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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sobre la alimentación de receptores de radio con energía gratuita. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / recepción de radio Tal vez debido al aumento en el precio de las pilas y baterías recargables, o tal vez por alguna otra razón, pero recientemente ha aumentado considerablemente el interés de los radioescuchas en el problema de alimentar el receptor de radio con "energía libre" de radiación de poderosas estaciones de transmisión. . En varias publicaciones periódicas, aparecieron informes sobre dispositivos detectores de "altavoz", así como sobre receptores que funcionan en teléfonos y, alimentados por el campo de alguna estación de radio poderosa, reciben programas de otras estaciones menos poderosas. Dado que las razones de tal fenómeno son, hasta cierto punto, un misterio, y las soluciones de circuito más increíbles se ofrecen en la literatura, con la ayuda de las cuales supuestamente es posible obtener resultados aún más increíbles. El propósito de este artículo es ayudar a los radioaficionados que estén interesados en este problema a comprenderlo desde un punto de vista objetivo y evaluar realmente las capacidades de los receptores de radio alimentados por la "energía libre" de las estaciones de radio potentes. Se supone que los problemas de detección y construcción óptimas de los propios receptores se considerarán en uno de los siguientes artículos. Se sabe que la EMF inducida por el campo de la estación de radio transmisora en la antena del receptor de radio se puede determinar mediante la fórmula: ε = E*hд, donde E es la intensidad de campo de la estación de radio en el punto de recepción, y hд es la altura efectiva de la antena. Sin embargo, necesitamos maximizar no el EMF en absoluto, sino la potencia de la señal recibida suministrada al detector, cuya resistencia de entrada Rin depende de su circuito, la resistencia de carga y, en cierta medida, de la magnitud del EMF inducido. en la antena Dado que la potencia de la señal que ingresa al detector P = U * I (donde U es el voltaje suministrado al detector e I es la corriente que fluye a través de él), y la resistencia de entrada Ren = U/I, entonces puede maximizar la potencia cambiando la impedancia de entrada del detector, eligiendo diferentes esquemas para hacerlo coincidir con la antena, así como aumentando el voltaje en el detector, disminuyendo la corriente y viceversa. Por otro lado, se sabe que la fuente (circuito de antena) entrega la máxima potencia a la carga (detector) cuando su resistencia activa es igual a la resistencia de entrada de la carga, es decir RА = Ren, y la reactancia se compensa con la inclusión de una reactancia de diferente signo. Estas son las condiciones habituales para adecuar la fuente a la carga ¿Cómo cumplirlas en una situación real? Las estaciones de radio más poderosas operan en los rangos de ondas largas y medias. El suelo húmedo, el agua dulce, y más aún el agua de mar, tienen propiedades de conductor a estas frecuencias, en las que las corrientes de conducción son mucho mayores que las corrientes de desplazamiento. Como resultado, las ondas con polarización horizontal se debilitan significativamente cerca de la superficie terrestre. Por este motivo, para la radiodifusión se utilizan ondas polarizadas verticalmente, emitidas por mástiles verticales, antenas con una parte horizontal más o menos desarrollada y con una buena puesta a tierra. Los problemas de diseño de antenas de onda larga y onda media se resolvieron en los años treinta y se trataron en detalle en los libros de texto de los años cuarenta y cincuenta, esto también explica la "antigüedad" de la literatura citada al final del artículo.
En la Fig. 1a se muestra un esquema de una antena vertical con puesta a tierra. Propia longitud de onda (resonante) emitida por dicha antena (recuerde que se considera una onda a cuya frecuencia está activa la resistencia en el conector XT1 y es igual a la resistencia de un vibrador asimétrico de cuarto de onda, es decir, ~ 37 Ohm) λ0=4*yoД, y la altura efectiva hд=2yoА/π. En condiciones de aficionados, es casi imposible construir una antena vertical de cuarto de onda, ya que resulta demasiado alta, por lo tanto, las antenas en forma de L (Fig. 1, b) y en forma de T (Fig. 1, c) son habitualmente utilizado, en el que el parámetro λ0= KIД, dondeА = h + yoГ, y K es un coeficiente, cuyo valor se puede determinar a partir de la tabla:
Se podría recomendar una antena de paraguas con 3-4 haces horizontales conectados en un punto con la parte vertical, sin embargo, debido a la complejidad del diseño, se usa muy raramente. Solo la parte vertical de la antena está involucrada en la recepción de ondas de radio, mientras que la parte horizontal realiza las funciones de una carga capacitiva, aumentando su propia longitud de onda y altura efectiva. Cuanto más desarrollada es la parte horizontal, más precisa es la relación hд = h y la propia antena es más eficiente. En la mayoría de los casos, la antena recibe señales cuya longitud de onda es mayor que la propia longitud de onda de la antena λ > λ0, y su resistencia es compleja (Za) con activo (RΣ) y componentes reactivos (X), determinados por las fórmulas: ZА=RА -jX;
donde W es la impedancia de onda del cable de la antena, que es de aproximadamente 450 ... 560 ohmios.
Para compensar la resistencia capacitiva de la antena, se incluye una inductancia (bobina de extensión) en su circuito, y el circuito equivalente de la antena toma la forma que se muestra en la Fig. 2. Ahora es posible calcular la potencia transmitida por la antena a la carga (detector), y por el momento no tendremos en cuenta las pérdidas en su circuito. Si la resistencia de entrada del detector es igual a la componente activa de la resistencia de la antena Ren=RΣ la potencia en la carga es máxima e igual a Р0= (e/2)2/RΣ. Sustituyendo en esta fórmula las expresiones para ε y RΣtenemos P0= E2 hд2 λ2 / (4*1600*hд2) = mi2 λ2 / 6400 La fórmula que hemos obtenido determina la potencia máxima que puede ser inducida por el campo de una estación de radio en una antena ideal sin pérdidas. Es interesante notar que esta potencia no depende del tamaño y diseño de una antena en particular. De lo dicho, se pueden sacar las siguientes conclusiones. - la capacidad de alimentar los receptores con "energía libre" depende únicamente de la intensidad de campo de la estación de radio en el punto de recepción;
Por ejemplo, calculemos la potencia máxima que puede ser inducida en la antena por el campo LW de una estación de radio que opera a una frecuencia de 171 kHz (λ = 1753 m) con su intensidad de 20 mV/m, lo que ocurre en muchas áreas. de la región de Moscú e incluso más allá de sus fronteras: Р0= E2*λ2/6400 =0,022 * 17532 / 6400 = 0,19 W. Esta potencia es bastante suficiente para el funcionamiento con altavoz de la mayoría de los receptores portátiles, ya que equivale a Upit = 9 V a una corriente de 20 mA. Desafortunadamente, la situación real está lejos de ser ideal. El hecho es que en el circuito de la antena hay una resistencia de pérdida Rп, que consiste en la resistencia del cable de la antena, la resistencia activa de la bobina de adaptación L (Fig. 2) y la resistencia de tierra. La eficiencia de tal antena está determinada por la expresión η = RΣ/ (RΣ+Rп). y el poder recibido de él - por la fórmula: P = P0*η = mi2 λ2*η/6400 Calcular la eficiencia de la antena es una tarea completamente solucionable. La resistencia lineal de un hilo de cobre con un diámetro de 1 mm a la corriente continua es de 22,5 ohmios/km y aumenta aproximadamente 2 veces a una frecuencia de 200 kHz [1]. Para un cable con un diámetro de 2 mm, los mismos valores serán 5,5 ohmios / km y 3 veces. Por lo tanto, la resistencia del cable de la antena RPA 20 ... 50 m de largo se pueden estimar en 0,3 ... 3 ohmios. Resistencia de tierra Rsoftware más. M. B. Shuleikin propuso una vez la siguiente fórmula empírica para determinar las pérdidas en la puesta a tierra [2]: Rsoftware = Aλ/λ0, donde el coeficiente A varía de 0,5 ... 2 ohmios para una buena conexión a tierra y hasta 4 ... 7 ohmios para una mala. Resistencia de bobina correspondiente Rпк depende de su factor de calidad constructiva Q y se puede calcular mediante la fórmula: Rпк =X/Q. Usando los datos del ejemplo anterior, calculamos la eficiencia de una antena en forma de L con una altura de suspensión de 10 m y una longitud de parte horizontal de 20 m, que tiene hд\u10d 6 m Según la tabla, determinamos el coeficiente K \uXNUMXd XNUMX, luego la longitud de onda natural de la antena será igual a: λ0\u6d 10 * (20 + 180) \uXNUMXd XNUMX m, y λ / λ0 = 10. Con un diámetro de alambre de 1 mm, la resistencia RPA\u22,5d 2 * 0,03 * 1,3 \u3d 10 Ohm, se puede obtener una conexión a tierra satisfactoria con Roe \u30d 500 * 500 \u10d 500 Ohm. Con una impedancia de onda del cable de la antena W = 0,31 Ohm, la reactancia de la antena es X = 1600 * ctg (π / 250) = XNUMX / XNUMX = XNUMX Ohm. Dado el factor de calidad constructiva de la bobina correspondiente Q = XNUMX, encontramos su resistencia Rпк = 1600/250 = 6,45 ohmios. La resistencia de pérdida total de la antena, igual a la suma de todas las encontradas, será de unos 38 ohmios, mientras que la resistencia a la radiación RΣ = 1600(horas)Д/λ)2=1600(10/1753)2 = 0,05 ohmios, lo que significa que la eficiencia η = 0,05/38 = 0,14%! Así, la señal de potencia entregada a la carga por la antena considerada será solo de 0,19 * 0,0014 = 0,26 mW, lo que equivale, por ejemplo, a una tensión de alimentación de 1 V a una corriente de 0,26 mA. Esto es suficiente para operar el receptor en los teléfonos, pero no lo suficiente para alimentar el receptor del altavoz. Tenga en cuenta que la conexión a tierra contribuye con la mayor parte de la pérdida de la antena. Para hacerlo bien, debe cavar el suelo hasta el acuífero y colocar un objeto de metal a esta profundidad, posiblemente en un área más grande, por supuesto, y luego enterrar el agujero. También se puede recomendar hacer un sistema de cables de contrapeso, divergiendo radialmente del punto de puesta a tierra y enterrados a poca profundidad. Si los experimentos se llevan a cabo en una parcela de jardín, entonces las tuberías de un pozo de agua, un sistema de suministro de agua se pueden usar como conexión a tierra, y una cerca de metal del sitio también puede servir como contrapeso, si cuida un buen contacto eléctrico entre sus partes individuales. Una pregunta importante: ¿cómo garantizar la necesaria correspondencia de la antena con el detector? La introducción de elementos reactivos adicionales solo empeora la eficiencia debido a sus pérdidas adicionales inherentes, por lo que es deseable arreglárselas solo con los elementos que se muestran en la Fig. 2. En este caso, el circuito receptor recomendado tomará la forma que se muestra en la fig. 3.
El inductor variable L1, junto con la capacitancia de la antena, forma un circuito oscilatorio sintonizado a la frecuencia de una poderosa estación de radio. Las impedancias reactivas de la antena y la bobina son iguales y compensadas. Resistencia activa en serie del circuito de antena RА = RΣ + Rпconvertido a resistencia equivalente Roh =X2/RАconectado en paralelo con la bobina Si es demasiado grande para coincidir con la impedancia de entrada del detector, este último se conecta a la derivación de la bobina de tal manera que la condición n2*Roh=Ren, donde n es la relación entre el número de vueltas de la bobina desde el terminal puesto a tierra hasta la toma y el número total de vueltas. El circuito detector que contiene el diodo VD1, el condensador de bloqueo C1 y la carga no requiere explicación. En el ejemplo anterior, Roh= 16002/38 = 67,4 kiloohmios. Si el detector tiene una impedancia de entrada del orden de 2 kOhm, lo cual es cierto cuando funciona en teléfonos con una resistencia de 4 kOhm, n = (2/67)0,5 \u0,17d 1, por lo tanto, el grifo debe hacerse con aproximadamente 6/XNUMX de las vueltas de toda la bobina. Un problema importante en las zonas rurales siempre ha sido y sigue siendo la protección contra rayos de las antenas. Lo mejor es conectar permanentemente la antena a tierra. El esquema del receptor que se muestra en la fig. 3 cumple esta condición. Sin embargo, incluso los relámpagos no muy cercanos inducen campos electromagnéticos pulsados en antenas grandes, medidos en muchos kilovoltios, lo que de ninguna manera es seguro. Un espacio de chispas lleno de gas o incluso una simple bombilla de neón HL1 conectada entre la antena y tierra ayudarán a proteger el diodo detector. Y, sin embargo, con una tormenta eléctrica cercana, la antena debe conectarse a tierra con un interruptor SA1 especial. Paradójico, a primera vista, el resultado, que consiste en la independencia de la potencia extraída de la antena, de su tamaño en ausencia de pérdidas y en coordinación con la carga, se explica fácilmente. Es bien sabido que una antena transmisora, si no tiene pérdidas y si está adaptada a la fuente de la señal, irradiará toda la potencia que se le suministre. Por lo tanto, diferentes antenas con el mismo patrón de radiación en las condiciones anteriores crean la misma intensidad de campo electromagnético a la misma distancia. Queda por agregar, independientemente del tamaño de la antena. Por supuesto, tan pronto como se trata de antenas reales con pérdidas, esta afirmación pierde valor práctico de inmediato. Cuando el tamaño de las antenas disminuye, su resistencia a la radiación se vuelve extremadamente pequeña, el componente reactivo de la resistencia aumenta, lo que hace que sea difícil de igualar. la antena con la fuente de señal, las pérdidas aumentan, por lo que la eficiencia de las antenas cae bruscamente De la reversibilidad de las antenas se deduce que para la misma intensidad de campo, adecuándose a la carga y sin pérdidas, antenas receptoras de diferentes tamaños proporcionarán la misma potencia en la carga. Por supuesto, para las antenas receptoras, las pérdidas y las dificultades de adaptación a la carga dejan un valor puramente teórico detrás del resultado obtenido. Notamos una vez más que todos los cálculos dados en el artículo son válidos solo en el caso en que las dimensiones de la antena sean mucho más pequeñas que la longitud de onda. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscú
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