收音機的原理與實作

概述

收音機分成兩部分：

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。
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：

一個同時包含電感與電容的迴路。
天線。
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：

固定電感值大小，而改變電容，如右圖。
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(I_B)，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(I_C,I_E)。

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

325元礦石機

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(V_BE)，並且讓與前述電壓(V_BE)呈等比例的電流(I_B)，也就是h_FE(註1)倍的電流(I_C)通過集極，當集極電流(I_C)通過電阻R_L後，電壓I_C × R_L就會出現在電阻R_L的兩端。所以，輸入電壓e就會被轉換(放大)為電壓I_CR_L，並產生輸出。

※註1：h_FE，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)；I_B0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。