Detektor diodowy

Detektor diodowy jest najprostszym, ale bardzo skutecznym rodzajem detektora. Każde radio kryształkowe wykorzystuje właśnie ten rodzaj detekcji, wykorzystany w nim kryształ jest właśnie diodą, i to nawet diodą półprzewodnikową. Ponieważ tego rodzaju odbiorniki posiadały z reguły tylko detektor, bez żadnych dodatkowych układów to były nazywane często 'detektorkami' (nie 'Detefonami', to była nazwa handlowa odbiornika produkowanego przez firmę PZT). Pomimo swoich zalet, przez pierwszych kilkanaście lat w odbiornikach lampowych ten typ detekcji nie był praktycznie stosowany. A czemu? Z prostego powodu - ekonomia. Detektor diodowy nie dawał żadnego wzmocnienia, a w czasach kiedy każda lampa była bardzo drogim dodatkiem do odbiornika na taką rozrzutność jak małoczuły detektor nie można było sobie pozwolić.

Niezależnie od stopnia skomplikowania odbiornika (ilość lamp, obwodów itp.) detektor diodowy można włączyć w układ zawsze tak samo, a w zasadzie, zależnie od miejsca podłączenia diody, na dwa sposoby. W zależności od sposobu użycia diody detekcyjnej mówimy o detektorze równoległym lub szeregowym. Jak można zobaczyć na schematach umieszczonych w dalszej części tekstu, nazwa detektora bierze się od sposobu podłączenia do układu diody detekcyjnej. Jeżeli jest ona połączona szeregowo z wejściem i wyjściem detektora to mówimy o detektorze szeregowym, jeżeli równolegle - to o detektorze równoległym. Detektor szeregowy był spotykany przede wszystkim w odbiornikach kryształkowych, gdzie stanowił niemalże 100% wszystkich konstrukcji, oraz w nowszych układach wykorzystujących diody półprzewodnikowe. W odbiornikach lampowych wykorzystujących do detekcji diody próżniowe używany był praktycznie wyłącznie układ równoległy. Takie wybór układów był podyktowany wymogami konstrukcyjnymi, w detektorze równoległym łatwo można było uzyskać napięcie ARW, ponadto taki detektor pozwalał, aby katoda diody była połączona wewnątrz lampy z katodami innych systemów znajdujących się w jednej bańce jak np. w lampie ABC1 - bardzo to upraszczało technologię produkcji lamp.

Detektor szeregowy

Schemat detektora diodowego

Detektor szeregowy

Jak wiadomo każda dioda, niezależnie od jej rodzaju (lampowa, krzemowa, czy kryształek) przepuszcza prąd tylko w jedną stronę. W układzie detektora szeregowego, którego schemat pokazany jest na rysunku obok, dioda D może przepuścić tylko dodatnie połówki prądu. Prąd ten przepływa przez odbiornik (oznaczony symbolem opornika) R1. Prąd ten jest nadal prądem o wysokiej częstotliwości, ale ze względu na obcięcie jego ujemnej części ma on niezerową wartość średnią. Wartość średnia jest proporcjonalna do wysokości dodatnich połówek sygnału wejściowego i odpowiada sygnałowi małej częstotliwości modulującemu wejściowy sygnał radiowy. Jeżeli odbiornikiem R będzie słuchawka, to chociaż również będzie przez nią przepływał prąd wysokiej częstotliwości, to da się w niej usłyszeć audycję - bo wartość średnia prądu będzie odpowiadać modulującemu sygnałowi akustycznemu.

Przebiegi detektora diodowego AM

Przebiegi napięć i prądów w detektorze diodowym

Kolor niebieski - wejściowy prąd w.cz.
Kolor purpurowy - napięcie wyjściowe przy za małej stałej czasowej
Kolor czerwony - napięcie wyjściowe przy za dużej stałej czasowej
Kolor czarny - napięcie wyjściowe przy optymalnej stałej czasowej
Kolor zielony - wartość średnia napięcia wyjściowego

Przebiegi prądów i napięć w detektorze diodowym pokazane są na rysunku obok. Niebieska linia pokazuje wejściowy sygnał wysokiej częstotliwości. Dioda z zasady swojego działania przepuszcza prąd w jedną stronę, włączona tak jak na powyższym schemacie - górne, czyli dodatnie połówki sygnału. Ponieważ wtedy sygnał za diodą, na oporniku R1, nie jest już symetryczny względem zera (jest zawsze dodatni albo równy zeru) posiada on niezerową wartość średnią. Jak widać z rysunku amplituda tej wartości średniej (linia zielona na rysunku) nie jest duża w stosunku do wejściowego sygnału, co jest jedną z wad tego maksymalnie uproszczonego detektora, drugą jest występowanie na jego wyjściu dużej składowej wysokiej częstotliwości. Mimo swoich wad, dzięki maksymalnej prostocie układ ten był chętnie stosowany na samym początku radiotechniki w postaci detektora kryształkowego ze względu na swoje inne zalety - kryształek detekcyjny jest bardzo tani, a sam układ nie potrzebuje do pracy żadnego dodatkowe zasilania, więc jego eksploatacja nie generuje żadnych dodatkowych kosztów.

Jak już wspomniano dioda przewodzi prąd tylko w jedną stronę i napięcie na wyjściu jest zawsze dodatnie. Oznacza to, że na wyjściu oprócz sygnału zmiennego pojawia się też pewne napięcie stałe tym większe, im większy jest sygnał na wejściu detektora. Napięcie to wydaje się nieprzydatne - w końcu dźwięk to prąd zmienny, ale ma jedno fundamentalne zastosowanie w radioodbiornikach - ARW, czyli Automatyczna Regulacja Wzmocnienia. Jeżeli poziom sygnału będzie bardzo duży (np. odbieramy silną stację) to może on przesterować odbiornik, co się objawi bardzo nieprzyjemnym dźwiękiem. Jeżeli wzmocnienie będzie na tyle małe, że odbiornik nie zostanie przesterowany, to z kolei odbiór stacji słabej będzie niemożliwy - zabraknie wzmocnienia. Poza takimi skrajnymi przypadkami ARW powoduje, że różne stacje, o różnym poziomie odbieranego sygnału w.cz. grają z podobną głośnością, a gdy poziom sygnału w.cz. się zmienia (co jest powszechne, zwłaszcza na falach krótkich i średnich) zachowuje stałą głośność audycji niezależnie od tych zmian. Widać więc, że sygnał stały o wartości proporcjonalnej do siły sygnału jest bardzo przydatny, gdyż może automatycznie zmieniać wzmocnienia odbiornika dostosowując je do siły odbieranego sygnału.

Schemat detektora AM

Detektor szeregowy z obwodem RC

Wprowadzenie drobnej modyfikacji pozwala trochę poprawić właściwości detektora. Polega ona na dodaniu do układu kondensatora C2 o odpowiedniej pojemności. Prąd diody ładuje wtedy dodatnio kondensator C2 do napięcia równego maksymalnej amplitudzie sygnału wejściowego. Gdyby nie było w układzie obciążenia R1 (lub opór tego obciążenie byłby bardzo duży) to kondensator naładowałby się do tego napięcia i w takim stanie pozostał już na zawsze, na wyjściu dostalibyśmy więc napięcia stałe równe maksymalnemu napięciu wejściowemu, co ma sens dla detektora ARW, ale nie dla detektora sygnału audio. Po to właśnie dodany do układu jest rezystor R1, przez ten rezystor kondensator C2 może się rozładować. Przebiegi w układzie z kondensatorem C2 są narysowane linią czarną, czerwoną i purpurową.

Wartość oporności tego rezystora, a dokładniej iloczynu wartości pojemności kondensatora i oporności rezystora jest bardzo istotna - nie może być zbyt duża ani zbyt mała, bo kondensator się bardzo szybko rozładuje, albo będzie rozładowywał się zbyt wolno. Ten układ RC tworzy pewnego rodzaju filtr dolnoprzepustowy, który musi wytłumić resztki wysokiej częstotliwości, a pozostawić przebieg o małej częstotliwości. Sprawę dodatkowo utrudnia fakt, że jest to układ nieliniowy, gdzie innym prądem kondensator jest ładowany, a innym rozładowywany. Wygląd przebiegu dla różnych stałych czasowych układu R1C2 pokazany jest na rysunku obok. Widać wyraźnie, że jeżeli jest za mała to sygnał (oznaczony linią purpurową) zanika zbyt szybko i przebieg na wyjściu zamiast być ładną i w miarę gładką sinusoidą małej częstotliwości składa się tak samo jak w układzie bez kondensatora z wysokich pojedynczych impulsów, nieco tylko szerszych. Dla zbyt dużej stałej czasowej spadek napięcia jest bardzo niewielki i jeżeli następny szczyt wejściowego przebiegu wysokiej częstotliwości jest zbyt nisko nie będzie go widać - przebieg wyjściowy jest zniekształcony - obrazuje to linia czerwona.

Przebieg optymalny pokazany jest linią czarną. Na pierwszy rzut oka na tym wykresie nie wygląda on zbyt dobrze - pozostałości sygnału w.cz. są jeszcze bardzo duże, ale jest on i tak znacznie lepszy niż sygnał niebieski. W praktyce jednak różnica częstotliwości małej (modulującej, sygnał audio) i dużej (modulowanej, sygnał nośny) jest znacznie większa (na rysunku została zmniejszona dla poprawienia czytelności) i wynosi od kilkunastu razy do kilku tysięcy razy, przeciętnie około stu, to w praktyce spełnienie tego warunku jest łatwe. Typowa stała czasowa wynosi około 100μs, a różnica wysokości kolejnych dodanich połówek przebiegu w.cz. (niebieska linia na rysunku) na tyle nieznaczna, że "schodki" przebiegu wyjściowego są prawie niezauważalne i bez problemu odfiltrowywane przez nasze ucho i dalsze stopnie odbiornika. Jak widać wartość sygnału m.cz. (czarna linia) dla układu z kondensatorem jest znacznie większa niż dla samej diody, uzyskaliśmy więc dodatkowo zwiększenie czułości detektora.

W układzie można odwrócić kierunek diody, układ będzie działał identycznie, jedyną różnicą będzie to, że przepuszczane będą ujemne połówki prądu w.cz., a blokowane dodatnie. Wszystkie zjawiska związane z ładowaniem i rozładowywaniem kondensatorów, stałą czasową są identyczne, różnicą w praktyce będzie tylko zmiana polaryzacji napięć na wyjściu, z dodatnich na ujemne, rysunek przebiegów jest taki sam, tylko znajdzie się pod osią X a nie ponad nią, jak to jest uwidocznione na rysunku obok. W opisie został przedstawiony przypadek z przepuszczaniem dodatnich połówek sygnału, gdyż tak najczęściej są budowane detektory szeregowe w praktyce.

Detektor równoległy

Schemat detektora równoległego

Detektor równoległy

Drugim rodzajem detektora diodowego jest detektor równoległy. jego zasada działania jest identyczna jak detektora szeregowego, różni się tylko miejscem włączenia diody detekcyjnej. Jak widać na rysunku obok dioda ta jest włączona równolegle do wyjścia. Chociaż jego zasada działania jest identyczna jak detektora szeregowego to nie jest tak intuicyjnie wyczuwana. Poprzednio dioda była włączona w szereg z wejściem - i przepuszczała dodatnie połówki prądu a blokowała ujemne. Tutaj natomiast dioda podłączona równolegle do obciążenia, zwiera dodanie połówki sygnału natomiast ujemne przechodzą bez zmian - w takim wypadku napięcie na wyjściu jest zawsze ujemne!

Przebiegi napięć w detektorze są identyczne jak dla detektora szeregowego poza zmianą polaryzacji tych przebiegów - wszystkie są ujemne i na rysunku leżałyby pod osią X a nie nad nią. Również identyczna jest rola wszystkich pozostałych elementów, czyli rezystora i kondensatorów. Dołożony jest dodatkowo kondensator C1, który oddziela składową stałą układu sterującego detektor od wyjścia detektora, jest on bardzo istotny zwłaszcza przy sterowaniu detektora bezpośrednio z transformatora w.cz., gdyby go nie było bardzo mała dla częstotliwości akustycznych impedancja cewki transformatora zwarłaby sygnał wyjściowy i na wyjściu nie otrzymalibyśmy nic. Taki układ detektora był powszechnie stosowany w radiach wykorzystujących detektor lampowy. Wynikało to z faktu, że napięcie ARW musi być ujemne, bo tak działają selektody używane do regulacji wzmocnienia, a diody używane do detekcji miały z reguły katodę wspólną z inną lampą zamkniętą w tej samej bańce, co wykluczało z użycia detektor szeregowy.

w detektorze równoległym również można odwrócić kierunek diody, podobnie jak w detektorze szeregowym, z identycznym efektem - zdetekowane napięcia zmienią polaryzację na dodatnią i na rysunku przeniosą się nad oś X. Jako przykład został podany detektor w układzie dostarczającym ujemne napięcie, gdyż detektory równoległe w układach radiowych były budowane praktycznie wyłącznie w tym układzie, gdyż napięcie ARW musi dla lamp być ujemne - taki wymóg wynika z zasady działania selektod i innych lamp z regulowaną charakterystyką wykorzystywanych stopniach odbiornika objętych automatyczną regulacją wzmocnienia

Detektor ARW z opóźnieniem

Schemat detektora ARW z opóźnieniem

Detektor ARW z opóźnieniem

W odbiornikach wyższej klasy stosowano zmodyfikowany układ detektora napięcia Automatycznej Regulacji Wzmocnienia, pozwalający na uzyskanie maksymalnej czułości odbiornika dla słabych sygnałów i jej stopniowe ograniczanie dla coraz silniejszych, ale poczynając od pewnego poziomu. W zwykłym układzie detektora ARW nawet bardzo słaba odbierana stacja da pewne napięcie ARW ograniczające czułość odbiornika, pomimo, iż dla tak słabej stacji jest to niecelowe. Opóźnienie działania ARW powoduje, że zaczyna ono działać dopiero od pewnego progu siły sygnału, poniżej którego jest zawsze maksymalne. Układ taki widoczny jest na schemacie po prawej stronie.

Jest to zmodyfikowany układ detektora równoległego, uzupełniony o dodatkową diodę i rezystory realizujące opóźnienie. Do wejścia doprowadzony jest sygnał p.cz. z ostatniego stopnia wzmacniacza p.cz., na wyjściu jest ujemne napięcie ARW. Stała czasowa obwodu R1C2 jest na tyle duża, że napięcie U1 jest stałe, zależne tylko od amplitudy sygnału doprowadzonego na wejście i wynosi w praktyce ok 0.5s. Napięcie to jest oczywiście ujemne. Układ jest zasilane dodatkowym dodatnim napięciem +U, o wartości z reguły kilkunastu woltów przez opornik R3. Wartość tego opornika jest bardzo duża, rzędu 5MΩ, tak, że prąd I1 jest bardzo mały, około 1µA. Prąd ten płynie przez diodę D2, która jest praktycznie zwarciem, co oznacza, że na wyjściu napięcie wynosi 0V.

Gdy odbiornik nie jest dostrojony do żadnej stacji wejściowe napięcie w.cz. jest małe zdetekowane przez diodę D1 napięcie U1 jest zbliżone do 0V, co oznacza, że prąd I2 nie płynie. W miarę wzrostu amplitudy napięcia w.cz. na wejściu rośnie ujemne napięcie U1 i w konsekwencji prąd I2. Dopóki prąd 2 jest mniejszy od prądu I1 różnica tych prądów płynie przez diodę D2, która nadal jest zwarciem i napięcie wyjściowe się nie zmienia - jest ciągle równe zeru. Dopiero dla takiej amplitudy sygnału wejściowego, że prąd I2 osiąga wartość prądu I1dioda D2 przestaje przewodzić i napięcia wyjściowe zaczyna robić się ujemne. To jest ten próg (opóźnienie) od którego zaczyna działać w odbiorniku ARW. Poziom opóźnienia zależy od stosunku wartości R2 do R3 i wartości dodatniego napięcia zasilającego R3 i jest tak dobrany, aby maksymalnie wykorzystać czułość odbiornika.

Zastosowanie tego układu wymaga użycie dodatkowo jednej diody więcej, przez firmę Philips, która opracowała ten układ, w celu zastosowania w tego typu konstrukcjach została wymyślona lampa typu EAB1, zawierająca trzy diody - jedną do detekcji audio, drugą do detekcji ARW, trzecią do realizacji opóźnienia ARW. Taki układ zastosowano np. w odbiorniku Elektrit Eroica. We wcześniejszych konstrukcjach, jak np. Philips 6-38A stosowano większa ilość lamp kombinowanych.

Powrót