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Electrónica Completa
Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno
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.
Conclusiones
Así terminamos de ver nuestro primer receptor de radio. Por supuesto
que posee una gran cantidad de deficiencias pero justamente allí esta su
valor porque la solución de esas deficiencias es el mejor modo de
aprender electrónica en forma práctica. Nosotros vamos a encarar un
largo camino hasta llegar al receptor superheterodino en el cual se
basan todos los receptores modernos. Por ejemplo, un receptor de TDT
(televisión digital terrestre) con capacidad de recibir TV de alta
definición, es un receptor superheterodino modificado en donde la
modulación es digital.
Autoevaluación
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