radio a cristallo

fig.1
fig.1

La radio a cristallo è la radio dei pionieri; il segnale captato dall'antenna  e sintonizzato da un circuito oscillante  viene rivelato da un cristallo di galena o di altro materiale che funge da diodo rivelatore. Il suono rivelato viene ascoltato in cuffia .
La radio a galena è la radio a cristallo per antonomasia; fra gli anni 10 e 20 del secolo scorso periodo un cui tutte le radio riceventi erano a cristallo proliferarono una serie di materiali con funzione di rivelatore.
Ricordiamo appunto la galena (solfuro di piombo -PbS-), lo psilomelano (ossido complesso di Manganese e Bario ) , il carborundum (carburo di silicio -SiC- sintetico , in natura si trova la  rarissima  Moissanite); vennero persino usate , con funzione di diodo rivelatore, delle lamette blu arruginite in uso in quel periodo.

Questi rivelatori erano costituiti dal minerale e da  una punta di contatto (baffo di gatto) che veniva posizionata nel punto che maggiormente assicurava il funzionamento del sistema come  diodo.

Un altro sistema di rivelazione  chiamato Perikon untilizzava due minerali (di solito la zincite e la pirite) il cui contatto assicurava il funzionamento voluto. 

Oggi per chi volesse cimentarsi nella costruzione di una radio a cristallo sono disponibili dei diodi al germanio che assolvono benissimo alla funzione di rivelare i segnali.
La radio a cristallo è costituita essenzialmente da un'antenna di adeguata lunghezza, da un circuito di sintonizzazione  costituito da una bobina e da un condensatore variabile oppure da un condensatore fisso e da una bobina ad induttanza variabile, da un cristallo rivelatore , da una cuffia di deguata impedenza  e da una presa di terra.
 In sostanza in entrata l'antenna  funge da generatore ed il diodo rivelatore   da carico, in uscita il diodo rivelatore  funge da generatore  e la cuffia   da carico.

Per poter trasferire il massimo della potenza fornita dall'antenna al diodo occorre che l'impedenza d'uscita dell'antenna sia pari all'impedenza d'entrata del diodo; qui ci viene in aiuto il circuito di sintonia.

Per poter trasmettere il massimo della potenza dal diodo alla cuffia occorre che l'impedenza d'uscita del diodo sia pari all'impedenza d'entrata della cuffia.

Per poter ascoltare qualcosa  in cuffia, dunque,  occorre risolvere il problema legato all'adattamento di impedenza; migliorando gli adattamenti di impedenza miglioriamo l'ascolto.

fig.2
fig.2

Con un'antenna, un diodo, una cuffia di adeguata impedenza ed una presa di terra, possiamo costruire un semplicissimo apparecchio a cristallo (vedi fig.1) che non porterà però a nessun risultato apprezzabile tranne che all'ascolto di  un lontano segnale (emittente locale); trattasi di un ricevitore aperiodico  a cristallo.
Se aggiungiamo un circuito di sintonia in serie o in parallelo possiamo captare in modo molto più chiaro  qualche stazione radio.

fig.3
fig.3

Nello schema di fig.2  abbiamo aggiunto un sistema di sintonia serie.

Fra i punti A e B si crea una differenza di potenziale; la tensione che ha l'andamento dell' onda radio viene rivelata dal diodo; la cuffia collegata fra il punto C ed il punto A ci fa sentire il suono rivelato; essa  può essere collegata anche fra il punto C ed il punto T come si nota nello schema di fig.3.

fig.4
fig.4
  1. i sistemi di sintonia  di figg. 2 e 3 possono essere rappresentati dal circuito equivalente di fig.4; trattasi di una bobina (induttanza) e di un condensatore (capacità) alimentati in SERIE dal Generatore G.

Ora sorgono alcune  domande:

  • la capacità del condensatore di fig.4 è uguale a quella del variabile di fig.3?
  • che valore ha la capacità del condensatore di fig.4?

La risposta alla prima domanda è negativa.

per quanto riguarda la seconda domanda prendiamo in esame il circuito equivalente dell'antenna di fig.4a.


fig.4a
fig.4a

E' evidentemente un circuito semplificato che ci dice che la nostra antenna ha una capacità di circa 200pF una resistenza alla radio frequenza di circa 60 Ω ed è un generatore la cui tensione è pari al campo elettrico E (V/m) moltiplicato la altezza efficace dell'antenna, che alimenta il circuito in serie.

fig.4b
fig.4b

A questo punto il nostro circuito può essere rappresentato come in fig.4b.

Il valore della capacità del condensatore del circuito equivalente di fig.4 è pertanto pari alla serie della capacità del  condensatore variabile e di quella dell'antenna (ca=200pF).

Ora che abbiamo stabilito il valore della capacità del circuito equivalente di fig.4 possiamo continuare il suo studio.

Quando la reattanza induttiva della bobina è pari alla reattanza capacitiva del condensatore (siamo nella condizione di risonanza)  le due essendo di segno contrario  si elidono a vicenda e permettono il passaggio di una corrente in teoria infinita (la corrente in realta è ridotta dalle resistenze ohmmiche del circuito). 

Ora se nel circuito scorre una corrente elevata, fra i punti a e b  avrò una caduta di tensione pari a I.XL dove XL=2.π.f.L e fra i punti b e c una caduta di tensione pari a XC.I dove XC =I/2.π.C (vedi circuito RLC) ; tali cadute saranno sufficientemente elevate e maggiori della tensione del generatore.

Ma di quanto saranno maggiori della tensione del generatore?

Per rispondere a questa domanda ricordiamo che in condizioni di risonanza la corrente è limitata solo dalla resistenza ohmica del circuito che indichiamo con R; pertanto la corrente sarà pari a Vg/R; questa corrente moltiplicata per l'impedenza della bobina  XL= ω.L   darà una tensione pari a :

ω.L.Vg/R ; ora poichè ω.L/R è pari a Q, ( coefficiente di qualità del circuito),  sarà:

VL=Q.Vg.

Se la corrente Vg/R la moltiplico invece per l'impedenza del condensatore:

 XC=1/(ω x C), otterrò una tensione pari a :

ω.C.Vg/R; ora poichè anche  1/(ω.C.R) è pari al coefficiente di qualià del circuito, sarà:

VC=Q.Vg.

Queste due tensioni hanno segno opposto e sono maggiori  della Vg; per questo motivo  il coefficiente moltiplicatore  Q viene detto anche coefficiente di sovratensione.

Quindi per quanto detto se pongo  un diodo rivelatore ed una cuffia in serie fra i punti a e b oppure fra i punti b e c posso  rivelare ed ascoltare "decentemente"  l'onda sintonizzata e la qualità dell'ascolto dipenderà anche dal coefficiente Q. 

fig.5
fig.5

Nello schema di fig.5 abbiamo rappresentato un circuito di sintonia in parallelo ; se andate su WIKPEDIA alla voce radio a galena troverete scritto relativamente allo schema di fig.5 (diodo collegato all'estremità superiore della bobina)  quanto segue:

"Il circuito radio poco pratico qui illustrato è spesso proposto ingenuamente per sintonizzarsi sulle trasmissioni AM con un dispositivo costituito da una bobina fissa in parallelo e un circuito a vasca  consistente di un condensatore variabile con l'antenna e la messa a terra collegati al suo interno."

Evidentemente non è il  modo migliore per costruire una radio a cristallo; ma vediamo il perchè: 

fig.6
fig.6

Il sistema di sintonia  di fig.5 può essere rappresentato dal circuito equivalente di fig.6 costituito da una bobina (induttanza) e da un condensatore (capacità) alimentati in parallelo dal generatore G.

Anche in questo caso vediamo quanto vale la capacità del condensatore del circuito equivalente di fig. 6.

fig.6a
fig.6a

La fig.6a ci mostra che il circuito risulta alimentato in parallelo e che la capacità Ca dell'antenna è in parallelo a quella del variabile.

La capacità cercata è dunque pari alla somma delle due.

Determinato il valore della capacità del circuito equivalente di fig.6 continuiamo il nostro discorso.

La corrente IL che attraversa L è pari alla tensione  V del generatore G diviso XL; la corrente IC che attraversa C è pari alla tensione di V del generatore G diviso XC.

Poichè in condizioni di risonanza XL=-XC e  IL=-IC nel circuito non circola corrente e quindi esso ha, in teoria, un'impedenza infinità (in realtà bisogna tener conto della resistenza ohmica del circuito che consideriamo in parallelo ed indichiamo con  Rp) (vedi circuito RLC).

Nel circuito in condizioni di risonanza infatti la corrente è pari a V/Rp; la corrente della bobina V/ω.L è uguale e contraria  a V.ω.C  ; il rapporto fra la corrente della bobina e la corrente di alimentazione è pari a  Rp/ω.L  ed è uguale al rapporto fra la corrente del condensatore e la corrente di alimentazione pari a ω.C.Rp.

Rp/ω.L e Rp.ω.C rappresentano il coefficiente di sovracorrente.  

In conclusione un'onda radio avente frequenza pari alla frequenza di risonanza del circuito trova una resistenza molto alta nell'attraversare il circuito e ciò determina un differenza di potenziale fra a e b sufficiente  da poter essere rivelata ed ascoltata; le onde radio aventi frequenza differente determineranno una differenza di potenziale inferiore e verranno pertanto attenuate.

La resistenza del circuito varia con la frequenza e per questo si chiama resistenza dinamica.

Supponendo dunque d'aver sintonizzato una determinata frequenza, fra i punti A e B di fig.5 dovrei misurare la massima tensione però, poichè il sistema diodo cuffia ha una bassa resistenza nei confronti dell'alta frequenza  e come se questo cortocircuitasse (parzialmente)  l'ntera bobina facendo diminuire il potenziale ad alta frequenza nel circuito oscillante.

Se viene invece collegato il diodo rivelatore in un punto intermedio della bobina questo effetto si riduce  ed aumenta rispetto al primo caso (collegamento del diodo al punto A)  il potenziale ad alta frequenza.

In conclusione lo schema di fig.5 col diodo collegato all'estremità superiore della bobina rappresenta un sistema " poco pratico ".

  

fig.7
fig.7

La situazione migliora se inseriamo un trasformatore ad alta frequenza col primario di poche spire (1/4, 1/5 circa del numero di spire del secondario); il loro numero può essere variato spostando il collegamento con l'antenna, come  in fig.7.

Anche il collegamento del diodo al secondario può avvenire con diverse modalità; nella fig.7  sono indicati 3 possibili collegamenti.

E' vero, come già detto in precedenza,  che  spostando il collegamento verso il punto B  diminuisce la tensione cui è sottoposto il diodo ma risulta anche meno caricato il circuito oscillante a vantaggio del Q. 

Sta a noi trovare i collegamenti che assicurino la migliore ricezione.

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