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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Sobre alimentar receptores de rádio com energia livre. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / recepção de rádio Talvez devido ao aumento do preço das células e baterias recarregáveis, ou talvez por algum outro motivo, mas recentemente o interesse dos ouvintes de rádio no problema de alimentar um receptor de rádio com a “energia livre” da radiação de poderosas estações de transmissão tem aumentado muito. aumentou. Em vários periódicos apareceram reportagens sobre dispositivos detectores “de fala alta”, bem como sobre receptores que funcionam em telefones e, alimentados pelo campo de uma estação de rádio potente, recebem programas de outras estações menos potentes. Como as razões para este fenômeno estão até certo ponto envoltas em mistério, a literatura oferece as mais incríveis soluções de circuitos com as quais é supostamente possível obter resultados ainda mais incríveis. O objetivo deste artigo é ajudar os rádios amadores interessados neste problema a entendê-lo de um ponto de vista objetivo e avaliar realmente as capacidades dos dispositivos receptores de rádio alimentados pela “energia livre” de poderosas estações de rádio. Espera-se que questões de detecção ideal e construção dos próprios receptores sejam consideradas em um dos artigos seguintes. Sabe-se que o EMF induzido pelo campo de uma estação de rádio transmissora na antena de um receptor de rádio pode ser determinado pela fórmula: ε = E*hд, onde E é a intensidade do campo da estação de rádio no ponto de recepção, e hд - altura efetiva da antena. No entanto, precisamos maximizar não o EMF, mas a potência do sinal recebido fornecido ao detector, cuja resistência de entrada Rin depende de seu circuito, da resistência da carga e, até certo ponto, da magnitude do EMF induzido. na antena. Como a potência do sinal que chega ao detector P = U*I (onde U é a tensão fornecida ao detector e I é a corrente que flui através dele) e a resistência de entrada Rvh = U/I, então a potência pode ser maximizada alterando a impedância de entrada do detector, escolhendo diferentes esquemas para combiná-lo com a antena, bem como aumentando a tensão no detector, diminuindo a corrente e vice-versa. Por outro lado, sabe-se que a fonte (circuito antena) fornece potência máxima à carga (detector) no caso em que sua resistência ativa é igual à resistência de entrada da carga, ou seja, RА = Rvh, e a reatância é compensada incluindo uma reatância de sinal diferente. Estas são as condições habituais para combinar a fonte com a carga. Como cumpri-las numa situação real? As estações de rádio mais potentes operam nas bandas de ondas longas e médias. Solo úmido, água doce e ainda mais água do mar, nessas frequências têm as propriedades de um condutor no qual as correntes de condução são muito maiores que as correntes de deslocamento. Como resultado, as ondas com polarização horizontal são significativamente enfraquecidas na superfície da Terra. Por isso, para a radiodifusão são utilizadas ondas com polarização vertical, emitidas por mastros verticais - antenas com parte horizontal mais ou menos desenvolvida e bom aterramento. As questões de projeto de antenas de ondas longas e médias foram resolvidas na década de trinta e abordadas detalhadamente em livros didáticos das décadas de quarenta e cinquenta, o que explica a “antiguidade” da literatura apresentada no final do artigo.
Um esboço de uma antena vertical com aterramento é mostrado na Fig. O comprimento de onda natural (ressonante) emitido por tal antena (lembre-se de que é considerado uma onda em cuja frequência a resistência no conector XT1 está ativa e igual à resistência de um vibrador monopolo de quarto de onda, ou seja, ~1 Ah)λ0=4*euД, e a altura efetiva hд=2IА/π. Em condições amadoras, é quase impossível construir uma antena vertical de quarto de onda, pois ela é muito alta, então geralmente antenas em forma de L (Fig. 1, b) e em forma de T (Fig. 1, c) com um parâmetro λ são usados0= KIД, onde euА = h + euГ, e K é um coeficiente cujo valor pode ser determinado na tabela:
Seria possível recomendar uma antena guarda-chuva com 3-4 feixes horizontais conectados em um ponto à parte vertical, porém, devido à complexidade do projeto, é extremamente raramente utilizada. Apenas a parte vertical da antena está envolvida na recepção das ondas de rádio, enquanto a parte horizontal atua como uma carga capacitiva, aumentando seu próprio comprimento de onda e altura efetiva. Quanto mais desenvolvida a parte horizontal, mais precisa será a relação hд = h e a própria antena é mais eficiente. Na maioria dos casos, a antena recebe sinais cujo comprimento de onda é maior que o comprimento de onda da própria antena λ >λ0, e sua resistência é complexa (Za) com ativo (RΣ) e componentes reativos (X), determinados pelas fórmulas: ZА=RА -jX;
onde W é a impedância de onda do fio da antena, que é aproximadamente 450 ... 560 ohms.
Para compensar a capacitância da antena, uma indutância (bobina de extensão) é incluída em seu circuito, e o circuito equivalente da antena assume a forma mostrada na Fig. 2. Agora é possível calcular a potência transmitida pela antena para a carga (detector), e por enquanto não levaremos em consideração perdas em seu circuito. Se a resistência de entrada do detector e o componente ativo da resistência da antena R forem iguaisvh=RΣ a potência de carga é máxima e igual a Р0= (ε/2)2/RΣ. Substituindo nesta fórmula as expressões para ε e RΣnós temos P0= E2 hд2 λ2 / (4*1600*hд2) = E2 λ2 / 6400 A fórmula que derivamos determina a potência máxima que pode ser induzida pelo campo de uma estação de rádio em uma antena ideal sem perdas. É interessante notar que esta potência não depende do tamanho e design de uma determinada antena. Do exposto, as seguintes conclusões podem ser tiradas. - a possibilidade de alimentar receptores com “energia livre” depende apenas da intensidade do campo da estação de rádio no local de recepção;
Por exemplo, vamos calcular a potência máxima que pode ser induzida na antena pelo campo de uma estação de rádio DV operando na frequência de 171 kHz (λ = 1753 m) com uma tensão de 20 mV/m, o que ocorre em muitas áreas da região de Moscou e até além: Р0= E2*λ2/6400 =0,022 * 17532 /6400=0,19 W. Esta potência é suficiente para a operação em alto-falante da maioria dos receptores portáteis, pois equivale a Upit = 9 V a uma corrente de 20 mA. Infelizmente, a situação real está longe de ser ideal. O fato é que no circuito da antena existe uma resistência de perda Rп, consistindo na resistência do fio da antena, na resistência ativa da bobina correspondente L (Fig. 2) e na resistência de aterramento. A eficiência de tal antena é determinada pela expressão η =RΣ/ (RΣ+Rп). e o poder recebido dele - pela fórmula: P = P0*η = E2 λ2*η/6400 Calcular a eficiência de uma antena é uma tarefa totalmente solucionável. A resistência linear de um fio de cobre com diâmetro de 1 mm à corrente contínua é de 22,5 Ohm/km e aumenta aproximadamente 2 vezes na frequência de 200 kHz [1]. Para um fio com diâmetro de 2 mm, valores semelhantes serão 5,5 Ohm/km e 3 vezes. Assim, a resistência do fio da antena RPA comprimento 20...50 m pode ser estimado em 0,3...3 Ohm. Resistência de aterramento PPZ mais. M. B. Shuleikin propôs certa vez a seguinte fórmula empírica para determinar as perdas de aterramento [2]: RPZ =Aλ/λ0, onde o coeficiente A varia de 0,5...2 Ohm para bom aterramento e 4...7 Ohm para mau aterramento. Resistência correspondente da bobina RPC depende de seu fator de qualidade de projeto Q e pode ser calculado usando a fórmula: RPC =X/Q. Usando os dados do exemplo acima, calculamos a eficiência de uma antena em forma de L com altura de suspensão de 10 m e comprimento da parte horizontal de 20 m, tendo hд=10 m. Usando a tabela, determinamos o coeficiente K = 6, então o comprimento de onda da própria antena será igual a: λ0\u6d 10 * (20 + 180) \uXNUMXd XNUMX m e λ / λ0 = 10. Com diâmetro de fio de 1 mm, resistência RPA= 22,5*2*0,03 = 1,3 Ohm, um aterramento satisfatório pode ser obtido com Rе = 3*10 = 30 Ohm. Com uma impedância de onda do fio da antena W = 500 Ohm, a reatância da antena é X = 500*ctg(π/10) = 500/0,31 = 1600 Ohm. Tendo definido o fator de qualidade de projeto da bobina correspondente Q = 250, encontramos sua resistência RPC = 1600/250 = 6,45 Ohm. A resistência total à perda da antena, igual à soma de todas as encontradas, será de cerca de 38 Ohms, enquanto a resistência à radiação RΣ = 1600(hД/λ)2=1600(10/1753)2 = 0,05Ohm, o que significa que a eficiência η = 0,05/38 = 0,14%! Assim, a potência do sinal fornecida à carga pela antena considerada será de apenas 0,19 * 0,0014 = 0,26 mW, o que equivale, por exemplo, a uma tensão de alimentação de 1 V a uma corrente de 0,26 mA. Isto é suficiente para operar um receptor de telefone, mas não o suficiente para alimentar um receptor de alto-falante. Observe que a principal contribuição para as perdas da antena vem do aterramento. Para ficar bom, é preciso cavar o solo até o aquífero e colocar um objeto de metal nessa profundidade, possivelmente de uma área maior, é claro, e depois enterrar um buraco. Também pode ser recomendado fazer um sistema de fios de contrapeso, divergindo radialmente do ponto de aterramento e enterrados em pouca profundidade. Se os experimentos forem realizados em um canteiro de jardim, então as tubulações de um poço de água ou abastecimento de água podem ser usadas como aterramento, e uma cerca metálica do canteiro também pode servir como contrapeso, se você cuidar de um bom contato elétrico de seu peças individuais. Uma questão importante: como garantir a necessária coordenação da antena com o detector? A introdução de elementos reativos extras só piora a eficiência devido às perdas adicionais inerentes aos mesmos, por isso é aconselhável utilizar apenas os elementos mostrados na Fig. 2. Neste caso, o circuito receptor recomendado terá a forma mostrada na Fig. 3.
A bobina de indutância variável L1, juntamente com a capacitância da antena, forma um circuito oscilatório sintonizado na frequência de uma poderosa estação de rádio. As reatâncias da antena e da bobina são iguais e compensadas. Resistência ativa em série do circuito da antena RА = RΣ + Rпconvertido em resistência equivalente RO = X2/RА, conectado em paralelo com a bobina. Se for muito grande para corresponder à impedância de entrada do detector, este último é conectado à derivação da bobina para que a condição n seja satisfeita2*RO=Rvh, onde n é a razão entre o número de voltas da bobina do terminal aterrado até a derivação e o número total de voltas. O circuito detector, contendo o diodo VD1, o capacitor de bloqueio C1 e a carga, não requer explicação. No exemplo acima, RO= 16002/38 = 67,4 kOhm. Se o detector tiver uma resistência de entrada da ordem de 2 kOhm, o que é verdade quando se trabalha em telefones com resistência de 4 kOhm, n = (2/67)0,5 = 0,17, portanto, o tap deve ser feito a partir de aproximadamente 1/6 das voltas de toda a bobina. A proteção de antenas contra raios sempre foi e continua sendo um problema importante nas áreas rurais. É melhor conectar permanentemente a antena ao terra. O circuito receptor mostrado na Fig. 3, atende a essa condição. No entanto, mesmo que não sejam relâmpagos particularmente próximos, induzem um EMF pulsado em grandes antenas, medido em muitos quilovolts, o que não é de forma alguma seguro. Um centelhador cheio de gás ou mesmo uma simples lâmpada de néon HL1 conectada entre a antena e o terra ajudará a proteger o diodo detector. Ainda assim, se houver uma tempestade próxima, a antena deve ser aterrada com uma chave especial SA1. O resultado paradoxal, à primeira vista, que consiste na independência da potência retirada da antena em relação ao seu tamanho na ausência de perdas e quando coordenada com a carga, é facilmente explicado. É sabido que uma antena transmissora, se não tiver perdas e estiver adaptada à fonte do sinal, irradia toda a potência que lhe é fornecida. Portanto, antenas diferentes com o mesmo padrão de radiação nas condições acima criam a mesma intensidade de campo eletromagnético à mesma distância. Resta adicionar - independentemente do tamanho da antena. Claro que assim que falamos de antenas reais com perdas, esta afirmação perde imediatamente o seu valor prático.Quando o tamanho das antenas diminui, a sua resistência à radiação torna-se extremamente pequena, a componente reactiva da resistência aumenta, o que torna difícil combine a antena com a fonte do sinal, as perdas aumentam, então a eficiência das antenas cai drasticamente Da reversibilidade das antenas segue-se que com a mesma intensidade de campo, compatível com a carga e sem perdas, antenas receptoras de tamanhos diferentes fornecerão a mesma potência à carga. É claro que para receber antenas, perdas e dificuldades de adaptação à carga deixam o resultado obtido com um valor puramente teórico. Observemos mais uma vez que todos os cálculos dados no artigo são válidos apenas no caso em que as dimensões da antena são significativamente menores que o comprimento de onda. Literatura
Autor: V.Polyakov, Moscou
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