Kristal‑ en Transistor‑Radio Circuits: Van Basis Detectors tot Geïntegreerde AM/FM Ontvangers

De kern van een kristalradio bestaat uit een antenne, een aardverbinding, een tankcircuit (C1 en L1), een piekdetector en hoofdtelefoons. De antenne vangt uitzendsignalen (b), die door het circuit naar aard reizen. Het tankcircuit, een resonante LC‑paar, selecteert een enkel station uit het spectrum; C1 is variabel om afstemming mogelijk te maken. Een germanium‑diode gelijkricht de radiofrequentie (RF) door alleen de positieve half‑cycli door te laten, wat de RF‑hulsving produceert (c). De filtercondensator C2 verwijdert het overige RF‑component, waardoor alleen de audiofrequentie (d) overblijft die de hoofdtelefoons aandrijft.

Kristalradio's werken zonder externe voeding. Een germanium‑diode wordt verkozen boven silicium vanwege de lagere voorwaartsspanningsval (~0,2 V), wat grotere gevoeligheid biedt, zwakke signalen. Als een silicium‑diode gebruikt wordt, zal het circuit nog steeds functioneren, doch met verminderde prestaties.

Hoewel het schema 2000 Ω magnetische hoofdtelefoons toont, biedt een keramische “kristal” oortje hogere gevoeligheid en is de voorkeurskeuze voor de meeste signalen. Magnetische hoofdtelefoons kunnen vervangen worden door lage‑impedantie oordopjes wanneer gepaard met een geschikte audiotransformator.

Hieronder volgt een krachtigere variant die de kristaldetector vervangt door een transistor. De germanium PNP‑transistor is gebiasd om alleen tijdens de positieve half‑cycli van de RF‑invoer te geleiden, waardoor het fungeert als detector met ingebouwde versterking. Deze configuratie produceert een luidere uitgang die 2000 Ω hoofdtelefoons direct kan aansturen. Een silicium NPN‑transistor werkt ook als de basis‑bias‑weerstand dienovereenkomstig wordt aangepast.

Moderne lage‑impedantie oordopjes kunnen de originele 2000 Ω hoofdtelefoons vervangen, mits ze gematched zijn met een audiotransformator of een geschikte versterker.

Het volgende schema voegt een audio‑versterker‑trap toe aan de kristaldetector, wat het hoofdtelefoonvolume verder verhoogt. Het originele ontwerp gebruikt een germanium‑diode en transistor; een Schottky‑diode kan de germanium‑diode vervangen, en een silicium‑transistor kan gebruikt worden als de basis‑bias‑weerstand gewijzigd wordt volgens de bijbehorende tabel.

Voor een breder perspectief op kristalradio‑ontwerpen, simpele één‑transistor radio's, en geavanceerde lage‑transistor configuraties, zie de voorbeelden hieronder.

De geïntegreerde‑schakeling (IC) AM‑radio consolideert alle actieve RF‑componenten in een enkele IC, met slechts een paar externe condensators, spoelen en weerstanden. Een 370 pF variabele condensator stemt de RF‑invoer af, terwijl een 320 pF condensator de lokale oscillator 455 kHz boven de RF instelt. De mixing vindt plaats op pin 15, wat som‑ en verschilfrequenties produceert; een 455 kHz keramisch filter selecteert het gewenste verschil. Meeste versterking vindt plaats in de intermediate frequency (IF)‑trap tussen pennen 12 en 7, met een diode op pin 7 die het audio herstelt. Automatische versterkingsregeling (AGC) wordt afgeleid van pin 9.

Mechanische afstemming van de RF‑afstemmer en lokale oscillator, zoals getoond in (a), kan vervangen worden door elektronische varicap‑diode afstemming in (b). Het gebruik van een varicap‑diode vermindert component‑omvang; het verhogen van de omgekeerde bias‑spanning verlaagt de capaciteit, wat de afstemfrequentie verhoogt. De bias‑spanning kan gegenereerd worden door een potentiometer.

Een verdere reductie in onderdeelenaantal wordt bereikt wanneer het IF‑banddoorlaatfilter geïntegreerd is in de IC, wat externe IF‑transformatoren en keramische filters elimineert. De RF‑invoer en lokale oscillator vereisen nog steeds L‑C afstemming, die opnieuw door varicap‑diodes vervangen kan worden indien gewenst.

Voor FM‑ontvangst biedt een TDA7021T IC van NXP Wireless een oplossing met weinig onderdelen. Externe IF‑transformatoren worden vervangen door RC‑filters; de IC levert de benodigde weerstanden terwijl condensators extern blijven. Het vereenvoudigde afstemcircuit spiegelt Figuur 5 in de NXP‑datasheet, en een meer uitgebreide afstemmer vindt u in Figuur 8. Een stereo FM‑versie bevat een audio‑versterker die een luidspreker kan aansturen.

Voor hobbyisten die deze FM‑radio bouwen, kan de 56 nH spoel gewikkeld worden met acht windingen van #22 AWG koper‑ of magnetdraad op een 0,125‑inch mandrel, daarna uitgerekt tot 0,6 inch. Een miniatuur trimcondensator fungeert als afsteemelement.

Het volgende schema toont een common‑base (CB) RF‑versterker. Omdat het een bias‑netwerk mist, werkt het als een klasse‑C versterker, geleidend voor minder dan 180° van de invoergolfvorm. De CB‑configuratie biedt hogere vermogensversterking bij hoge RF‑frequenties dan een common‑emitter ontwerp. Met aanpassende π‑netwerken aan zowel in‑ als uitgang, bereikt het circuit 50 Ω afsluiting en filtert harmonischen uit. Voor moderne uitstralingsnormen kunnen extra filtersecties nodig zijn.

Een nog hogere‑versterking CB‑versterker wordt hieronder getoond. Met 1 kΩ–4 kΩ spanningsdelers en 500 Ω emitter‑bias‑weerstanden werkt de transistor in klasse A. De configuratie bereikt 38 dB versterking bij 100 MHz met een 9 MHz bandbreedte.

Het combineren van een common‑emitter invoertrap met een common‑base uitgangstrap levert een cascode‑versterker op die zowel hoge bandbreedte als matige ingangsimpedantie biedt. Het bias‑netwerk, gedetailleerd in Hoofdstuk 4 van de BJT‑tekst, is hieronder geïllustreerd.

Simulaties van de cascode‑versterker zijn te vinden in de “Cascode”‑sectie van het BJT‑hoofdstuk. Voor optimale hoge‑frequentie prestaties, gebruik RF‑ of microgolf‑transistors.

De PIN‑diodes vormen een π‑attenuator‑netwerk. Anti‑serie diodes verminderen harmonische vervorming vergeleken met een enkele serie‑diode. Een vaste 1,25 V voeding voorwaarts‑biast de parallelle diodes, wat DC‑stroom en RF‑geleiding door hunjunctiecapaciteiten biedt. Door de besturingsspanning (Vcontrol) te variëren, kan de weerstand afgesteld worden van 80 dB demping bij 10 MHz (Vcontrol = 0,5 V) tot 3 dB bij 5 V, met een vlakke respons tot 2 GHz.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Grondslagen van Radiocommunicatie Werkblad