试制变耦合式电解检波器--类矿石收音机（多图，附视频）

暖风轻音

试制变耦合式电解检波器--类矿石收音机（多图，附视频）

NFQY  2023.02

1：开篇叙述
2：电解检波器叙述
3：电路原理
4：试制过程
5：试验特性
6：总结
7：注脚解释
8：参考资料

1：开篇叙述


新年新月贺新春，在这儿先拜个晚年了！（真够晚的）

众所周知，矿石收音机一般会使用无源器件进行检波，例如两端口的矿石①和二极管，又例如三端口的MOS器件。

由这一特征，现在所定义的矿石收音机一般是在装置完成的使用过程中不参与使用外接电源进行信号负熵过程的无线电接收设备。

当然就远古来看，矿石收音机仅仅只代表以矿石进行检波的收音机，远古的检波器千奇百怪五花八门，我将其进行大致分割，并切分为以下几类②：

利用热惰性和热容量：比如热阻检波器，高频电流通过一根电阻丝，电阻丝的散热速度恰好控制在音频范围，这样的话，高频幅度的变动可造成电阻丝上热量的变动，造成电阻变化，通入一个直流便可以调制该直流在耳机中形成音频。
下图就是热丝检波器，费森登发明，又名巴雷特：

利用空气热膨胀：比如塔吊收音机，它的发声原理和常见的特斯拉线圈放音乐（也就是等离子喇叭）原理相同，详情可参见该类器件的详细叙述。
（复制一下语段，去掉汉字后便可正常链接观看，加入汉字是为了防范系统自动识别屏蔽）

ht防tps://w止ww.bilib系ili.co统m/vi自deo/av29338动3827/屏蔽（塔吊收音机）

利用热离子：比如火焰检波器，他利用了火焰不同焰区温度不同造成对应电极的离子化，产生的这些高温等离子在电压的驱动下会形成电流流动，由于电极所在焰区不同，所以只有对应电极可产生离子，也就是形成了单向导电性。也就是气体热离子阀。
他的通常工业应用是用来探测火焰，我这里也做了一个粗糙的实验测试了一下。
激励电压（阳极到阴极）12伏，最大电流0.8uA，直接内阻15MΩ。
请看视频：

ht防tps://m.ac范fun.c屏n/v/?a蔽c=4068必1669&sid=885要757ea19措8ee136施

利用电真空：电子管的原理，详情不叙述。可转道电子管版面。

利用原始半导体：比如各种矿石，依靠矿石自身形成的粗糙的金属氧化物结晶与相应的金属形成电子扩散肖特基结，形成了非线性而检波。

利用磁性：对一根容易剩磁又容易退磁的铁丝（这在20世纪是很好获得的，当年的破铁都那卵样）像一根闭圈磁带一样不停的走动，首先，用一块永久磁铁把铁丝例如磁化成上下方向磁饱和，然后再将高频线圈形成高频磁场对走动的线圈进行退磁，我们可以知道，高频的幅度越大，退磁就越厉害，结果钢丝上记录了随着包络而变化的磁场，该磁场经过音频线圈便可换出声音。

下图就是磁检波器，马可尼比较喜欢的方案，又称为玛吉：

利用电化学：这也就是我们要叙述的电解检波器，我将在这里重点介绍这一检波器。



2：电解检波器叙述

电解检波器最早由费森登（Fessenden)开发，他的发明时间并不算早（1906年），但也绝对不算晚，他可能作为一种可靠的纠正检波器（意思就是可以纠正其他检波器的错误，比如粉末检波器），一直使用到大约20世纪20年代。

最初开发的版本是一个裸露的铂金小杯，里面装有数毫升的大约质量分数为30%的硫酸溶液，将一根沃拉斯顿线③
轻轻的探入到硫酸溶液中，并具有上下可调的装置。

对该电解系统施加偏置，则由中学电化学知识，我们可以知道在该系统中为电解水。理论热分解电压1.23V，热中性电压1.48V，在该电压以下水均不会或不易电解。

在该电压以上则进入活性电压区（Activate Region)，此时电解水的一定电压的电流大小将会由电极材料所决定。
下图是水的实际催化热力学和动力学分解特征曲线：

下图是一个实际多串联电解池的特性曲线：

对于铂而言，其HRR（氢分解的过电压）和HER（还原氢形成气体所需过电压）均很低，就人类所发现的材料而言，它可能是一种历史悠久的特性极为优良的催化材料。

就算是对于ORR和OER，铂也有极强的催化性能。所以铂在特定电压下可以通过最多的电流，也就是活性区极小，这个活性区对应于半导体的uT，是衡量电解检波器灵敏度的一大重要因素。

这个时候我们知道在施加一定偏置电压之后，整个系统会进入活性区，这个时候高频的某半周通过时如果与电极极性相同则更易通过。如果与电极极性相反，则更难通过。

这个时候便检测出了包络，并且通入耳机便形成了音频。

所以整个系统有如下几种可能的检波作用：

2.1：射频根据上面的现象形成检波特性并输出音频，此时电源只提供偏置而不提供其他作用，所以是矿石收音机。
2.2：射频在电极表面形成气泡的不同分布，导致直流电流产生调制，从而生成音频，这是费森登比较倾向的说法，但是我不太认同，但是如果就这一点来看，并不是矿石收音机。
2.3：射频在两电极之间通过溶液，电流产生焦耳热，该热量可改变溶液电阻对直流产生调制，从而产生音频，从这一点来看，也并不是矿石收音机。

所以本次制作的取名是《类矿石收音机》，结合了当今矿石收音机的定义和以往的美名。

电解检波器有如下几个恶效应：

2.4：电极和溶液之间形成的双电层电容，这个电容可以在很小的表面积上形成很大的容量，这个电容可以大量的分掉高频电流，让效率下降。

当然，这个是有条件的，经过我的实验，我发现这个结论应该改为随着不同电台强度而调节不同探入面积。

2.5：溶液的离子电导率通常很低，这代表他的内阻很大，而且这个内阻真的是内阻，而并不是我们通常减波器上所称的零点电阻，它也会让效率下降。

终极的电解检波器

改进到最后版本的电解检波器是20世纪10年代中期国外厂商制成的制成品"Radioson"，又称密封式点电解检波器。


它将电极和溶液使用玻璃熔封在密封空间内，这样可以避免酸液外泄，而沃拉斯顿线阳极则在外面熔融玻璃之后整体锉平，这样的话可以保证只有沃拉斯顿线的一个端点表面可以暴露在外，这也就是点电解名称的由来。

从而形成了极小的接触面积和极低的双电层电容，让它的灵敏度得到了最大的优化。《古典矿石机欣赏和现代矿石机制作》中，一台法国矿石机便配置了这样的电解检波器。
下图是典型应用电路：

下图是法国矿石收音机上面的实际非密封点电解检波器：

它的缺点是不能通过太大的电流，否则就会“丝毁器亡”。当然也有诸多的因素导致它最后淘汰。

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5：试验特性

非常悲催的我满心欢喜的做完了整套设备之后发现：我这中波台全关了（或者就是我这里接受条件不好了）。
只有短波上面CNR跟几个日语台南朝鲜台还有个不知道是湾湾还是哪里的福音台掐架，中波台一片寂静（也不能算是安静，至少有相当的干扰交流声）。

那没办法，只能自己搓一个发射器了，为求简单，用一个小音频变压器调制1MHz有源晶振的电源产生发射，通过一个150p的电容串联耦合到天地线上。

发射器电路:

经过诸多的试验，目前得出的结论是：

5.1：电解检波器的效率较低，但是并不算很差，工作也是比较稳定的。
【这个结论是需要商榷的，因为尽管在视频测试中它的音量并不如1SS86，但是测试耦合的是强信号，而且使用的是后接功放。后接功放的重大缺陷在于它的高阻抗输入没有实现真实无源矿石收音机的功率匹配过程，结果阻抗越高的减波器就会越响。而我测试时发现电解检波器的匹配是比较低的，所以实际灵敏度如何仍然要继续测试】
ht链tps://m.ac接fun.cn/v/?ac=406加81516字&sid=948防b29097d1吞f25c3

5.2：电解检波器在工作时，按照传统书上而言，应该是电极最小的状态灵敏度最高，但是实际则因因电台而异。

当浸入面积特别小时，检波效率最高，双电层最小负载最轻，调谐尖锐性最好。

但如果遇到大电流的电台，则整流后的电流特别大，整流后的直流，通过小的浸入面积，则在单位面积内产生大量的气泡，这样的话会产生很高的本底噪声，影响大电台的接收品质，并且这些气泡围在电极边，会让灵敏度下降。

相反的，如果将铂丝插入面积加大，则首先，双电层电容加大效率降低，其次降低的电流通过了更大的表面积，则单位面积上产生气泡比例下降，再次更大的负载电流拉低了极化电压，则这个噪声会下降。而由于气泡阻隔的减少，灵敏度还会对强电台来说上升。

所以对于强电台，应该使用大的浸入面积，为了追求更低的本底噪声和更高的灵敏度。
对于弱电台，需要使用最小的浸入面积，这个时候效率最高，调谐最尖锐，灵敏度最好。
如果想要接收CW的话，则收到频率就产生噪声是必须的选项，这个时候就应该调到最灵敏的状态，电解检波器就可以接收CW了。
ht链tps://m.ac接fun.cn/v/?ac=4068加1563&sid=423字62382防e3af吞47e8

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5.3：电解检波器对于匹配的反应特性没有设置的1SS86对比组那么明显，他的匹配是综合多方面的，探入面积会改变它的参数，从而影响整个匹配。

5.4：可以利用电解检波器对于射频信号产生噪声的敏感特性，用来检测有无电台，即使该电台没有调制也能检测。

5.5：把铂丝作为阴极碳棒作为阳极则同样可以检波，但是效率稍有下降，而且细密噪声增加，这和1906年的一篇专利局作者的研究论文是一致的。

怀疑此现象成因并试图解释的点是：
  5.5.1：虽然铂HER和HRR都非常好，但是碳的ORR和OER是致命的差。
  5.5.2：铂作为阴极电解出体积为原来氧气两倍的氢，而且氢在酸液中的溶解度低于氧，更要命的问题是由于铂的HER太好了，结果整个表面上到处都是活性点，结果无法生成独立有效的气泡，这导致气泡细密快速溢出，本底噪声加大。

6：总结

本次制作尝试复制了电解检波器，并尝试重现了他的试验状态，对一些现象进行了解释。如果各位朋友对于本制作有疑问，兴趣或提出建议，欢迎在下方进行讨论。


7：注脚解释

①：也就是粗糙的金属氧化物肖特基
②：这些类都是包络检波器，非包络检波器比如粉末检波器不在此类
③：一种超细铂金丝，将铂金丝拉到约0.08毫米后，重新包裹在一个2.5毫米粗的银条里继续拉制，直到银条带着铂金丝一起拉到约0.06毫米，这里面的铂金丝的粗细变为2μm，将外壳上的银用酸腐蚀溶解之后，形成超细铂金丝。

8：参考资料

1：Electrolytic Detector

ht外tps://wb链log.wi防ki/js/Elec吞trolyt ... retter%2C%20was%20a,such%20as%20the%20Fleming%20valve%20and%20Audion%20%28triode%29.

2：The Radioson Detector
The Electrical Experimenter, vol. 1, no. 10, February 1914

ht外tps://ma链nifold.um防n.e吞du/read/th ... c-ac5f-14ed7de21454

3：Detectors before Vacuum Tubes

htt外ps://ww链w.youtu防be.co吞m/watch?v=_vsqIYSy9sQ

4：ON THE PLATINUM POINT ELECTROLYTIC DETECTOR FOR ELECTRICAL WAVES. By L. W. Austin.
--Bulletin ofthe Bureau of Standards.

5：各种物质电导率表--豆丁网
htt外ps://w链ww.d防ocin.co吞m/p-471018533.html

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1379 发表于 2023-2-18 15:55
楼主像是开了矿石收音机博物馆一样，令人开启眼界，奇妙的各种类型检波器，很多是第一次见到。
矿机制作的 ...

古色古香的耳机还真没有（哈哈）

手头有诸多声音动力的成品耳机和单元，Dynalec，ODC等等，他们的灵敏度固然是令人满意的，但是我嫌弃他们音质的不太优秀，以及过重。

而且这台矿机是以试验电解检波器为目的而做的矿机，在电路图中，您明显可以见到有一只100kΩ的音频并联电阻。它的作用就是为了保证在极高阻抗的功放输入情况下，把高频滤波电容和直流通路电感的谐振特性给抹平，避免突兀的低频滤波器尖峰对音质带来损害。

为什么设计上后级使用了功放呢？原因其一就是耳机过重以及当时我怀疑电解检波器高频适应性不佳，结果测试出来还算可以（当然，在短波上面好像就没有什么灵敏度了）。

以及其二根本性的原因：功放的市场保有量远大于这些高阻耳机的市场保有量。在国外的矿石收音机演示中使用功放已经是一种很常见的状态，我想这也可以进一步降低矿石收音机的试制成本。

本机设计的实际匹配只有大约数kΩ到数十kΩ，您可以在耳机孔通过外接匹配变压器进行无源耳机的匹配，我想这一定是很有乐趣的事。

感谢您提出的建议！

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楼主辛苦，感谢分享！

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3：电路原理

进行试制的类矿石收音机电路示意图如下：

这是一台【抛除电解检波器配置以外】典型的单回路矿石收音机。图上的线圈中检波负载线圈是可以旋转的。根据旋转的方向不同，由矢量我们可以得出匹配的变比不同，这样的话有一个非常重要的好处：

匹配是可以变化的。

而且是连续变化。我曾经在对单回路矿石收音机的性能优化中感到头疼，因为高低端总是不均衡，总需要变化匹配才能获得均匀的效果，而磁环并不能容易达到。结果发现空气矢量旋转线圈具有优秀的变匹配效果，于是在这里，我便加以使用，在实际使用中我发现它特别有用，经过适当的变匹配过后，可以整体取得最优的成绩。

电解检波器使用两节1.5V干电池提供电源，使用一个电位器电路提供偏置电压，最低可以调到1.2V，低于水的热力学分解电压，最高可以调到约2.5到2.7V，这样的话可以完美涵盖电解检波器的活性区段，并保持最大的可调范围和手感。

4：试制过程

“说起来高大上做起来不算难”是我对本次制作的评价。

4.1：线圈--线圈使用两个直径不等的聚丙烯瓶子裁剪并绕制，由于设计的是间绕，所以这里使用打孔穿线的手法。保证每个线圈间隔清晰，便于调整，并且保证低的加入材料和低的加工成本，以减小损耗和财力支出。

小线圈使用一根尼龙棍支撑并可旋转，小线圈使用0.04×60的软利兹线，连接到外面以保证它可旋转的特性。

线圈的数据为：大谐振线圈筒直径100-101毫米，线径粗细一毫米，线间间隔一毫米，大线圈每边16圈，总共32圈，中间空余20毫米，则线圈总长取80毫米，配合2*500pF可变电容并联。

负载线圈筒直径73毫米，线径粗细一毫米，两边共密绕12-13圈。

负载线圈圈数要求不严格，应该根据你所选用的检波器阻抗特性而定，检波器器阻抗越高则圈数越多，我这里使用1SS86，Rd约19K，所以只需要这些便足够（其实是我没铜线了，嘻嘻）。

4.2：电容--电容使用一个铸铝铜可变2*500pF，两联并联使用。不是因为别的，如果想要制作的话，完全可以不限于使用铜的空气的，普通的铝的薄膜的都可以，我这里使用的原因是只有这个可变的参数我知道的明明白白，而且把这个用了大电容配小电感我买铜线会便宜很多（无奈）

这个可变问题之处在于浑身没有孔，难以固定。最后加工了两个特定小木方当做辅助工具，用扎带才算安装稳妥牢靠。

如果想要制作的话，不建议使用这款可变，固定会让你头大。

4.3：电解检波器--听了上面那一大堆屁话连天的叙述，你是否感到害怕了？不要怂，跟我做就行。

我改进的电解检波器使用一个Φ37mm的管制卡口西林瓶，（你有什么瓶子就用什么瓶子，导电的金属类和不耐酸的瓶子除外），它通常会配一个软木塞。

在软木塞的中心打孔，上面配上一个玻纤板，并且旋入一根内外牙的牙管。这根空心牙管可以保证手拧黄铜螺丝可以在里面自由上下，我的用材是304的内外牙螺母，尺寸是m3×5×12，可以刚好配合一根m3×13的铜镀镍手拧螺丝。

用台虎钳固定好手拧螺丝，在螺杆顶部钻一个M1.3×2.5的孔，并且在里面塞入焊锡丝和助焊剂，然后将一根一毫米直径的黄铜硬丝焊进去，黄铜硬丝另一端用锉刀修出平面，在上面涂上少量焊锡，裁剪六毫米长度的铂丝并焊接一毫米上去，留出五毫米裸露长度。
（注意别显摆你阔佬或者出于其他原因把铂丝留的过长，铂丝4到5毫米的时候效果最好用，太长的话很容易被晃动的溶液冲击变弯，拆下来调节很费时间）

铂丝应该选择你可以买到的最细型号。铂丝我这里是在淘宝上买的，直径0.018毫米，事实证明够用了，而且比较好用。要是能买到真正的数微米级别的沃拉斯顿线，【可能】效果还会更好。

注意这里焊接，应该等烙铁上的焊锡烧老（这助焊剂挥发完毕，焊锡表面氧化不可形成合金作用时）以后将烙铁轻轻的搭在靠近锉刀平面的黄铜丝上，让热量通过黄铜丝慢慢传导到带有少量焊锡和助焊剂的平面上并执行焊接工作，千万不可直接将焊锡带着烙铁头直接往上面怼，那可能会过快的把铂给溶掉，丧失焊接价值。

这样的话，焊接完成之后把烙铁拿掉，不会留下任何焊锡，如果在黄铜杆上留下一点点焊锡也无所谓，那并不是焊接上去的，可以用手去除，但是千万千万一定要等焊锡烧老之后再靠在没有助焊剂的黄铜杆上，否则真万一焊上去了一坨锡就拆不下来了

制造完成的整个可调阳极如图所示：

阴极使用碳棒，你可以从电池里面拆，也可以像我一样直接买铅笔芯改，我买的是两毫米的圆规用铅笔芯，比较方便。

在碳棒需要焊接到引出电极的一端，用锉刀锉出几个槽，这是为了保证更好的连接，我这里引出电极使用黄铜硬丝，将黄铜硬丝和碳棒用细软铜丝绑到一块，涂抹助焊剂后，用焊锡灌满，则两者牢固不可分开，并且导电性优良。
（虽然我不知道石墨和焊锡究竟发生了什么样的变化，但是这样确实可以保证两者接触优良，这是个人的一个经验）

将引出电极，包括焊接部位全部用带胶热缩管包死，防止酸液窜入其中/电解过程中软木瓶塞因挥发和凝结水里面残留的酸性成分异常电解对其造成腐蚀。将其穿到瓶子上面的环氧板之后切掉多余的热缩管，并且焊接一个焊片，用胶水定死作为引出阴极。

最后再用磷铜片做一个弹性支撑片，保证电接触的良好，整体安装完成之后，再在磷铜片上焊一个焊片，作为阳极接线端便可以了。

整体装置如下图所示：

电解液我使用的是草酸溶液。
这是西陇的优级纯二水合草酸。

其一是因为受到国内安全保护和法律条规限制，三种典型的无机强酸并不好买，硫酸就算有电解液好买真实性也堪忧，而草酸这个玩意儿优级纯的一买一斤方便好用。

其二是因为草酸是在常见有机酸和盐类溶液中并以电解水为条件的时候，少量添加的同时电导率几乎是最高的，这可以保证内阻的尽量够低，提升效率。

其三是便宜（雾

最终制作完成的电解检波器如图所示。

（注意这个是最终完成版本，并不是后面测试视频里面的，测试视频时导线还没有到齐，所以用的是普通PVC跳线）

4.4：附件板和面板
本次设计依然按照传统思路，对于一些小的零件采用一块副板安装，为了节约工程锻炼手艺，提升美感（其实就是省钱，免费机会没了打一副板子要20块呜呜呜），使用FR4 1.5厚的板子打1.3直径的铆钉。
面板加工完之后贴碳纤维贴纸，提升质感（还是省钱）

铆钉版飞线示意图，实际最终和设计有变动



全机制作完成后如图所示：

1379

楼主像是开了矿石收音机博物馆一样，令人开启眼界，奇妙的各种类型检波器，很多是第一次见到。
矿机制作的也像博物馆藏品，再配一个古香古色的耳机，就十全十美了。线圈绕制固定构思巧妙，很多地方都有借鉴价值，精品之作。

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对部分直达链接进行修改以供参考，请使用电脑版访问：

电解检波器（初测试）

电解检波器（与肖特基管对比）

电解检波器（灵敏度与噪底）

火焰检波器测试