sabato 31 Ottobre 2020
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VINTAGE MONITORING 2, l’appetito vien mangiando

di Quirino Tirelli IZ8GFQ

Nel precedente articolo (Vintage Monitoring 1) vi ho descritto la costruzione di una semplicissima radio a cristallo di germanio. Se pur emozionante ed estremo, l’ascolto con quel tipo di apparecchio mi ha stimolato a realizzare altri progetti che mi consentissero di ascoltare con maggiore “comodità”. E’ per questo motivo che ho deciso di costruire la mia prima radio a transistor! Se ci pensate è come effettuare un viaggio nel tempo. Passare dalla radio a cristallo (primi anni del ‘900) alla radio a transistor (primi anni ’50). Il transistor è un dispositivo a stato solido formato da semiconduttori. Il suo funzionamento è basato su quello della giunzione P-N, che era stata scoperta casualmente da Russel Ohl il 23 febbraio 1939, esaminando la differenza di conducibilità tra due lati di un cristallo di silicio semiconduttore con una crepa. Il primo transistor era realizzato con punte di contatto e aveva dimensioni dell’ordine del centimetro. Fu costruito nel 1947 da Walter Brattain, che insieme a William Shockley e John Bardeen ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1956, con la motivazione: “per le ricerche sui semiconduttori e per la scoperta dell’effetto transistor”. I transistor vengono impiegati in ambito elettronico, principalmente, come amplificatori di segnali elettrici o come interruttori elettronici comandati da segnali elettrici ed hanno sostituito praticamente quasi del tutto i tubi termoionici. Il primo tipo di transistor sperimentato e poi prodotto fu il transistor bipolare o BJT, in cui sia elettroni che lacune contribuiscono al passaggio della corrente. In seguito furono creati altri tipi di transistor, in cui il passaggio di corrente avveniva grazie ad un solo tipo di portatori di carica (o elettroni o lacune), detti FET, acronimo di Field Effect Transistor. Sia i FET che i BJT, nel tempo, hanno dato origine a molti tipi diversi di transistor, usati per gli scopi più vari .

La conduzione nei semiconduttori
La conduzione dell’elettricità è dovuta in massima parte al movimento degli elettroni di conduzione sotto l’azione di un campo elettrico (quelli più lontani dal nucleo e che si staccano più facilmente), mentre il contributo degli elettroni più fortemente legati è minimo. Fra i conduttori e gli isolanti esiste una terza categoria di solidi, i semiconduttori, di cui i rappresentanti principali sono il germanio ed il silicio. La resistività dei semiconduttori, a differenza di quanto accade per i conduttori, diminuisce con l’aumentare della temperatura.

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Fig. 1
Cristallo di Germanio

Nella fig.1 è rappresentata la struttura cristallina del germanio. Come si può vedere ogni atomo è legato a mezzo dei suoi quattro elettroni di valenza ad altri quattro vicini. Nei semiconduttori gli elettroni di valenza sono debolmente legati e man mano che la temperatura aumenta un numero sempre crescente di atomi si ionizzano a causa delle vibrazioni del reticolo cristallino, liberando un elettrone di conduzione. La conduzione nei semiconduttori è dovuta non solo al movimento degli elettroni di conduzione, ma anche a quello di cariche positive secondo il meccanismo che ora spiegherò. Ad ogni temperatura in un semiconduttore esistono atomi ionizzati ed atomi che invece non lo sono. Consideriamo, perciò, una fila di atomi in cui uno, contrassegnato dal numero 1, sia ionizzato, e gli altri siano neutri. L’atomo 1, avendo liberato nella banda di conduzione un elettrone, è diventato uno ione positivo; diciamo anche una lacuna con una carica positiva in conseguenza del posto vuoto lasciato dall’elettrone di conduzione nel legame covalente.

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Fig.2
Conduzione di elettricità in un semiconduttore

Sotto l’azione di un campo elettrico, orientato verso destra, un elettrone esterno dell’atomo 2 può riempire la lacuna dell’atomo 1, lasciano una nuova lacuna nell’atomo 2, come se la prima lacuna si fosse spostata dall’atomo 1 all’atomo 2. Il meccanismo interesserà via via tutti gli altri atomi vicini. Si comprende così che la conduzione è dovuta al movimento di elettroni in verso opposto al campo elettrico, e di lacune, cioè di cariche positive, nello stesso verso del campo elettrico. Questo è quel che avviene nel germanio come in tutti gli altri semiconduttori allo stato puro. E’ importante sottolineare che in un semiconduttore il numero di lacune è uguale a quello degli elettroni liberi di conduzione. Le proprietà elettriche dei semiconduttori sono fortemente alterate dall’aggiunta di una piccola quantità di impurità la cui concentrazione talvolta non è superiore ad un atomo ogni 106 atomi di semiconduttori. I tipi di impurità usati sono o atomi pentavalenti (come il fosforo), oppure atomi trivalenti (boro); entrambi i tipi di impurità producono un notevole incremento della conducibilità. I semiconduttori così ottenuti si dicono drograti. Mescolando, per esempio, nel reticolo cristallino del germanio atomi pentavalenti, come il fosforo, gli elettroni di conduzione aumentano. Il semiconduttore così ottenuto è detto di tipo n (negativo); in esso i portatori maggioritari di elettricità sono gli elettroni e quelli minoritari sono le lacune.

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Fig.3
reticolo cristallino di un semiconduttore di tipo n

In fig.3 è mostrata una sezione del germanio drogato con atomi di fosforo; le linee tratteggiate rappresentano i legami che si stabiliscono tra atomi vicini a mezzo di due elettroni di valenza indicati con puntini. I cerchietti indicano gli atomi senza i quattro elettroni di valenza, cioè ioni con quattro cariche positive. Nel centro c’è uno ione di fosforo con 5 elettroni di valenza. Di questi, quattro formano altrettanti legami covalenti con gli atomi di germanio, mentre il quinto viene liberato nella banda di conduzione, senza la corrispondente formazione di una lacuna. Per ogni atomo di impurità si forma in tal modo un elettrone di conduzione che si aggiunge a quelli già presenti nel semiconduttore intrinseco, originando i portatori maggioritari di elettricità. Se invece il germanio viene drogato con atomi trivalenti, come il boro, si ottiene un semiconduttore di tipo p (positivo), in cui per ogni atomo di boro si forma una lacuna, che si aggiunge alle lacune esistenti nel semiconduttore intrinseco, senza che viene liberato alcun elettrone di conduzione infatti l’atomo di boro con i suoi 3 elettroni di valenza nell’orbitale più esterno può formare solo tre legami covalenti con altrettanti atomi di germanio; il quarto legame si forma perché gli viene ceduto un elettrone da un atomo di germanio. Si produce di conseguenza una lacuna e l’atomo di impurità è detto accettore. Nei semi conduttori di tipo p c’è una prevalenza di lacune sugli elettroni di conduzione.

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Fig. 4
Reticolo cristallino di un semiconduttore di tipo p

Diodi e Transistor a semiconduttori

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Fig.5
Giunzione P-N

La fig.5 mostra una giunzione tra due semiconduttori uno di tipo p e l’altro di tipo n. I cerchi con segno (-) indicano gli atomi accettori e quelli con segno (+) gli atomi donatori, mentre i segni + e – indicano rispettivamente le lacune e gli elettroni di conduzione maggioritari. Attraverso la giunzione si avrà una migrazione di elettroni dal semiconduttore di tipo n a quello di tipo p, mentre le lacune si muoveranno in verso opposto. In conseguenza di questi movimenti il semiconduttore di tipo p assumerà una carica negativa e quello di tipo n una carica positiva e tra i due si genera una Ddp (differenza di potenziale) che impedisce la successiva migrazione di elettroni e lacune. Inseriamo ora una batteria collegando il polo positivo al semiconduttore di tipo p ed il negativo al semiconduttore di tipo n. Nel circuito si avrà passaggio di corrente, in quanto gli elettroni sono spinti attraverso la giunzione nel semiconduttore di tipo p e le buche nel semiconduttore di tipo n. La ddp che esisteva prima del collegamento si riduce progressivamente fino ad annullarsi e la corrente si muoverà nel verso da p ad n senza incontrare resistenza. Se invece si collega il polo positivo della pila al semiconduttore di tipo n ed il negativo al semiconduttore di tipo p, la ddp esistente tra i due semiconduttori aumenterà ancora e la corrente non potrà circolare nel circuito. Il sistema n-p si lascia attraversare dalla corrente solo in un verso e per questo motivo è detto diodo.

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Fig. 6
unidirezionalita della corrente nel semiconduttore

Un transistor, mentre, è costituito da due giunzioni a semiconduttori. La fig.7 mostra il transistor p-n-p in cui i semiconduttori nell’ordine da sinistra a destra prendono il nome di emettitore, base, collettore. La base ha uno spessore molto ridotto, di solito dell’ordine del centesimo di millimetro. Nel circuito sono inserite due batterie, una tra l’emettitore e la base e l’altra tra la base e il collettore. Con i collegamenti considerati in figura si ha un movimento di lacune che, partendo dall’emettitore, attraversano la base e giungono sul collettore.

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Fig.7
Transitor P-N-P

Le combinazioni con elettroni della base sono in un numero molto limitato perché la base è molto sottile e poco drogata. La corrente che attraversa il collettore ha un’intensità maggiore rispetto a quella che passa per la base, perché le lacune che attraverso la base giungono nel collettore incontrano nuove lacune, essendo il collettore di tipo p. La seconda batteria attrae infine le lacune verso il polo negativo. Nel transistor la base svolge un’azione di controllo sulla corrente che arriva al collettore. E’ importante osservare anche che la seconda giunzione base-collettore presenta una resistenza molto più grande di quella della prima. Da questo si comprende che il transistor può essere usato come amplificatore. Le lacune provenienti dall’emettitore salgono verso la base, attirati dalla sua tensione negativa. Giunti alla base, risentono l’attrazione della tensione negativa del collettore, molto più forte, e procedono verso di esso. Una piccola quantità di lacune vengono annullate da elettroni della tensione negativa della base, e formano la corrente di base. Tale corrente è molto più piccola rispetto quella di collettore data la minore impurità dello strato n che forma la base. Il comportamento del transistor n-p-n, in cui l’emettitore e il collettore sono semiconduttori di tipo n, mentre la base è di tipo p, è analogo a quello p-n-p descritto. L’unica differenza è che nel tipo n-p-n il verso della corrente nella giunzione emettitore-base è diretto dalla base verso l’emettitore. I transistor dell’apparecchio radio si comportano un po’ come le lenti di un cannocchiale; ciascuno di essi “ingrandisce” il segnale in arrivo come le lenti ingrandiscono l’immagine. Il cannocchiale, grazie alla successione degli ingrandimenti, consente di vedere lontano; l’apparecchio radio consente, con i suoi transistor, di captare segnali radio (voci e suoni) provenienti da emittenti lontane. Ciascun tipo di transistor è designato con una sigla. Essendo assai numerosi i vari tipi di transistor, anche le sigle sono altrettanto numerose. I transistor di produzione europea hanno una sigla formata da due o tre lettere dell’alfabeto e da un numero formato da due o tre cifre.

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Significato della prima lettera :
A
= Transistor al germanio
B = Transistor al silicio
O = Transistor al germanio (vecchia denominazione)

Significato della seconda lettera :
C
= Per audio, a piccola potenza
D = Per audio, finale di potenza
F = Per radio (alta frequenza e UHF)
S = Per commutazione

Significato della terza lettera :
S
= Transistor MOSFET (depletion)
W = Transistor ad effetto di campo FET
X = Transistor MOSFET (enhancement)
Y = Transistore per trasmettitori

Apparecchio radio con due transistor al silicio

Facendo sempre riferimento al libro di Ravalico (Primo avviamento alla conoscenza della radio ed. Hoepli ed. 1979) ho deciso di realizzare, questa volta, un apparecchio radio con due transistor. La particolarità di questo progetto è quella di non utilizzare diodi ma solo transistor (da tutto quello che abbiamo detto spora il transistor non è altro che un diodo più evoluto).

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Fig.9 schema dell’apparecchio con 2 transistor

Il primo transistor (BC107) funziona ,infatti, sia da rivelatore che da amplificatore AF (poiché non sono riuscito a trovare il transistor in questione ho usato un BC547 che può essere facilmente reperito in ogni negozio di elettronica e che rappresenta l’evoluzione del 107). Il secondo transistor, mentre, è al germanio, anch’esso di tipo NPN (AC127). I due transistor sono accoppiati tramite un condensatore elettrolitico di 5 microfarad, 6 volt-lavoro. E’ indicato con C2. Va fatta attenzione alla polarità di C2 con il negativo rivolto verso AC127 e il positivo verso BC107. Essendo l’amplificazione radio affidata al transistor BC107, per la debole amplificazione audio è sufficiente un AC127. La presenza del condensatore C1 è indispensabile, poiché alla base del transistor è applicata una tensione di 1 volt. Se non ci fosse C1, la base risulterebbe a massa, e la tensione sarebbe zero. I condensatori hanno la peculiarità di non lasciar passare la corrente continua ma solo quella alternata (il segnale radio passa mentre la corrente continua no!). Le resistenze R1 ed R3 sono quelle di base dei due transistor. Il circuito è alimentato con una tensione di 9 V (il circuito può essere alimentato anche con una tensione di 4,5 V o di 6 V con un livello sonoro più basso). Come condensatore variabile del circuito di sintonia ho utilizzato un variabile a mica da 250 pF facilmente reperibile in commercio o su internet.

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Fig.10
Visione tridimensionale dell’assemblaggio circuitale

Una volta reperiti tutti i componenti mi sono messo all’opera. La prima cosa che ho realizzato è stata l’induttanza. L’ho ottenuta avvolgendo 90 spire di filo di rame 0,4 decimi ricoperto con una guaina di seta ed effettuando una presa alla decima spira per il collegamento con C1. Una volta effettuati gli avvolgimenti, per fissare il filo di rame alla ferrite, ho ricoperto il tutto con la cera fusa di una candela. Ho montato, poi, gli altri componenti su delle basette di ancoraggio. Per l’ascolto ho usato un vecchio auricolare da 1000 ohm (uno di quelli che si usavano largamente negli anni 70 per l’ascolto delle radioline a transistor).

image024image022Fig.11 Alcune immagini della mia realizzazione 

Ma non è vintage senza monitoring..

Ed ecco giunta la fase più importante e divertente per un SWL: l’ascolto!!.

Devo dire che l’obiettivo che mi ero proposto (“comodità” dell’ascolto) è stato pienamente raggiunto. Il segnale, anche se il volume è un po’ basso, è chiaro, stabile e perfettamente comprensibile. Questa volta ci ho messo 2 secondi ad individuare la frequenza. 657 Radio Rai 1!.

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