Electrónica Completa

Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno

Receptores de radio modernos

En el momento actual puede encontrar radios que se encuentran en diferentes etapas de desarrollo. Va a encontrar las clásicas con tándem, dial y potenciómetro de volumen, sin microprocesador, que son las más económicas y menos durables; otras tienen tándem y frecuencímetro digital reemplazando al dial (que también opera como reloj de tiempo real y despertador) y control de volumen con dos pulsadores; estas últimas poseen microprocesador y por último, las más desarrolladas que poseen sintonía por teclado, control de volumen a pulsadores y reloj de tiempo real y despertador con un microprocesador muy desarrollado.

A continuación vamos a analizar al reemplazo moderno del potenciómetro de control de volumen y luego el reemplazo del tándem por componentes de estado sólido sin desgaste.

Control de volumen en estado sólido

Existen muchos circuitos que controlan una atenuación por variación de una tensión continua de control. En nuestro caso podríamos considerarlos como un resistencia variable cuyo valor depende de una tensión aplicada al circuito en un lugar distinto al camino de la atenuación; para entender el concepto vamos a presentar el control de volumen de estado sólido mas simple que se basa en dos diodos de silicio.

Fig.1 Atenuador controlado por tensión a diodos (máxima salida)

Ya conocemos las características alineales del diodo; las mismas nos permitieron utilizarlo como detector de señales o rectificador y luego como conversor. Justamente en este uso el diodo no pasa del corte a la conducción total, sino que utiliza la pequeña sección curva de sus características. Es decir donde el diodo no tiene resistencia infinita o nula, sino un cierto valor de resistencia que depende de la tensión continua aplicada al mismo.

En nuestro circuito atenuador se utilizan dos diodos que estan polarizados por dos fuentes.

• Una, variable, es el potenciómetro de control de volumen que posteriormente veremos que se trata de una pata del microprocesador.
• La otra, fija, la provee en este caso el generador de funciones y se ajusta con offset en este caso en .7V.

Tal como esta diseñado el circuito cuando el potenciómetro está a nivel mínimo el resistor R2 hace conducir a pleno a D1 y mantiene cortado a D2 llevando la salida a máximo que es lo que puede observarse en el osciloscopio y en las sondas, en las que observamos que ingresan 20 mV pap y salen 15,6. Observe que utilizamos un diente de sierra para que se puedan observar fácilmente las distorsiones del circuito.

En la figura 2 llevamos el potenciómetro a 1V observando que en este caso se obtiene el caso contrario al anterior porque conduce D2 y se corta D1 produciéndose la máxima atenuación del circuito que lleva la salida a 641 uV pap.

Fig.2 Atenuador controlado por tensión a diodos (mínima salida)

En realidad a 0,8V la salida es casi igual que a 1V es decir que podemos considerar que esa tensión continua es la de salida nula. Si probamos el atenuador a 0,4V en el potenciómetro encontramos que la salida es de 7 mV lo que nos indica que el control es casi lineal.

Un problema de este atenuador a diodos es que no admite una gran señal de alterna, porque se producirían distorsiones de la misma; prácticamente nosotros lo trabajamos al límite de su funcionamiento sin distorsión.

De cualquier modo este circuito fue entregado solo para que el alumno pueda realizar una adecuada práctica en el laboratorio virtual o real. En las radios modernas el atenuador controlado por tensión se encuentra dentro del único integrado analógico que las mismas suelen poseer y el reparador suele ignorar de que tipo de atenuador se trata. Solo puede controlar la pata por donde entra la tensión continua de control y tal ves el nivel de entrada al amplificador de audio de potencia que sigue al atenuador.

Tamden en estado sólido

Un tándem son dos o más capacitores variables unidos al mismo eje.

Lo que se necesita para reemplazarlo es un capacitor controlado por tensión. Ese componente existe y es un viejo conocido nuestro que acabamos de utilizar: El diodo. En efecto todo diodo conectado en inversa se comporta como un capacitor variable por tensión y llegó el momento de que analicemos su funcionamiento interno para entender como un rectificador es además una resistencia variable por tensión y ahora, un capacitor variable por tensión. Y además tiene otro uso que aun no mencionamos que es el de regulador de tensión.

Nosotros vamos a ir analizando lo que podríamos llamar usos especializados del diodo de a poco a medida que los vayamos utilizando, para reforzar la explicación teórica con la necesaria práctica de su aplicación. Así que a continuación vamos a explicar que ocurre internamente en un diodo cuando conduce y cuando está polarizado en inversa, hasta llegar a su comportamiento como capacitor.

Como sabemos el diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente en un determinado sentido y se bloquea en el sentido contrario. En la Figura 30.4.1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.

Fig.3 Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal

La curva presentada es evidentemente la de un diodo ideal ya que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La resistencia nula está indicada por el hecho de que corriente se hace infinita con una tensión positiva infinitalmente pequeña. Y la resistencia infinita está manifestada porque la corriente inversa es nula aún para tensiones negativas infinitamente grandes. La punta de la flecha del símbolo, indica el sentido permitido de circulación de la corriente.

Existen diodos fabricados de diferentes modos pero en el momento actual todos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo P y otro de tipo N. El material básico de ambas zonas es el silicio que posee 8 electrones en su ultima orbita y por lo tanto tiene gran afinidad por combinarse con otros átomos de silicio, formando una estructura cristalina.

Esos cristales son prácticamente aisladores; solo poseen una corriente de perdida debido a la recombinación casual de sus portadores naturales que se llaman portadores minoritarios. Para que esos cristales conduzcan la electricidad se los mezclan con materiales que poseen 7 o 9 electrones en su orbita exterior. En el primer caso se forma una laguna (ausencia de un electrón) en el cristal, que evidentemente tiene signo positivo y al material se lo llama tipo P. En el segundo caso se forman electrones libres de la estructura cristalina y el material se llama N.

Ambos materiales impuros o enriquecidos son conductores de la electricidad debido al agregado de portadores (llamados mayoritarios) pero son menos conductores que los metales y más conductores que los aisladores. Un sándwich de material N y P forma un diodo de juntura o de unión.

A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 4 se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.

Fig.4 Esquemas de diodos de unión PN

El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales implica algunas desviaciones del comportamiento con referencia al diodo ideal. Vamos a presentar en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores, para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

Suponga que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera bien definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra con tipo N, como lo indica la figura 5.

• La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos con 7 electrones en la red cristalina (por ejemplo, boro).
• La zona N dispone de 9 electrones (por ejemplo fósforo)

En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior a la cantidad de átomos de silicio de la red cristalina (portadores minoritarios).

Fig.5 Dopado del silicio para la obtención de diodos PN

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón que se libera en N queda un átomo de fósforo fijo que es un ión positivo. Y por cada hueco móvil se forma un ión negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas P y N de diferente concentración de portadores (electrones y huecos) entra en juego el mecanismo de la difusión que tiende a llevar partículas de un lado al otro debido a la atracción de las cargas opuestas. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir que los electrones de la zona N pasan a la zona P y los huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P según lo indica la figura 6.

Fig.6 Formación de la unión PN

La distribución de cargas formada en la región de la unión genera un campo eléctrico que se opone al movimiento de todos los portadores evitando la difusión total de los mismos. Es decir que cerca de los terminales los materiales quedan como material N y P originales (antes de unirlos). En la unión hay un equilibrio entre la fuerza de difusión debida al movimiento browniano y la atracción de las cargas opuestas. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el traslado de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se obtiene: una zona P, semiconductora, con una resistencia RP; una zona N, semiconductora, con una resistencia RN y una zona llamada de agotamiento o depleción en la zona de unión, que no es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres (todos los portadores están encajados en su lugar del cristal. Podemos asegurar que en ella actúa un campo eléctrico, o bien que entre los extremos de la zona de unión actúa una barrera de potencial.

Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica que produce el movimiento browniano y desencadena la difusión.

Este bloque PN  en principio, no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales, puesto que la zona de depleción es aisladora. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que “empujará” los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de depleción. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.

Fig. 7 Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera

Si la tensión aplicada supera la barrera, desaparece la zona de depleción y el diodo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo que indicamos en la figura 8.

Fig. 8 Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera

Los electrones y huecos se dirigen a la unión. En la unión se recombinan. Es decir que polarizar un diodo PN en directa es aplicarle una tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce cuando se lo polariza en directa porque la zona de depleción se inunda de cargas móviles.

La tensión aplicada se emplea en vencer la barrera de potencial y mover los portadores de carga.

Al contrario de lo anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran los portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de depleción. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios se haga nula.

Fig.9 Diodo PN polarizado en inversa

Ahora bien, en ambas zonas P y N hay portadores minoritarios (los que se generan naturalmente en el material no dopado). Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea también una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.

Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de depleción, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no significa necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el mismo se mantenga limitada).

La característica tensión-corriente real puede observarse en la figura siguiente.

Fig.10 Característica V-I de un diodo de unión PN real

Para tensiones positivas, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V.

Para tensiones negativas, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta que se llega a la tensión de ruptura, en la que de nuevo aumenta en forma violenta.

Ya conocemos los usos del diodo en polarización directa como rectificador, como detector y como conversor de frecuencia. Todos estos usos se basan en la alinealidad extrema del cuadrante de polarización positiva de la juntura o al hecho de que entre los extremos, no conductor a conductor, el grafico de resistencia es evidentemente curvo.

Polarización inversa – El zener y el varicap

Aun no tratamos la polarización inversa que tiene tanta aplicación como la directa. En efecto; en inversa funcionan los conocidos como diodos zener que son dispositivos reguladores de tensión. La tensión de ruptura es fuertemente dependiente de la construcción y el dopado y entonces el fabricante la puede manejar a su antojo entre valores de 3,3 y 150V. Por lo general los diodos zener admiten una disipación de potencia de 500 mW para los mas pequeños y 1W para los más grandes. Mientras no se superen estos valores el diodo puede funcionar en su tensión de ruptura todo el tiempo que se desee. En la figura 11 se puede observar una fuente de tensión fija de 12V como aplicación de un diodo zener.

Fig.11 Adaptador de fuente para automóvil 12/6V 1A

En el ejemplo de aplicación se observa un zener que regula en 6,8V aplicado a la base de un transistor de potencia. En el emisor se obtienen unos 800 mV menos pero a una corriente por la carga de 1A prácticamente. De este modo el circuito reduce y regula los 12V de la batería del auto para un equipo que requiera 6V y 1A de consumo. Recomendamos que el alumno pruebe el circuito variando la tensión de fuente entre 11 y 13,5V y anote la minima variación de la tensión de salida. También puede variar la resistencia de carga y observar que la tensión de salida prácticamente no cambia.

El varicap es una aplicación de corriente alterna del diodo polarizado en inversa. Según la teoría expuesta cuando el diodo se polariza en inversa solo circula una minima corriente por él debida a la recombinación de portadores minoritarios. Pero sobre la juntura se encuentra una gran cantidad de carga eléctrica fija, que depende de la tensión aplicada. Estas dos cualidades son las mismas que posee un capacitor variable y por lo tanto podemos imaginarnos al diodo como un capacitor dependiente de la tensión.

Por supuesto que el diodo varicap tiene sus limitaciones. Sobre el no puede existir una tensión alterna muy alta porque se transformaría en un capacitor alineal cuya capacidad varia con el ciclo de la tensión alterna superpuesta sobre él, en tanto dicha tensión sea una parte considerable de la tensión continua de polarización inversa.

La aplicación inmediata de un diodo varicap es un circuito de sintonía de frecuencia variable que podría ser por ejemplo la bobina de antena de un superheterodino moderno de estado sólido. En la figura 30.5.2 mostramos el correspondiente circuito.

Fig.12 Circuito de antena con diodo varicap a 0V

Leyendo con el cursor podemos observar que el pico de resonancia se encuentra a unos 500 KHz. Si se modifica la posición del cursor del potenciómetro se puede observa que la resonancia va aumentando de frecuencia hasta que a los 12V llega a unos 1800 KHz, con lo cual se cubre toda la banda de OM.

Los diodos varicap se fabrican en diferentes versiones de capacidad y tensión pero a grandes rasgos podemos decir que hay diodos de baja tensión (12V) y de alta tensión (30V). Los primeros se suelen usar en radios y los segundos en TV.

Conclusiones

En este capítulo comenzamos a analizar los receptores de radio modernos. Como necesitábamos dos componentes controlados por tensión los buscamos y encontramos que nuestro viejo conocido, el diodo, se podía comportar tanto como atenuador controlado por tensión y como un capacitor controlado por tensión.

Para afianzar nuestro conocimiento indicamos dos circuitos para armar realmente o para simular y probar en el laboratorio virtual Multisim. Aconsejamos al lector que no deje de realizar las simulaciones que es el mejor modo de estudiar.