Radio z ołówka - domowe wykonanie nieliniowych elementów elektronicznych Autor: Michał Maszkowski Rok szkolny wykonania: 2015/2016 Opiekun: p. Jolanta Siemińska Wstęp Celem mojego projektu było poznanie podstaw elektroniki oraz jej wykorzystania do telekomunikacji, a następnie na podstawie zdobytej wiedzy własnoręczne zbudowanie odbiornika radiowego zasilanego jedynie przez fale radiowe zbierane przez antenę. Planowałem najpierw poznać podstawowe pojęcia elektroniki oraz elektrodynamiki (w tym fali elektromagnetycznej, zjawiska rezonansu RLC, diody). Następnie zamierzałem zaznajomić się z działaniem podstawowych elementów układów elektronicznych (np. cewka, kondensator) oraz znaczeniem parametrów, które je opisują. W następnej kolejności chciałem poznać prostą metodę obróbki i wykorzystania sygnałów radiowych. Kolejnym celem było użycie przyswojonej sobie wcześniej wiedzy do stworzenie prostego odbiornika typu foxhole w pierwszym modelu zbudowanym z diody germanowej zamiast styku grafit-żyletka, w celu sprawdzenia działania układu. Natomiast w przypadku powodzenia, wykorzystanie styku ołówek-żyletka i następne zbadanie i porównanie właściwości obu diód za pomocą multimetra. W przypadku użycia multimetra ze złączem do komputera, zamierzałem stworzyć prosty program do obróbki danych. Dodatkowo w wypadku badania diód zrobionych z ołówka i żyletki planowałem zmierzyć różnicę właściwości kilku rodzajów grafitu w zależności od jego: a) twardości b) długości. Na podstawie uzyskanych w ten sposób danych chciałem możliwie ulepszyć tego rodzaju diodę, a poprzez to również drugi odbiornik.
Podstawy teoretyczne: 1) Układ elektroniczny to zbiór połączonych elektrycznie elementów, które służą do zmieniania rodzaju, rozpraszania albo wytwarzania energii elektrycznej, realizujący pewną funkcję. 2) Rezystor to element obwodu, którego rolą jest zapewnienie określenie odpowiedniego oporu, charakteryzuje go rezystancja R ( R = U I gdzie U to napięcie między końcami opornika, a I to natężenie prądu, który przez niego płynie). 3) Kondensator to element elektroniczny służący do magazynowania energii w postaci energii potencjalnej w polu elektrycznym, charakteryzuje go pojemność C C = q gdzie q to bezwzględna wartość ładunków na U okładkach, a U to bezwzględna wartość różnicy potencjałów pomiędzy okładkami. Kondensator jest istotnym elementem w obwodach służących do dostrajania nadawczej i odbiorczej aparatur radiowej. 4) Cewka to element służący do wytworzenia pola magnetycznego o zadanej wartości indukcji, działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej, charakteryzuje ją indukcyjność - L L = Nφ gdzie N to liczba zwojów, I to natężenie prądu płynącego przez uzwojenie cewki, a φ to strumień magnetyczny w środkowej części cewki. I 5) Rezonans mechaniczny: Drgania swobodne to drgania wokół położenia równowagi układu, które odbywają się bez udziału oddziaływania zewnętrznego, np. wahadło, ciężarek na sprężynie. Dany układ ma własną częstość kołową ω, z jaką wykonywałby drgania swobodne.
Drgania wymuszone to drgania oscylatora harmonicznego, czyli układu drgającego poddanego działaniu sił proporcjonalnych do przemieszczenia r układu od położenia równowagi, wywołane działaniem zmieniającej się okresowo w czasie siły zewnętrznej z częstością kołową ωwym. Jeśli ω=ωwym to jest spełniony warunek rezonansu, co objawia się wzrostem amplitudy drgań. Rezonans to zjawisko polegające na przepływie energii pomiędzy kilkoma układami drgającymi.
6) Obwód LC: Obwód LC składa się z połączonych: cewki (L) i kondensatora (R). Gdy przez obwód ten płynie prąd to jego natężenie, ładunek i różnica potencjałów zmieniają się sinusoidalnie z okresem T i częstością kołową ω. Powstają w wyniku tego drgania pola magnetycznego w cewce i elektrycznego w kondensatorze, czyli drgania elektromagnetyczne, więc obwód elektryczny LC jest obwodem drgającym.
7) Analogie pomiędzy układami elektrycznymi i mechanicznymi: Przykładem układu mechanicznego jest klocek i sprężyna. Występują w nim dwa rodzaje energii: potencjalna rozciąganej lub ściskanej sprężyny i kinetyczna poruszającego się klocka. Grafika po prawej stronie przedstawia zmiany wartości tych energii w czasie (wartości są przykładowe, natomiast wykresy zawsze w takim układzie przyjmują postać podniesionych do kwadratu sinusoidy i cosinusoidy). Natomiast w obwodzie elektrycznym LC występują: energia elektryczna w kondensatorze i energia magnetyczna w cewce. Zmiany wartości tych energii w czasie przedstawia grafika po lewej stronie. W tabeli poniżej zostały porównane energie w dwóch układach drgających. Jak widać w powyższej tabeli występują analogie pomiędzy wyrażeniami opisującymi dwie pary energii. Równania dla v i l umieszczone na dole tabeli pokazują tę analogię bardziej szczegółowo. Wynika z nich, że q jest odpowiednikiem x, a l odpowiednikiem v.
Z tej analogii wynika, że w wyrażeniach opisujących energię 1/C jest odpowiednikiem k (k to stała sprężystości charakteryzująca daną sprężynę), a L odpowiednikiem m (masy). Więc skoro częstość kołowa drgań w układzie klocek-sprężyna wynosi: ω = k m to zgodnie z wyżej wymienionymi analogiami częstość kołowa drgań w obwodzie LC wynosi: ω = 1 LC 8) Rezonans w obwodzie RLC, czyli LC z oporem (R): Z pobudzonym do drgań ładunkiem, napięciem i natężeniem prądu w obwodzie LC, jak i w tłumionym obwodzie RLC (z dostatecznie małym oporem R) drgania zachodzą z częstością kołową ω = 1. Są to drgania swobodne, a częstość kołowa ω jest częstością kołową drgań swobodnych obwodu. Jeśli do obwodu RLC dołączona jest zewnętrzna zmienna SEM, dana wzorem ε= εmaxsin (ωwt), to drgania napięcia, natężenia i ładunku są drganiami wymuszonymi i zawsze zachodzą z częstością kołową drgań wymuszonych ωw. Amplituda drgań w bardzo dużym stopniu zależy od tego, jak bliska częstości drgań swobodnych ω jest częstość kołowa drgań wymuszających ωw. Równanie Imax= ε max R 2 +(ω w L 1/ω w C) LC 2 przedstawia amplitudę Imax natężenia prądu w obwodzie RLC jako funkcję częstości kołowej ω w zewnętrznego żródła zmiennej SEM. Dla danego oporu R amplituda osiąga maksimum gdy wyrażenie ω w L 1/ω w C w mianowniku jest równe 0, tzn. wtedy, gdy: czyli ω w L = 1/ω w C ω w = 1/ LC
Częstość kołowa drgań swobodnych ω w obwodzie RLC jest także równa 1/ LC, zatem maksymalna wartość Imax występuje wtedy, gdy częstość kołowa drgań wymuszonych odpowiada częstości kołowej drgań swobodnych, tzn. w rezonansie. Zatem w obwodzie RLC rezonans i maksimum amplitdy Imaax natężenia prądu występuje dla: ωw=ω= 1 LC
9) Dioda to przyrząd, który przepuszcza prąd elektryczny w jedną stronę, a nie przepuszcza albo przepuszcza w niewielkim stopniu w drugą, więc zależność natężenia od napięcia nie jest w nich liniowa, dochodzi do złamania prawa Ohma (U RI) 10) Złącze metal-półprzewodnik może mieć nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową, jest to tzw. dioda Schottky ego. Złącze to powstaje w wyniku migracji elektronów swobodnych z półprzewodnika typu N do warstwy metalu. Migracja tych elektronów spowodowana jest różnicą energii warstwy półprzewodnika i metalu. Złącze żyletka-grafit wykazuje zdolność prostowania prądu (jest diodą) 11) Odbiornik radiowy, typu foxhole jest zdolny odbierać sygnał poddany modulacji typu AM, czyli zmianom amplitudy fali nośnej odpowiadającym sygnałowi. Odpowiednio regulując indukcyjność cewki, można doprowadzić obwód RLC do rezonansu z falą nośną o odpowiedniej długości (dostroić odbiornik) i następnie za pomocą diody uciąć dolną część fali nośnej, przez co do słuchawek będzie płynąć prąd o częstotliwości nadawanego sygnału, więc będzie słychać transmisję.
Przebieg: Poznałem podstawowe pojęcia elektroniki oraz elektrodynamiki i działanie podstawowych elementów układów elektronicznych oraz znaczenie parametrów, które je opisują. Wiedzę zdobyłem z książek, stron internetowych i zajęć dodatkowych. Następnie dowiedziałem się jak można w prosty sposób obrobić i wykorzystać sygnały radiowe. Znalazłem schematy budowy radia foxhole i na ich podstawie zbudowałem model radia z diodą germanową. Elementy odbiornika wykonałem własnoręcznie z izolowanego drutu miedzianego, drutu cynkowego, rolki po folii aluminiowej i spinaczy, zakupiłem kondensator, gniazdo słuchawkowe, głośniki ze wzmacniaczem i diodę germanową, podstawę radia stanowiła deska. Niestety po złożeniu odbiornika (m.in. przy pomocy lutownicy) nie działał on tak jak zakładałem i nie przetwarzał poprawnie sygnału. Jednak kilka razy oprócz szumów można było wyraźnie dosłyszeć ludzką mowę, ale niestety zakłócenia uniemożliwiały zrozumienie przekazu. Sygnał szybko zanikał, a przy próbach w inne dni nie udało mi się go więcej odebrać. Brak poprawnego działania radia mógł być spowodowany przez: Słaby sygnał i/lub ograniczony czas emisji pobliskich stacji AM Niedokładne prostowanie sygnału przez diodę Niedokładne elementy i/lub połączenia spowodowane przez własnoręczne wykonanie Kontynuowałem próby zbudowania działającego radia, niestety bez pozytywnych efektów. Złącze półprzewodnik-metal działa jak dioda, natomiast sprawia dodatkowe problemy konstrukcyjne i mogłoby być kolejnym powodem zakłóceń sygnału, więc postanowiłem przeprowadzać kolejne próby dalej wykorzystują zakupione diody germanowe. Ponieważ zbudowanie działającego odbiornika było priorytetem, nie zbadałem charakterystyki prądowo-napięciowej styku grafit-żyletka i nie ustaliłem, jaka jest optymalna twardość ołówka, ale według wielu źródeł lepsze są jak najkrótsze ołówki. Z tego powodu nie napisałem też programu do obróbki danych.
Bibliografia: Podstawy fizyki Halliday Resnick Walker Encyklopedia fizyka z astronomią wydawnictwo Greg https://en.wikipedia.org/ Ciekawa fizyka WSiP http://mathmed.blox.pl/resource/dioda.jpg http://bizarrelabs.com/crystal.htm http://efizyka.net.pl/energia-w-ruchu-harmonicznym_8048 http://www.plar.pl/szyb/radio/radio.htm