收音機的原理與實作

出自六年制學程
在2017年1月2日 (一) 18:39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。

另一款簡單的調幅(AM)收音機

零件清單

  1. Q1 - NPN電晶體BC548，(用 2N5551 取代)
  2. D1 - 鍺二極體 1N34，(用 1N60 取代)
  3. L1 - 線圈
  4. CV - 可變電容器
  5. T1 - 電晶體變壓器1000：8
  6. SPKR - 微型揚聲器 8歐姆 x 2英寸
  7. R1 - 電阻2.2百萬歐姆，1 / 4W，5%電阻
  8. C1 - 陶瓷或金屬膜電容器 0.1μF
  9. S1 - 閘刀開關或滑動開關
  10. B1 - 3至6V直流電源或四個AA電池

這一款收音機最強的調諧頻率範圍在 530 ~ 1600 kHz之間。

該電路僅使用一個三極電晶體作為放大器，並且使用變壓器驅動小揚聲器。由於電路的放大率非常差，因此需要一支很長的天線。天線應為15至50英尺長，以獲得最佳效果。良好的接地也很重要。

這是一種小型廉價的電晶體收音機，具有低收聽音量，特別是在低功率電台。如果電台功率太弱，請使用低阻抗耳機更換揚聲器。

電源由兩個或四個AA電池組成，電流消耗非常低，使用壽命長。電路電流僅幾個微安培。

L1是一個抽出線頭的線圈，連接到可變電容器CV。這些東西通常可以在非工作電晶體收音機，以及揚聲器和變壓器中找到。

下圖顯示了這些零件的工作原理圖。二極體D1用來作檢測器，Q1用來作音頻放大器。T1是普通電晶體輸出變壓器。

T1是電晶體變壓器（1000：8），揚聲器是微型的。但是，如果你有一個不用的AM收音機，你可以不花錢而得到這些零件。

使用時，接通S1並通過調整CV調諧到所需的電台。您可以根據電晶體增益來調整適當的R1以獲得最佳結果。

更多發想

要獲得更好的性能：

用達林頓電晶體（例如BC517）替換Q1，並為R1找到更好的值。可以使用在2.2到10百萬歐姆之間的範圍內的值。

在鐵氧體棒(磁鐵)上將No.28線更換為20匝，嘗試調諧短波電台。使用長線作為天線。 必須仔細研究L1抽頭的位置，以獲得最佳選擇性和靈敏度。

在T1和揚聲器的地方試驗一個水晶聽筒。一個1萬歐姆的電阻應與耳機並聯接線。

調幅與調頻

一、調幅(Amplitude Modulation AM)

調整讓電磁波的振幅隨著聲波的振幅強弱而改變(振幅隨時間改變)，所傳送電磁波的頻率不變。

當聲波壓力最大時，振幅也最大，當聲波壓力最小時，振幅也最小。當聲波完全消失時，並沒有電磁波傳送出去。

通常一般 調幅(AM)電台的頻率在 550kHz ~ 1600 kHz 。

二、調頻(Frequency Modulation FM)

調整讓電磁波的頻率隨著聲波的振幅強弱而改變(頻率隨時間改變)，所傳送電磁波的振幅則不改變。

當聲波壓力最大時，頻率也增加最大，當聲波壓力最小時，頻率也減少最小。當聲波完全消失時，所傳送的頻率就是電台的頻率。

調頻(FM)電台的頻率在 88MHz - 108MHz ，即 88 百萬赫茲到 108 百萬赫茲，可是電台卻常說成 88 兆赫 ，很奇怪！

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