Sesión 21

En esta sesión vamos a terminar el emisor de la radio-baliza, para ello se añadirá al oscilador de 27MHz (diseñado en la sesiones anteriores), un circuito que permita realizar una modulación ON/OFF con un periodo de 1 segundo.

Con las condiciones de modulación anteriores y sabiendo que tenemos una portadora de 27MHz, la estructura del receptor puede ser la siguiente:

A la salida de este receptor se tendrá una señal de 1KHz de 1/2 segundo de duración y que se repetirá cada segundo, la cual, mediante un sistema de amplificador + altavoz, reproducirá un pitido claramente audible.

Para conseguir una modulación ON/OFF de la salida del oscilador, es necesario poder hacer que éste oscile a voluntad.

Una primera idea para conseguirlo, puede consistir en controlar la alimentación del circuito mediante un interruptor electrónico, pero ojo, entre los terminales de alimentación tenemos un condensador de desacoplo grande, lo que comportará una constante de tiempo elevada en las conmutaciones.

Una solución más adecuada consiste en controlar el terminal emisor del transistor:

El control del oscilador con este circuito es el siguiente:

• Vc = 15v - El transistor está en corte y el oscilador no funciona.
• Vc = 0 - El transistor está en zona activa y el circuito oscila.

Ahora que ya sabemos como controlar el funcionamiento del oscilador, es necesario un circuito que permita una secuencia de activación / desactivación periódica.

Una solución sencilla y al alcance de cualquier aficionado a la electrónica es el circuito integrado NE555, que permite generar una señal rectangular de 0 - 15v con muy pocos componentes externos:

Para conseguir una señal que tenga, por ejemplo, 1 segundo a 0v y 1 segundo a 15v, los valores adecuados serían:

C=47μF, R1=1K, R2=27K

Finalmente, se conectan modulador y oscilador juntos para formar el emisor de pulsos de 27MHz:

Para verificar el funcionamiento del modulador, se ha añadido un diodo LED que se encenderá cuando se emite la señal de 27Hz.

Se finaliza la clase en el laboratorio, realizando el montaje práctico del circuito anterior. Una vez verificado el funcionamiento del 555, se conecta una antena y con un receptor sintonizado en 27MHz, comprobamos que se escucha un tono intermitente de 1KHz, con la misma cadencia que se observa en el parpadeo del LED.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 20

Empezamos la sesión viendo las posibilidades existentes para modificar ligeramente las frecuencias fs y fp del cristal de cuarzo. Existen dos posibilidades:

• Condensador variable en paralelo: permite disminuir fp.
• Condensador variable en serie: permite aumentar fs.

En cualquier caso, lo que no es viable es disminuir fs o aumentar fp.

En la pasada sesión se comentó que el cristal de cuarzo, para frecuencias situadas entre fs y fp, presentaba un comportamiento inductivo. De hecho se puede demostrar que, entre dichas frecuencias, el cristal se comporta como un inductor cuyo valor se situa entre 0 e infinito.

Gracias al comportamiento inductivo del cristal, en un circuito oscilador es posible sustituir el inductor existente por un cristal. Veamos el ejemplo del oscilador de Colpitts:

En el circuito anterior se ha sustituido el inductor por un cristal de 27MHz. La peculiaridad de este montaje consiste en que el cristal, que en modo inductivo puede tomar cualquier valor entre 0 e infinito, se comportará como un inductor justamente del valor adecuado para que el circuito oscile a dicha frecuencia.

Teniendo en cuenta esto, el condensador variable Cv será innecesario y por eso desaparece del circuito con el cristal, igual que el desacoplo en DC, ya que en DC el cristal es un circuito abierto y no un cortocircuito como ocurría con el inductor.

Si probamos este circuito en nuestro laboratorio, observaremos que no oscila a 27MHz sino a 9MHz. Esto ocurre porque el oscilador está tallado para funcionar con sobre-tono (over-tone). Este tipo de cristales tienen un modo fundamental y funcionan correctamente en el tercer armónico de dicho modo, lo cual facilita su fabricación, ya que se pueden hacer con un grosor mayor.

Del estudio de los teóricos de circuitos, surge una nueva configuración de oscilador:

Resolviendo el circuito anterior, se llega a la siguiente condición de oscilación:

En un ejemplo de circuito con la nueva configuración de oscilador, la etapa amplificadora se puede implementar mediante una puerta NAND, y en el filtro paso-banda sustituir el inductor por un cristal de cuarzo:

La desventaja de este oscilador que acabamos de ver, denominado oscilador de Pierce por llamarse así su inventor, es que oscila en el modo fundamental del cristal, por lo tanto no es válido para trabajar con un un cristal que funcione con sobre-tono.

A continuación se estudia otro ejemplo, basado en un amplificador construido mediante un transistor bipolar. En este caso se utilizará una variante de circuito de polarización, con dos resistencias conectadas en la base:

En este circuito, el filtro paso-banda formado por la bobina y el condensador variable, sintonizados a un valor algo inferior a 27MHz, permite el funcionamiento del oscilador con un cristal con sobre-tono, el cual se coloca en el lazo de realimentación.

Acabamos la sesión en el laboratorio, en él llevaremos a cabo el montaje del oscilador de Pierce con amplificador basado en BJT visto anteriormente, y observaremos que su funcionamiento es correcto.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 19

En la pasada sesión vimos que para construir un analizador espectral se utilizaba un filtro paso-banda de frecuencia central variable. Para conseguir el mismo efecto utilizando un paso-banda de frecuencia central fija, se recurría a un multiplicador y un oscilador con frecuencia controlable.

También se vio que, para automatizar el barrido de frecuencias en el analizador, era necesario poder controlar la frecuencia del oscilador mediante una tensión.

Así pues, en esta sesión nos centraremos en como conseguir un oscilador con frecuencia controlable por tensión y se describirá un componente vital en circuitos que precisan generar una determinanda frecuencia: el cristal del cuarzo.

Basándonos en la estructura del oscilador construido en la sesión 17, llegamos a la conclusión de que el elemento que permite variar la frecuencia del oscilador es un condensador variable. Así pues, parece lógico pensar que, para conseguir un oscilador de frecuencia controlable mediante una tensión, sea necesario tener un condensador cuya capacidad se modifique precísamente con una tensión.

Si pensamos en como está construido un diodo semiconductor, observamos que en polarización inversa se comporta como un condensador: una zona N y otra P (que actuan como placas) separadas por una barrera de potencial (que actúa como dieléctrico). Variando la tensión aplicada en sus terminales varía el tamaño de la barrera, y por tanto también la capacidad del condensador que se forma.

Un tipo especial de diodo, denominado Varicap, está construido de manera que maximiza el efecto condensador y por tanto es el más adecuado para este tipo de aplicaciones.

En la figura anterior se observa el montaje realizado para conseguir un condensador de capacidad controlada por tensión. La resistencia de gran valor limita la corriente que circula por el diodo y el condensador (también de capacidad elevada) evita que la tensión de control interfiera en el circuito al cual se conecta.

Pasamos rápidamente al laboratorio para añadir el circuito con el varicap a nuestros oscilador de 27MHz y verificar su comportamiento. Los resultados obtenidos son satisfactorios.

Se obtiene una variación pequeña al conectarlo en paralelo con C2 y mayor al conectarlo en paralelo con Cv. Como el condensador variable está soldado a la placa y no se puede extraer, el efecto de variación de la frecuencia del circuito añadido es menor de lo esperado.

El cristal de cuarzo

A menudo es necesario dotar un circuito de un determinado patrón de frecuencia que sea inalterable, es decir, que no dependa del valor de un determinado condensador o bobina y que permanezca estable al variar las condiciones del entorno.

Los cristales de cuarzo se obtienen tallando el cuarzo en delgadas láminas de geometría muy precisa. Posteriormente se metalizan las caras opuestas y se encapsulan.

Segun sea el tipo de corte, el efecto piezoeléctrico proporciona un comportamiento selectivo en frecuencia, que tiene unas características muy estables.

Se puede resumir su comportamiento en base a dos frecuencias caracterísiticas própias del cristal y su corte (fs y fp):

• f < fs: Comportamiento capacitivo.
• f = fs: Cortocircuito.
• fs < f < fp: Comportamiento inductivo.
• f = fp: Circuito abierto.

Las frecuencias fs y fp son extremadamente estables, el intervalo que las separas es de tan sólo unos pocos KHz y se pueden ubicar a varias decenas de MHz.

En esencia, podemos interpretar el cristal de cuarzo como un interruptor que se cierra únicamente a la frecuencia que nos interesa. Una forma simple de añadirlo a nuestro oscilador será colocarlo en el lazo de realimentación, de esta manera el lazo sólo se cierra (y por tanto el oscilador funciona) a la frecuencia de interés.

Finalmente, volvemos al laboratorio para colocar el cristal de cuarzo de 27MHz en el lazo de realimentación de nuestro oscilador, y comprobamos que el ajuste del condensador variable sólo permite que éste oscile a dicha frecuencia, en el momento en que variamos el ajuste, el oscilador deja de funcionar.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de radioreceptores.

Sesión 18

Se empieza la sesión en el laboratorio. Se llevará a cabo el montaje y verificación del oscilador de 27MHz diseñado en la clase anterior.

Para la realización del montaje se utiliza una placa de circuito impreso específica, que incorpora el autotransformador y el condensador variable. Una vez todo conectado, se alimenta el circuito y se observa la salida con el osciloscopio (sin usar sonda de baja capacidad). En un primer momento no aparece la señal, pero tras hacer girar el condensador variable, se encuentra un punto en el que aparece una señal sinusoidal bastante aceptable (a simple vista) en la pantalla. ¡El oscilador funciona!

Nos preguntamos que potencia se está disipando en la resistencia de carga que simula la antena, pero ¡ojo! aunque pueda parecer que lo que tenemos ante nuestros ojos es una sinusoide, en verdad no lo es, por lo que aplicar aquí la formulación habitual para este tipo de señales sería temerario. La forma más adecuada de obtener la potencia disipada es midiendola directamente, para realizar dicha medida se utilizará el analizador espectral.

El analizador espectral

El funcionamiento de un analizador espectral muy básico se puede describir como un filtro paso-banda de frecuencia central seleccionable, seguido de un detector de envolvente, al cual se puede conectar un voltímetro para ver la amplitud de la señal a esa frecuencia.

El proceso de medida se puede automatizar generando automaticamente un barrido de valores para frecuencia central y visualizando gráficamente la salida del detector de envolvente en un gráfico XY. El valor X vendrá controlado por el mismo barrido de la frecuencia central y el Y por la amplitud medida en cada caso.

Así pues, la clave para construir un analizador espectral está en conseguir un filtro paso-banda con frecuencia central variable electrónicamente y que tenga un ancho de banda estable en todo el margen. Conseguir un filtro con estas características usando las técnicas descritas hasta ahora no será viable, ya que como se vio en sesiones pasadas, en estos filtros el ancho de banda varía al variar la frecuencia central.

Sabemos que lo más eficiente es construir un filtro un filtro paso-banda que cumpla unos requisitos determinados a una determinada frecuencia fija, de hecho hasta los podemos encontrar ya encapsulados comercialmente con frecuencias centrales típicas (455KHz, 10.7MHz, 45MHz, etc...). Si conseguimos desplazar la señal a medir a la frecuencia del filtro, el efecto será el mismo que tener el filtro ajustado a la frecuencia de la señal, con la ventaja de que el filtro siempre tendrá la misma fc.

¿Como conseguimos desplazar una señal en frecuencia?

Pues utilizando un oscilador sinusoidal de frecuencia variable y un multiplicador. Como ya se vio en el caso de la modulación AM, se puede conseguir un desplazamiento en frecuencia mediante la multiplicación de la señal original por una sinusoide de una determinada frecuencia. La frecuencia del oscilador para medir la amplitud a una determinada frecuencia (fc) con un filtro de una frecuencia fija (fi) deberá ser (fc-fi).

Para acabar la sesión volvemos al laboratorio para llevar a cabo la medida del espectro de nuestro oscilador de 27Mhz. Utilizaremos el HM8028 de Hameg, un analizador de espectro un poco diferente a los que yo personalmente había utilizado hasta ahora.

A diferencia de los típicos analizadores totalmente autónomos, con pantalla y controles propios, el HM8028 no incluye un visualizador gráfico, sino que precisa de un osciloscopio en modo XY (con unos ajustes H/V determinados) para poder observar el contenido espectral de la señal medida.

Ahora si, ya estamos en condiciones de medir la potencia de nuestro oscilador de la radiobaliza. El resultado de la medida es -7dBm, lo que se traduce en una potencia de 0'2mW.

Sesión 17

El circuito oscilador que se montó en la pasada sesión utilizaba una bobina. Las bobinas son elementos complejos de fabricar y su coste aumenta con el número de espiras por necesitar mucho cobre. ¿Se podría construir un oscilador sin utilizar bobinas? La respuesta a esta pregunta la encontramos en el oscilador Puente de Wien.

El filtro que incorpora este oscilador únicamente utiliza dos resistencias y dos condensadores (R y C) y la frecuencia de oscilación viene dada por f=1/2πRC. Si además los valores de ambas resistencias y ambos condensadores son iguales, entonces BW=3/RC (por tanto Q=1/3). Al igual que en el circuito oscilador visto anteriormente, a través de Ry se debe ajustar la ganancia hasta estabilizar el circuito.

Para evitar la necesidad de ajuste de la ganancia, en 1939 William Hewlett inventó un sistema basado en una lámpara usada como termistor de coeficiente positivo. Al aumentar la tensión en la salida la lámpara se calienta más y su resistencia aumenta, este efecto provoca a su vez una reducción en la tensión de salida, lo que hace disminuir la resistencia de la lámpara. Este proceso hace converger lentamente el valor de la ganancia hasta estabilizarse.

El equivalente moderno del circuito de Hewlett se muestra a continuación:

En este circuito el resistor variable se implementa con un transistor FET, donde la tensión de puerta viene controlada por un circuito detector de envolvente conectado a la salida del amplificador.

Llegados a este punto, ya tenemos una metodología para analizar circuitos osciladores:

1. Abrir el lazo de realimentación.
2. Obtener la ganancia K del amplificador y la H(2πf) del filtro.
3. ¿Existe una frecuencia con desfase nulo?
• Amplificador no inversor: filtro puramente resistivo en fr.
• Amplificador inversor: filtro puramente resistivo + π en fr.
4. ¿Es la amplificación mayor o igual a 1?

Los circuitos osciladores comentados hasta el momento utilizan un AO como amplificador. En anteriores sesiones ya hemos visto que este tipo de dispositivos tienen un mal comportamiento a altas frecuencias, así que para conseguir osciladores de este tipo de frecuencias será necesario recurrir al transistor.

En la configuración final se utilizará un amplificador que actuará como seguidor de tensión, y necesitaremos un filtro pasobanda con ganancia mayor que la unidad.

¿Por qué necesitamos entonces el amplificador, si tiene ganancia unitaria? Pues para que suministre la potencia que se disipa en el filtro.

Diseño de un oscilador de 27MHz

Con todo lo aprendido hasta el momento, nos disponemos a diseñar un oscilador completo para utilizarlo en nuestro emisor de radiobaliza. La estructura de partida es la siguiente:

La etapa amplificadora, que actúa como seguidor, se construye mediante un transistor trabajando en zona activa. El circuito de polarización será el siguiente:

Con el valor de Rb y Re se controlará la corriente de colector, la amplificación y se fijará el valor de continua sobre el que cabalgará la señal de salida.

Para esta estructura se comprueba que la oscilación tendrá lugar cuando la carga conectada cumpla:

Finalmente mostramos el esquema definitivo del oscilador de nuestra radiobaliza, con los valores particularizados para 27MHz:

Para el conjunto autotransformador y condensador variable se utilizará una plaquita ya montada con ambos elementos incluidos.

En la próxima sesión se realizará el montaje experimental del oscilador en el laboratorio para comprobar su funcionamiento.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de radioreceptores.

Sesión 16

En la sesión anterior, se estudió un circuito para evitar la degradación por efecto carga con muchas posibilidades, únicamente utilizaba dos condensadores en serie:

Para comprender el funcionamiento de este circuito, se estudia un método para realizar transformaciones serie-paralelo y viceversa:

Aplicando la transformación paralelo-serie de C2 y Ro, se obtiene una rama donde C1, C2 y una nueva resistencia (que llamaremos Rs) están en serie, y por lo tanto C1 y C2 se pueden sustituir por uno sólo de capacidad: el producto de ambos dividido por la suma. La nueva rama tiene un condensador en serie con Rs, aplicando una conversión serie-paralelo llegamos al siguiente resultado:

Como se puede observar en el dibujo anterior, en el circuito equivalente el condensador del filtro estará formado por la combinación de valores de C1 y C2 y la resistencia de carga (vista desde el filtro) estará multiplicada por un factor cuadrático, que también dependerá de los valores de C1 y C2.

La respuesta en frecuencia de los filtros paso-banda comentados, consiste típicamente en una curva con un pico en la frecuencia de resonancia y con un determinado ancho de banda. Cuando se quiere tener una respuesta más parecida a un filtro ideal (respuesta plana en todo el ancho de banda) se utiliza el acoplamiento inter-etapas, que consiste en concatenar diferentes filtros (típicamente 3) con frecuencias consecutivas. Este tipo de circuito es fácil de identificar en un receptor ya que habitualmente se implementa con tres tanques que suelen estar agrupados en la placa.

Una tercera alternativa para evitar la degradación por efecto carga, consiste en utilizar un autotransformador. Se trata de una solución parecida a la del transformador, con la diferencia de que, en lugar de un segundo devanado sobre el núcleo de la bobina, se realiza una toma intermedia en ésta. La relación de transformación se crea a partir del número de espiras entre los dos extremos de la bobina y la toma intermedia.

Todos los métodos vistos hasta el momento para evitar la degradación por efecto carga, permiten también adaptar la impedancia de entrada de un circuito, para así adecuarla a la línea y la antena que se les conecta.

Emisor de la radiobaliza.

El propósito de este nuevo bloque es el de construir la parte del emisor de una radiobaliza que funcionará a 27MHz, en el bloque siguiente se llevará a cabo la construcción del receptor.

Para construir una radiobaliza que transmita a 27MHz es imprescindible disponer de una señal de dicha frecuencia, es por ello que empezamos haciéndonos una pregunta transcendental: ¿Como se construye un oscilador de 27MHz?

Un primer planteamiento nos lleva a un circuito LC:

Idealmente este circuito se comporta como un oscilador de frecuencia 1/SQRT(LC), sin embargo la energia inicialmente almacenada en el condensador se disipará en la resistencia parásita de la bobina, por lo que la tensión de salida se anulará rápidamente.

Elaborando un poco más la idea del oscilador, nos planteamos un circuito con un generador sinusoidal, un amplificador y un filtro pasobanda sintonizado a la frecuencia del generador. Si la cadena amplificador+filtro tiene una ganancia que hace que la tensión de salida sea igual a la de entrada y que ambas señales estén en fase (condiciones de Barkhausen: ganancia = 1 y diferencia de fase = 0), entoces si se cambia el generador por una conexión entre salida y entrada, el funcionamiento del circuito no debería alterarse.

¿Que ocurre si la ganancia no es exactamente 1?

• K < 1 - La señal de salida se va atenuando cada vez más hasta anularse.
• K > 1 - La oscilación crece indefinidamente hasta saturar el circuito y entonces deja de ser senoidal.
  

Esta particularidad obliga a un ajuste preciso de la ganancia, lo cual complica en exceso la puesta en marcha del circuito. En la próxima sesión veremos como solucionaron este problema en su día los señores Hewlett y Packard.

Aun nos queda pendiente una cuestión:

¿Como hacer funcionar el oscilador sin un generador de arranque?.

Pues bien, la respuesta está en el ruido. En ausencia de entrada, un circuito amplificador presenta en su salida una señal débil de ancho de banda infinito, se trata del ruido térmico propio de los componentes que lo forman, dicho ruido es proporcional a la temperatura.

Si se filtra paso-banda el ruido, se obtiene únicamente la componente frecuencial de interés. Si el resultado del filtrado se realimenta a un amplificador de ganancia mayor que la del filtro, el resultado es una señal creciente que aumenta hasta saturar la salida del amplificador.

Al estar saturado, el contenido espectral de la salida del amplificador estará repleto de armónicos, sin embargo a la salida del filtro estas componentes no existirán, por lo que tendremos una señal sinusoidal bastante aceptable.

A continuación pasamos al laboratorio, donde se realiza la demostración del circuito que se acaba de describir. Se observa la dificultad en el ajuste de la ganancia y el aspecto de las señales antes y después del filtro.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 15

Nos adentramos en el mundo de los transformadores y para ello es preciso empezar hablando del acoplamiento magnético. Cuando dos bobinas de un circuito están situadas de forma que sus flujos se concatenan (colineales, mismo toroide, etc...) su comportamiento deja de ser el de dos bobinas independientes, a esta configuración la llamamos transformador.

Empezamos estudiando el modelo del denominado "Transformador Perfecto":

En el modelo observamos una etapa A denominada primario, y otra B denominada secundario. El circuito al cual se conecta al devanado del primario ve la inductancia de éste, este efecto se modela a través de L1. A continuación se representa lo que llamamos el transformador ideal, modelado por su relación de espiras N, donde N=SQRT(L1/L2) luego ya tiene en cuenta la inductancia del devanado secundario.

El transformador ideal (conversor positivo de impedancias) se define como una caja con dos terminales de entrada y dos de salida, y que responde a las siguientes propiedades:

En la práctica es imposible conseguir un transformador ideal, como máximo conseguiremos un transformador perfecto, el cual no funciona para tensiones continuas.

Aplicaciones del transformador:

• Obtención de tensiones alternas inferiores a 220Vef a partir de la tensión de red.
• Multiplicador de impedancias.
• Detector de metales.
• ...

De las diferentes aplicaciones del transformador, la que permite multiplicar la impedancia presente en el secundario (vista desde el primario) resulta muy interesante para evitar la degradación de la Q en circuitos resonantes al conectar una carga.

Para finalizar, se ve otra configuración que permite evitar la degradación de la Q al conectar una carga al filtro. Esta nueva configuración evita la necesidad de un transformador:

En próximas sesiones trataremos más en profundidad este circuito.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.