Детекторный приёмник остаётся самым честным экзаменатором радиодеталей. В нём нет ни батарейки, ни усилителя, ни одной ступени, которая вытянула бы слабый сигнал из шума эфира. Слышно в наушниках ровно то, что донесла антенна и не съела схема. Логика вроде бы требует взять самую современную деталь, однако практика радиолюбителей упорно возвращается к старому германиевому точечному диоду в стеклянном корпусе, знакомому ещё по приёмникам середины прошлого века. За что его ценят до сих пор, чем диоды Шоттки действительно выигрывают и где новая деталь оказывается лишь красивой обёрткой, покажут расчёты ниже. Пороги, добротности и напряжения приведены на конкретных цифрах, чтобы выбор диода превратился из традиции в осознанное решение.
Крошечная энергия эфира, с которой работает детектор
У детекторного приёмника нет собственного источника питания. Всё, что звучит в наушниках, принесено самой радиоволной от передатчика, а уловленная антенной мощность падает пропорционально квадрату расстояния до него. Для местной мощной станции счёт идёт на микроватты, для дальних уже на нановатты, и лишь тщательно выстроенные конструкции слышат сигналы от 50 пВт на антенне. Звучит абстрактно, поэтому перевод в осязаемые величины выглядит так. Колебательный контур с индуктивностью 250 мкГн и ёмкостью 200 пФ при добротности 100 располагает эквивалентным сопротивлением около 112 кОм. Корень из произведения 0,05 нВт на 112 кОм даёт лишь 2,4 мВ напряжения на контуре, и это уже порог слышимости для хорошо собранной схемы. Запаса нет в принципе.
Отсюда и главная интрига. Диод здесь не деталь с запасом прочности, а узкое горлышко, через которое проходит вся энергия эфира. Микроскопическая разница в поведении приборов при напряжении в десятки милливольт превращается в разницу между тишиной и речью диктора. Антенна в таком приёмнике значит не меньше диода: провод длиной 20-40 м, подвешенный высоко над землёй, вместе с добротным заземлением приносит основную часть энергии. Контур, намотанный литцендратом и дающий добротность 100-150, поднимает напряжение сигнала в десятки раз относительно наведённого в антенне. И только после этого очередь доходит до детектора, у которого нет права растерять и десятой доли собранного.
Отсюда же и объяснение, почему выбор диода называют искусством. Один и тот же приёмник с одинаковыми катушкой, конденсатором и наушниками меняет дальность приёма в зависимости от единственного полупроводникового прибора. Вечером, когда средние волны приходят издалека, эта разница слышна с первых секунд, и объяснить её словами "новая деталь лучше" не получится, всё решают вольт-амперная характеристика и её поведение при слабом сигнале.
Порог отпирания диода решает судьбу слабой станции
История здесь закольцевалась красивым образом. Ректификацию контакта металла с кристаллом обнаружил ещё в 1874 году Фердинанд Браун, а детекторы с усиком на кристалле галенита начала двадцатого века по сути были примитивными диодами Шоттки, ведь контакт металла с полупроводником и есть барьер Шоттки. Советская серия Д9 появилась в 1958 году и концептуально ничего нового не изобретала, она просто довела точечную конструкцию до серийной стабильности. Современный низкобарьерный прибор в миниатюрном корпусе и дедовский точечный германий роднее друг другу, чем кажется.
Теперь цифры. Кремниевый p-n переход раскрывается в полную силу при 0,6-0,7 В, германиевый около 0,3 В, диод Шоттки в зависимости от барьера занимает диапазон 0,15-0,45 В. Слабый сигнал на контуре измеряется милливольтами и до этих порогов никогда не дотягивает. Диод в таких условиях не переключается, а работает как квадратичный детектор, отдавая ток, пропорциональный квадрату напряжения сигнала. Сигнал стал вдвое сильнее, звук вышел вчетверо громче, и наоборот, ослабление сигнала в два раза оставляет от звука четверть. Отсюда прямой вопрос: сколько тока течёт через прибор при 50 мВ? Ответ даёт уравнение диода I = Is(exp(U/(nVT)) - 1), где VT около 26 мВ при комнатной температуре, n коэффициент идеальности, Is ток насыщения.
Достаточно взять низкобарьерный Шоттки HSMS-2850, у которого падение при 1 мА составляет 0,15 В. При коэффициенте идеальности 1,1 уравнение даёт ток насыщения около 5 мкА, а при 50 мВ через прибор уже течёт порядка 25 мкА. Кремниевый диод с током насыщения 5 нА при тех же 50 мВ пропускает лишь около 30 нА, разница почти в тысячу раз. Германиевый точечный прибор с его единицами микроампер тока насыщения сидит посередине и открывается заметно раньше кремния. В квадратичной зоне именно ток насыщения, а не красивое число из справочника, диктует, услышит ли приёмник дальнюю станцию или только местную.
Паспортные строки Д9Б, которые говорят больше, чем кажется
Справочник по серии Д9 лаконичен, но каждая строка в нём осмысленная. Д9Б выдерживает обратное напряжение 10 В и прямой ток до 40 мА, предельная частота по классификации 100 кГц, хотя точечная конструкция с её крошечной ёмкостью перехода работоспособна на частотах до десятков и сотен мегагерц, запас для средневолнового детектора огромен. Прямое напряжение не более 1 В при токах в десятки миллиампер, время обратного восстановления 800 нс, масса не более 0,3 г. Корпус стеклянный с гибкими выводами, маркировка красной точкой или кольцом у анода, паять положено не ближе 5 мм от корпуса и с теплоотводом, рабочий интервал от -60 до +60 градусов Цельсия.
Читатель вправе спросить, зачем детектору обратное напряжение 10 В, если сигнал измеряется милливольтами. Ответ прост: запас нужен не для рабочей точки, а для наводок, статического электричества и близкого мощного передатчика. Прибор с запасом в 2 В, как у HSMS-2850, в тихой комнате живёт спокойно, а под длинной антенной в грозу рискует выйти из строя первым. У старого германия запас десятикратный, и это не перестраховка, а расчёт разработчиков на реальный эфир с его сюрпризами. Показательно и время восстановления: 800 нс выглядят солидно рядом с периодом волны в 1 мкс на частоте 1 МГц, но справочное число относится к переключательному режиму, где через прибор текут токи в миллиамперах. В слабосигнальном детекторе ток не превышает десятков микроампер, накопленный заряд исчезающе мал, и решают здесь ёмкость и ток насыщения, а не скорость переключения. Мощные выпрямительные Шоттки из блоков питания в этом смысле обманчивы: у них и ёмкость в десятки пикофарад, и барьер выше, чем кажется по рекламе низкой стоимости.
Обратный ток и ёмкость диода как невидимая нагрузка контура
Низкий барьер имеет оборотную сторону, щедрый обратный ток и низкое сопротивление при нулевом смещении. У Д9Б справочник заявляет обратный ток до 250 мкА при 10 В. У HSMS-2850 высокий ток насыщения означает, что прибор при нулевом смещении выглядит резистором примерно на 5-6 кОм. У германиевого точечного прибора та же величина по расчёту выходит порядка 15-20 кОм. Мелочь? Достаточно подключить диод напрямую к контуру, и картина меняется. Эквивалентное сопротивление 112 кОм параллельно 5,4 кОм даёт 5,1 кОм, добротность обрушивается со 100 примерно до 5, избирательность исчезает, соседние станции сливаются в кашу. С германиевым прибором и его 17 кОм итог мягче, около 13, но всё равно неприемлемо.
Выход известен десятилетиями. Диод подключают не к верхнему выводу катушки, а к отводу, превращая разницу сопротивлений в коэффициент трансформации. Для прибора с 5,4 кОм отвод ставят на 22% витков от заземлённого конца, для 17 кОм примерно на 39%. Контур сохраняет при этом добротность, а детектор получает согласование. С ёмкостью проще: у точечных конструкций переход крошечный, на средних волнах ёмкость в доли пикофарада не мешает вовсе, HSMS-2850 с его 0,3 пФ тоже безупречен. Настоящую ловушку устраивают мощные Шоттки из блоков питания, у которых ёмкость измеряется десятками и сотнями пикофарад: в приёмнике они гасят контур целиком, как мокрое одеяло.
Добротность здесь не пустое слово. На частоте 1 МГц она даёт полосу пропускания 10 кГц, как раз достаточную для речевого канала шириной 3-5 кГц и для разделения соседних станций, сидящих через 10 кГц друг от друга. Обрушил добротность до единиц, и весь эфир превращается в неразборчивую мешанину, где не поможет ни один рекордный диод.
Согласование с контуром даёт больше, чем погоня за рекордным прибором
Самая частая ошибка выглядит одинаково и у новичка, и у любителя спешки. Контур собран аккуратно, добротность 100, а диод с наушниками подключены прямо к верхнему выводу катушки. Наушники с сопротивлением 3 кОм через детектор предъявляют контуру сопротивление порядка 1,5 кОм, параллельное соединение с 112 кОм оставляет те же 1,5 кОм, добротность падает до 1,3, приёмник превращается в широкий коридор, куда влезает полдня эфира сразу. Ни один диод мира не спасёт такую схему, и винить в глухом приёме старый германий здесь несправедливо.
Расчёт правильной точки подключения выглядит так. Отвод на 15-м витке из 90 даёт коэффициент трансформации (90/15) в квадрате, то есть 36, и нагрузка 3 кОм пересчитывается к контуру как 3 кОм на 36, то есть 108 кОм, что почти совпадает с 112 кОм контура, согласование получается близким к идеальному. Пусть на контуре 10 мВ сигнала, мощность в контуре 0,89 нВт, правильно согласованный детектор отдаёт в нагрузку добрую половину, а 0,45 нВт на 3 кОм это 1,2 мВ звукового напряжения, для чувствительных наушников уже различимо. С плохим согласованием от мощности остаются проценты, и разница между марками диодов тонет в ней без следа.
Отсюда вывод, который экономит и деньги, и время: точка подключения и нагрузка дают больше, чем смена марки прибора. Сначала отвод, потом диод. Любопытно, что классические схемы из старых журналов интуитивно так и рисовали: диод включался через подвижный контакт на катушке, и настройщик на слух находил лучшее положение, не зная ни одного из приведённых чисел. Расчёт лишь подтверждает то, что тогда искали ушами, и объясняет, почему перестановка диода с отвода на верхний вывод катушки заглушает даже самый отборный экземпляр.
Практическая методика отбора диодов на рабочем столе
Отбор не требует дефицитных измерительных приборов, достаточно мультиметра, батарейки и пары резисторов. Порядок работы выглядит так:
- В режиме проверки диодов сравнить прямое падение при токе около 1 мА, всё, что выше 0,5 В, отложить в сторону как кремниевое;
- Собрать цепочку из батарейки 1,5 В и делителя, подать на прибор 0,1 В через резистор 100 кОм и замерить ток, годными считать диоды с током от единиц микроампер;
- Измерить обратный ток при 10 В, детали с утечкой в десятки микроампер пометить как кандидатов на низкий отвод, а приборы с малой утечкой подключать выше по виткам;
- Осмотреть корпус и маркировку, у Д9Б красная точка или кольцо стоит у анода, стеклянный корпус хрупкий, выводы гнутся один раз;
- Вечером провести прослушивание слабой станции, перемещая отвод по виткам катушки и добиваясь наибольшей громкости при чистом разделении соседних частот;
- Лучший прибор подписать и больше не перепаивать без нужды, паять германий не ближе 5 мм от корпуса и с теплоотводом, перегрев меняет его характеристики навсегда.
Методика хороша тем, что показывает реальный конкретный экземпляр, а не среднюю кривую из справочника. Разброс внутри одной марки у точечных приборов велик: два Д9Б из одной партии могут отличаться по току насыщения вдвое, а по слышимости заметно. Поэтому радиолюбители и держат коробочку с отобранными экземплярами, подписанную по результатам вечерних прослушиваний. Такая коробочка ценнее любого справочника, и её содержимое не заменит ни один новый прибор, купленный по каталогу.
Проверенные номиналы для приёмника на средневолновый диапазон
Катушка на 250 мкГн наматывается однослойно: около 90 витков литцендрата на каркасе диаметром 50 мм дают как раз 250-300 мкГн. Конденсатор с ёмкостью 40-400 пФ перекрывает по формуле резонанса от 503 до 1592 кГц, то есть почти весь диапазон средних волн от 525 до 1700 кГц. Подстройка ферритовым стержнем выправляет край диапазона под конкретную антенну. Блокировочный конденсатор после детектора ставят 2200-4700 пФ, телефоны берут электромагнитные с сопротивлением от 3 кОм или пьезоэлектрические, у которых сопротивление ещё выше.
Теперь итоговая расстановка сил. Германиевый точечный Д9Б остаётся золотой серединой: открывается рано, контур грузит умеренно, запас по напряжению десятикратный, цена копеечная. Низкобарьерные Шоттки типа HSMS-2850 и SMS7630 при отдельном согласовании отводом дают максимальную чувствительность на слабом сигнале, но требуют аккуратности с точкой включения и защитой от наводок. Приборы со средним барьером вроде BAT85 и 1N5711, у которых при 1 мА падение около 0,4 В, работают как компромисс без сюрпризов. Кремниевые 1N4148 и родственные им приборы оставляют детектор для местных станций с длинной антенной и хорошим заземлением.
Достаточно поставить рядом два приёмника, один с кремниевым диодом, второй с германиевым, и вечерний эфир сам расскажет остальное. Один будет молчать на дальней частоте, второй докажет, что полвека радиотехники умещаются в стеклянной капсуле размером с рисовое зерно. А тот, кто добавит к германию грамотный отвод и литцендратовую катушку, услышит на закате то, чего не слышали его соседи со всеми их современными приёмниками.