Electrónica Completa

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

Cómo armar una emisora casera de FM

Como Ud. sabe nuestra intensión es que Ud. se transforme en un reparador de radio con muy buenos conocimientos y todo el instrumental requerido para realizar un buen trabajo.

• Para probar y ajustar el dispositivo sólo se requiere una radio moderna con banda de FM y dial electrónico con frecuencímetro.
• Un tester digital o analógico
• Una sonda detectora de valor pico a pico

Antes de ingresar en la construcción del instrumento vamos a dar una explicación de que es la modulación de FM realizando una comparación con la ya conocida de AM. Las bandas de frecuencia de ambas emisiones y los diferentes tipos de propagación que tiene cada banda, para que el lector sepa que tipo de banda utilizar en cada caso y el radio de cobertura esperado.

Luego explicaremos como se construye nuestro circuito, como se simula en el Multisim y por último como se ajusta y se prueba su alcance. Indicaremos como irradiar música, voz y un tono de calibración. Recuerde que para irradiar señales mas allá de su propio domicilio debe tener la correspondiente autorización de la secretaria de comunicaciones de su país.

Modulación de una portadora

Una portadora permanentemente a la misma frecuencia, amplitud y fase no puede transportar información. Sólo es un vehiculo que permite enviar información tal como la estructura de correo postal de un país que solo transporta la información. La información debe procesarse de modo que modifique alguno de los parámetros de esa portadora.

Extrañamente las primeras transmisiones de radio eran digitales ya que consistían en enviar o cortar una portadora en forma de rayas o puntos que era el modo utilizado en la telegrafía que precedió a la radio y que originalmente se llamó telegrafía sin hilos. Ud puede considerar que ese modo de transmisión era por amplitud modulada digitalmente, porque se transmitían “1s” o “0s” mediante un manipulador.

Fig.1 Transmisión de modulación por puntos y rayas (..--…--) en código Morse

Nota: la barras llenas realmente tienen la frecuencia portadora pero es tan alta que se ve como un borrón.

Muchos años después comenzaron las verdaderas transmisiones de voz y música por modulación de amplitud en la banda de OM de 530 KHz a 1600 KHz con una frecuencia máxima de modulación de 5 KHz.

Fig.2 Modulación de AM

Nota: vale la nota anterior

Las transmisiones de AM de OL (onda larga) y de OM (onda media) tienen una tendencia a rodear la tierra rebotando parcialmente en la ionosfera. Su alcance puede ser de miles de KM no siendo muy afectadas por la actividad solar.

Por arriba de la onda media se extienden diferentes bandas de OC (onda corta) utilizadas para la actividad comercial y la radioaficción. Estas frecuencias tiene la virtud de rebotar totalmente en la ionosfera y en la tierra repetidas veces con lo cual pueden dar la vuelta al mundo.

Las transmisiones de AM no se caracterizan por su calidad ya que son muy afectadas por las interferencias de ruidos industriales y hogareños como por ejemplo los tubos fluorescentes, las fuentes pulsadas de computadoras y TVs y el sistema de ignición de los motores térmicos.

Pero debido a su alcance, prácticamente tienen ocupada toda la banda de OM y por lo tanto las transmisiones se limitan a 5KHz, para que puedan caber más emisoras dentro de la banda. En este caso las emisoras pueden estar separadas 10 KHz entre si y como la banda es de prácticamente 1 MHz, significa que pueden asignarse 100 emisoras.

Para lograr transmisiones de mayor calidad, e inclusive transmitir en estereofonía se creó una banda de frecuencia mucho más alta que va de 88 a 108 MHz (para América) con 100 o 200 KHz de separación entre emisoras según los países. Como la banda total es de 20 MHz, si las emisoras se separan 200 KHz se puede asignar 100 emisoras de FM.

La ionosfera no es capaz de reflejar frecuencias tan altas como las utilizadas en FM. La tierra no es capaz de curvar la emisión de FM. Por lo tanto las emisiones tienen apenas algo más que un alcance óptico, que dependiendo de la altura de las antenas transmisora y receptora y la potencia emitida es de aproximadamente 50 a 100 Km.

La modulación de una emisora de FM se encuentra en la frecuencia de la misma, que varía unos 75 KHz alrededor de la frecuencia central. Esa variación se realiza al ritmo de la modulación de audio. El receptor por lo tanto debe poseer un detector de frecuencia, en lugar del clásico diodo detector de amplitud de las radios de AM. En la figura 3 se puede observar el oscilograma correspondiente pero aclarando que se debió aumentar la profundidad de modulación para que pudiera observarse la portadora.

Fig.3 Oscilograma de una señal de FM

Como el detector de la radio no responde a las variaciones de amplitud la misma se hace insensible a todos los ruidos que afectan a la señal de AM y entonces se pueden realizar transmisiones de alta fidelidad.

La complicación de diseñar un detector de modulación de frecuencia, hoy no existe, debido a que el mismo es una etapa totalmente interna al único circuito integrado que suele tener una radio moderna. Por esa razón nos vamos a eximir de explicar el funcionamiento de los viejos y complicados detectores de FM con bobinas externas.

El transmisor de FM es mucho más sencillo que el de AM y por eso vamos a afianzar nuestros conocimientos construyendo uno que además nos va a servir para reparar radios de FM.

Oscilador básico en la banda de FM

Ya sabemos que un oscilador funciona como un amplificador con realimentación positiva. Hay por lo tanto muchos tipos de osciladores adecuados para trabajar en diferentes bandas de frecuencia. El oscilador que vamos a construir es un Colpits realimentado por emisor, construido alrededor de un transistor MPSH10 que funciona hasta frecuencias de 1 GHz (también llamado gigastor). La oscilación la vamos a generar con una bobina L1 tomada de un TV en desuso (bobina de AFT o de carga). Lo primero que debe hacer el lector es retirar el capacitor interno de esta bobina, ya que en nuestro circuito la bobina se sintoniza con C2 y C5.

Fig.4 Oscilador básico de FM

Observe que el trimer C1 está colocado entre el emisor y el colector de Q1 y que la base se encuentra a potencial de masa para la alterna debido al capacitor C3 y a potencial de conducción de continua debido al divisor R3/R2 y a la resistencia de emisor R1. Esto significa que Q1 está en condiciones de amplificar pero a diferencia de los amplificadores clásicos la señal entra por emisor, sale por colector y vuelve a ingresar por el atenuador capacitivo C1/C2 al emisor (realimentación en fase o positiva).

En el diseño se tomó en cuenta que la ganancia del transistor sea superior a la atenuación de C1/C2 y que la fase de la realimentación sea positiva para que se cumplan las condiciones de Barkhausen y se genere una oscilación.

La frecuencia de oscilación siempre será aquella a la cual se obtenga la máxima ganancia de amplificación y esto ocurre cuando el capacitor C1 resuena con el inductor L1.

En nuestro caso la idea es que el circuito oscile dentro de la banda de FM para que podamos escuchar la señal como un silenciamiento del ruido por la mitad de la banda aproximadamente.

En el emisor del transistor, tenemos un punto ideal para tomar la señal de salida a través del capacitor C4 que aísla la tensión continua del emisor. En ese lugar se obtiene unos 700 mV pap de señal que adecuadamente conectados a una antena generan un potente transmisor. Luego se instala un atenuador formado por R4, R5, R6 y R7 para lograr salidas mas bajas y adecuadas para utilizar en la reparación de equipos.

Por ultimo los componentes C6, D1, D2, C5 y R8 no forman parte del oscilador sino de la sonda medidora de tensión pap.

Mas adelante cuando tengamos armado el circuito completo vamos a indicar el modo de ajuste de C1 y L1. Por ahora colocamos el trimer en mitad de su recorrido y el núcleo de L1 con varias espiras por arriba del carretel. En esas condiciones se obtendra una frecuencia de aproximadamente centro de banda (cercana a 100 MHz) y las amplitudes indicadas en el osciloscopio y el tester. El generador de funciones XFG1 se utiliza para que el osciloscopio arranque en una frecuencia similar a la deseada aunque no tenga conexión física con el mismo. Podemos decir que es una necesidad de la simulación cuando se trabaja con frecuencias muy altas, colocar un generador en una frecuencia de 100 MHz, porque en caso contrario podría no arrancar. De cualquier modo el lector deberá esperar unos 30 segundos reales para que el circuito comience a oscilar.

Corrimiento de la frecuencia portadora y la modulación

En la figura 5 se puede observar el agregado del ajuste de frecuencia de portadora y profundidad de modulación generadas con dos diodos varicap.

Fig.5 Oscilador y modulador de FM para la banda de 88 a 108 MHz

En la figura podemos analizar el circuito completo de la sección de RF el generador XFG2 representa a la sección de audio que luego adaptaremos a nuestras necesidades para modular desde un micrófono, un oscilador de audio de frecuencia fija, un reproductor de CD o un reproductor de MP3.

El circuito está basado en dos diodos varicaps ZC825 o similares conectados en paralelo. Observe que los mismos ahora forma parte del circuito resonante del oscilador ya que están prácticamente en paralelo con C1 (ya que C2 es un capacitor de valor alto comparado con C1).

La capacidad de los varicaps se varia con la tensión continua aportada por el potenciómetro R9, a cargo de ajustar la frecuencia del oscilador (por ahora desconozca la existencia de R13).

Este potenciómetro se debe conectar a una fuente de 30V porque los diodos elegidos son del tipo de tensión alta para obtener una mayor variación de frecuencia. Es decir que el proyecto requiere dos fuentes, una de 30V y otra de 12V cuya construcción se encarará por separado.

La tensión continua se aplica a la unión de los varicaps con C7, es decir que no hay consumo de tensión continua en ese punto porque por un lado está el capacitor y por el otro los varicaps en inversa. Cuando el equipo esta ajustado con el potenciómetro a 30V se generan 108 MHz y con el potenciómetro a mínimo 88 MHz. El resistor R10 se coloca para evitar que los varicaps entren en directa con los picos positivos de la RF a minima tensión de control.

¿Cómo funciona la modulación?

Ahora vamos a explicar como funciona la modulación. Cuando la tensión sobre los varicaps varia de 3 a 30V el cambio de frecuencia es de 108 – 88 = 20 MHz. Si ese mismo cambio de tensión lo realizamos desde el colector de Q2 por medio de R13 de 1 MOhms, conseguiremos una variación de tensión sobre los varicaps de un valor 10 veces menor, porque se forma un atenuador que partiendo del colector encuentra a R13/R11+R9+R10 que prácticamente es igual a R13/R11 ya que R9 y R10 son despreciables comparados con R11. Esto implica una atenuación por 10 es decir que nuestro circuito tendrá una modulación de frecuencia máxima del orden de 2 MHz que es mucho mayor que la necesaria de 75 KHz.

Esto se gradúa con el nivel de señal aplicada al capacitor C8 y midiendo la tensión alterna de colector que debe se del orden de 1V pico a pico. El lector puede ajustar este valor midiendo el colector con un osciloscopio o con la sonda medidora de valor pico a pico para el tester. Esta sonda puede conectarse alternativamente a C4 para medir la salida de RF (comprobar el funcionamiento del circuito) o al colector para ajustar la modulación por intermedio de una llave de una vía dos posiciones.

Todos los componentes utilizados son de fácil consecución salvo tal ves dos de ellos. Respecto a los varicaps pregunta a ver que se consigue en su comercio predilecto, baje la especificación por Internet del que le ofrecen para ver cual es su capacidad máxima. El ZC825 es de 100 pF a 1V y si por ejemplo Ud. consigue uno de 25 pF deberá utilizar cuatro en paralelo. Le aconsejamos utilizar Internet para ubicar en que comercios de Argentina se consigue el varicap y el transistor (MPSH10). Nota: los resistores R6 y R7 no forman parte del oscilador en si, Se colocan para obtener señales altas sobre R5 y atenuadas sobre R7.

La sección de audio – El oscilador de modulación

Existen muchos modos de generar una señal de audio de frecuencia fija en un 1 KHz que nos sirva para modular en frecuencia a nuestro generador de RF. Estos osciladores se conocen por el nombre del científico que los estudió.

El Multisim tiene un sistema de ayuda muy completo para el diseño de diferentes dispositivos. Así se encuentran prediseñados circuitos con el 555, filtros activos y pasivos, amplificadores de un transistor, y osciladores por puente de Wien.

Ingresando a “Tools > Samples > Wien-Bridge oscillator” obtenemos un generador de 1Khz tipo puente de Wien. El diseño original utiliza dos fuentes de +15 y -15V. Lo modificamos para que use una sola fuente de 30V y le agregamos un potenciómetro para atenuar y ajustar la salida requerida para la base de Q2 del diseño de la sección osciladora-moduladora.

Fig.6 Oscilador de 1 KHz

Controle el funcionamiento del generador de audio con el osciloscopio, con la sonda de valor pap o ingresando en la entrada de un reproductor de CD. Recuerde poner el preset de ganancia R1 a mínimo para forzar la oscilación y luego ir aumentando su valor hasta obtener una salida de 15V pap midiendo con la sonda de valor pico a pico conectada sobre R7. pap.enerador de audio con el osciloscopio o con la sonda de valor pap.un transistor, y osciladores p

Conecte provisoriamente la salida del generador de audio al capacitor C8 del oscilador y modulador.

Conecte un cable de 75 cm sobre R5, para que oficie de antena y acérquelo a la antena telescópica de la radio con frecuencímetro.

Coloque el trimer C1 en su posición central. Coloque el potenciómetro R9 en mitad de su recorrido. En estas condiciones nuestro generador debe producir un tono de 1 KHz aproximadamente en el centro de la banda de FM. Busque el tono con una radio que posea frecuencímetro y ajuste la bobina L1 en consecuencia para que el tono caiga cerca de 98 MHz.

Luego lleve el potenciómetro de ajuste de frecuencia R9 a su valor máximo. Lleve la radio a 108 MHz y ajuste el trimer C1 hasta que se escuche el tono. Ahora lleve el potenciómetro a mínimo ajuste la radio a 108 MHz y ajuste el núcleo de la bobina para que se escuche el tono. Repita los ajustes de 108 y 88 MHz varias veces hasta que queden perfectamente ajustados.

De este modo queda ajustada la sección de RF.

Ahora hay que ajustar la profundidad de modulación. Conecte la sonda de valor pap entre el colector y masa de Q2 y ajuste el preset R8 del oscilador de audio a 200 mV pap.

Como el lector puede observar nuestro oscilador controlado por tensión es un instrumento muy completo armado con materiales que seguramente se encuentran disponibles en nuestro taller.

Si bien esta construido sobre todo para ajustar una radio de FM es fácil modificarlo para que cubra la FI de un TV.

La emisora de FM

Que nuestro dispositivo sea un generador de ajuste de radios de FM, o una emisora de FM, todo depende de la fuente de audio usada como modulador. Utilizando el generador de 1 KHz busque una zona de la banda que este relativamente vacía como frecuencia de su emisora casera.

Sin autorización de la secretaria de comunicaciones no se puede colocar una antena aerea pero Ud. puede colocar una antena emisora dentro de su casa o en su parque o patio a nivel del terreno.

La polarización de las ondas de FM es vertical, así que la antena transmisora debe ser un dipolo de ¼ de longitud de onda con por lo menos cuatro radiales, usados como plano de tierra con un ángulo de 120º con respecto a la antena.

Fig.7 Antena irradiante de ¼ de longitud de onda

Nota: en la figura los radiales se dejaron a 90º pero el lector deberá doblarlos mas hacia abajo.

La varilla irradiante debe pasar por un agujero del circuito impreso para darle mayor solidez mecánica al conjunto. Todas las varillas deben soldarse al cobre con un soldador de 100 o 150 W.

Los conductores vivo y de masa de la antena pueden ser de cobre de 2 mm y su largo tanto para el irradiante como para el plano de tierra debe calcularse según la formula

L = c/4F

en donde c es la velocidad de la luz de 300.000 Km/seg y F la frecuencia elegida para su emisora. Por ejemplo si está en el centro de la banda la frecuencia es de 98 MHz y el cálculo da 75 cm. El soporte central está realizado sobre un circuito impreso.

Esta antena tiene una impedancia caracteristica Z0 de 50 Ohms y puede conectarse al oscilador de RF con un cable coaxil de la misma impedancia característica. El vivo se conecta a C4 con un resistor de 68 Ohms y el otro lado al irradiante vertical. La maya se conecta a la masa del transmisor y por el otro lado a los radiales de masa.

Pruebe el alcance con el tono de audio de 1 KHz y cuando tenga todo en condiciones agregue al diseño la sección de audio con el micrófono y la entrada de audio para el reproductor de CD o el MP3, que se puede observar en la figura siguiente.

Fig.8 Sección de micrófono y música

Este circuito está basado en un micrófono electret de dos terminales. Un micrófono electret funciona por el principio mismo del capacitor plano. Si se fabrica un capacitor con una chapa fija y otra con forma de membrana tensa y se habla sobre ella para que el dieléctrico cambie de espesor, se consigue un capacitor variable por la voz. Ese capacitor se carga desde fuente con un resistor (R4) y luego de la carga queda con una cantidad de electrones fijos en su interior dados por la fórmula

Q = C/V de donde V = C/Q

Como Q no cambia al cambiar C por las vibraciones, debe cambiar V y eso es justamente lo que se busca. Una tensión que varíe según las vibraciones del aire. Como el capacitor es de pequeño valor la sensibilidad del micrófono es poca y se debe agregar un transistor amplificador lo mas cerca posible del electret. Es decir que tal vez sea conveniente armar el micrófono y el transistor Q1 inmediatamente sobre el y luego un cable de tres conductores con fuente, masa y colector del transistor. En este caso se trabaja a una impedancia de 10K y la captación de zumbido es mucho menor. Para mejorar el problema de la captación puede utilizar un cable blindado de audio estereofónico y usar un vivo para la fuente el otro para el colector y la maya como masa.

El lector puede observar que la salida del colector se conecta a un potenciómetro que opera como control de volumen de micrófono. Separadamente se provee una entrada para un MP3 o una salida auxiliar de un reproductor de CD que se conecta a otro potenciómetro que opera como control de volumen auxiliar. Este sistema es lo que se llama un mezclador y permite la operación compensada de nuestra emisora casera y realizar fundidos de música y voz.

Dejamos a nuestros lectores la posibilidad de juntar las tres fuentes de sonidos con un mezclador de tres potenciómetros para combinar tono de 1KHz a las dos fuentes de sonido que acabamos de explicar.

Con la debida autorización de la secretaria de comunicaciones, un transmisor de este tipo, con una antena a una altura de unos 10 metros se pueden obtener alcances de 1Km o más. La utilización de antenas comerciales puede extender aun más el alcance pero hay que tener en cuenta el tipo de irradiación que se desee. No es lo mismo una transmisión punto a punto, que una transmisión del tipo circular hacia los 4 puntos cardinales.

Cables coaxiles

Los cables coaxiles son ampliamente utilizados en electrónica para conectar dispositivos de radiofrecuencia y están construidos para evitar que la energía transportada por el cable sea irradiada directamente. V

Fig.9 Fotografia de un cable coaxil RG59 que es el más indicado en nuestro caso

El cable coaxial o coaxil, fue creado en la década de los 30 del siglo pasado; posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la señal, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

El conductor central puede estar constituido por un alambre sólido o por varios hilos retorcidos de cobre; mientras que el exterior puede ser una malla trenzada, una lámina enrollada o un tubo corrugado de cobre o aluminio. En este último caso resultará un cable semirrígido.

La construcción de cables coaxiales varía mucho dependiendo del tipo. La elección del diseño afecta al tamaño, flexibilidad y propiedades del mismo. Un cable coaxial consta de un núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa.

Rodeando al núcleo existe una capa aislante dieléctrica que la separa de la malla de hilo. La malla de hilo trenzada actúa como masa, y protege al núcleo del ruido eléctrico y de la interferencia que proviene de los coaxiles adyacentes. El núcleo y la malla deben estar separados uno del otro. Si llegaran a tocarse, se produciría el cortocircuito de la señal. Una cubierta exterior no conductora (normalmente hecha de goma, teflón o plástico) rodea todo el cable, para evitar las posibles descargas eléctricas de la malla. En los cables coaxiales los campos debidos a las corrientes que circulan por el conductor interno y externo se anulan mutuamente.

La mayoría de los cables coaxiales tienen una impedancia característica de 50, 52, 75, o 93 Ω. La industria electrónica usa nombres de tipo estándar para cables coaxiales.

Nota: recuerde que 20 dB equivalen a 10 veces.

Conclusiones

En esta lección presentamos un instrumento de pruebas para radios de FM, un oscilador de frecuencia fija de audio y una estación transmisora de FM en un solo dispositivo. Recomendamos que el alumno encare su armado sin dudarlo, porque por muy poco dinero tendrá la posibilidad de realizar una práctica muy útil para su desarrollo como reparador.

Al mismo tiempo aplicamos componentes muy importantes, estudiados con anterioridad, como el diodo varicap y el diodo zenner y conocimos otros que ya era imprescindible conocer como el microfono electret y el cable coaxil.