收音機的原理與實作

出自六年制學程
在2017年1月2日 (一) 18:24由丁志仁對話 | 貢獻所做的修訂版本

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概述

收音機分成兩部分:

  1. 調諧電路:負責產生與電台相近頻率的本地振盪,以便與電台天線產生「共振」。不須額外的電源。
  2. 放大電路:負責將收集到的振盪訊號放大。須外加電源。

一、調諧電路

「調諧」是「調變諧振」的意思,即可以調整產生可變頻率的振盪,以與電台天線發出的電磁波諧調成共振狀態。

實作上只需要:

  1. 一個同時包含電感與電容的迴路。
  2. 天線。
  3. 接地。

右圖即為一個調諧電路,其中諸零件為:

2:可變電容
3:電感(線圈)
4:接地
5:電容(可省略)
6:天線(長金屬物體)

電感-電容迴路中,電壓的振盪頻率遵守 。控制頻率的方法有兩種:

  1. 固定電感值大小,而改變電容,如右圖。
  2. 固定電容大小,而改變電感,如本頁中所附「火材盒收音機」。

其詳細原理請見本頁「調諧線路的原理與實作」段落。

二、放大電路

放大電路的主要零件為電晶體,以 NPN 三極體為例,訊號由基極(B)導入(IB),其電流變化會導致射極(E)與與集極(C)間形狀相同但卻放大十數倍至數十倍的電流(IC,IE)。

在工作電壓範圍時,射極與與集極的迴路中即使加上電阻,電流也不會變小,只是會使得電池消耗得更快而已。

詳細的訊號放大機制,請見本頁「電晶體電壓訊號放大原理」。

將第一個電晶體的輸出再導入第二個電晶體的基極,可將放大的訊號再次放大。

三、連接調諧電與與放大電路並提供電源

調諧線路的原理與實作

串接「電容」與「電感」,然後兩端加上電位差。

  • 電感(線圈):以字母「L」標記,單位是亨利(henry),標記為「H」。1 H = 1 Wb/A (1 亨利 = 1 韋伯/安培)
    1. 電感=單位時間內,想有單位電流的變化時,所產生的感應電動勢。
    2. 感應電動勢想要抵銷磁通量的變化(電感不希望流經它的電流發生變化),並正比於磁通量的變化量。。
    3. 電感兩端電壓的變化,超前電流的變化。當線圈的電流將要發生改變前,電感便會形成感應電動勢來減緩電流的變化;不是電流已經發生改變了以後,才形成感應電動勢來減緩其變化。
  • 電容(兩塊平行金屬板):標記為「C」,單位是法拉(farad),標記為「F」。常用微法拉(μF,10− 6法拉)。1 F = 1 Q/V (1 法拉 = 1 庫倫/伏特)
    1. 電容兩端的電壓(電位差)與所儲存的電荷量成正比。
    2. 電容兩端電流的變化超前電壓變化。
  • 紅色為電源電壓曲線黃色為電阻電壓曲線藍色為電感電壓曲線綠色為電容電壓曲線。請注意藍綠兩色波幅相反,總和始終為 0。
    1. 由於線路上即將會形成電流的變化,於是會在電感兩端形成感應電動勢,並形成電流。
    2. 電流便會在電容兩端充電,而逐漸形成電位差,
    3. 電感兩端的電位差便逐漸減少,同時,電流逐漸增加使得電容電壓逐漸增加
    4. 電感電壓為零時,電流也增至最大,此時電容兩端的電壓等於電源的電壓。
    5. 電流繼續使電容充電,電容兩端電壓大於電源電壓。
    6. 由於電流的減少使得電感兩端形成負的電位差。
    7. 電容電壓+電感電壓=電源電壓。
    8. 當回路電流變為零,此時電感兩端有最大的負電壓,電容兩端有最大的正電壓。
    9. 上述過程以特定的頻率周而復始繼續變化,此特定的頻率
    10. 由於線路中存在電阻,能量會逐漸損耗,實際的最大電流/電壓都會逐漸減少而歸於沈寂。
    11. 若要變化繼續維持,可以加上交流變化的正弦電壓訊號。當外加的電壓信號頻率 與 原來振盪頻率越接近時,其電壓/電流也會越大。這種現象稱為「共振」。

礦石收音機設計

簡稱礦石機,是利用天然礦石或晶體二極體作為檢波元件,加上天線、地線、調諧電路和耳機等製成的收音機。

火材盒礦石機

可網購零件礦石機

電晶體電壓訊號放大原理

首先我們先利用輸入電壓e和偏壓電壓E1產生基極-射極間電壓(VBE),並且讓與前述電壓(VBE)呈等比例的電流(IB),也就是hFE(註1)倍的電流(IC)通過集極,當集極電流(IC)通過電阻RL後,電壓IC × RL就會出現在電阻RL的兩端。所以,輸入電壓e就會被轉換(放大)為電壓ICRL,並產生輸出。

※註1:hFE,電晶體的直流電流放大率

NPN電晶體電流圖示

三極電晶體的輸出,橫座標為電位差,縱座標為電流。
藍色虛線左邊的區域為飽和區(Saturation);由藍色虛線、紅色虛線和棕色虛線包圍的區域為主動區(Active),在這個區域裡,射極電流與基極電流成近似線性關係;紅色虛線下方表示電晶體尚未導通,處於截止區(Cut-off);IB0為開啟電晶體的最小基極電流;圖中棕色虛線為電晶體的最大集極耗散功率,它與兩條坐標軸包圍的區域為安全工作區,與橫軸的交點為最大集極-基極電壓。