矿石收音机二极管的选择和应用

mak1939

蚂蚁兄曾经提出一个有趣的问题： 用N只2ap9二极管并联会不会比只用一只2ap9检波效果更好？

我在一个荷兰网站上看到一台参加远距离接收比赛的矿石机：

http://home.hetnet.nl/~dick-kleijer/enset4.htm

这矿石机就是用了三个二极管并联检波的。在这个网站里，有一篇文章比较深入的探讨矿石收音机的二极管问题。我觉得很有参考价值，现在介绍给各位矿石机爱好者研究。


矿石收音机二极管的应用和选择

二极管

哪些二极管最适合我的矿石收音机？

你可能以为是一个有尽可能低的电压降（voltage drop），同时又能对小信号检波的二极管。

但是，具有低电压降的二极管，也有较大的反向电流（reverse current，又称为 leakage current，即漏泄电流）。一部分检波信号将会因此漏泄掉，于是检波器电路成为沉重的负载，导致它的品质因数Q降低，使接收机的频带宽度增大（即选择性降低）。

电压降每减少20mV，反向电流大约将会加倍。

因此，我们需要在低的电压降和小的反向电流之间寻求妥协。二极管的选择取决于接收机所用的负载电阻RL。在我们所举的例子里，负载电阻就是音频变压器的阻抗。

如何确定RL的数值，我们将在另一篇章说明。

二极管在零电压的时候有一个确定的电阻。这个在零电压时的二极管电阻我们叫它Rd。二极管的反向电流越小，电阻Rd就越大。

当Rd等于调谐电路的阻抗Rp和负载电阻RL的时候，接收机得到最高的灵敏度。

矿石机阻抗匹配的原理

Rp随调谐频率而定，我们采用调谐范围中间的Rp数值。例如在中波范围，可以用1 MHz时的Rp值。
如果已经知道检波电路的品质因数Q和检波器线圈的电感（L），可以用下面的公式计算Rp的数值：

Rp = 2.pi.f.L.Q （Ω）

pi = 3.14
f = 调谐范围中间的频率 （Hz）
L = 检波器线圈的电感（H）
Q= 检波电路的品质因数

如果频率是1 MHz，电感是0.2 mH （0.0002 H），品质因数Q是250，则Rp等于314KΩ。
我们必须使使负载电阻也大约是314KΩ。实际上就是说要用一个音频变压器把314KΩ转换成扬声器的阻抗。

二极管的Rd是多少呢？我们可以用这个公式计算：

公式之一：Rd = 25,000,000 × n / Is

Rd = 在零电压时的二极管电阻（以Ω为单位）
n = 理想系数（ideality factor）这个系数越小越好，在1.0 和 1.1 之间是好数值。
Is = 饱和电流（saturation current ）（以nA为单位）

n 和 Is 的数值有时可以在二极管的数据表找到。

下面的表格列出几种肖特基二极管（ Schottky diode ）的特性参数，包括它们的理想系数、饱和电流、零电压时的二极管电阻、最大反向电压和零电压时的电容等。

几种肖特基二极管（ Schottky diode ）的特性参数

二极管电阻Rd不需要精确地等于负载电阻RL，相差2或3个系数（注：不太了解原文factor在这里的意思，是否可以解释为倍数？）是可以接受的。

为了降低Rd的数值，我们可以把二极管并联。两个相同的二极管并联的时候Rd的数值将会减半；三个二极管并联的时候Rd的数值将会变成三分之一…

我们也可以输入一个小的直流偏置电流（例如0.1uA）通过二极管，降低Rd的数值。偏置电流越大，Rd就越小。

当我们使用直流偏置电流的时候，可以用下面的公式计算二极管电阻Rd：

公式之二：Rd= 83,300 × n × T / (Ib + Is)

Rd =  在某一个直流偏置电流数值Ib 之下的二极管电阻
n = 理想系数
T = 绝对温度K （K = 摄氏温度 + 273）
Ib = 通过二极管的直流电流（以nA为单位）
Is  = 二极管饱和电流（saturation current ）（以nA为单位）

公式之一和之二实际上是相同的，只是在公式一中，假定温度是300K， Ib是零。

在二极管的两个连接点之间，有一个确定的电容。如果这个电容相当大，则在高频的调谐范围将会受到限制。


锗二极管、硅二极管和肖特基二极管

随着制造时所用的材料不同，我们可以把二极管区分为 硅二极管、锗二极管 和 肖特基二极管。

硅二极管的电压降最大（约0.5V），因此不很适合用于矿石收音机。除非使用一个小的直流偏置电流，使二极管提升到导通状态。

锗二极管的电压降比较小（约0.2V），经常用于矿石收音机。但是，即使是相同型号的两个锗二极管之间，它们的电压降和反向电流也可能相差很大。实际上我们可以在矿石机上测试几个锗二极管，然后挑选最好的。

在大多数情况下，锗二极管的电阻Rd不能满足高Q值检波电路的要求，最好是选择具有正确电阻Rd的肖特基二极管。

肖特基二极管的电压降也比较小（约0.2V），相同型号的两个二极管之间，它们的电压降和反向电流也相差很小。因此具有适当Rd数值的肖特基二极管非常适合用于矿石收音机。


参加竞赛的矿石收音机

2003年在荷兰，我用这个 Wedstrijdontvanger 矿石收音机参加命名为“Back To the Future”（BTTF，回到未来）的矿石收音机竞赛活动。在七天的竞赛中，我们每天接收尽可能多的电台。我接收到的电台总共是460个（约每天65个），取得了胜利。其中不同的电台113个，遍布整个欧洲和北非洲。

Wedstrijdontvanger 矿石收音机

线路图

这个收音机有两个回路 ― 天线回路和检波回路。接收电台的时候必须同时调整两个回路。调整可变电容器和线圈抽头使天线回路和天线得到最佳耦合。在竞赛中我多数用50%的抽头。连接天线的可变电容器一定要转到较低数值（例如50pF）从而使接收机得到高选择性，相邻的电台能较好地分离。

天线线圈和检波线圈之间的距离可以调整，相距12公分最好。缩短距离将使选择性变坏。

线圈是蜘蛛网式，电感0.2mH，Q值是250。线圈在1MHz的并联电阻Rp是314kΩ。

矿石机阻抗匹配的原理

音频变压器的负载电阻RL和二极管电阻Rd选择到与Rp的314kΩ匹配，以取得最大功率传输。我用四个初级阻抗各80kΩ的变压器串联，因此总阻抗达到320kΩ。

一个变压器的输出阻抗是16Ω。通过既并联又串联的组合，使四个变压器的阻抗仍然保持16Ω。

扬声器是一个用在运动场的号筒喇叭的驱动器。本来这个驱动器是安装在号筒上的，但是收听的时候我不用号筒，只是把驱动器直接贴近耳朵。驱动器的效率很高，达到112.5dB/watt/meter（即输入1W的时侯，在距离喇叭1公尺的地方，声压达到112.5分贝）。这个驱动器比一般的耳机或晶体耳塞灵敏得多。

当接受强信号电台的时候，保持变压器初级的音频阻抗（320kΩ）和变压器的直流电阻相等很重要，否则将会出现严重的失真。因为变压器的直流电阻很小（只有几个kΩ），我加入一个串联的330kΩ电阻，再并联一个电容器让音频电流通过，所以在电阻两端的音频信号没有损失。

在330kΩ电阻两端可以测量直流电压，指示所接收电台的信号强度。在这里应该用高阻抗（例如10MΩ）的电压表。

在竞赛中我使用这条天线：

参加比赛用的天线

在天线杆的左边可以看到这条天线从杆顶拉下来。天线长度是22公尺。天线的最高点是18公尺。

地线用 48公厘直径，3公尺长的金属管插入地下。



[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-4-25 05:24 编辑 ]

hw2000

建议置顶，方便查阅！！

zjd1103

认真拜读了这篇好文章。高！精！顶！

天地会

不错的文章。

蚂蚁

谢谢楼主指点，线路图中的英语不懂，国产的肖特基二极管及其他元件用什么型号，还请楼主指教。[em10]

wanghq

原来如此,大开眼界.

kaisirxing

好帖，好帖。建议受精[em59]

mak1939

蚂蚁兄：

原作者把这个收音机命名为 “Wedstrijdontvanger”，是他的网站里介绍的第四架矿石机（ Set 4 ）。网页的每一部分都分别以荷兰文和英文说明。我只能看英文部分，里面有些可能是错字但又查不出来，只好从上下文估计它的意思。

原作者对矿石收音机的研究是很深入的。每一种零件都详细试验对比，列出实验结果，例如绕线圈，他就试验几十种不同的方法，测量那一种的 Q 值最高，在不同频率时的区别，相互间耦合变化时的选择性和灵敏度等等。那种对科学的认真态度真令人佩服。

此机的线路图说明不是英文，只能根据我的理解估计它们的意思，请对比图中说明看一下：

初级线圈： 4 × 12 圈（即在 12、24、36 圈抽头，共 48 圈，标示为 25%、50%、75%、100%）。用 40 股 0.07mm 的李兹线绕制。

次级线圈： 50 圈。用 40 股 0.07 mm 的李兹线绕制。

二极管： 3 个肖特基二极管并联，型号是 5082-2835 （ 根据上表，此型号的零电压二极管电阻是 1227 KΩ，因此并联后的电阻是 409 KΩ。如果 4 个并联则为 307 KΩ ）。

扬声器： 驱动单元的牌子 Adastra，型号 952-207。

输出变压器： 4 个变压器的牌子 Adastra，型号 952-431。。每个初级 80 KΩ，次级 16 Ω。

电表： 伏特计（查不到 Uitgang 是什么意思）

很抱歉，我对于肖特基二极管知道得很少，只是近半年看一些矿石机网站才第一次听到这个名词，最近才买到 10 个 5082-2835。我完全不知道国产肖特基二极管的特性。希望论坛里熟悉半导体器件的专家能介绍这方面的知识，让我们增长见识，让大家可以买到比较便宜又适合矿石机使用的肖特基二极管。

从这篇文章里我们可以了解到，矿石收音机里面也有高深的学问，想安装一架好的矿石机不是一件很容易的事情。要它响起来不难，要又大声又把电台分清楚就得费点功夫了。




[ 本帖最后由 mak1939 于 2006-10-1 02:14 编辑 ]

蚂蚁

谢谢楼主，受益匪浅，顿开茅塞，今后还望不吝赐教。

6a2j

又长知识了，谢谢楼主！


[right]「该帖子被 6a2j 在 2006-6-3 16:16:04 编辑过」[/right]

zxhb

“地线用 48公厘直径，3公尺长的金属管插入地下。”看看人家的地线。

阿斯湖

做深入分析的好文章.[em4]

蚂蚁

功底深厚！
建议楼主著书《矿石收音机研究》，我第一个订购！

光说不练

附议！

mak1939

回复蚂蚁兄：

很高兴有人喜欢这篇文章，十分感谢！但是必须说明，功底深厚的是原作者，荷兰的 Dick kleijer 先生。我只是个传声筒。有兴趣的矿石收音机爱好者请参观他的网站：

http://www.crystal-radio.eu/index.html

各位朋友如果看到你感兴趣的东西，需要帮忙的时候，我很乐意协助。