Lecciones de electrónica completa

radio de AM

La electrónica no tiene final pero tiene un principio claro. La radio; en efecto todo comenzó realmente en forma industrial y comercial cuando se fabricó la primer radio en el mundo y se realizó la primer transmisión comercial. Y aunque parezca increible si hoy fabricamos un receptor de radio idéntico a ese receptor del siglo pasado funciona y es el dispositivo mas didáctico que Ud. se pueda imaginar.

En una radio galena se aplican los principios mas importantes de la electrónica y de ella podemos comprender los conceptos mas importantes como el uso de la onda portadora y la modulación. Y como hacemos siempre en este curso el alumno no tiene que estudiar leyendo y memorizando solo requerimos de el que realice los trabajos prácticos virtuales y reales como este que ilustra la presente entrega.

No se conforme con leer nuestras entregas. Utilice su tiempo construyendo los dispositivos y realizando las prácticas virtuales que eso vale mas que estudiar la fría letra como si fuera una novela. Involúcrese si quiere aprender realmente.

La radio de AM

Las primeras transmisiones de radio fueron telegráficas. Los transmisores eran muy similares a nuestro generador de RF, aunque por supuesto no tenía un microprocesador. La señal de radiofrecuencia se generaba haciendo saltar un arco al circuito resonante por cierre de un manipulador telegráfico. Como se usaba un circuito resonante de muy alto Q (baja resistencia en el inductor) la señal no se atenuaba y se transmitía un pulso corto como el indicado en la figura 1 mientras se mantenía la chispa.

Fig. 1 Transmisor a chispa

De este modo dos impulsos seguidos equivalen a un punto y dos separados a una raya. Luego en el receptor se sintonizaba la señal en otro circuito de alto Q y la señal captada operaba una bobina con un diafragma metálico o con limaduras metálicas que generaba un ruido tipo “clic” con cada impulso. El alumno debe realizar una práctica virtual construyendo el circuito de la figura 1 y operando la barra espaciadora del teclado.

Más adelante comenzaron a usarse circuitos que producían tonos similares al de nuestro generador de RF, de modo que podían generar un tono corto para el punto y uno largo para una raya. Si lo analizamos en profundidad, esto significa que la primer transmisión de radio que se concretó en el mundo fue una transmisión digital utilizando el código Morse, que además era un código de largo variable porque las letras más comunes tienen dos tonos y las menos comunes tres. A este tipo de transmisión se la llamo se llamó “de radio con modulación telegráfica” y tenía solo dos niveles: RF máxima y silencio. Como los máximos se repiten a ritmo de audio se escucha una señal cuadrada del tipo tono de audio.

El oído humano percibe oscilaciones de 20KHz como máximo. No existe modo, por lo tanto, de que el oído escuche la señal de RF de un transmisor de OL que como sabemos tiene una banda de 530 a 1650KHz.

Para que el oído humano pueda escuchar la información telegráfica se crea el concepto de la onda portadora y de la modulación.

Onda portadora y onda modulante

La onda portadora es la RF de la emisora o la frecuencia a la cual se transmite la onda de radio y la modulación es el agregado de la información modificando algún parámetro de la RF. En un principio sólo se modificó la amplitud de la RF dando lugar a la AM o Amplitud Modulada. Pero posteriormente se moduló la frecuencia dando lugar a las transmisiones de FM (Frecuencia Modulada).

El alumno debe captar perfectamente el concepto de onda portadora y onda modulante porque con ese concepto se realizan todas las comunicaciones modernas. La portadora es como el vehículo que transporta la información. Y así como en una ruta hay muchos vehículos, alrededor de nuestro receptor, hay muchas emisiones de AM. Los dos conceptos claves que el alumno debe entender son: ¿Cómo es que la señal del transmisor llega a nuestro receptor y cómo hace éste para seleccionar sólo la emisora deseada entre todas las demás de la banda de trabajo?

En un principio se consideraba que las señales de radio se transmitían por el aire pero luego se demostró que las ondas de radio se pueden transmitir en el vacío. Lo que se transmite entre el emisor y el receptor no son partículas como electrones o protones sino ondas electromagnéticas. Es decir, un campo de energía. Obsérvese que no es un campo eléctrico ni un campo magnético, sino electromagnético, es decir que en cierto momento se genera un vector magnético que luego se transforma en un vector eléctrico y luego vuelve a ser magnético, y así mientras se transforma avanza y transporta la información. Como el campo o el vector de campo se transforma constantemente de eléctrico en magnético, la antena de nuestro receptor puede ser un simple cable o varilla (captador de campo eléctrico) o una bobina (captación de campo magnético).

¿Cómo debe estar orientado el cable o la bobina receptora? Debe tener la misma orientación que el cable o la bobina transmisora. Si el cable o antena transmisora está vertical, la antena receptora también lo debe estar. Las antenas transmisoras de la banda de onda larga (OL) son torres metálicas verticales montadas con aisladores que muchas veces llegan a tener 100 o 150 mts. de altura. ¿Y por qué tan altas? Porque el largo de la antena guarda una relación con la frecuencia transmitida. Las ondas electromagnéticas se desplazan a la velocidad de la luz, es decir, aproximadamente a 300×106 m/seg.

Cálculo de la longitud de la antena

Considerando el caso de una emisora de 1MHz (centro de banda) el período correspondiente es T = 1/F = 1/106 = 10-6 seg. o 1µs. Para que una torre de antena tenga el máximo rendimiento, la señal la debe recorrer en un tiempo T/4, es decir 0.25µs. Para calcular la longitud de la antena debemos aplicar una regla de tres simple:

1seg. __________  300×106 mts
0.25µseg. _______ 300 x 0.25 = 75 mts.

En forma genérica la longitud de onda es igual a la velocidad de la luz dividido la frecuencia de la emisora y la antena en torre debe tener un largo de ¼ de longitud de onda.

A otras frecuencias la antena debe recalcularse. Por ejemplo a la frecuencia mas baja de la banda 530 KHz prácticamente tendrá el doble de tamaño es decir 150 metros de altura.

Si la antena es más corta tiene menos eficiencia de radiación y de recepción, pero no deja de funcionar. Si recibimos el campo magnético, la eficiencia depende de la sección de la bobina y de su factor de mérito Q. Supongo que el alumno comprende ahora por qué la bobina de nuestro generador era tan grande.

Trasmisión y detección de una portadora pura

Olvidémonos un poco del transmisor ya que de él sólo nos interesa que genera un campo electromagnético en donde se debe sumergir la antena de nuestro receptor. En la figura 2 se puede observar el circuito completo de nuestro sencillo receptor.

Fig. 2 Receptor elemental tipo a galena

Vamos a indicar para qué sirve cada uno de los componentes de nuestro receptor.

La antena recibe la señal electromagnética. Físicamente es un cable vertical que debe ser lo más largo posible. No pretendemos que tenga las dimensiones óptimas de 75 mts de altura para la mitad de la banda, pero cuanto más largo sea mejor. Debe ser un cable de cobre de una sección de 2.5 mm2 (puede ser menor también) o un alambre desnudo de 1mm de diámetro aproximadamente con aislación de plástico.

Recuerde que el recorrido del cable de antena es fundamental. Las secciones horizontales prácticamente no generan señal porque la antena transmisora esta colocada verticalmente sobre la tierra (polarización vertical de la onda). Las secciones verticales captan mas señal cuando están más altas y cuando están mas alejadas de objetos metálicos que operan como apantallamiento. ¿En qué punto de la bobina se conecta la antena? Observe que simplemente dibujamos una flecha que significa que debemos ajustar la altura de la derivación buscando la mayor salida de señal. En principio ubique la antena al 10% del total aproximadamente (en la tercer vuelta) utilizando una aguja con la cual pinchamos la aislación del cable de la bobina. El cable de antena se termina con un clip cocodrilo que se conecta sobre la aguja.

Los componentes CV1 y L1 forman un circuito sintonizado paralelo. El circuito sintonizado serie presenta un valor mínimo a resonancia; el circuito sintonizado paralelo presenta un valor máximo que es igual a infinito si L y C son ideales.

Esto se entiende, si consideramos que inicialmente hacemos circular una corriente por el circuito a la frecuencia de resonancia. Esa corriente generará un campo magnético en la bobina; éste campo magnético generara una corriente que cargará el capacitor acumulando energía eléctrica. Un instante después el capacitor se descargará sobre el inductor y así sucesivamente sin que se pierda energía y por lo tanto sin tomar energía de la fuente (en tanto L y C sean ideales); y una carga que no toma energía es una impedancia infinita.

El equivalente físico a un circuito resonante paralelo es un péndulo formado con una bola pesada y un hilo muy liviano. Un péndulo tiene una frecuencia de resonancia que depende del largo del hilo (equivalente a la inductancia) y del peso de la bola (equivalente al capacitor). Aplique una fuerza lateral a la bola y suéltela, de inmediato el péndulo comienza a oscilar. Si Ud. quiere aumentar la elongación solo debe aplicar una pequeña fuerza en forma sincrónica con la propia oscilación. Intente aplicar la fuerza a una frecuencia diferente y observará que la bola le aplica energía a su dedo (equivalente al rechazo de una emisora).

En nuestra radio a otras frecuencias diferentes a la de resonancia el circuito resonante paralelo tiene una impedancia menor que carga la antena considerablemente atenuando las emisoras no sintonizadas. En una palabra que L1 y CV1 son los encargados de realzar las señales de la emisora sintonizada y atenuar las otras.

El diodo D1 toma la señal de la emisora sintonizada y la rectifica generando una tensión continua sobre la salida. Este circuito es similar al del rectificador visto en la lección 11, sólo que no podemos identificar la resistencia de carga.

En efecto esa resistencia no está porque forma parte del circuito de entrada siguiente, que para nuestro caso puede ser la resistencia del voltímetro que se colocará sobre C2 para realizar la medición de la intensidad del campo que genera la emisora sobre la antena.

Observe que hay dos cosas que van a afectar la medición. Por un lado la derivación donde se conecta el diodo, y por otro la posición del preset RV1.

Comencemos explicando cómo se ajusta RV1 porque el ajuste es independiente de la derivación para el diodo.

Como ya sabemos el diodo tiene una tensión de barrera de 600 mV; si el circuito sintonizado entrega una tensión de RF menor a 600 mV de pico sobre C2 no se generará ninguna tensión. Pero si el preset RV1 entrega una tensión continua de 600 mV sobre la derivación del diodo existirá una tensión continua generada por RV1.

Sintéticamente estamos venciendo la barrera del diodo con tensión derivada de la pila, de modo que aún una pequeña señal de algunos milivoltios de RF, puede generar tensión en la salida.

Para empezar conecte el diodo sobre la misma derivación que la antena. Haga un cortocircuito sobre CV1 con un cable con un cocodrilo en cada punta (de este modo evitamos que el circuito sintonizado capte señal). Conecte un resistor de 1Kohm como carga de C2 a masa (más adelante veremos que este resistor se desconectará al conectar una verdadera carga).

Lleve el preset al mínimo. Conecte el tester sobre C2 usando la escala mas baja de tensión continua. Levante la tensión del preset, notará que al principio no hay ningún cambio y luego comienza a aumentar la tensión progresivamente. Deje el preset en el punto en que comienza a aumentar la tensión.

De este modo ya tiene ajustada la prepolarización y puede comenzar a realizar la prueba dinámica.

Trasmisión y detección de una portadora modulada

La señal portadora pura no transporta información. Como ya sabemos, para transmitir información se debe por lo menos interrumpir la portadora de acuerdo a un código predeterminado. Pero muchos autores consideran que la verdadera transmisión de radio comienza con la transmisión de señales de audio (voz, música y sonidos en general).

El sonido es captado con un micrófono; amplificado y enviado a una etapa que se llama moduladora, que cambia la amplitud de la RF en función de la amplitud instantánea de la señal de audio.

El WB posee un generador de AM que permite visualizar una RF modulada por un tono de audio. En la figura 12.4.1 se puede observar una señal de 1MHz modulada al 50% con un tono de 1KHz.

Fig. 3 Oscilograma de una portadora de AM

Realmente la señal es una RF que cambia de amplitud al ritmo de 1 KHz. Si aumentamos la base de tiempo podremos observar el detalle de la RF.

Fig.4 Señal de AM a barrido horizontal de 2 uS por división

El alumno realizará una práctica visual cambiando la frecuencia portadora, la amplitud, el porcentaje de modulación y la frecuencia modulante, y observará con el osciloscopio con barrido lento o rápido la señal de RF y la modulación.

Ahora vamos a analizar qué ocurre al sintonizar una señal de este tipo con nuestro receptor debidamente ajustado.

Fig.5 Detector de una señal de AM con prepolarización

Aquí se puede observar que sobre la carga se ha recuperado la señal modulante y esta lista para ser amplificada y entregada a un parlante. El generador de AM reemplaza a nuestro circuito sintonizado y por supuesto nosotros estamos observando una señal con una solo tono de 1 KHz y no música o palabra pero en nuestro circuito podemos observar los conceptos de la detección y de la prepolarización del diodo.

En este punto el alumno debe modificar el valor del capacitor C3 observando la forma de señal tomada sobre la carga. También deberá dejar el capacitor fijo y modificar la frecuencia de la señal de modulación observando que las frecuencias de 10 KHz aparecen levemente atenuadas y con una distorsión apreciable.

Si C2 se hace muy alto se cargará a la tensión de pico de la señal modulada y no se producirá la detección de la señal de audio. Si es muy chico quedará un resto de ripple de RF que puede producir problemas al ingresar en etapas posteriores del la radio.

En principio lo que importa es la constante de tiempo formada por el capacitor C2 y la resistencia de carga que presenta la impedancia de entrada de la etapa siguiente.
Como la optimización de la constante de tiempo es algo que se realiza muy fácilmente con el WB Multisim, vamos a comenzar suponiendo que se trata de una carga de 10Kohm, y si luego no es así volveremos sobre nuestros pasos y realizaremos una nueva optimización.

Para comenzar es conveniente formar una constante de tiempo igual al período de la portadora de 1MHz (centro de banda). El período será por lo tanto:

T = 1/f = 1/106 = 10-6 seg. o 1µseg

La constante de tiempo será por lo tanto

Ct = RxC >  C = Ct / R

y reemplazando:

C = 1×10-6 / 5×103 > C = 0.2×10-9 F = 200 pF

Este valor será seguramente muy bajo (ver oscilograma de la Fig. 12.4.3) pero es un buen punto de partida. Con él observaremos sobre la salida un importante ripple de portadora. El alumno probará con capacitores de 2.2nF y 22nF, cuyos oscilogramas se observan el las figuras siguientes.

Fig.6 Oscilograma de salida con capacitor del detector muy bajo

Fig.7 Oscilograma de salida con capacitor del detector muy alto

Como vemos si se sigue aumentando el valor del capacitor desaparece todo vestigio de RF, pero se comienza a observar una distorsión de la señal modulante tal como la observada en la figura anterior.

Cómo escuchar las señales

La amplitud de la señal sobre la carga suele ser de algunos pocos mV. No existe ningún parlante o auricular que pueda funcionar con una señal tan pequeña.

Nosotros vamos a tratar los amplificadores a su debido tiempo. Pero aquí los vamos a usar ya armados y listos para su uso. Los amplificadores más económicos son los que se utilizan en las PC y que se pueden conseguir por unos $20 el juego ya que son estereofónicos.

Lo primero que debemos hacer es medir con el tester la resistencia de entrada para asegurarnos que el valor elegido de 10Kohm es el correcto. Si no se puede obtener una medición de resistencia significa que la señal ingresa por un capacitor y entonces se debe desarmar el amplificador y medir el potenciómetro de control de volumen entre sus extremos. Reemplace la resistencia de carga de nuestro circuito si fuera necesario y vuelva a realizar la optimización.

¿Cuál es el límite superior de capacidad? Es evidente que a mayor capacidad menor ripple pero existe la posibilidad de provocar distorsión. Pero antes de producirse la distorsión se produce otro fenómeno que es la pérdida de agudos. Observe la amplitud de salida de la señal modulante y mida el valor pico a pico. Aumente la frecuencia de la señal de modulación a 10KHz y vuelva a medir la amplitud pico a pico.

Un capacitor demasiado grande atenúa los agudos ya que presenta una reactancia capacitiva baja (y que se reduce progresivamente con la frecuencia).

Recepción de señales

Ahora con las derivaciones de antena y del detector colocadas al 10% del total del bobinado y con el amplificador a máximo volumen trate de sintonizar una emisora fuerte. Como elegimos una derivación baja, lo más probable es que aún la emisora más fuerte aparezca débil. Aumente la derivación de antena utilizando otra aguja para lograr una mayor señal pero que no produzca mezcla de emisoras vecinas. Luego haga lo mismo con la derivación de salida buscando el mismo resultado.

Nuestro receptor es muy elemental y no podemos pretender de el una elevada sensibilidad (capacidad para recibir emisoras lejanas). Probablemente solo pueda recibir emisoras locales de mucha potencia. Las emisoras alejadas, o no se escuchan o se escuchan junto a un ruido de fondo similar al de una fritura.

Ruido

• Ese ruido existe en todos los receptores de radio con modulación analógica que se puedan fabricar.
• Si el receptor es muy sofisticado el ruido se minimiza pero jamás desaparece ya que ese ruido es una característica intrínseca de los circuitos electrónicos.

La corriente eléctrica que circula por un circuito nunca es absolutamente exacta. Si usamos un medidor suficientemente sensible observaremos una pequeña variación aleatoria debida a que la circulación de los electrones saltando de átomo en átomo no puede seguir siempre el mismo camino. En efecto los átomos no ocupan una posición fija se mueven dentro de una posición de equilibrio determinada de acuerdo a un movimiento llamado browniano debido a que fue descubierto por un científico llamado Brown. Esto hace que los electrones viajen como las bolillas de acero de un pingball siguiendo caminos que nunca son rectos.

Los electrones dentro de la antena no pueden abstraerse de esta ley general de la física y la antena genera la señal de la emisora junto con una señal de ruido. El ruido solo se puede reducir si se baja notablemente la temperatura hasta valores cercanos al cero absoluto de -273 ºC. A esa temperatura desaparece el movimiento browniano y por lo tanto el ruido. (en realidad se han desarrollado aleaciones superconductoras que prácticamente logran esta estabilidad a temperatura de alrededor de -100 ºC).

Como un principio fundamental de la electrónica el alumno debe recordar que donde hay una señal siempre hay un ruido. Como el ruido es difícil de eliminar toda la electrónica se dirige a maximizar las señales para que el ruido quede enmascarado dentro de una intensa señal.

En nuestra radio elemental el ruido se manifiesta en todos y en cada uno de sus componentes. Pero en algunos molesta y en otros no. Por ejemplo; el parlante tiene una resistencia interna en donde se genera ruido. Pero ese ruido no se escucha porque no existe ningún dispositivo que lo amplifique.

Tomemos ahora la antena. Ella esta al principio de nuestro receptor y todo el ruido que ella genere o capte será procesado por los dispositivos posteriores existentes entre ella y el parlante. Entre esos dispositivos están los bafles para PC que se encargan de amplificar las débiles señales de nuestro receptor. En la próxima entrega vamos a estudiar al transistor que es un componente amplificador por naturaleza. Los bafles tienen transistores que amplifican la señal pero no pueden dejar de amplificar el ruido de la antena.

Solo dos componente pueden ayudar a reducir el ruido de nuestro receptor:

• la bobina
• el capacitor de sintonía

En efecto el ruido que induce la antena tiene todas las frecuencias del espectro. La bobina y el capacitor operan como un filtro que solo deja pasar las frecuencias correspondientes a su frecuencia de resonancia y algunas frecuencias cercanas. Cuando mayor sea la calidad de estos componentes mas selectivo es el filtro y menos ruido deja pasar. Ahora el alumno puede comprender aun mas porque construimos una bobina tan grande.

¿Qué podemos mejorar en nuestro receptor para obtener un menor ruido?

Nada, el ruido no se puede reducir. Todo lo que hagamos debe ser tendiente a aumentar la señal para enmascarar al ruido.

Como hacer una bobina de antena mas grande es prácticamente imposible lo único que nos queda es mejorar el rendimiento del detector con un buen ajuste de la prepolarización y luego dedicarse a la antena que es donde mayor señal podemos lograr. Si Ud. vive en un edificio haga la prueba en la terraza y no en un departamento bajo, pero recuerde que los tramos horizontales de antena prácticamente no generan señal; por eso puede ser efectivo tender la antena entre la terraza y su departamento para aumentar la longitud efectiva, tratando de separarla todo lo que pueda de la pared. No hay predicción posible aquí se debe trabajar a prueba y error.

Y no desprecie la solución mas simple que consiste en situarse a la mayor altura posible que no implique un peligro de caída y oriente la bobina buscando una mayor señal. La sección de la bobina fue realizada pensando en una gran concatenación de campo eléctrico.

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