Первым делом нужен детектор!
Мы уже знаем, что под действием электромагнитных волн в антенне приемника появился переменный ток. Он имеет ту же частоту, что и ток в антенне передатчика, и точно так же промодулирован. Попробуем по аналогии с телефонной линией сразу же преобразовать электрический сигнал в звуковые колебания и для этого переменный ток из приемной антенны подведем прямо к телефону (рис. 33).
Рис. 33. Включив телефон непосредственно в цепь приемной антенны, мы ничего не услышим, так как радиоволны наводят в приемной антенне токи высокой частоты, а слышимый звук могут создавать лишь токи низкой частоты. Чтобы в приемнике можно было воспроизвести звук, необходимо осуществить преобразование высокочастотного сигнала – детектирование.
Может быть, при этом мембрана начнет колебаться и мы услышим слова, которые в этот момент произносятся перед микрофоном на передающей стороне? Ничего подобного! Ведь в антенне приемника, так же как и в антенне передатчика, протекает ток высокой частоты – 150 кгц и более, а мембрана нашего телефона из‑за ее инерции не успевает колебаться с такой большой частотой. Если бы даже удалось сконструировать телефон, который воспроизводил бы высокие частоты, то ведь наше ухо их все равно не услышало бы! Ну, а если даже мы услышим этот высокочастотный звук, то какой в этом толк? Ведь нам нужен не ультразвук, а низкочастотные звуковые колебания, с помощью которых осуществлялась модуляция.
Где же выход? А выход есть только один: нужно так преобразовать высокочастотный ток, действующий в приемной антенне, чтобы можно было выявить сигнал, с помощью которого модулировался высокочастотный ток на передатчике. Иными словами, нужно обнаружить в высокочастотном токе те изменения его амплитуды, которые появились в результате разговора (а может быть, и пения!) перед микрофоном.
Необходимое преобразование высокочастотного тока осуществляется с помощью специального устройства – детектора, который является обязательным элементом любого радиоприемника.
Слово «детектор» в переводе на русский язык означает «обнаружитель» и происходит от того же корня, что и слово «детектив» – «сыщик». В качестве детектора в настоящее время используются электронные лампы или полупроводниковые диоды.
Основное свойство любого детектора состоит в том, что он очень хорошо пропускает ток только в одну сторону и почти совсем не пропускает в другую, подобно тому как вентиль велосипедной камеры легко пропускает воздух внутрь камеры и не выпускает его обратно. С работой лампового детектора мы познакомимся позднее, а сейчас посмотрим, как работает полупроводниковый диод.
Все полупроводниковые диоды делятся на две основные группы: точечные и плоскостные. В качестве детектора могут использоваться только точечные диоды (лист 56) – плоскостные для этой цели непригодны. Плоскостные полупроводниковые диоды применяются в выпрямителях для ламповых приемников, и с ними мы познакомимся в четвертой главе.
К сожалению, система наименований полупроводниковых приборов несколько раз менялась, и сейчас трудно указать способ, позволяющий по наименованию диода определить его тип. Поэтому мы перечислим основные типы точечных диодов, которые могут быть использованы в качестве детекторов: ДГ‑Ц1, ДГ‑Ц2, ДГ‑ЦЗ и т. д., вплоть до ДГ‑Ц14, диоды более поздних выпусков Д1, Д2, Д9 независимо от того, какая буква стоит после цифры (например, Д1А или Д2Б), а также Д‑101, Д‑102, Д‑103 и др. Сточки зрения использования в качестве детектора, все эти диоды мало отличаются один от другого. Вполне возможно и применение специальных точечных диодов – Д‑401–Д‑499 и Д‑601–Д‑699.
Основой любого пат у проводникового диода, как точечного, так и плоскостного, являются два примыкающих друг к другу участка полупроводникового материала (германия или кремния). Один из этих участков называется зоной n , другой – зоной р . Область между этими зонами подучила название «рn ‑переход» (рис. 34).
Рис. 34. Детектирование можно осуществить с помощью точечного полупроводникового диода. В этом приборе имеются две зоны полупроводникового материала – одна со свободными электронами (зона n ). другая – со свободными положительными зарядами (зона р ).
Во всяком полупроводнике, в отличие от изолятора, имеется значительное количество свободных электрических зарядов, благодаря которым в полупроводнике может существовать ток. В полупроводнике зоны n имеются свободные отрицательные заряды – электроны. Этим определилось и само название зоны – буква «n » является первой буквой слова «negativ » – отрицательный. Название зоны «р » происходит от слова «positive » – положительный, так как в этой зоне имеются свободные положительные заряды.
Раньше, когда мы говорили о свободных положительных зарядах в жидких и газообразных проводниках (лист 8), то имели в виду свободные, то есть слабо связанные друг с другом, положительные ионы (атомы с недостающим электроном), которые могут легко перемещаться под действием электрических сил. Сейчас не время подробно разбирать, что происходит в полупроводниках, так как это отвлечет нас от основной темы.
Поэтому мы заметим лишь, что в полупроводниковом материале зоны р все атомы, в том числе и положительные ионы, неподвижны. Однако положительные заряды в зоне р все‑таки перемещаются. Для того чтобы как‑нибудь обойти это несоответствие, мы будем рассматривать процесс крайне упрощенно (это нас пока устраивает) и считать, что в зоне р имеется некоторое количество свободных положительных зарядов, которые могут перемещаться в любом направлении.
Не нужно думать, что зона n и зона р – это два отдельных кусочка разных полупроводников, составленных вместе. Диод делают из одного кристалла, обычно из германия типа n , то есть из германия, в котором имеются свободные электроны. В один из участков этого кристаллика вводят примесь, под действием которой в германии появляются свободные положительные заряды, и таким образом появляется зона р . К участкам кристалла, соответствующим зонам n и р , припаивают или присоединяют другим способом два проволочных вывода, а сам кристалл заключают в герметический корпус.
В точечных диодах один из контактов с кристаллом осуществляется с помощью металлической иглы. Вблизи ее острия, упирающегося в кристалл, образуется очень небольшая микроскопическая зона р . В плоскостных диодах зона р имеет значительно большие размеры, и контакт с ней осуществляется с помощью плоской металлической пластинки (лист 121).
Итак, во всяком полупроводниковом диоде имеется два вывода, один из которых соединен с зоной n , а другой – с зоной р . С помощью этих выводов диод и включается в электрическую цепь.
Предположим, что мы подключили диод к обычной батарейке, причем подключили таким образом, что «минус» батарейки соединен с зоной р , а «плюс» – с зоной n . В этом случае электрические заряды как бы оттянутся от границы раздела зон, между зонами появится участок, обедненный свободными электрическими зарядами, то есть участок по своим свойствам очень близкий к изолятору (рис. 35).
Рис. 35. Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью: он имеет небольшое сопротивление и пропускает ток только при определенной полярности приложенного напряжения – прямое включение: «плюс» подключается к зоне р , «минус» к зоне n ; при обратной полярности диод обладает большим сопротивлением и тока не пропускает.
Таким образом, при выбранной полярности подключения батареи рn ‑переход почти не пропускает электрический ток, и полупроводниковый диод можно рассматривать как очень большое сопротивление.
Если сменить полярность подключения батареи, то есть приложить напряжение «плюсом» к зоне р , а «минусом» – к зоне n , то электрические заряды, как положительные, так и отрицательные, подойдут вплотную к границе раздела и, перейдя эту границу, будут двигаться к соответствующим зажимам батареи. В этом случае рn ‑переход хорошо пропускает ток, и диод обладает малым сопротивлением.
Процессы, происходящие в рn ‑переходе, мы, конечно, рассмотрели крайне упрощенно, но это не помешало нам прийти к совершенно правильному выводу: полупроводниковый диод в одну сторону пропускает ток хорошо, а в другую практически не пропускает. За это свойство диод часто называют вентилем.
В способности диода пропускать ток только в одну сторону можно легко убедиться самому, собрав простейшую цепь из диода, головных телефонов (телефоны обязательно должны быть высокоомные, то есть должны иметь сопротивление 1000 ом и более) и батарейки карманного фонаря. Если диод включен так, что он проводит ток, то в момент замыкания цепи в телефонах будут слышны сильные щелчки. Если же изменить полярность включения диода (или, что то же самое, изменить полярность включения батарейки), то диод будет обладать большим сопротивлением, то есть почти не будет пропускать ток, и щелчков в телефоне слышно не будет.
Именно односторонняя проводимость является тем свойством полупроводникового диода, которое позволяет произвести преобразование модулированного тока высокой частоты с последующим выделением необходимого нам низкочастотного (звукового) сигнала.
О том, как это делается, вы узнаете, познакомившись с работой простейшего приемника. Постройка такого приемника не займет у вас много времени.