Se utiliza un condensador de derivación para eliminar los pulsos portadores de radiofrecuencia, dejando la señal de audio.
Circuito con batería de polarización del detector para mejorar la sensibilidad y zumbador para ayudar en el ajuste del bigote del gato.

El detector de cristal demodula la señal de radiofrecuencia, extrayendo la modulación (la señal de audio que representa las ondas sonoras) de la onda portadora de radiofrecuencia . En los primeros receptores, un tipo de detector de cristal utilizado a menudo era el " detector de bigotes de gato ". [44] [88] El punto de contacto entre el cable y el cristal actuaba como un diodo semiconductor . El detector de bigotes de gato constituía un tosco diodo Schottky que permitía que la corriente fluyera mejor en una dirección que en la opuesta. [89] [90] Los conjuntos de cristal modernos utilizan diodos semiconductores modernos . [81] El cristal funciona como un detector de envolvente , rectificando la señal de radio de corriente alterna a una corriente continua pulsante , cuyos picos rastrean la señal de audio, por lo que puede convertirse en sonido mediante el auricular, que está conectado al detector. . [22] [ verificación fallida ] [87] [ verificación fallida ] La corriente rectificada del detector tiene pulsos de radiofrecuencia de la frecuencia portadora, que están bloqueados por la alta reactancia inductiva y no pasan bien a través de las bobinas de fecha anterior. auriculares. Por lo tanto, a menudo se coloca un pequeño condensador llamado condensador de derivación entre los terminales de los auriculares; su baja reactancia en radiofrecuencia evita estos pulsos alrededor del auricular a tierra. [91] En algunos juegos, el cable de los auriculares tenía suficiente capacitancia como para poder omitir este componente. [71]

Sólo ciertos puntos de la superficie del cristal funcionaban como uniones rectificadoras, y el dispositivo era muy sensible a la presión del contacto cristal-hilo, que podía verse alterada por la más mínima vibración. [6] [92] Por lo tanto, antes de cada uso había que encontrar un punto de contacto utilizable mediante prueba y error. El operador arrastró el cable por la superficie del cristal hasta que se escuchó una estación de radio o sonidos "estáticos" en los auriculares. [93] Alternativamente, algunas radios (circuito, derecha) usaban un zumbador alimentado por batería conectado al circuito de entrada para ajustar el detector. [93] La chispa en los contactos eléctricos del timbre sirvió como una fuente débil de estática, por lo que cuando el detector comenzó a funcionar, el zumbido se podía escuchar en los auriculares. Luego se apagó el timbre y se sintonizó la radio en la emisora ​​deseada.

Galena (sulfuro de plomo) fue el cristal más comúnmente utilizado, [80] [92] [94] pero también se utilizaron otros tipos de cristales, siendo el más común pirita de hierro (oro de los tontos, FeS 2 ), silicio , molibdenita (MoS 2 ), carburo de silicio (carborundo, SiC) y una unión cristal-cristal de zincita - bornita (ZnO-Cu 5 FeS 4 ) cuyo nombre comercial es Perikon . [48] ​​[95] Las radios de cristal también se han improvisado a partir de una variedad de objetos comunes, como hojas de afeitar de acero azul y lápices de mina , [48] [96] agujas oxidadas, [97] y monedas de un centavo [48] En estos, un La capa semiconductora de óxido o sulfuro sobre la superficie del metal suele ser responsable de la acción rectificadora. [48]

En los equipos modernos, se utiliza un diodo semiconductor como detector, que es mucho más confiable que un detector de cristal y no requiere ajustes. [48] ​​[81] [98] Se utilizan diodos de germanio (o, a veces, diodos Schottky ) en lugar de diodos de silicio, porque su menor caída de voltaje directo (aproximadamente 0,3 V en comparación con 0,6 V [99] ) los hace más sensibles. [81] [100]

Todos los detectores de semiconductores funcionan de manera bastante ineficiente en los receptores de cristal, porque la entrada de bajo voltaje al detector es demasiado baja para dar como resultado una gran diferencia entre la mejor dirección de conducción hacia adelante y la conducción inversa más débil. Para mejorar la sensibilidad de algunos de los primeros detectores de cristal, como el carburo de silicio, se aplicó una pequeña tensión de polarización directa a través del detector mediante una batería y un potenciómetro . [101] [102] [103] La polarización mueve el punto de operación del diodo hacia arriba en la curva de detección, produciendo más voltaje de señal a expensas de menos corriente de señal (mayor impedancia). Hay un límite al beneficio que esto produce, dependiendo de las otras impedancias de la radio. Esta sensibilidad mejorada se debió al movimiento del punto de operación de CC a un punto de operación de voltaje-corriente (impedancia) más deseable en la curva IV de la unión . La batería no alimentaba la radio, solo proporcionaba el voltaje de polarización que requería poca energía.

Auriculares

Radio moderna de cristal con auricular piezoeléctrico.

Los requisitos para los auriculares utilizados en juegos de cristal son diferentes a los de los auriculares utilizados con equipos de audio modernos. Tienen que ser eficientes a la hora de convertir la energía de la señal eléctrica en ondas sonoras, mientras que la mayoría de los auriculares modernos sacrifican la eficiencia para obtener una reproducción de alta fidelidad del sonido. [104] En los primeros aparatos de fabricación casera, los auriculares eran el componente más costoso. [105]

Auriculares magnéticos de 1600 ohmios.

Los primeros auriculares utilizados con equipos de cristal de la era inalámbrica tenían controladores de hierro móviles que funcionaban de manera similar a los altavoces de bocina de la época. Cada auricular contenía un imán permanente alrededor del cual había una bobina de alambre que formaba un segundo electroimán . Ambos polos magnéticos estaban cerca de una membrana de acero del altavoz. Cuando la señal de audio de la radio pasaba a través de los devanados del electroimán, se hacía fluir corriente en la bobina, lo que creaba un campo magnético variable que aumentaba o disminuía el debido al imán permanente. Esto varió la fuerza de atracción sobre el diafragma, haciéndolo vibrar. Las vibraciones del diafragma empujan y tiran del aire que tiene delante, creando ondas sonoras. Los auriculares estándar utilizados en el trabajo telefónico tenían una impedancia baja , a menudo 75 Ω, y requerían más corriente de la que podía suministrar una radio de cristal. Por lo tanto, el tipo utilizado con radios de cristal (y otros equipos sensibles) estaba enrollado con más vueltas de cable más fino, lo que le daba una alta impedancia de 2000–8000 Ω. [106] [107] [108]

Los juegos de cristal modernos utilizan auriculares de cristal piezoeléctrico , que son mucho más sensibles y también más pequeños. [104] Consisten en un cristal piezoeléctrico con electrodos unidos a cada lado, pegados a un diafragma de luz. Cuando la señal de audio del aparato de radio se aplica a los electrodos, hace que el cristal vibre, lo que hace vibrar el diafragma. Los auriculares Crystal están diseñados como audífonos que se conectan directamente al canal auditivo del usuario, acoplando el sonido de manera más eficiente al tímpano. Su resistencia es mucho mayor (típicamente megaohmios), por lo que no "cargan" mucho el circuito sintonizado, lo que permite una mayor selectividad del receptor. La mayor resistencia del auricular piezoeléctrico, en paralelo con su capacitancia de alrededor de 9 pF, crea un filtro que permite el paso de las frecuencias bajas, pero bloquea las frecuencias más altas. [109] En ese caso no se necesita un condensador de derivación (aunque en la práctica a menudo se usa uno pequeño de alrededor de 0,68 a 1 nF para ayudar a mejorar la calidad), sino que se debe agregar una resistencia de 10 a 100 kΩ en paralelo con la del auricular. aporte. [110]

Aunque la baja potencia producida por las radios de cristal suele ser insuficiente para hacer funcionar un altavoz , algunos aparatos caseros de los años 60 han utilizado uno, con un transformador de audio para igualar la baja impedancia del altavoz al circuito. [111] De manera similar, los auriculares modernos de baja impedancia (8 Ω) no se pueden usar sin modificaciones en juegos de cristal porque el receptor no produce suficiente corriente para impulsarlos. A veces se utilizan agregando un transformador de audio para hacer coincidir su impedancia con la impedancia más alta del circuito de la antena conductora.

Usar como fuente de energía

Una radio de cristal sintonizada con un transmisor local potente se puede utilizar como fuente de energía para un segundo receptor amplificado de una estación distante que no se puede escuchar sin amplificación. [112] : 122-123 

Existe una larga historia de intentos fallidos y afirmaciones no verificadas de recuperar la energía en la portadora de la señal recibida. Los conjuntos de cristales convencionales utilizan rectificadores de media onda . Como las señales AM tienen un factor de modulación de solo el 30% por voltaje en los picos [ cita necesaria ] , no más del 9% de la potencia de la señal recibida ( ) es información de audio real y el 91% es solo voltaje CC rectificado. <corrección> La cifra del 30% es el estándar utilizado para las pruebas de radio y se basa en el factor de modulación promedio para la voz. Los transmisores AM correctamente diseñados y administrados pueden funcionar con una modulación del 100% en los picos sin causar distorsión o "salpicaduras" (exceso de energía de banda lateral que se irradia fuera del ancho de banda de señal previsto). Dado que es poco probable que la señal de audio esté en su punto máximo todo el tiempo, la proporción de energía es, en la práctica, incluso mayor. Se hicieron esfuerzos considerables para convertir este voltaje CC en energía sonora. Algunos intentos anteriores incluyen un amplificador de un transistor [113] en 1966. A veces los esfuerzos por recuperar esta potencia se confunden con otros esfuerzos por producir una detección más eficiente. [114] Esta historia continúa ahora con diseños tan elaborados como la "unidad de potencia conmutada de dos ondas invertidas". [112] : 129 

Galería

Durante la era de la telegrafía inalámbrica antes de 1920, los receptores de cristal eran "de última generación" y se produjeron modelos sofisticados. Después de 1920, los aparatos de cristal se convirtieron en la alternativa barata a las radios de válvulas de vacío , utilizadas en emergencias y por los jóvenes y los pobres.

Ver también

Referencias

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    "Im Mai 1901 habe ich einige Versuche im Laboratorium gemacht und dabei gefunden, daß in der Tat ein Fernhörer, der in einen aus Psilomelan und Elementen bestehenden Kreis eingeschaltet war, deutliche und scharfe Laute gab, wenn dem Kreise schwache schnelle Schwingungen zugef ührt wurden . Das Ergebnis wurde nachgeprüft, und zwar mit überraschend gutem Erfolg, an den Stationen für drahtlose Telegraphie, an welchen zu dieser Zeit auf den Straßburger Forts von der Königlichen Preußischen Luftschiffer-Abteilung unter Leitung des Hauptmannes von Sigsfeld gearbeitet wurde."
    (En mayo de 1901, hice algunos experimentos en el laboratorio y descubrí que, de hecho, un auricular, que estaba conectado a un circuito que consistía en psilomelano y baterías, producía sonidos claros y fuertes cuando se introducían oscilaciones débiles y rápidas en el circuito. El resultado se verificó – y de hecho con un éxito sorprendente – en las estaciones de telegrafía inalámbrica, que en ese momento eran operadas en los fuertes de Estrasburgo por el Departamento Real de Aeronaves de Prusia bajo la dirección del Capitán von Sigsfeld.)
    Braun también afirma que había estado investigando las propiedades conductoras de los semiconductores desde 1874. Ver: Braun, F. (1874) "Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle" (Sobre la conducción de corriente a través de sulfuros metálicos), Annalen der Physik und Chemie , 153 (4): 556– 563. En estos experimentos, Braun aplicó un bigote de gato a varios cristales semiconductores y observó que la corriente fluía en una sola dirección.
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Otras lecturas

enlaces externos

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Una entrevista con el inventor del detector Crystaloi