Radio de cristal

Circuito receptor de radio simple para recepción AM

Radio de cristal sueca de 1922 fabricada por Radiola , con auriculares. El dispositivo de la parte superior 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 sujetarlo 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 solo la potencia de la señal de radio recibida para producir sonido, sin necesidad de energía externa. Recibe su nombre por su componente más importante, un detector de cristal , originalmente hecho 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 unas pocas piezas económicas, como un cable para una antena, una bobina de cable, un condensador, un detector de cristal y auriculares (porque un equipo de cristal no tiene suficiente potencia para un altavoz ). ^[3] Sin embargo, son receptores pasivos , mientras que otras radios utilizan un amplificador alimentado por corriente de una batería o un enchufe de pared para hacer que la señal de radio sea más fuerte. Por lo tanto, los equipos de cristal producen un sonido bastante débil y deben escucharse con auriculares sensibles, y pueden recibir estaciones solo dentro de un rango limitado del transmisor. ^[4]

La propiedad rectificadora de un 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] Vendida y fabricada en casa por millones, la radio de cristal económica y confiable 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]

Alrededor de 1920, los equipos de cristal fueron reemplazados por los primeros receptores amplificadores, que utilizaban tubos de vacío . Con este avance tecnológico, los equipos de cristal se volvieron 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 de cristal reciben señales moduladas en amplitud (AM), aunque se han construido diseños FM . ^{[20] [21]} Pueden diseñarse para recibir casi cualquier banda de frecuencia de radio , pero la mayoría recibe la banda de transmisión AM . ^[22] Unas pocas reciben bandas de onda corta , pero se requieren señales fuertes. Los primeros equipos de cristal recibían señales de telegrafía inalámbrica transmitidas por transmisores de chispa a 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 Estados Unidos " Un sencillo equipo receptor de radio casero " enseñó a los estadounidenses cómo construir una radio de cristal. ^[25]

La radio de cristal fue inventada por una larga cadena de descubrimientos , en parte poco conocidos , a finales del siglo XIX, que gradualmente fueron evolucionando 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 radioaficionados experimentadores. 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

Radio con detector doble de cristal, tipo 'C' Forma 'A', fabricada por la británica Thomson Houston Ltd. en 1924, conservada en el Museo de la Radio - Monteceneri (Suiza)

La radiotelegrafía primitiva utilizaba transmisores de chispa y de arco , así como alternadores de alta frecuencia que funcionaban a frecuencias de radio . 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, varios 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; esta fue concedida 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 alambre delgado o una sonda de metal que entra en contacto con el cristal, y el soporte o caja que mantiene esos componentes en su lugar. El cristal más común utilizado es un pequeño trozo de galena ; también se usaba a menudo pirita , ya que era un mineral más fácil de ajustar y estable, y más que suficiente para las intensidades de señal urbanas. Varios otros minerales también funcionaron bien como detectores. Otro beneficio de los cristales era que podían demodular señales moduladas en amplitud . ^{[ cita requerida ]} Este dispositivo llevó los radioteléfonos y la transmisión de voz a una audiencia pública. Los equipos de cristal representaban un método económico y tecnológicamente simple de recibir estas señales en una época en la que la embrionaria industria de la radiodifusión estaba comenzando a crecer.

Década de 1920 y 1930

En 1922, la entonces denominada Oficina de Normas de los Estados Unidos publicó una publicación titulada Construcción y funcionamiento de un equipo receptor de radio casero sencillo . ^[31] Este artículo mostraba cómo casi cualquier familia que tuviera un miembro hábil con herramientas sencillas podía fabricar una radio y sintonizar el tiempo, los precios de las cosechas, la hora, las noticias y la ópera. Este diseño fue importante para acercar la radio al público en general. La NBS siguió con una versión de dos circuitos más selectiva, Construcción y funcionamiento de un equipo receptor de radio de dos circuitos con detector de cristal , que se publicó el mismo año ^[32] y que todavía hoy los entusiastas construyen con frecuencia.

A principios del siglo XX, la radio tenía poco uso comercial y la experimentación radiofónica era un pasatiempo para muchas personas. ^[33] Algunos historiadores consideran que el otoño de 1920 fue el comienzo de la transmisión de radio comercial con fines de entretenimiento. La estación de Pittsburgh KDKA , propiedad de Westinghouse , recibió su licencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos justo a tiempo para transmitir los resultados de las elecciones presidenciales de Harding-Cox . Además de informar sobre eventos especiales, las transmisiones a los agricultores de informes de precios de cultivos fueron 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 pudientes no podían permitirse tener una, los periódicos y revistas publicaron artículos sobre cómo construir una radio de cristal con elementos domésticos comunes. Para minimizar el costo, muchos de los planos sugerían enrollar la bobina de sintonización 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 con la aplicación de polarizaciones de voltaje a varios tipos de cristales para la fabricación de detectores de radio. El resultado fue asombroso: con un cristal de cincita ( óxido de cinc ) obtuvo amplificación. ^{[34] [35] [36]} Este era 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.

Un cristodino podía producirse en condiciones primitivas; podía fabricarse en una fragua rural, a diferencia de los tubos de vacío y los dispositivos semiconductores modernos. Sin embargo, este descubrimiento no recibió el apoyo de las autoridades y pronto cayó en el olvido; no se produjo ningún dispositivo en grandes cantidades, salvo unos pocos ejemplares para la investigación.

"Radios de trinchera"

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

Además de los cristales minerales, los recubrimientos de óxido de muchas superficies metálicas actúan como semiconductores (detectores) capaces de rectificar. 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 se detuvieron cerca de Anzio, Italia , durante la primavera de 1944, los receptores de radio personales alimentados por energía quedaron estrictamente prohibidos, ya que los alemanes tenían equipos que podían detectar la señal del oscilador local de los receptores superheterodinos . Los equipos de cristal carecen de osciladores locales alimentados por energía, por lo que no podían detectarse. Algunos soldados ingeniosos construyeron equipos de "cristal" a partir de materiales descartados para escuchar noticias y música. Un tipo usaba una hoja de afeitar de acero azul y una mina de lápiz como detector. La punta de la mina, al tocar el recubrimiento de óxido semiconductor (magnetita) en la hoja, formaba un rudimentario diodo de contacto puntual. Al ajustar cuidadosamente la mina del lápiz en la superficie de la hoja, podían encontrar puntos capaces de rectificar. La prensa popular denominó a estos equipos " radios de trinchera " y se convirtieron en parte del folclore de la Segunda Guerra Mundial .

En algunos países ocupados por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial se confiscaron en gran escala los aparatos de radio de la población civil, lo que llevó a muchos oyentes decididos a construir sus propios receptores clandestinos, que a menudo no eran más que un aparato básico de cristal. Quien lo hiciera se arriesgaba a ir a prisión o incluso a morir si lo descubrían, y en la mayor parte de Europa las señales de la BBC (u otras emisoras aliadas) no eran lo suficientemente fuertes para ser recibidas en un aparato de ese tipo.

"Radio cohete"

A finales de los años 50 se introdujo la "radio cohete" compacta, con forma de cohete, que se importaba normalmente de Japón y 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 descrita más adelante) y un pequeño diodo fijo de germanio, que no requería ajuste. Para sintonizar estaciones, el usuario movía la boquilla del cohete, que, a su vez, movía un núcleo de ferrita dentro de una bobina, cambiando la inductancia en un circuito sintonizado. Las primeras radios de cristal sufrían de una Q severamente reducida, y la selectividad resultante, debido a la carga eléctrica del auricular o audífono. Además, con su eficiente auricular, la "radio cohete" no requería una gran antena para captar suficiente señal. Con una Q mucho más alta, normalmente podía sintonizar varias estaciones locales fuertes, mientras que una radio anterior solo podía recibir una estación, posiblemente con otras estaciones escuchándose de fondo.

Para escuchar en zonas donde no había tomas de corriente, la "radio cohete" servía como alternativa a las radios portátiles de tubos de vacío de la época, que requerían baterías pesadas y costosas. Los niños podían esconder las "radios cohete" bajo las sábanas para escuchar la radio cuando sus padres creían 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 valla de alambre que rodeaba la piscina. La radio cohete también se utilizaba como radio de emergencia, porque no requería baterías ni una toma de corriente alterna.

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

En esa época ya se podían conseguir radios a transistores , pero eran caras. Cuando el precio de esas radios bajó, la popularidad de las radios cohete disminuyó.

Años posteriores

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

Aunque nunca recuperó la popularidad y el uso generalizado que tuvo en sus inicios, el circuito de radio a cristal todavía se utiliza. Los Boy Scouts han mantenido la construcción de un aparato de radio en su programa desde la década de 1920. Durante las décadas de 1950 y 1960 se podían encontrar una gran cantidad de artículos novedosos prefabricados y kits sencillos, y muchos niños interesados ​​en la electrónica construyeron uno.

La construcción de radios de cristal fue una locura en la década de 1920 y nuevamente en la 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 equipos, así como a su rendimiento. Los concursos anuales de "DX" (recepción a larga distancia) y de construcción de radios de cristal permiten a los propietarios de estos equipos 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 al menos de estos componentes: ^{[22] [40] [41]}

• Una antena en la que se inducen corrientes eléctricas mediante ondas de radio .
• Un circuito resonante (circuito sintonizado) que selecciona la frecuencia de la estación de radio deseada de entre todas las señales de radio recibidas por la antena. El circuito sintonizado consta de una bobina de alambre (llamada inductor ) y un condensador conectados entre sí. El circuito tiene una frecuencia resonante y permite que las ondas de radio de esa frecuencia pasen al detector mientras bloquea en gran medida las ondas de otras frecuencias. Una o ambas de las bobinas o condensadores son ajustables, lo que permite que el circuito se sintonice a diferentes frecuencias. En algunos circuitos no se utiliza un condensador y la antena cumple esta función, ya que una antena que es más corta que un cuarto de la longitud de onda de las ondas de radio que está destinada a recibir es capacitiva.
• Un detector de cristal semiconductor que demodula la señal de radio para extraer la señal de audio ( modulación ). El detector de cristal funciona como un detector de ley cuadrada , ^{[42] demodulando la} corriente alterna de radiofrecuencia a su modulación de frecuencia de audio. La salida de frecuencia de audio del detector se convierte en sonido mediante el auricular. Los primeros equipos utilizaban un " detector de bigotes de gato " ^{[43] [44] [45]} que consistía en un pequeño trozo de mineral cristalino como la galena con un alambre fino tocando su superficie. El detector de cristal fue el componente que dio a las radios de cristal su nombre. Los equipos modernos utilizan diodos semiconductores modernos , aunque algunos aficionados todavía experimentan con cristales u otros detectores.
• Un auricular que convierte la señal de audio en ondas sonoras para que se puedan escuchar. La baja potencia que produce un receptor de cristal es insuficiente para alimentar un altavoz , por lo que se utilizan auriculares.

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 fino en contacto con él en una parte del cristal, haciendo un contacto de diodo

Como una radio de cristal no tiene fuente de alimentación, la potencia de sonido producida por el auricular proviene únicamente del transmisor de la estación de radio que se recibe, a través de las ondas de radio capturadas por la antena. ^[3] La potencia disponible para una antena receptora disminuye con el cuadrado de su distancia del transmisor de radio . ^[46] Incluso para una potente estación de radiodifusión comercial , si está a más de unas pocas millas del receptor, la potencia recibida por la antena es muy pequeña, normalmente medida en microvatios o nanovatios . ^[3] En los modernos aparatos de cristal, se pueden oír señales tan débiles como 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 tienen que estar diseñados para convertir la energía de las ondas de radio en ondas sonoras de la forma más eficiente posible. Aun así, normalmente sólo son capaces de recibir estaciones dentro de distancias de aproximadamente 25 millas para estaciones de transmisión AM , ^{[50] [51]} aunque las señales de radiotelegrafía utilizadas durante la era de la telegrafía inalámbrica podían recibirse a cientos de millas, ^[51] e incluso se utilizaron receptores de cristal para comunicaciones transoceánicas durante ese período. ^[52]

Diseño

El desarrollo de receptores pasivos comerciales se abandonó con la llegada de los 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

Diagrama de una antena en forma de L invertida , una antena de cable común utilizada con radios de cristal

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 posible de energía de la onda de radio. Cuanto más grande sea la antena, más energía puede interceptar. Las antenas del tipo que se usa comúnmente con los 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 están recibiendo. Dado que la longitud de las ondas utilizadas con las radios de cristal es muy larga ( las ondas de la banda de transmisión AM tienen una longitud de 182 a 566 metros o 597 a 1857 pies) ^[56] la antena se hace lo más larga posible, ^[57] a partir de un cable largo , en contraste con las antenas de látigo o las antenas de bucle de ferrita que se usan en las radios modernas.

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

Suelo

Las antenas de cable que se utilizan con los receptores de cristal son antenas monopolares que desarrollan su voltaje de salida con respecto a tierra. Por lo tanto, el receptor requiere una conexión a tierra (la tierra) como circuito de retorno para la corriente. El cable de tierra se conectaba a un radiador, una tubería de agua o una estaca de metal clavada en el suelo. ^{[62] [63]} En los primeros tiempos, 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 equipos de cristal que para los receptores alimentados, ya que los equipos de cristal están diseñados para tener una baja impedancia de entrada necesaria para transferir energía de manera eficiente desde la antena. Una conexión a tierra de baja resistencia (preferiblemente por debajo de 25 Ω) es necesaria porque cualquier resistencia en el suelo reduce la potencia disponible de la antena. ^[57] En contraste, los receptores modernos son dispositivos impulsados ​​por voltaje, con alta impedancia de entrada, por lo tanto, fluye poca corriente en el circuito 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 la tierra a través del cableado del edificio.

Circuito sintonizado

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

El circuito sintonizado , que consta de 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 de ida y vuelta entre las placas del condensador a través de la bobina. El circuito tiene una alta impedancia en la frecuencia de la señal de radio deseada, pero una baja impedancia 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 transmite al detector (diodo) y estimula el auricular y se escucha. La frecuencia de la estación 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]

${\displaystyle f={\frac {1}{2\pi {\sqrt {LC}}}}\,}$

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 equipos de menor costo, el inductor se hizo variable a través de un contacto de resorte que presionaba contra los devanados que podían deslizarse a lo largo de la bobina, introduciendo así un número mayor o menor de vueltas de la bobina en el circuito, variando la inductancia . Alternativamente, se utiliza un condensador variable para sintonizar el circuito. ^[69] Algunos equipos de cristal modernos utilizan una bobina de sintonización de 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 una parte integral del circuito sintonizado y su reactancia contribuye a determinar la frecuencia de resonancia del circuito. Las antenas suelen actuar como una capacitancia , ya que las antenas más cortas que un cuarto de longitud de onda tienen reactancia capacitiva . ^[57] Muchos de los primeros equipos de cristal no tenían un condensador de sintonización, ^[71] y dependían en cambio de la capacitancia inherente a la antena de cable (además de una 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 solo 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, la más potente generalmente ahoga a las demás). Se utilizó en los primeros días de la radio, cuando solo una o dos estaciones estaban dentro del rango limitado de un receptor de cristal.

Adaptación de impedancia

Circuito de radio de cristal de "dos deslizadores". ^[53] y ejemplo de la década de 1920. Los dos contactos deslizantes en la bobina permitían ajustar la impedancia de la radio para que coincidiera con la antena a medida que se sintonizaba la radio, lo que daba como resultado 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 equipos de cristal, la impedancia del sistema antena-tierra (alrededor de 10-200 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 circuitos receptores mejorados, para hacer coincidir la impedancia de la antena con la impedancia del receptor, la antena se conectaba solo a través de una parte de las vueltas de la bobina de sintonización. ^{[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) por un factor igual al cuadrado de la relación de vueltas (la relación entre el número de vueltas a las que estaba conectada la antena y el número total de vueltas de la bobina), para que coincidiera con la resistencia a través del circuito sintonizado. ^[75] En el circuito de "dos deslizadores", popular durante la era inalámbrica, tanto la antena como el circuito detector se unían a la bobina con contactos deslizantes, lo que permitía un ajuste (interactivo) ^[77] tanto de la frecuencia de resonancia como de la relación de vueltas. ^{[78] [79] [80]} Alternativamente, se utilizó un interruptor multiposición para seleccionar tomas en la bobina. Estos controles se ajustaron hasta que la estación sonara más fuerte en el auricular.

Circuito acoplado directamente con tomas para adaptación de impedancia ^[53]

Problema de selectividad

Una de las desventajas de los equipos de cristal es que son vulnerables a interferencias 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 que pase una amplia banda de frecuencias, es decir, tiene un gran ancho de banda ( factor Q bajo ) en comparación con los receptores modernos, lo que le da al receptor una baja selectividad . ^[4]

El detector de cristal empeoró el problema, porque tiene una resistencia relativamente baja , por lo que "cargaba" el circuito sintonizado, extrayendo 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 los auriculares a una toma 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 de fabricación amateur con transformador de antena de "acoplador suelto", Belfast, alrededor de 1914

En los receptores de cristal más sofisticados, la bobina de sintonización se reemplaza con un transformador de acoplamiento de antena de núcleo de aire ajustable ^{[1] [53]} que mejora la selectividad mediante una técnica llamada acoplamiento suelto . ^{[71] [80] [82]} Este consta de 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 induce una corriente en la bobina secundaria que luego se rectifica y alimenta el auricular. Cada una de las bobinas funciona como un circuito sintonizado ; la bobina primaria resonó con la capacitancia de la antena (o, a veces, otro condensador), y la bobina secundaria resonó con el condensador de sintonización. Tanto la primaria como la secundaria se sintonizaron a la frecuencia de la estación. Los dos circuitos interactuaron para formar un transformador resonante .

Al reducir el acoplamiento entre las bobinas, separándolas físicamente de modo que una parte menor del campo magnético de una intersecte con la otra, se reduce la inductancia mutua , se estrecha el ancho de banda y se obtiene una sintonización mucho más nítida y selectiva que la producida por un solo circuito sintonizado. ^{[71] [83]} Sin embargo, el acoplamiento más laxo también redujo la potencia de la señal que pasaba 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 montaba en un bastidor para que pudiera deslizarse linealmente dentro o fuera de la bobina más grande. Si se encontraba interferencia de radio, la bobina más pequeña se deslizaba más lejos de la más grande, aflojando el acoplamiento, estrechando el ancho de banda y, por lo tanto, rechazando la señal interferente.

El transformador de acoplamiento de antena también funcionaba como transformador de adaptación de impedancia , lo que permitía una mejor adaptación de la impedancia de la antena al resto del circuito. Una o ambas bobinas solían tener varias tomas que se podían seleccionar con un interruptor, lo que permitía ajustar el número de vueltas de ese transformador y, por lo 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 cambiar uno afectaba a los demás. ^[85]

Detector de cristal

Detector de cristal de galena

Diodo de germanio utilizado en radios de cristal modernas (de unos 3 mm de largo)

Cómo funciona el detector de cristal. ^{[86] [87]} (A) La señal de radio modulada en amplitud 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. Esta señal no puede convertirse en sonido mediante el auricular, porque las excursiones de audio son las mismas en ambos lados del eje, promediando a cero, lo que daría como resultado que no hubiera movimiento neto del diafragma del auricular. (B) El cristal conduce mejor la corriente en una dirección que en la otra, lo que produce una señal cuya amplitud no promedia a 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 que se utilizaba a menudo era un " 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 diodo Schottky rudimentario que permitía que la corriente fluyera mejor en una dirección que en la dirección opuesta. ^{[89] [90]} Los equipos 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 trazan la señal de audio, para que pueda convertirse en sonido mediante el auricular, que está conectado al detector. ^{[22] [ verificación fallida ] [87] [ verificación fallida ]} La corriente rectificada del detector contiene 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 los auriculares antiguos. Por lo tanto, a menudo se coloca un pequeño condensador llamado condensador de derivación entre los terminales del auricular; su baja reactancia a la frecuencia de radio desvía estos pulsos alrededor del auricular a tierra. ^[91] En algunos equipos, el cable del auricular tenía suficiente capacitancia como para que se pudiera 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 entre el cristal y el alambre, que podía verse alterado por la más mínima vibración. ^{[6] [92]} Por lo tanto, antes de cada uso había que encontrar un punto de contacto utilizable mediante ensayo y error. El operador arrastraba el alambre por la superficie del cristal hasta que se oía una estación de radio o sonidos "estáticos" en los auriculares. ^[93] Alternativamente, algunas radios (circuito, derecha) utilizaban un zumbador alimentado por batería conectado al circuito de entrada para ajustar el detector. ^[93] La chispa en los contactos eléctricos del zumbador servía como una fuente débil de estática, por lo que cuando el detector empezaba a funcionar, se podía oír el zumbido en los auriculares. A continuación, se apagaba el zumbador y se sintonizaba la radio en la estación deseada.

La galena (sulfuro de plomo) fue el cristal más comúnmente utilizado, ^{[80] [92] [94]} pero también se utilizaron varios otros tipos de cristales, siendo los más comunes la pirita de hierro (oro de los tontos, FeS ₂ ), el silicio , la molibdenita (MoS ₂ ), el carburo de silicio (carborundo, SiC) y una unión cristal a cristal de zincita - bornita (ZnO-Cu ₅ FeS ₄ ) con nombre comercial Perikon . ^{[48] [95]} También se han improvisado radios de cristal 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 centavos ^[48] En estos, una capa semiconductora de óxido o sulfuro en la superficie del metal suele ser responsable de la acción rectificadora. ^[48]

En los equipos modernos, se utiliza un diodo semiconductor para el 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 dirección de mejor conducción directa 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 un pequeño voltaje 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 más 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 fue causada por mover el punto de operación de CC a un punto de operación de voltaje-corriente más deseable (impedancia) en la curva IV de la unión . La batería no alimentaba la radio, sino que solo proporcionaba el voltaje de polarización que requería poca energía.

Auriculares

Radio de cristal moderna con auricular piezoeléctrico.

Los requisitos de los auriculares que se utilizan en los equipos de cristal son diferentes a los de los que se utilizan en los 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 conseguir una reproducción de alta fidelidad del sonido. ^[104] En los primeros equipos caseros, los auriculares eran el componente más costoso. ^[105]

Auriculares magnéticos de 1600 ohmios

Los primeros auriculares que se utilizaban con los equipos de cristal de la era inalámbrica tenían controladores de hierro móviles que funcionaban de forma 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 un diafragma de acero del altavoz. Cuando la señal de audio de la radio pasaba a través de los devanados del electroimán, se hacía que fluyera corriente en la bobina que creaba un campo magnético variable que aumentaba o disminuía el debido al imán permanente. Esto variaba la fuerza de atracción en el diafragma, lo que hacía que vibrara. Las vibraciones del diafragma empujan y tiran del aire que está frente a él, creando ondas sonoras. Los auriculares estándar que se usaban 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 alambre más fino, lo que le daba una alta impedancia de 2000–8000 Ω. ^{[106] [107] [108]}

Los equipos 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 equipo de radio se aplica a los electrodos, hace que el cristal vibre, haciendo vibrar el diafragma. Los auriculares de cristal están diseñados como auriculares que se conectan directamente al canal auditivo del usuario, acoplando el sonido al tímpano de manera más eficiente. Su resistencia es mucho mayor (normalmente megaohmios) por lo que no "cargan" en gran medida 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 frecuencias bajas, pero bloquea las frecuencias más altas. ^[109] En ese caso no se necesita un condensador de derivación (aunque en la práctica se suele utilizar uno pequeño de alrededor de 0,68 a 1 nF para ayudar a mejorar la calidad), sino que en su lugar se debe añadir una resistencia de 10–100 kΩ en paralelo con la entrada del auricular. ^[110]

Aunque la baja potencia producida por las radios de cristal normalmente es insuficiente para accionar un altavoz , algunos equipos caseros de la década de 1960 han utilizado uno, con un transformador de audio para adaptar la baja impedancia del altavoz al circuito. ^[111] De manera similar, los auriculares modernos de baja impedancia (8 Ω) no se pueden utilizar sin modificar en equipos de cristal porque el receptor no produce suficiente corriente para accionarlos. A veces se utilizan añadiendo un transformador de audio para adaptar su impedancia a la mayor impedancia del circuito de la antena de accionamiento.

Utilizar 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 infructuosos y afirmaciones no verificadas para recuperar la potencia en la portadora de la propia señal recibida. ^{[ cita requerida ] Los equipos de cristal convencionales utilizan} rectificadores de media onda . Como las señales de AM tienen un factor de modulación de solo el 30% por voltaje en los picos ^{[ cita requerida ]} , no más del 9% de la potencia de la señal recibida ( ) es información de audio real, y el 91% es solo voltaje de CC rectificado. <corrección> La cifra del 30% es el estándar utilizado para pruebas de radio y se basa en el factor de modulación promedio para el habla. Los transmisores de AM diseñados y administrados correctamente pueden funcionar con una modulación del 100% en los picos sin causar distorsión o "salpicaduras" (exceso de energía de banda lateral que irradia fuera del ancho de banda de la señal prevista). Dado que es poco probable que la señal de audio esté en el pico todo el tiempo, la relación de energía es, en la práctica, incluso mayor. Se realizó un esfuerzo considerable para convertir este voltaje de CC en energía de sonido. 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 de conmutación de dos ondas invertidas". ^{[112] : 129} ${\displaystyle P=U^{2}/R}$

Galería

Durante la era de la telegrafía inalámbrica , antes de 1920, los receptores de cristal eran "la última tecnología" y se fabricaban modelos sofisticados. Después de 1920, los receptores de cristal se convirtieron en la alternativa barata a las radios de tubo de vacío , utilizadas en situaciones de emergencia y por jóvenes y personas de bajos recursos.

• 
  Soldado escuchando una radio de cristal durante la Primera Guerra Mundial, 1914
• 
  Señalizadores australianos que utilizan un receptor de cristal Marconi Mk III, 1916
• 
  Juego de cristales tipo 103 de Marconi
• 
  SCR-54 : un conjunto de cristales utilizado por el Cuerpo de Señales de EE. UU. en la Primera Guerra Mundial.
• 
  Receptor de cristal Marconi Tipo 106 utilizado para comunicaciones transatlánticas, c.  1917
• 
  Juego de "acopladores sueltos" caseros (arriba) , museo en Florida, c.  1920
• 
  Radio de cristal, Alemania, alrededor de  1924
• 
  Radio sueca de cristal con auriculares, en forma de "caja", hacia  1925
• 
  Radio alemana de la marca Heliogen que muestra una bobina con "tejido de canasta", 1935
• 
  Radio polaca de la marca Detefon, 1930-1939, que utiliza un cristal tipo "cartucho" (arriba)

Véase también

• Portal de radio

• Radio sin batería
• Lógico
• Desmodulador
• Detector (radio)
• Detector electrolítico
• Historia de la radio

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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 führt 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.
    En mayo de 1901 hice algunos experimentos en el laboratorio y descubrí que, de hecho, un auricular conectado a un circuito compuesto de psilomelano y baterías producía sonidos claros y fuertes cuando se introducían oscilaciones débiles y rápidas . El resultado se verificó –y con un éxito sorprendente– en las estaciones de radiotelegrafía que, en ese momento, operaban en los fuertes de Estrasburgo bajo la dirección del capitán von Sigsfeld, el Departamento Real Prusiano de Aeronaves. )
    Braun también afirma que había estado investigando las propiedades conductoras de los semiconductores desde 1874. Véase: 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.
    Braun patentó un detector de RF en 1906. Véase: (Ferdinand Braun), "Wellenempfindliche Kontaktstelle" (contacto sensible a RF), Deutsches Reichspatent DE 178.871 (presentada el 18 de febrero de 1906; emitida el 22 de octubre de 1906). Disponible en línea en: Fundación para la comunicación alemana y tecnologías relacionadas
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Lectura adicional

• Ellery W. Stone (1919). Elementos de radiotelegrafía. Compañía D. Van Nostrand. 267 páginas.
• Elmer Eustice Bucher (1920). Manual del experimentador de radio: cómo dirigir un club de radio.
• Milton Blake Sleeper (1922). Radio Hook-ups: A Reference and Record Book of Circuits Used for Connecting Wireless Instruments (Conexiones de radio: un libro de referencia y registro de circuitos utilizados para conectar instrumentos inalámbricos). The Norman W. Henley Publishing Co.; 67 páginas.
• JL Preston y HA Wheeler (1922) "Construcción y operación de un equipo receptor de radio casero simple", Bureau of Standards, C-120: 24 de abril de 1922.
• PA Kinzie (1996). Radio de cristal: historia, fundamentos y diseño. Xtal Set Society.
• Thomas H. Lee (2004). El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia CMOS
• Derek K. Shaeffer y Thomas H. Lee (1999). El diseño y la implementación de receptores de radio CMOS de bajo consumo
• Ian L. Sanders. Tickling the Crystal – Juegos de cristal domésticos británicos de la década de 1920; volúmenes 1–5. BVWS Books (2000–2010).

Enlaces externos

• Un sitio web con mucha información sobre los primeros equipos de radio y cristal.
• Radios Crystal de Hobbydyne: Historia e información técnica sobre las radios Crystal
• La Sección 1 de la charla técnica de Ben Tongue tiene enlaces a "Sistemas de radio de cristal: diseño, mediciones y mejoras".
• " Arqueología de semiconductores o homenaje a precursores desconocidos Archivado el 17 de marzo de 2013 en Wayback Machine . earthlink.net/~lenyr.
• Nyle Steiner K7NS, amplificador de RF con resistencia negativa de zinc para conjuntos de cristales y receptores regenerativos que no utiliza tubos ni transistores. 20 de noviembre de 2002.
• Conjunto de cristales DX: Roger Lapthorn G3XBM
• Detalles de los cristales utilizados en los conjuntos de cristales.
• Asquin, Don; Rabjohn, Gord (abril de 2012). "Radios de cristal de alto rendimiento" (PDF) . Ottawa Electronics Club . Consultado el 27 de septiembre de 2016 .
• http://www.crystal-radio.eu/endiodes.htm Diodos
• http://www.crystal-radio.eu/engev.htm ¿Cómo construir un receptor de cristal sensible?
• Detectores de cristal http://uv201.com/Radio_Pages/Pre-1921/crystal_detectors.htm Detectores de cristal
• http://www.sparkmuseum.com/DETECTOR.HTM Detectores de radio
• El conjunto de cristal perfeccionado