无焊接的收音机

现在让我们再次回到电感和电容，我将给大家演示一个应用，这个应用也会用到波形彼此叠加的原理。我想要给你演示一个根本没有任何电源的简单电路是如何可以接收到AM无线电信号，并且还可以使这个信号听得到的。这个东西通常称作晶体管收音机，因为电路中有一个锗二极管，它里面有（锗）晶体。尽管其原理可以追溯到无线电刚刚出现的年代，但是如果你从来没有试过它的话，那你就错过了一个真正魔幻般的经历。

以下是你需要用到的东西。

□ 坚硬的圆柱体，譬如一个维他命瓶子，数量：1个。

□ 22 号线规的跳接线，实心的，数量：60 ft。

□ 16 号线规的导线，多股绞合的，数量：100 ft。

□ 聚丙烯绳子或尼龙绳子，数量：10 ft。

□ 锗二极管，数量：1个。

□ 高阻抗耳机，数量：1副。

二极管和耳机可以到http://www.scitoyscatalog.com这个网站去订购。不能使用现代的耳机（譬如你听MP3播放器时所戴的那种耳机）。

上面的部分东西如图5-59所示。

首先，你需要制作一个线圈。其直径应该大约为3 in，可以绕在任何满足大小要求的空玻璃瓶或者塑料容器上，只要坚硬就可以了。苏打水瓶和水瓶不合适，因为积聚起来的线圈压力会将瓶子挤变形，使其不再是圆的。

我选择了一个维生素瓶子，它正好是我所需要的尺寸。为了去掉标签，我先用热风枪来使它的黏合剂熔化（请轻微加热，以免熔化瓶子），然后再揭掉标签。黏合剂会有些遗留，我用二甲苯来去掉这些遗留的。二甲苯是日常生活中一种很有用的溶剂，它可以去掉“永久性的”斑迹污点以及黏性的残余物，不过应该戴上乳胶或丁腈橡胶手套来避免皮肤接触它，并且要尽可能少地让自己暴露在其烟气中。由于二甲苯将溶解一些塑料，这显然对你的肺不利。

在准备好一个干净、坚固的瓶子以后，在它上面钻两对孔，如图5-60所示。你将用它们来固定线圈的两端。

图5-59 只需再添加导线和一个线圈，你就可以接收到AM无线电信号了。（下方的）黑色圆盘用作调谐的刻度盘，需要用螺钉将其固定在（右侧的）可调电容器上。这实际上是附加的一个可选项。（中央的）一个锗二极管用来对无线电信号进行整流。（上方的）高阻抗耳机会产生出一个刚刚可以听到的声音

图5-60 一个大的、3 in 直径的空维生素瓶子可以作为晶体管收音机线圈的一个理想的芯筒。上面钻的孔用来固定绕在瓶子上的导线

现在你需要大约60 ft 长的22 号线规的实心导线。如果你使用的是漆包线，由于其绝缘层很薄，因此匝间会更加紧密，线圈的效率也许会稍微高一些。不过也可以用日常的聚乙烯绝缘线，并且这种绝缘线绕起来还更加容易。

先将导线一端6 in 长的绝缘层剥掉。再从有绝缘层的地方开始，量取50 ft 导线，然后用剥线刀从该位置割断绝缘（但不要割断导线）。用你的两个大拇指甲将绝缘层分开，露出大约0.5 in 的裸线，如图5-61 所示。在中点折弯裸线，并将其扭曲成一个环，如图5-62所示。

图5-61 沿着22 号线规的导线，利用剥线器以一定的间隔将实心的导体暴露出来

图5-62 利用尖鼻钳将每个暴露的导线部分扭曲成一个环

你刚刚制作了一个“分接头”，也就是在线圈绕好之后，你可以连接到线圈上的一个连接点。你还需要另外11个这样的分接头，它们两两分开的距离是50 in（如果你用来作为线圈芯筒的瓶子不是3 in 的直径，那么将其直径乘以16可以得到分接头之间大致的间隔）。

在做好了12 个分接头之后，切断导线，并在终端剥去6 in 的绝缘。然后将裸露的端部弯成直径大约为0.5 in 的U 形，以便导线可以穿过你在瓶子的一端所钻的一对孔。将导线拉过去，然后再绕一圈，形成一个牢固的固定点。

现在将导线的其余部分绕在瓶子上，要拉紧导线以使线圈各匝紧靠在一起。当绕到导线的端点时，让其穿过剩余的一对孔以实现固定，如图5-63所示。最终完成的线圈如图5-64所示。

下一个步骤是搭建一根天线。如果你居住的房子外面有一个庭院，这将很容易做到。只需打开窗户，往外抛出一卷16号线规的导线（要把导线的自由端握在手里不放），然后走到外面，用聚丙烯绳子或尼龙绳子（在任何五金店都可以买到）将你的天线悬挂起来，可以悬挂在任何的树上、沟槽上或柱子上。这个导线的总长度应该大约为100 ft。在导线穿过窗户时，也要将其悬挂在另一根较长的聚丙烯绳子上。这样做的用意在于让你的天线远离地面或远离任何可能接地的物体。

图5-63 让剥掉绝缘层的导线端部穿过钻在瓶子上的孔，从而使导线的端部得到固定

图5-64 最终完成的线圈紧紧地绕在瓶子上

高电压！

我们周围的世界到处都是电。通常我们意识不到电的存在，但是雷暴可以猛然提醒我们，在地面和上面的云层之间，存在着巨大的电位差。

如果你布置了一根室外天线，那么在可能存在雷击的时候千万不要使用它，这将是极端危险的。请断开天线的室内端，将导线拖到室外，并且将导线的端部插到地里以确保安全。

如果你居住在没有庭院的公寓里，你可以试着绕着你的房间布置天线，多用几根聚丙烯绳子来悬挂导线。天线还是需要大约100 ft 的长度，但是它显然无法布置成直线。

将天线的自由端连接到线圈的一端。在这一点处，你还要加入一个锗二极管，它的功能跟硅二极管是一样的，只不过它更适合于我们将要处理的这种微小的电压和电流。二极管的另一端要接在连接高阻抗耳机的两根导线中的一根上。在这个电路中，普通的现代耳塞或耳机不能工作。耳机的另一根（返回）线将连接到一根跳接线上，跳接线的另一端可以夹在你的线圈的任何一个分接头上。

再完成最后一项修改，你就可以进行调谐了。这个修改就是，你必须将跳接线接地。我这样说的意思是，要将它连接到某样真的在地里面的东西上。冷水管是最常提到的选项，但只有当管子是由金属制成的时候，这个方法才有效果。由于如今的许多管道工程使用的都是塑料管，因此在你想用水龙头来接地时，请先检查一下在汇总的地方用的是不是铜管（或铁管）。

另一个选择方案是将导线接到一个电源插座外壳的螺丝上，因为家里的电气系统最终都是接地的。不过最可靠的接地方法是到室外去，将一个4 ft长的覆铜接地桩锤击到具有相当湿度的泥土中。如图5-65所示。任何电气百货店都有接地桩出售。它们常用来给焊接设备接地。

图5-65 利用超级简单的元件，不花任何电力，就可以接收无线电信号，这纯粹是一种乐趣

图5-66和图5-67所示为已经完成的收音机。

图5-66 来自天线的信号通过线圈之后进入到地。如果跳接线所连的线圈分接头恰当，就会跟无线电信号发生共振，刚好足以驱动与一个二极管串联的耳机

如果你已经能够按照以上的指令（无论哪种方法）行事，那么现在就可以调谐你的收音机到最近的电台了。将临时跳接线端部的鳄鱼夹从线圈上的一个分接头移到另一个分接头。取决于你所居住的地方，你也许只收到了一个台，或收到了几个台，其中有些是串台的。

在这里你似乎是做了无米之炊，因为耳机在没有任何电源的情况下产生了噪音。然而这里实际上有一个电源：位于无线电台的发射机。有一个巨大的放大器将功率用泵输往无线电广播塔，调制成一个固定的频率。当你的线圈和天线的组合与这个频率发生共振的时候，你就会吸取足够的电压和电流来给一个高阻抗的耳机供电。

图5-67 图5-66 的现实版本

你需要建立良好接地的原因在于，无线电台是以相对于地的电压来广播它的信号的。地球接通了你和发射器之间的电路。如果你想进一步了解无线电在这个方面以及其他相关概念的信息，请阅读后面的“理论知识：无线电的工作原理”。

功能增强

你的天线越高，它工作得就越好。在我住的地方，这是一个很大的问题，因为我居住在沙漠地区，这里没有任何树木。不过，我仅仅将导线悬挂到窗外，并用绳子系在其末端，再将绳子系在我汽车的前保险杠上，竟然也接收到了微弱的无线电信号。

为了提高你的收音机的灵敏度，可以加入一个可调电容器，如下一节所示。这将使得你可以更精确地“调节”你的电路的共振。可调电容器如今已经不常见了，不过你可以在我推荐你购买耳机和锗二极管的同一个特殊商品来源（科学玩具目录网站：http://www.scitoyscatalog.com）购买到。

这个网站属于一个名叫西蒙·克尔兰·菲尔德（Simon Quellan Field）的精明人，他的网站上给出了许多有趣的实验项目，你都可以在家中完成。他的一个聪明点子是将你的收音机电路中的锗二极管去掉，代之以一个低功耗的LED 和一个1.5 V 的电池相串联。这个点子在我这里不起作用，因为我住的地方离最近的AM广播电台有40英里远。如果离发射台比较近，你也许可以看到随着广播功率的通过，LED的发光强度随着变化。

理论知识

无线电的工作原理

当电频率很高时，它们产生的辐射就具有足够高的能量，可以传播数英里的路程。这正是无线电传输的原理：将一个高频电压施加在相对于地的广播天线上。

此刻我所说的“地”，意指我们脚下的这个地球。如果你搭起一个接收天线，它就可以从相对于地（就好像地球是一个巨大的导体一样）的传输中拾取到一点微弱的踪迹。事实上，地球是如此之大，包含着如此多的电子，它可以用作共同的电流汇，就像巨型版本的铁质文件柜一样（我以前建议你在接触CMOS逻辑芯片之前，都要先接触一下这样的文件柜，以去掉身体上的静电）。

如果要制作无线电发射器的话，我会使用一个555定时器，让其运行在很高的频率，譬如850 kHz（每秒850 000 个周期），并让这个脉冲流通过一个放大器后送到发射塔；如果有某种办法可以阻断空气中的所有其他电磁活动，你就能够检测到我的信号并将其再次放大。

这或多或少就是马可尼（Marconi）（见图5-68）在1901年所做的事情。当时马可尼购买了爱迪生的无线电报专利，他使用原始的火花间隙（而不是今天的555定时器）来产生振荡。他的发射用途有限，因为它只有两种状态：通或者断。你可以用它来发射莫尔斯码，仅此而已。

图5-68 无线电的伟大先驱马可尼（照片源自维基共享资源）

5年以后，第一个真正的音频信号通过将较低的音频叠加在高频载波上的方法发射了出去。换句话说，音频信号被“加”到了载波频率上，使得载波的功率随着音频的波峰和波谷变化。

在接收端，电容器和线圈的一个十分简单的组合从电磁频谱中将载波频率从所有其他的噪音中检测出来。选择电容器的容值和线圈的电感，让电路在载波的频率下发生“共振”。图5-69和图5-70说明了这些概念。

图5-69 当一个音频信号（中间）通过电子的方式与一个高频载波（顶部）组合时，结果看起来就像底部的复合信号。在实际中，载波频率要比音频信号的频率高得多，比值也许高达1000：1

图5-70 当复合的信号通过一个二极管时，只有上半部得以保留。耳机的反应不够快，无法再现高频载波，因此它“骑”在波峰上，从而把音频再现了出来

图5-71所示的这个电路原理图就是你把线圈绕在空维生素瓶子上做出来的那个简单电路。当天线接收到一个正脉冲时，只要天线足够长并且从线圈引出的分接头恰好位于合适的匝数，那么这个信号就会与天线以及线圈共振。

增加一个电容，你就可以对这个电路进行调谐。在加入电容之后，线圈的自感在开始时会阻断来自发射器的输入，与此同时电容器会充电。若一个幅值跟正脉冲相等的负脉冲在经过一段（与线圈及电容器的参数值恰当同步的）时间间隔后达到，那么这个负脉冲将与电容器的放电以及线圈的导通在时间上巧合在一起。这样一来，载波的频率将使电路发生谐振。与此同时，信号强度上的音频波动则被转换成电路中的电压波动。

图5-71 这个电路原理图顶部的天线拾取到微弱的来自远方发射器的电磁辐射。左侧的线圈以一定的间隔引出分接头，以便可以调整其共振频率来与无线电信号的载波频率匹配。其他频率的分量则（通过电路原理图底部）被接地抛弃了。二极管只允许信号的上半部分流通到右侧的耳机，这个耳机的速度不够快，无法再现载波频率，因而将载波过滤掉了，留下的只是载波上叠加的音频信号

那么天线拾取到的其他频率又怎么样了呢？较低频率的分量通过线圈进入地了，较高频率的分量通过电容器进入地了。它们都被“抛弃”了。

在右边的一半电路里，信号通过锗二极管和耳机而被采样。来自发射器的信号在二极管将其负半波除掉之后，剩下的功率仅仅足够使耳机中的横膈膜振动。

返回去看看幅值调制信号的示意图。可以看到它上下波动十分剧烈，耳机不可能跟上其正负振动的步伐（因此才需要二极管）。耳机将犹犹豫豫地保持在高和低之间的中点，因而根本发不出任何声音。二极管将“音频包络线”的下半部分减去，仅仅留下正的尖峰电压，从而解决了以上问题。尽管剩下的信号仍然很小，变化很迅速，但它们现在都往同一个方向推动耳机的横膈膜，因此横膈膜会对它们进行平均化，近似地重构出原有的声波。

图5-72说明了如何用可调电容器来增强这个电路，从而无需改换线圈的分接头就可以对电路进行调谐。

图5-72 在电路中添加一个电容器后，就可以更加精确地调节电路的谐振。电容器上的对角箭头表示所用的是可调电容器

这个收音机可以收到你居住的那个区域中信号最强的那些AM（调幅）波段的电台。波段的范围是从300 kHz到3 MHz。如果你发现自己对无线电很感兴趣，那么你的下一个步骤是使用一对晶体管来制作一个有电源的收音机。此外，你也可以建立你自己（合法）的低功率AM发射器。在http://www.scitoys.com上可以买到一个超级简单的套件，它只包含两个主要元件：一个晶体振荡器，一个变压器，如图5-73所示。这就是AM发射器所需的全部元件。

图5-73 只需两个元件就可以制作出一个AM 无线电发射器：一个变压器（左），一个晶体振荡器（右）。这都可以从http://www.scitoys.com买到