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2015IYPT第11题:猫须接收器


猫须接收器

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题目解析

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猫须接收器
是最初的半导体二级管,被广泛运用于矿石收音机中,由 一块半导体晶体(如方铅矿)及一根与晶体轻触的金属细 丝组成。因金属丝形似猫须,故称为猫须接收器。

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市面上出售的猫须接收器
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简介

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猫须接收器在矿石收音机中主要 用来检波,是在微电子技术还没 发展起来,刚刚出现半导体的时 候,人们根据半导体的原理,用 两块不同材料的矿石组成一个PN 结成为最简单的二极管。
以题目中所述的方铅石为例,主 要是利用磷铜丝与方铅矿晶体的 接触而产生的半导体效应进行检 波。

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矿石收音机

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无线电的调制及解调

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要了解猫须接收器的检波作用先要了 解无线电的解调及调制。 调制:因人耳所能听见的音频信号脉 动频率相对较低,无法直接当成无线 电波发射到很远,故须借助高频振荡 波作为载波,承载低频信号。 调制又分为调频及调幅,猫须接收器 主要是对调幅波进行检波。

调幅:将音频脉动波叠加到高频振荡 波上,将高频振荡波的波幅调制成与 音频脉动波相吻合,形成波包。如右 图②所示。

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无线电的调制及解调

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解调: 矿石是一种结晶的金属矿物,又 叫晶体。 矿石的作用就是从高频振荡电流 中得出脉动电流,就是所谓检波 (解调)。 收到音频振荡波后,须将振荡波 去除掉,留下音频脉动波,于是 就利用矿石单向导电的特性,将 双向振荡波截去一半变成半波振 荡波,从半波振荡电流的波峰上 得到脉动电流,高频振荡波人是 听不见的,脉动音频电流推动扬 声器(耳机)后,使人能听到音 频声。

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矿石的电性质

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矿石的电性:
? 物质一般分成导体、半导体及绝缘体。 导体电性大于105西[门子]每米为导体; 小于10-8西每米为绝缘体; 介于二者之间的为半导体。 ? 方铅矿即属于半导体

方铅矿(PbS) 电阻率:6.8×10-6~90×10-2 高频介电常数无线电频率:17.0 介电常数测定值:6.14 极化作用下介电常数 (电子或离子极化作用PF/m ):158

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方铅矿的半导体性质

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方铅矿的化学成分为PbS,含铅可达 86.6%。晶体形态常呈立方体,集合体 呈柱状或致密块状。 铅为四价元素,原子的最外层轨道上 有4个电子,纯铅也是半导体,但进行 的是本征激发,产生可以导电的自由 电子与空穴数量少,且主要受温度影 响。 硫为五价元素,原子的最外层轨道上 有5个电子,可以将方铅矿看做是硫作 为杂质混合在铅中,形成N型半导体, 使自由电子数大于空穴数,导电性明 显提高。

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Pb的原子模型

S的原子模型

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猫须的电性质

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一般常用的“猫须” 为磷铜丝。
对比方铅矿,可以近似的将磷铜丝 看做铜掺杂的p型半导体

Cu的原子模型

P的原子模型

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PN结的形成

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磷铜丝轻触方铅矿,在触点形成一 个PN结,猫须接收器即成为最原始 的二极管,具有单向导电性 利用二极管的单向导电性,便可以 对流过的高频信号进行检波,保留 正向信号,除去反向信号

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点接触型二极管

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由于磷铜丝与方铅矿的接触面很小,猫须接收器即可看做点接触型二极管结构,如下 图所示: 由于点接触结构的原因,不能通过大的电流,但它的结电容也较小,频率特性好,适 用于高频信号的检波。广泛应用于收音机、电视机、收录机及通信设备中。 在这里区分下整流和检波。虽然检波和整流的原理是一样的,但整流的目的只是为了 得到直流电,而检波则是从被调制波中取出信号成分(包络线)。检波电路和半波整 流线路 完全相同。考虑到检波是对高频波整流,二极管的结电容一定要小, 所以选用 点接触二极管。故猫须接收器正和矿石收音机的要求。

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自制方铅矿检波器
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材料及工具:纯铅、硫磺粉和一个试管。 首先要准备好铅屑,为此要把纯铅用小刀刮碎或用大锉刀锉成铅屑。把铅屑和硫磺 粉混合,比例大体为:铅屑20-30克,硫磺粉5-8克。如果没有天平也可以将它们按 照相同的体积混合。把混合后的粉末倒入玻璃试管中用木棒轻轻捣匀,然后在酒精灯 或煤气炉等的微火上把试管加热。请注意:这需要在无人的室内进行。试管在最初加 热时要离火焰远一些,等硫磺熔化后才可以将试管移进火焰,当混合粉末闪光而且灼 热时,就将试管拿开,保持垂直的位置使它慢慢冷凝。 只有将试管打破,才可以将晶体取出。 这种晶体很像铁渣,它敲碎的地方有发亮的颗粒状表面,晶体这个纯净的表面有很 好的检波效果。 晶体的制作不是一次就能成功的,可以多试几次。 晶体很爱干净,请仔细洗手后再拿晶体,或者干脆使用镊子。 底座可以用任何绝缘材料,橡皮好找且便于加工。它的长度为37-40mm,宽度为 12-15mm,厚度为3-5mm。 用直径1-1.5mm的铜丝绕成杯状(直径由使用的晶体直径而定),接到其中一个插 脚上,将一块用锡箔裹住下方的晶体紧紧装入杯中。 转臂的制作大家自己挖掘,不难。 弹簧丝制作并不困难,用琴弦钢丝在粗钉子上绕成,它和晶体表面接触部分应当非 常尖锐。可以将钢丝头敲扁,再用剪刀剪成尖头。

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