Download Diseño y construcción de circuitos para radiocomunicación

Universidad Autónoma Metropolitana
Iztapalapa
P
REPORTE DE P OYECTO TERMINAL DE LA
c/* CARRERA DE INGENIERIA EN ELECTRONICA~CON
AREA DE CONCENTRACION EN COMUNICACIONES.
Diseño y construcción de circuitos para
radiocomunicación. (Estación transmisora de
EM.).
Hugo Rodríguez Ramos.
Jorge Carlos Cantarell Zaldívar.
Manuel Pacheco Furber.
ASESOR.- Ing. Juan Carlos Sánchez García.
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A NUESTROS PADRES
Con respeto y cariño por el apoyo brindado,
su comprensión y su infinita sabiduría.
A NUESTROS FAMILIARES Y AMIGOS
A NUESTROS MAESTROS
Y especialmente al Ing. Juan Carlos Sánchez García por el
apoyo brindado para la realización de este proyecto.
ÍNDICE
1.- Fundamentos de radio frecuencia.
2.- Etapa amplificadora de audio.
3 .-Etapa de oscilación de frecuencia variable controlada por la información.
4.-Etapa amplificadora de RF clase “A”.
5.-Etapa amplificadora de RF clase “B” de potencia.
6.- Etapa amplificadora de RF clase “C” de potencia.
7.-Etapa de filtraje de salida.
8.- Construcción de antenas.
FUNDAMENTOS DE ANTENAS
Las antenas son circuitos eléctricos de una clase especial. En circuitos
ordinarios, las dimensiones de las bobinas, capacitores y conectores usualmente
son muy pequeños comparados con la longitud de onda que se utiliza. Cuando este
es el caso, la mayoría de energía electromagnética se queda en el mismo circuito y
es usada ya sea como desempeño de trabajo Útil Ó bien se convierte en calor. Pero
cuando las dimensiones del cableado Ó los componentes se vuelven apreciables con
respecto a la longitud de onda, algo de esta energía escapa en forma de radiación
de ondas electromagnéticas. La antena es un circuito que se diseña
intencionalmente para darle énfasis a la radiación de energía.
Frecuentemente, una antena se hace de alambre, aparte de que también se usan
varillas y pedazos de tubo. Aquí se utilza el término “alambre” para dar a entender
cualquier tipo de conductor que tenga una sección transversal sumamente pequeña
comparada con su largo. Una antena puede ser construida usando un conductor
recto o también usando una combinación de conductores.
El campo electromagético de una antena consiste de ambas energías la eléctrica
y la magnética tanto una como otra no pueden dejar de existir dentro de una onda
electromagnética. La intensidad del campo electromagnético radiado de una
sección de alambre portando corriente de radio fieceuncia (RF) depende del largo
del alambre y de la cantidad de corriente que fluya sobre éste.
En un circuito ordinario usualmente la inductancia se concentra en las bobinas,
la capacitancia en los capacitores y la resistencia en los resistores; Además una
resistencia se asocia con el cableado del circuito, conductores trenzados y pérdidas
del dieléctrico de los capacitores. A tales circuitos con componentes discontinuas
se dice tienen “constantes agrupadas”. Por otro lado en una antena en la que la
inductancia, capacitancia y resistencia se distribuyen a través del cable se dice que
tienen “constantes distribuidas”.
LA RESONANCIA EN LOS CIRCUITOS LINEALES.
La longitud m á s corta que resuena (sin constantes agrupadas) a determinada
fiecuencia es justamente el largo suficiente para permitir a la energía de RF viajar
de un extremo a otro y regresar en el lapso de un ciclo de RF. La velocidad de la
energía no es la misma a la de un electrón solitario moviéndose dentro del cable,
puesto que un electrón no viaja demasiado lejos en el cable antes de chocar e
interactuar con otras partículas atómicas. La energía de RF sin embargo se mueve
a manera de onda. Si la velocidad a la que se mueve la energía es igual a la
velocidad de la luz 299,793,077 metros por segundo, la distancia que cubre en un
ciclo o periodo es igual a la velocidad de la luz dividida entre la frecuencia en
hertz, ó en otras palabras aproximadamente:
C= (299,800,000) / (Frecuencia en hertz)
En la que les la longitud de onda, en metros para este caso. Puesto que la carga
atraviesa el alambre 2 veces, el largo del alambre que se necesita para permitir a la
carga viajar una distancia en un ciclo es V2, o un medio de la longitud de onda.
El alambre mas corto (resonante) sería por lo tanto % 1:
La razón de esta medida puede aclararse por medio de un ejemplo simple;
Imaginese una apertura con barreras en cada extremo, si una pelota elástica
comienza a moverse a lo largo de la apertura desde uno de los extremos, esta
golpeará a la barrera contraria rebotando y golpeando de nueva cuenta a la barrera
contraria y continuará haciendo esto hasta que toda la energía impartida desde un
principio se haya disipado.
Si de algún modo cada vez que la pelota regresa y pega con la pared contraria
se le pudiera dar un nuevo empuje y su movimiento pudiese ser indeñnido. Los
empujes sin embargo deberían ser sincronizados apropiadamente; en otras palabras
el rango ó la fiecuencia de los impulsos deben ser ajustados al largo del viaje y al
rango del viaje, o si la sincronización de los impulsos y la velocidad de la pelota
son ajustados, el largo de la apetura debe ser readaptado.
En el caso de la antena la velocidad de la carga es escencialmente constante, así
las alternativas de ajustar la fiecuencia a un largo dado de alambre, Ó el ajuste de la
longitud del alambre a una fi-ecuencia dada son válidas tanto una como
otra.(Comunmente se ajusta el largo del alambre ya en la práctica.
Cambiando las unidades en la ecuación ya dada y dividiendo entre 2, resulta la
ecuación:
A= 49 1.8/f
Con la frecuencia (f) dada en Megahertz, se obtiene en este caso que' es la
longitud en pies de media longitud de onda para una fiecuencia f cuando la onda
viaja a la velocidad de la luz. Esta ecuación es la base para varios largos en los
trabajos de antenas. Esto representa la longitud de media onda en el espacio libre,
cuando ningún factor que modifique la velocidad existe. Para determinar la mitad
de longitud de onda en metros, la fórmula es:
A= 149.91f
CORRIENTE Y DISTRIBUCION DE VOLTAJE.
Si el alambre en una antena fuese infínitamente largo, la carga y la corriente
disminuirían en amplitud con la distancia desde la fuente. El lento decrecimiento
sería resultado de la disipación de enegía en la forma de radiación de ondas
electromagnéticas y en un calentamiento del alambre debido a la resistencia del
conductor. Sin embargo, cuando el alambre es corto, la carga se refleja cuando
esta llega al ñnal, tal como lo haría la pelota al llegar a la berrera contraria.
Con excitación RF de una antena %l, hay seguramente solo una carga, sino una
fuente continua variando tal y como lo hace una onda sinusoidal. Esto es como una
serie de cargas, cada una de amplitud diferente que preceden una a otra. Cuando
una carga llega al fin de la antena y es reflejada la dirección de la corriente fluye al
revés. Así es como la carga empieza a viajra ahora en sentido opuesto. La siguiente
carga esta justamente llegando al final de la antena, sin embargo dos corrientes de
escencialmente la misma amplitud, pero fluyendo en direcciones contrarias existen
en algún punto del alambre. Por lo tanto la corriente resultante en el fin del alambre
es cero.
Mas alla del fin de la antena, las magnitudes de las corrientes de salida y de
regreso no son las mismas por lo tanto las cargas que las provocan han sido
proporcionadas a la antena en diferentes partes del ciclo de RF. Hay menos
cancelación y por consecuencia alguna corriente existe. La gran diferencia (Es
decir, la corriente mas grande resultante) existe a %1 de distancia de la terminación
de la antena al regresar aún mas allá de este punto la corriente decrece hasta la
mitad de la longitud de onda lejos de la antena, esta llega a cero de nuevo. De esta
manera, en un medio de 1, la corriente es cero en la terminación y alcanza su
máximo en el centro.
La distribución de corriente resultante a lo largo de un alambre de 1/21 resulta en
un defasamiento de las ondas de voltaje y corriente. Esto es lo que se llama una
onda estacionaria de coriente, la corriente instantanea en cualquier punto varía
sinusoidalmente a la fiecuencia aplicada, pero su amplitud es diferente en cada
punto a lo largo del alambre, la curva de onda estacionaria tiene en si misma la
forma aproximada de una onda seno.
El voltaje a lo largo del alambre se comporta de manera diferente a la corriente;
este es mas grande en la terminación de la antena debido a que en ese punto
prácticamente 2 caras iguales se adicionan a lo largo del alambre sin embargo, las
cargas de salida y de regreso no son iguales y su suma es muy pequeña. En el
punto '/4 de 1 la carga de regreso es igual en magnitud pero opuesta en fase con la
carga de salida, esto es por lo que en ese momento la polaridad de la onda de
voltaje se invierte. Los dos voltajes por lo tanto, se cancelan y el voltaje resultante
es cero, mas allá del punto '/41 del final del alambre el voltaje vuelve a
incrementarse pero esta vez con polaridad opuesta.
El voltaje es por lo tanto máximo en los puntos donde la corriente es mínima y
viceversa, la polaridad del voltaje Ó la corriente se invierte cada 1/21 a lo largo del
alambre pero estos cambios no ocurren en los mismos puntos para la corriente y el
voltaje; los puntos respectivos ocurren de hecho con separación de %l. Un punto
máximo de onda estacionaria es llamado lazo Ó antinodo; un punto mínimo es
llamado nodo.
OPERACION ARMONICA.
Si hay reflexión desde el final de un alambre, el número de ondas estacionarias
en el alambre es igual al largo del alambre entre una media longitud de onda. De
esta manera si el alambre es dos medias ondas de largo, hay dos ondas
estacionarias; si es tres medias ondas de largo, hay tres ondas estacionarias y así
sucesivamente, estos alambres mas largos múltiplos de % de 1 son por lo tanto
resonantes también a la misma fiecuencia de el alambre de longitud % de 1. Cuando
una antena es de dos ó mas medias ondas de largo se dice que es “Armónicamente
resonante” ó que opera en una armónica. El número de armónica es el número de
ondas estacionarias. Por ejemplo, un alambre de dos medias ondas de largo se dice
que opera en su segunda armónica, uno de tres medias ondas se dice que opera en
su tercera armónica y así sucesivamente.
LONGITUD ELECTRTCA.
La longitud eléctrica de un circuito lineal tal como una antena de alambre no es
necesariamente la misma que su logitud fisica en longitudes de onda. Por el
contrario la longitud eléctrica esta determinada por el tiempo utilizado para
acompletar cierto fenómeno.
Por ejemplo imaginese dos circuitos lineales teniendo tales características
diferentes, que la velocidad a la que viaja una carga no es la misma para ambos,
supongase que ambos cicuitos resuenan a la misma fiecuencia y para este
proposito el largo fisico de cada uno es ajustado hasta que una carga comienza a
viajar de un extremo a otro, se refleja y completa su viaje de regreso al siguiente
extremo en exactamente el lapso de un ciclo de la fiecuencia aplicada. En tal caso,
el largo fisico del circuito con la menor velocidad de propagación es más corto que
el largo fisico del otro. Las longitudes eléctricas sin embargo son identicas cada
una siendo de una media longitud de onda.
En circuitos de AC los valores instantaneos de la corriente o el voltaje son
determinados por el instante que dura el ciclo en el cual se hace la medición. Esto
es por el contrario como tomar una fotografia de algo que se mueve en el tiempo.
Si la corriente y el voltaje sigue repetidamente una curva seno que es casi siempre
el caso, el tiempo para cualquier valor instantaneo puede ser especificado en
terminos del angulo. El valor instantaneo de la corriente o el voltaje es calculado al
multiplicar el valor pico de corriente o voltaje por el seno trigonométrico del
angulo. Una onda seno completa ocupa los 360 grados de un circulo y representa
un ciclo de corriente alterna o de voltaje. de esta manera un medio ciclo es igual a
180” y un cuarto de ciclo a 90”. Algunas veces es conveniente usar esta misma
forma de representación para circuitos lineales.
Cuando la longitud electrica de un circuito es tal que una carga que viaja en una
dirección le toma el tiempo de un ciclo o periodo para cambiar la longitud del
circuito se dice que es de 360°, esto corresponde a una longitud de onda. Sobre un
alambre que es un medio de onda en longitud electrica, la carga completa un viaje
solo de ida en medio ciclo, y su longitud se dice que es de 180'. El método angular
de medición es completamente útil para longitudes que no son simples fiacciones o
multiplos de tales fiacciones. Para convertir longitudes de onda fiaccionales a
longitudes angulares hay que multiplicar la fracción por 360".
VELOCIDAD DE PROPAGACION
La velocidad a la que las ondas electromagneticas viajan a traves de un medio
depende de la constante dielectrica del medio. En RF la constante dielectrica del
aire es practicamente es la unidad, asi las ondas viajan escencialmente a la misma
velocidad que la luz en el vacio. Esto es tambien muy cercano a la velocidad de la
carga viajando a traves del cable.
Si la constante dielectrica es más grande que 1, la velocidad de propagación
disminuye. De esta manera la introducción de material aislante que tenga una
constante dielectica m á s grande que la unidad, causa que la energía de RF viaje
más lentamente. Este efecto se encuentra practicamente al conectar antenas y
lineas de transmisión. Esto causa que la longitud electrica de la linea o la antena
sea mas grande que la longitud fisica real indicada.
LONGITUD DE UNA ANTENA DE MEDIA ONDA
Es importante reconocer que una antena no necesita ser resonante para ser un
radiador efectivo. Sin embargo una de las antenas amateur mas comunmente
encontrada es la resonante dipolo de media onda. Esto es una de las m á s
populares antenas usadas por amateurs, sobre todo por su simplesa al construirla y
su buen desempeño. En las instalaciones de alta fiecuencia un dipolo de media
onda puede operar con muy b ena eficiencia a un lejos de la frecuencia a la que
resuena, previendo que la
ea de alimentación que conecta la antena y al
transmisor tenga bajas pkirdidas, muchos amateurs "podan" sus antenas de dipolo,
para que sean resonantes en al& lado en la mitad de una banda particular de
Fecuencias, especialmente si la linea de alimentación usada es un cable coaxial.
Ellos pueden usar un medidor de onda estacionaria (SWR meter) para detectar la
mayoria de cambios en el desempeño de su antena, particularmente después de
severas tormentas de nieve.
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Aun si un dip010 práctico pudiese soportarse con aislantes cosa que no se puede
debido a los campos electromagneticos que viajan a lo largo del alambre al
detenerse, la longitud fisica de una antena práctica es siempre algo menor que su
longitud electrica. Es decir, una antena de media onda no tiene la misma longitud
que una media onda en el espacio. Esta tendrá una longitud electrica igual a 180",
o de otro modo esta será ajustada con una longitud para sintonizar cualquier
ractancia y asi ser una antena resonante.
La longitud de antena requerida para que resuene a una fiecuencia dada
(independientemente de cualquier efecto dielectico) depende del relación entre la
longitud del conductor y su diametro. Mientras m á s pequeña sea esta relación es
decir mientras mas delgado sea el alambre, el acortar la antena de debe de ajustarse
a la longitud electrica dada.
Este efecto depende de K por lo cual una longitud de onda en el espacio libre
debe ser multiplicada por esta (K) para encontrar la longitud de resonancia. K es
una función de la relación de la longitud de onda y del espacio libre para un
diametro conductor, abreviado Ydia.
Un Ydia de 20000 es diñcilmente el promedio para antenas de alambre esto es
aproximadamente la relación para una antena de 7 Mhz %-1 hecha de alambre
calibre no. 12, en esta región K cambia por el contrario lentamente, y una antena
de media onda hecha de alambre
es al rededor del 2% más corta que %-1 en espacio.
IMPEDANCIA DE UNA ANTENA
En la descripción simplificada dada hace un momento de la distribución de
voltaje y corriente a lo largo de una antena, se establecio que el voltaje es O en el
centro de una antena %-1 ( o en cualquier lazo de corriente a lo largo de una antena
más larga). E s más preciso decir que el voltaje alcanza un minimo en vez de que
sea O. El voltaje O con un valor h i t o de corriene implica que el circuito carece
enteramente de resistencia. Tambien implica que no hay energia radiada por la
antena, por lo que un circuito sin resistencia no podría tomar potencia real de la
fuente de alimentación.
Como cualquier otro circuito las antenas consumen potencia. La corriente que
fluye dentro de la antena por lo tanto debe ser suministrada con un voltaje ñnito.
La impedancia de la antena es simplemente igual al voltaje aplicado a sus
terminales dividida entre la corriente que fluye dentro de estas terminales. Donde
la corriente y el voltaje estan exactamente en fase, la impedancia es puramente
resistiva. Para este caso la antena se determina que es resonante excepto en la
Única fiecuencia donde es realmente resonante, la corriente en una antena es algo
fuera de fase con el voltaje aplicado.'La antena exhibe una impedancia en el punto
de alimentación compuesta ya sea de reactancia capacitiva o inductiva, con
radiación y resistencia de perdida.
Muchas antenas amateurs de transmisión son operadas cerca de la resonancia, de
esta manera los efectos reactivos son comparativamente pequeños, de hecho ellos
nunca estan presentes y deben ser tomados en cuenta cuando una antena es
operada en otra frecuencia que para la que se diseño.
RADIOTRANSMISOR DE F.M (87.5-108 MHZ).
En los Últimos años se han popularizado enormemente las tansmisiones de radio
frecuencia modulada en F.M. precisamente la transmisión de ondas en F.M nace
para eliminar ruidos y molestas interferencias, además de que se aumenta el ancho
de banda mejorandose así la calidad de la transmisión.
En general transmitir es fácil, sólo basta un oscilador que modifique su
frecuencia levemente con la información que queremos transmitir y una carga
(antena) que reciba la señal del oscilador para enviarla al espacio. Los equipos
elaborados como los transmisores de uso comercial necesitan que la señal generada
sea muy estable en frecuencia y además, que tenga una potencia respetable para
que puedan lograr un buen alcance. En este caso, el transmisor necesitará etapas
adicionales para poder acoplar la etapa de amplificación clase A y filtraje de salida
a la carga de la antena.
Como hemos hecho en las páginas anteriores se cuenta ya con una base teórica
para entender la transmisión de ondas de radio-frecuencia. Resumiendo digamos
que toda corriente variable que circula por un conductor genera en su entorno un
campo electromagnético que se extiende con un alcance que será tanto mayor
cuanto m á s elevada sea la corriente que circula por el conductor (Potencia de la
oscilación y m á s alta sea la frecuencia de variación.
Precisamente la elección de la fiecuencia es un punto importante ya que de ella
dependerá el tamaño de la antena y de a banda en que se va a transmitir.
Nuestro transmisor de F.M. con sus componentes asociados conforman el
oscilador que es del tipo multivibrador generando una señal de cierta potencia sin
necesidad de recurrir a ajustes complicados. El principal inconveniente es que nose
posee buena estabilidad en frecuencia y resulta complicado hacerlo h c i o n a r a mas
de 100 MHZ. La fi-ecuencia del oscilador queda fija por la inductancia de la
bobina y la capacitancia de el trimmer.
La modulación se efectúa en fiecuencia por medio del diodo varicap que se
conecta en paralelo con el trimmer (capacitor variable). La información de audio
que desea transmitir (procedente de un equipo reproductor de cassetes analógicos)
es ampliftcada por un circuito integrado TL-O71 que es un ampliñcador driver JFET de alta impedancia para no perder calidad del sonido acoplar impedancias y
poder sacar la potencia suficiente para una buena recepción este diseño no solo se
diseño para trabajar adecuadamente con música como señal a transmitir; acoplando
un micrófono a la entrada se puede transmitir simplemente voz o también
acoplando una etapa sumadora se pueden transmitir tanto voz como música al
mismo tiempo.
La bobina se construye con alambre estañado de diámetro 0.8mm formada por
espiras de 8mm aproximadamente, de diámetro interior con tomas
diametralmente opuestas en la espira central.
La alimentación se efetúa con 12 Volts de corriente directa y resulta una
alternativa interesante cuando se le quiere utilizar como walkie-talkie
polarizandose a 9 Volts, incluso la potencia puede aumentar si los resistores de
base de los transistores del oscilador se disminuyen a 4.7 K.
El circuito en sí es de fácil montaje y calibrado (sobre todo si se cuenta con un
contador de fiecuencias de banda 1, la experiencia en el laboratorio demostró que
los transistores PNP son un poco mas estables en frecuencia que los demás aún
cuando varíe algo la temperatura de los semiconductores, razón por la cual nuestro
circuito emplea transistores de este tipo.
El circuito realmente es un circuito clásico compuesto por un amplificador de
audio y sus componentes asociados y un oscilador común formado por Q2 que está
polerizado por R5 y R6 con R7 como resistencia de polarización de emisor. La
fiecuencia de oscilación queda fija por el tanque que forman L1 con C5.
Precisamente el cuidado que se ponga en la construcción de la bobina fijará la
calidad de la transmisión.
Para el armado se deben tener las mismas precauciones que para cualquier
circuito de radio fiecuencia, manipulando L1 con mucho cuidado para que no
pierda la forma original.
Realizando el armado y antes de polarizar el circuito hay que revisar que todos
los componentes están fijos y que cada cable corresponde a la terminal adecuada
dado que es común que en el chasís se confundan conexiones, también el circuito
debe permanecer en su base de manera que no se provoque ningún corto circuito,
enseguida si se cuenta con calibrador de plástico (si no se tiene el calibrador se
puede construir uno, usando un palito de madera con punta y recortado de manera
adecuada), gire el trimmer hasta tener en el contador de Fecuencias la fiecuencia a
la cual se desea transmitir (si no se cuenta con un contador de fiecuencias,
entonces sintonice en su radio comercial de preferencia un walkman para evitar
retroalimentación acústica; una fiecuencia libre y mueva el trimmer hasta que se
pueda escuchar con nitidez lo que se está transmitiendo.).
En el caso de nuestro transmisor se necesita ventilar por vía externa al circuito
modulador mas que nada por cuestiones de estabilidad, porque de otra manera la
fiecuencia conforme m á s se calienta el circuito desciende; habiendo hecho pruebas
de días completos pudimos observar que el transmisor al no ventilarse de 87.6 Mhz
pasó a 87.1 Mhz estabilzandose en esa fiecuencia después de varias horas de
funcionamiento. Nosotros pusimos un pequeño ventliador de computadora para
aerear el circuito con lo que logramos que la Fecuncia se estabilizara en 87.5Mhz
después de dos días de funcionamiento.
3
De pronto nos encontramos con el problema de que teniamos cierto ruido
producido por la fiiente, porque al no tener a la mano capacitores de valor grande
(4700 y 6800 ufpor decir algo) pusimos a la salida de la fiiente capacitores de
2200 uf con lo que un ruido de zumbido se trepaba de forma grave al conectar el
circuto transmisor esto se pudo corregir de manera bastante aceptable con
capacitores de 4700 u f otro factor importante fiie el de colocar en serie a la salida
de la fiiente un choque de RF para evitar reflejos de fiecuencia del transmisor hacia
la fiiente y que esta los refleje hacia la portadora del transmisor.
Un punto que es interesante resaltar es que la potencia máxima de este circuito
(sin amplificador de potencia) es en la fiecuencia de 92.5Mhz, realizamos pruebas
con ayuda del analizador de espectros y del medidor de decibeles y en la fiecuencia
de 87.5Mhz tenemos aproximdamante 125mW, al ponerlo en 92.5Mhz obtenemos
aproximadamente 185mW lo cual se nota inmediatamente en el analizador de
espectros al hecerse mas grande la portadora, en las fiecuencias mas altas se tiene
una atenuación y en fiecuencias mas bajas también se atenúa la portadora.
Otro punto interesante es que cuando se han hecho pruebas con días soleados
se tiene un espectro de cobertura (sin amplificador de potencia) diferente al que se
obtiene en los días que llueve o que se tiene un nivel denso de nubes esto puede
tener una explicación en el fenómeno de ionización de la atmosfera que se hace
bastante patente solo por las noches al sintonizar nuestros radios en AM en los que
de pronto podemos escuchar estaciones de lugares muy lejanos como Francia,
Chile ó China por poner un ejemplo.
AMPIFICADORES LINEALES PARA OPERACION MOVE.
Para el diseño de amplificadores transistorizados hay algunas sugerencias que
deben ser tomadas en cuenta:
Eliminar las oscilaciones del circuito que podrían producir tensiones de
a)
ruptura elevadas.
b)
Limitar la corriente de alimentación para evitar posibles sobrecargas.
Colocar circuitos de protección como por ejemplo, controles automáticos
c)
de acción rápida.
d)
Adoptar un sistema seguro de rápida disipación térmica de los
semiconductores de salida.
LOS TRANSISTORES DE UN AMPLIFICADOR LINEAL.
El MRF421 con una potencia de salida especificada de lOOW PEP o CW es la
mayor de los 3 dispositivos de RF, el límite de disipación máxima es de 290W, lo
que signisca que la corriente continua de el colector podría ser de hasta 21.3A con
13.6V de operación con cualquier carga. La hoja de datos especifica 2 0 4 esto
realmente está limitado por la capacidad de transporte de corriente de los cables
internos de unión. Los valores dados son válidos ,mrvaWma una temperatura de
montaje de 25°C.
La mínima corriente de colector de reposo recomendada en clase Al3 es de
150mA. Esto se puede exceder a costa del rendimiento del colector, Ó el
dispositivo puede ser operado en clase A con una corriente de reposo de
aproximadamente % de la máxima corriente de colector especificada. Esta regla se
aplica a la mayoría de los transistores de potencia de RF, aunque se especifica para
operación en clase A.
El MRF454 se especifica para una potencia de salida CW de 80W. Este
dispositivo tiene la mayor cifi-a de mérito (relación de la periferia del emisor y del
área de la base), Que se correlaciona con la mayor ganancia de potencia.
La máxima potencia de disipación es de 250W y la máxima corriente continua
de colector es de 20A.
La mínima corriente decolector de reposo recomendada es de lOOmA, y como el
MRF421, puede
trabajar en clase A. La especificación de la hoja de datos para
el MRF455 es de 65W, contiene el mismo molde que el MRF453 y MRF460, pero
se prueba para diferentes parámetros y emplea un envase mas pequeño. Los
MRF455 / MRF453 / MRF460 tienen una mayor cifi-a de mérito que los tres
dispositivos tratados antes. Debido a esto y a los mayores niveles de impedancia
y MRF421, en un
asociados, la ganancia de potencia excede la del -454
circuito práctico. La corriente de colector de reposo mínima recomendado es de
40mA para clase AB,pero se puede aumentar hasta 3A para operación de clase A.
Cuando se emplean redes de corrección de impedancia, se debe sacriíicar un poco
de ganancia de potencia y linealidad.
La red de corrección de entrada se puede diseñar con combinaciones RC Ó RLC
para dar una ganancia plana a través de la banda mejor que un dB con bajo ROE
de entrada. En un sistema de baja tensión, poco se puede hacer con respecto a la
salida sin reducir la máxima variación de tensión disponible.
A niveles de potencia de hasta 180W y 13.6V,las corrientes pico llegan a 30A
y cada lOOmV perdidos en la tierra de emisor o alimentación continua de colector
también tienen un efecto importante en la capacidad de potencia pico. por ello
estos factores deben enfatizarse en el diseño de circuitos de potencia de RF.
I
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LA FUENTE DE TENSION DE POLARIZACION.
Utiliza componentes activos (MC1723G y Q3) en lugar del sistema de diodo de
enclavamiento visto en algunos diseños. Las ventajas son: mayor capacidad de
regulación de la tensión de linea, baja corriente de reposo y amplio rango de
ajustabilidad de tensión. Con los valores de los componentes mostrados, la tensión
de polarización es ajustable de 0.5V a 0.9V lo cual es suficiente para las
condiciones de operación de clase B a clase A.
En clase B la tensión de polarización es la Vbe de Q3 y no hay corriente de
colector de reposo presente y el ángulo de conducción es de 180". En clase A, la
polarización se ajusta para comente de colector de reposo aproximadamente % de
la corriente pico en condiciones reales de operación y el ángulo de conducción es
de 360". En clase AB, (común para ampliñcadores de BLU) la polarización se
establece para una baja corriente de colector de reposo y el ángulo de conducción
usualmente es de poco mas de 180".
La corriente de polarización de base requerida es: IcME donde, ICes la
corriente de colector, suponiendo un rendimiento del 50%.
IC=2PoutNcc=(2* 180W)/13.6V=26.47A hFE=í3 continua del transistor, por lo
tanto;
I13=26.47/30=0.88A
R12 comparte la disipación con Q3 y su valor debe ser tal que la tensión de
colector nunca caiga por debajo de aproximadamente 2V. Los dispositivos
MRF421 usados en este diseño, tenían valores de hFE altos (45) y R12 se calculó
en 200hms, que también es d c i e n t e para versiones de baja potencia.
R5 determina las características de limitación de corriente del MC I723 y un valor
de 0.5ohms
establecerá el punto límite en 1.35A+10%
Para la operación en BLU, excluyendo la prueba de 2 tonos, el ciclo de trabajo
es bajo y la energía cargada en C11 puede entregar mayores comentes de
polarización pico que las requeridas para 18OW. Es posible operar el circuito
regulador básico MC1723 con tensiones menores de salida que las especificadas,
con valores modiñcados de los componentes a costa de tolerancias reducidas de
regulación de linea y de tensión de salida que resultan adecuadas para esta
aplicación. Se agrega el diodo D1, como sensor de temperatura para un
seguimiento de la polarización de los transistores de potencia de RF. La juntura
base-emisor de un 2N5 190 ódispositivo similar se puede usar para este propósito.
Se logra el seguimiento de temperatura del 15% a 60"C, aunque el proceso de
moldeo es muy diferente del de los transistores de RF.
Las variaciones medidas de la tensión de salida de la fuente de polarización de O
a 1A fueron+& 12mV, y proporcionando una impedancia de hente de 30mohms.
RED DE CORRECION DE LA FRECUENCIA DE ENTRADA.
Como las impedancias de entrada y de salida varían considerablemente con la
fiecuencia, son necesarias redes de corrección de impedancia que limitan un poco
la ganancia y la linealidad del circuito.
La red de corrección de entrada consta de R1, R2, C2 y C3. Con la
combinación de realimentación negativa derivada de L5 a R3 y R4, forma un
atenuador con características selectivas de frecuencias a 30Mhz, la pérdida de
potencia de entrada es de 1-2dB, aumentando a 10-12dB a 1.6Mhz. Esto
compensa las variaciones de ganancia de los transistores de RF en la banda de 1.6 a
30Mhz, dando una ganancia plana total de aproximadamente *l a *1.5dB.
Normalmente una R O E de entrada de 2: 1 o menor es posible con este tipo de red
de entrada. Las redes LRC mas sofisticadas darán una R O E ligeramente mejor,
pero son mas complejas y a veces requieren de ajustes individuales.
TRANSFORMADOR DE BANDA ANCHA.
La baja impedancia de entrada y de salida (50ohms), con la relativa impedancia
alta de los transistores, se adapta por medio de transformadores. El transformador
de entrada T1 y el transformador de salida T3 son del mismo tipo, con el bobinado
de baja impedancia formado por 2 piezas de tubos metálicos, cortocircuitados en
un extremo y en los extremos opuestos del transformador.
La configuración fisica se puede implementar de varias maneras. El coeficiente
de acoplamiento entre los bobinados primario y secundario está determinado por la
relación longitudídiámetro de la tubería metálica o trenzado y el diámetro y espesor
de el aislante del alambre usado para el bobinado de alta impedancia. Para
relaciones de alta impedancia (36: 1 y más) el mejor resultado se obtiene con cable
coaxial miniatura donde solo se usa el trenzado, dejando desconectado el
conductor interno. El alto coeficiente de acoplamiento es importante solo en el
extremo de alta fiecuencia de la banda.
Ambos transformadores se cargan con ferrita para dar suficiente respuesta en
baja frecuencia. La inductancia mínima requerida en el bobinado de una vuelta se
puede calcular como:
L= Rí2-pi-f
En donde:
L=Inductancia en uH.
R=Impedancia de base a base o de colector a colector.
eFrecuencia mínima en Mhz.
Por ejemplo en la versión de 18OW el transformador de entrada tiene una
relación de impedancias de 16: 1, haciendo que la impedancia del secundario sea de
3.13ohms con una interfas de 5Oohms,entonces:
L=3.13/( 6.28-1.6)=0.3 luH.
Se debe de tener en cuenta que en las versiones de menor potencia, donde las
impedancias de entrada y
de salida son mayores y los transformadores tienen menores relaciones de
impedancia, las inductancias mínimas requeridas también son mayores.
T2 (el choque que suministra corriente continua al colector), también, provee
una derivación central artificial para T3. Esta combinación fiinciona como un
transformador con derivación central real, incluso con cancelación de armónicas.
T2 provee una conveniente fuente de baja impedancia para la tensión de
retroalimentación negativa que se deriva de un bobinado separado de una vuelta.
T3 solo tiene una derivación central verdadera de corriente alterna, dado que no
hay acoplamiento magnético entre sus dos mitades.
DIAGRAMA GENERAL DE BLOQUES DE LA EMISORA DE F.M.
En general se requiere de poca potencia en una antena para poder efectuar una
transmisión de F.M en la banda comprendida entre 88Mhz y 108Mhz con una
desviación de fi-ecuencia de 75Khz si se quieren cubrir distancias no muy grandes.
Podemos afirmar que con una buena antena irradiante se pueden alcanzar
distancias del orden de los 3 Km por Watt en antena en el interior de las ciudades,
0
m normalmente lowatts serían
tal que si se desea transmitir en un radio de 3
suficientes (este cálculo empírico aproximado solo sirve para dar una idea de
potencia transmitida-distancia cubierta).
Una emisora de poca potencia en antena como la de nosotros no requiere de
extremos cuidados en el armado y no interñere con las emisoras comerciales de
radio. Una emisora de fiecuencia modulada debe poseer una etapa amplificadora
de audio que lleve la información que se desea transmitir a los valores adecuados
para que en el oscilador provoque una desviación de ñ-ecuencia de máximo 75Mhz.
El circuito debe incluir la etapa de preénfasis que según la norma europea debe
tener una constante de tiempo de 50us para que se amplifiquen mas los tonos altos
con el objeto de compensar el bajo índice de modulación que los mismos provocan.
La señal de salida del amplificador debe permitir la variación de fiecuencia que
genera el oscilador, casi siempre esta fiecuencia es variable por medio de la
polarización de un diodo varicap que forma parte del circuito resonante LC de
retroalimentación del oscilador. con esto decimos que en un solo transistor se
consiguen las funciones de oscilador y mezclador en forma similar a lo que ocurre
en una etapa convertidora de un receptor.
La señal de salida del oscilador es directamente la señal de fiecuencia modulada
que debe amplificarse antes de ser conducida a la antena los amplificadores de
radio fiecuencia no necesariamente deben ser lineales, ya que si hay alguna
deformación en la amplitud de la señal no afectara a la informacion que transporta
la portadora, ya que la misma viene en cambios de fiecuencia y no de amplitud.
Esto es una ventaja ya que podemos amplificar la señal en una etapa clase A con lo
cual se tendrá un buen rendimiento sin que peligre la fidelidad de la información
contenida como variaciones de fiecuencia en la portadora. El problema de la
amplificacion en clase B a causa de la deformación producida, es la generacion de
armonicas que pueden provocar interferencias en otras bandas de fiecuencias si no
se les atenua convenientemente.
Por lo dicho conviene que los pasos de amplificación de la señal modulada, en
baja potencia sean con etapas clase A que son de bajo rendimiento pero que casi no
producen armonicas, mientras que la etapa de potencia deberia ser de clase B para
disminuir costos, mejorar el rendimiento y permitir el uso de transistores que no
tengan que cumplir con altas exigencias de disipación.
En síntesis, el circuito se compone de una primera etapa que actua como
amplificador de baja fiecuencia, (audifiecuencia) seguido de un oscilador de
radiofiecuencia que actua además como modulador. Se han incluido tres etapas
amplificadoras de RF con las que se logra el nivel de señal adecuado en la antena
para transmitir con potencias del orden de 300 miliwatts; las dos primeras etapas
son de clase A mientras que el paso final es de mayor rendimiento ya que se trata
de una etapa clase B.
EL AMPLIFICADOR DE BAJA FRECUENCIA.
Se trata de la etapa destinada a amplificar la señal de audio correspondiente a
la información para que la misma posea una amplitud máxima de unos 500
milivolts. Se puede colocar cualquier etapa amplificadora que este ecualizada para
poder recibir la señal del transductor que se desea.
Por ejemplo si se colocara un micrófono la ganancia debe ser inferior que si se
tratara de un fonocaptor magnético pero mayor que si se obtiene la información de
la salida de una grabadora, por ejemplo podria colocarse una etapa
preamplificadora de las que se emplean en los amplificadores convencionales o una
simple etapa de salida complementaria de baja potencia. También podría utilizarse
un circuito amplificador de audio para construir el amplificador de información:
asi por ejemplo se podrian emplear los integrados TDA1004, TBA810, TDA2002,
LM071 (en nuestro circuito este h e el que se utiho), etc. Es interesante que sea
cual here el amplificador elegido siempre se debe incluir algún elemento que
permita regular la ganancia de la etapa con facilidad.
En este circuito R1, R2 y C forman un ciclo de retroalimentación negativa
que determina la ganancia del sistema:
G= Rl/R2
Aquí la ganancia es del orden de 3.5 veces lo que la hace ideal para manejar la
señal de una grabadora. Otra alternativa seria el uso de un amplificador operacional
en conñguracion inversora ya que posee buenas caracteristicas y es muy facil de
ajustar su ganancia. Una modificacion interesante a nuestro circuito es aquella que
permite mezclar la informacion de varios tansductores ya que en una emisora,
puede ocurrir que mientras el locutor habla se escuche una grabación de fondo o
que sean dos los locutores que hablan simultaneamente.
Esta etapa debe estar preparada para recibir señales de dos microfonos y una
reproductora de casette con los niveles adecuados para cada caso es decir 5
milivolts para el caso de microfonos y 150 milivolts para el caso de reproductores.
Las señales pueden ser amplificadas independientemente o simultaneamente
mediante el circuito mezclado que las convina en la proporción deseada
empleandose para ello los potenciometros P1, P2 y P3. Los resistores se han
calculado para obtener una ganancia de tensión de 100 para los microfonos y 3.5
en las señales de la grabadora.
El elemento activo ampliñcador además de poseer alta ganancia, se caracteriza
por ser de bajo ruido debido a su alta werancia con transistores FET.
OSCILADOR LOCAL,MODULADOR.
En el oscilador del circuito quien fija el valor de la fiecuencia de las
oscilaciones va a ser un circuito LC, un circuito RC o simplemente un cristal de
cuarzo. La información proveniente de la etapa de baja fiecuencia, debe permitir
variar el valor de algunos de los elementos que determinan la frecuencia del
oscilador. Para esta aplicacion es muy común el uso de diodos varicap que
produzcan una variación de capacitancia de tal manera que la máxima desviación
de frecuencia para 100% de la modulación sea f 75 KHZ. E este caso la
fiecuencia central del oscilador estaría dada para una polarización del varicap sin
señal, luego la información se Sumara con su correspondiente signo a dicha
polarización permitiendo asi la devida desviación de Fecuencia.
Nuestro oscilador posee un transistor de radio fiecuencia que fue el 3866, con
el que se hace oscilar el modulador a una fiecuencia ajustable con el trimmer del
centro de entre 87.5 Mhz y 108 Mhz.
AMPLIFICADOR DE SALIDA DE RF.
Se ha mencionado la necesidad de que la etapa de salida de RF funcione en
clase B con lo que se consiguen rendimientos del orden del 50%; de esta manera
el transistor amplificador podrá operar sin un excesivo calentamiento con lo cual
no serán necesarios disipadores de calor voluminosos si se trabajan con potencias
bajas. Esta etapa recibe la señal del amplificador anterior por la base de un
transistor que se encuentra a tierra para corriente continua através de un choque de
RF.
El colector se alimenta através del circuito de desacople formado por L 2 y L3 y
los capacitores C3 y C4. La señal del amplificador se acopla a la antena mediante
un circuito sintonizado constituido por L1, C1 y C2 cuya principal función es
alternar todos los armonicos de la portadora que aparecen como consecuencia de
la distorción introducida por los amplificadores. En este circuito, la impedancia de
salida de la antena es del orden de los 50 ohms. razón por la cual se deben emplear
las lineas de transmisión y la antena adecuada.
EL DECIBEL
Como una convención, la ganancia de potencia de una antena se expresa
usualmente en decibeles. El decibel es una unidad práctica excelente para medición
de rangos de potencia porque esta mas extrechamente relacionada al efecto real
producido que el rango de potencia en si mismo. Un decibel representa solo un
cambio detectable en la herza de la señal sin tomar en cuenta el valor actual de la
señal de voltaje. Un incremento en 20-decibel (20-dB), por ejemplo representa
"20 pasos" en el incremento de una señal. El rango de potencia (de 100 a 1)
correspondiente a 20dB da una idea exagerada de el mejoramiento que se espera
en la comunicación. El numero de decibeles correspondiente a cualquier rango de
potencia es igual a 10 veces logaritmo decimal de el rango de potencia:
dB= 10 log P 1 P 2
Si el rango de voltaje esta dado, el numero de decibeles es igual a 2 0 veces el
logaritmo decimal de ese rango:
db = 20 log E1E2
Cuando se usa un rango de voltaje, ambos votajes deben ser medidos através del
mismo valor de impedancia. Sin hacer esto la figura del decibel no tiene
significado, porque es hdamentalmente una medición de rango de potencia.
Una ventaja del decibel es que las ganancias de potencias sucesivas expresadas
en decibeles pueden ser facilmente sumadas. De esta manera una ganancia de 3
decibeles seguida por una ganacia de 6 decibeles da una ganacia total de 9
decibeles. En rangos ordinarios de potencia los rangos deben ser multiplicados para
encontrar la ganacia total. Una reducción en potencia es manejada simplemente de
la resta de los numeros que se requieren de decibeles. De esta manera reducir la
potencia a un medio es lo mismo que restar 3 decibles. Por ejemplo una ganancia
de potencia de 4 en una parte de un sistema y una reducción de la mitad en otra
parte da un total de ganancia de potencia de 4/2= 2. En decibeles, esto es 6 - 3 = 3
dB.Una reducción de potencia o perdida se indica simplemente al incluir un signo
negativo enfrente del no. apropiado de decibeles.
NOTAS.
En las transmisiones de prueba que se han realizado durante la construcción y
prueba del proyecto hemos podido observar que la fidelidad de las transmisiones
mejora en días nublados ó días lluviosos con respecto de las transmisiones en días
soleados, sin grandes nubes sobre la unidad el alcance de la recepción sin etapa de
potencia alguna se tiene una recepción bastante deficiente en (cuanto a ruido)
dentro de la universidad, en cambio al realizar las pruebas con días nublados o
lluviosos la recepción se mejora en calidad de sonido y distancia ya que tenemos
nitidez hasta el eje 6.
Las pruebas realizadas con los diferentes transistores nos dió como resultado
que la mejor fidelidad y estabilidad se logró con el 3866 de Motorola, los
transistores que se usaron en las pruebas fueron 2N2222, 2N3553 y 3866, el
circuito presenta en si buena estabilidad una vez que se calienta durante el tiempo
de calentamiento se tiene un ligero ascenso de la fiecuencia que se escoge al
principio pero dejando pasar unos 10 minutos la fiecuencia se estabiliza en medio o
un Megahertz de la fiecuencia inicial.
Un aspecto que se quiere mencionar por considerarse interesante es el de que
hicimos la prueba de poner a la bobina un núcleo de ferrita con lo que obtuvimos
un ligero aumento en la potencia pero que provocó un rango mas restringido en la
fiecuencia de transmisión además de que elcircuito se volvía demasiado inestable
ya que al ajustarlo a una fiecuencia Iija de 87.6 Mhz con cualquier ligera vibración
el circuito se disparaba en la fiecuencia, cabe aclarar que esta mediciones
mencionadas fueron con el núcle de ferrita prácticamente fuera de el inductor ya
que si se le ponía un núcleo completo al circuito la fiecuencia sólo variaba de 84 a
85.8 Mhz con lo cual no podiamos hacer pruebas sobre la banda comercial por lo
que decidimos finalmente no incluir un núcleo de ferrita dentro de la bobina
mencionado sólo por no dejar.
Al realizar pruebas en el amplificador de potencia pudimos observar la
importancia de la realización de los componentes ya que en las inductancias
pudimos darnos cuenta de que necesariamente deben ser del diámetro que se
especifica en el manual y del AWG # 16 ya que de otra forma el circuito no
fiinciona, cuando por fin se pudo hechar a andar el circuito con el transistor
ECG350 y decimos por fin ya que para funcionar, el circuito debe de ser ajustado
to en la entrada
con mucho cuidado en cada uno de los trimmers que tiene
-meter corriente
como en la salida cuidando los parámetros de potencia en el
analizador
en la fuente externa de alimentación, así como la fiecuencia
espectro ya que en cada ajuste la fiecuencia se recorre ó bien genera demasiados
armónicos.
<J
COMPONENTES DEL AMPLIFICADOR DE POTENCIA.
Los componentes, esas pequeñas piezas y elementos que conforman un circuito de
radio fiecuencia (RF) comunmente conocidos. Un capacitor es un capacitor a ñn
de cuentas. ¿Ó no?, una resistencia de lMegaohms presenta una impedancia de al
menos 1,000,000 de ohms. ¿No es así? La reactancia de un inductor siempre
incrementa con la fiecuencia ¿Cierto? Bueno como hemos podido ver en la vida
real las cosas no son siempre como se ven, un ejemplo de esto es que hasta que no
conseguimos los trimmers (Capacitores variables) para poder acoplar de manera
adecuada la entrada y la salida del amplificador, el transistor simplemente no
respondía aún cuando los cálculos estaban hechos para un amplificador de potencia
en la frecuencia de 87.5 Mhz Ó bien podemos citar el ejemplo de la construcción de
las inductancias que tuvieron que realizarse con alambre de calibre AWG 16 de
otra manera el circuito no hacía absolutamente nada, a veces las cosas no son
como se ven. Y la respuesta a estas insignificancias aparentemente está en que a
ciertas fiecuencias los capacitores pueden no ser capacitores del todo, sino que
quizá pueden verse como inductancias, mientras que un inductor a ciertas
fiecuencias puede verse como un capacitor, y los resistores puden tener la
tendencia de ambos.
Aquí vamos a tratar de hablar un poco sobre esos efectos y discutiremos las
propiedades de resistencias, capacitores e inductancias en fiecuencias de radio para
relacionarlas con el diseño de circuitos. Pero primero echémosle un vistazo a la
mayoría de los componentes simples de cualquier sistema y examinemos sus
problemas en el rango de RF.
ALAMBRES.
Los alambres en un circuito de RF puede tomar muchas formas. Resistencias
con alambre enrrollado, inductores y capacitores axiales y radiales todos usan
alambres de algún tamaño ó largo ya sea en sus patitas, ó en el cuerpo real del
componente, ó bien ambas cosas. Los alambres son usaudos también en algunas
interconexiones para algunas aplicaciones en el espectro mas bajo de
radiofiecuencia. El comportamiento de un alambre en el espectro de RF depende,
para una extensión grande de del diámetro del alambre y su largo, la tabla 1 . 1 nos
muestra en el sistema AWG American Wire Gauge(DimensiÓn de Almbre
Americano) todas las dimensiones de alambre, su diámetro correspondiente y otras
características de interes para el diseñador de circuitos de RF. En el sistema AWG
el diámetro será aproximadamente el doble cada 6 dimensiones de alambre De este
modo, si las últimas seis dimensiones y sus correspondientes diámetros son
memorizados de la tabla, todos los demás diámetros de los alambres pueden ser
determinados sin ayuda de la tabla como se ve en el siguiente ejemplo.
Ejemplo1.- Dado el diámetro de un alambre AWG 50 de 1 mil(0.001 pulgadas),
Cuál es el diámetro de un alambre AWG 14?
Solución:
AWG50=1mil
A W G 4 4 = 2 * 1mil=2mils
AWG38 = 2 * 2 mils= 4 mils
AWG32 = 2 * 4mils= 8 m i l s
AWG26 = 2 * 8 mils= 16 mils
AWG20 = 2 * 16 mils= 32 mils
AWG 14 = 2 * 32 mils = 64 mils (0.064 pulgadas)
SKIN EFFECT Ó EFECTO SUPERFICIAL.
Un conductor en fiecuencias bajas su área transversal-seccional como medio de
transporte para transportar carga. A medida que la fiecuencia se incrementa un
campo magnético incrementado en el centro del conductor presenta una
impedancia al transporte de cargas, de esta manera la densidad de corriente
decrece en el centro del conductor y se incrementa la densidad alrededor de su
perímetro. Esto incrementa la densidad de corriente cerca del filo del conductor e
incrementa la densidad de corriente alrededor de su perímetro. Este incremento de
densidad de corriente cerca del filo del conductor es conocido como efecto
superficial Ó skin effect. Esto ocurre en todos los conductores incluyendo las
patitas de los resistores, capacitores e inductores.
La profundidad dentro del conductor en el cual la densidad de corriente
portadora de carga cae a l/e, ó 37 % de su valor a lo largo de la superficie se
conoce como skin depth ó profundidad pelicular y es una función de la fiecuencia,
la permeabilidad y la conductividad del medio. Así diferentes conductores como la
plata, aluminio, y el cobre tendrán diferentes profundidades peliculares.
El resultado neto de el efecto superficial es un decremento efectivo en el área
de la sección transversal de el conductor y por lo tanto un incremento neto en en la
resistencia de ac del alambre como se muestra en la figura 1 . 1 . Para el cobre la
profundidad pelicular (Skin depth) es de aproximadamente 0.85 cm a 60 Hz y
0.007 cm a 1 Mhz. O para establecerlo de otra manera: 63% de la corriente de RF
que fluye en un alambre de cobre fluirá por dentro a una distancia de 0.007 cm del
filo mas superficial de el alambre.
INDUCTORES DE ALAMBRE RÍGIDO.
En el medio circundante a cualquier corriente portadora a un conductor, hay
uncampo magnético. Si la corriente en el conductor es una corriente alterna, este
campo magnético se expande y se contrae alternadamente y de esta manera
produce un voltaje sobre el alambre que se
opone a cualquier cambio en el flujo de corriente. Esta oposición al cambio se le
llama autoinductancia y nosotros llamamos a cualquier cosa que posea esta
cualidad inductor. Los inductores de alambre rígido pueden parecer triviales, pero
como hemos visto en la práctica mientras mas alto vamos en la fiecuencia mas
importancia toman.
La inductancia de un alambre rígido depende tanto de su longitud como de su
diámetro y puede calcularse por la siguiente fórmula:
L= (O.002)1[ 2.31og((4l/d>O. 75)luH.
En donde:
L= La inductancia en microhenrys
I= El largo del alambre en centímetros.
d= El diámetro del alambre en centimetros.
El concepto de inductancia es importante puesto que todos y cada uno de los
conductores en RF (incluyen un alambre doblado, patitas, etc.) tienden a exhibir la
propiedad de la inductancia.
LAS RESISTENCIAS.
La resistencia es la propiedad de un material que determina el rango en el cual
la energía es convertida en energía calorífica para una corriente eléctrica dada por
deñnición tenemos que:
1 Volt a través de 1 ohm = 1 Coulomb por segundo = 1 Ampere.
La disipación térmica en esta circunstancia es 1 Watt.
P= EI= 1 Volt * 1 Ampere= 1Watt.
Las resistencias son usadas en todos los circuitos, como redes de polarización
de transistores, pads y combinadores de señal. Sin embargo, muy raras veces
alguien piensa como se comporta un resistor realmente lejos del mundo de la
corriente directa. En algunos ejemplos, tales como redes de polarización de
transistores, el resistor aún se desempeña como lo hace en DC, pero puede romper
el punto de operación del circuito en radio fiecuencia.
CIRCUITO EQUIVALENTE DE RESISTENCIA.
El circuito equivalente de una resistencia en radio fiecuencias se muestra en la
figura 1.2. R es la resistencia en si misma, L es la inductanci de las patitas, Y C es
una combinación de capacitancias parasitas que varian de resistor a resistor
dependiendo de sus estructuras. Las resistencias de composición de carbón son
notoriamente pobres en desempeño a altas fiecuencias. Una resistencia de
composición de carbón consiste de partículas dieléctricas empaquetadas
densamente ó granulos de carbón. Entre cada par de granulos de carbón hay un
capacitor parásito. Estos parásitos ya sumados no son insignificantes, estos por el
contrario forman el circuito equivalente.
Las resistencias con alambre enrollado tienen problemas también. Como puede
esperarse, estos resistores tienden a exhibir impedancias variantes dependiendo de
las varias fiecuencias. Esto es particularmente verdadero en los valores de
resistencia bajos en los rangos de frecuencia de 10 M h z a 200 Mhz. El inductor L,
Mostrado en este circuito es mucho mas grande para un resistor con alambre
enrollado que para un resistor de composición de carbón. Su valor puede ser
calculado usando la fórmula de aproximación de inductancia con núcleo de aire,
esta fórmula se discute mas adelante. Puesto que los resostores con alambre
enrollado se ven como inductores, su impedancia se incrementará en tanto la
fiecuencia se incremente.
La impedancia de una resistencia de capa de metal tiende a bajar con la
fiecuencia arriba de los 10 Mhz. Eso se debe a la capacitancia de derivación en el
circuito equivalente. A muy altas fiecuencias, y con bajos valores de resistencia (
Por debajo de los 50 ohms), la inductancia de las patitas y elefecto superficial
puede ser apreciable. Esta inductancia produce un pico de resonancia, como se
muestra para una resistencia de 5 ohms en la figura 1.3 y el efecto superñcial
decrece en la pendiente de la curva mientras que cae la fiecuencia.
Muchos fabricantes proporcionan datos de el comportamiento de los resistores
en radio fiecuencia pero la mayoría de los casos puede no ser tomado en cuenta,
una vez que hemos comprendidos los mecanismos que involucran a el
comportamiento de los resistores.
La tendencia reciente en tecnologías de resistencia ha sido eliminar ó reducir
grandemente las reactancias vagabundas asociadas a los resistores. Esto ha llevado
a el desarrollo de resistencias integradas de película delgada que pueden observarse
en radios modernos y que tienen la apariencia de pequeños cuadritos negros
pareciendo microchips pero de solo dos patitas, estos son generalmente
construidos sobre sustratos de berilio ó aluminio y ofiecen realmente muy pequeña
reactancia parásita hasta fi-ecuenciasde 2 Ghz.
CAPACITORES.
Los capacitores son elementos ampliamente usados en aplicaciones de radio
fiecuencia, tales como acoplamiento, circuitos resonantes y circuitos de bypass. Es
importante recordar, sin embargo que no todos los capacitores se comportan de la
misma manera. La primera tarea de un diseñador de circuitos de RF, con respecto
a los capacitores es escojer el mejor para una determinada aplicación. La pérdida
de efectividad es usualmente un factor importante en el proceso de selección, ahora
vamos a ver un poco de que manera podemos seleccionar el mejor capacitor para
nuestra aplicación.
CAPACITORES DE PLACAS PARALELAS.
Un capacitor es cualquier dispositivo que consiste de dos superficies
conductoras separadas por un dieléctrico Ó cualquier material aislante. El
dieléctrico es generalmente cerámico, aire, papel, mica, plástico, vidrio ó aciete. La
capacitancia de un capacitor es esa propiedad que permite el almacenamiento de
una carga cuando existe una diferencia de potencial entre los dos conductores. La
capacitancia es medida en unidades de Farads. Un Farad de potencial en un
capacitor es levantado por medio de 1 volt cuando este recibe una carga de 1
Coulomb.
C= QíV.
En donde:
C= Capacitancia en Farads.
Q= Carga en Coulombs.
V= Voltaje en Volts.
Sin embargo, el farad es demasiado impráctico para trabajar con el, por lo que
unidades mas pequeñas fueron acuñadas:
1 microfarad = 1 UF = l*lOE-6
1 picofarad = 1pF = 1 * 10E-12
Como se estableció previamente, un capacitor en su forma fundamental consiste
de dos placas separadas por un dieléctrico de algún tipo. Si nosotros conocemos el
área (A) de cada placa de metal, la distancia (d) entre las placas (Enpulgadas), y la
permitkidad (e) del material dieléctrico dada en faraddmetro, la capacitancia de un
capacitor de placas paralelas puede ser encontrada por:
C= 0.2249e A / (d e’) Picofarads.
En donde:
e’= PermitMdad del espacio libre= 8.854.1OE-12
Para un valor dado de capacitancia los materiales de mas alta constante
dielectrica producirán fisicamente capacitores mas pequeños. Pero puesto que el
dieléctrico juega un papel prioritario en la capacitancia del dispositivo, esto implica
que la idiuencia del dieléctrico sobre la operación del capacitor a la fiecuencia ó la
temperatura es a veces importante.
CAPACITORES DEL MüNDO REAL.
El uso un capacitor depende principalmente de su dieléctrico. Las
caractéristicas del dieléctrico también determinan el nivel del voltaje y de
temperaturas extremas a los cuales el dispositivo funciona correctamente, por lo
que cualquier pérdida o imperfección en el diélectrico tiene importantes
repercusiones en la opración del circuito.
El circuito equivalente de un capacitor se muestra en la figura 1-4 en donde C
es igual a la capacitancia, Rs es la pérdida por disipación de calor expresado ya sea
como factor de potencia (PF) o como factor de disipación (DF), Rp es la
resistencia del aislante, y L es la inductancia de las patitas y placas.
FACTOR DE POTENCIA.- En un capacitor perfecto, la corriente alterna
tiene una fase de 90" con respecto a el voltaje. Este ángulo de fase (0)será mas
pequeño en un capacitor real debido a la resistencia en serie total (Rs+ Rp) esto se
muestra en el circuito equivalente, de esta forma:
PF = cos 0.
El factor de potencia es una fución de la temeratura, fkecuencia y el material
dieléctrico.
RESISTENCIA DEL AISLANTE.- Esta es una medida de la cantidad de
corriente que fluye a través del dieléctrico de un capacitor a un voltaje aplicado.
Ningún material es un aislante perfecto, por lo que alguna corriente de h g a suele
fluir. Este sendero de corriente se representa por Rp en el circuito equivalente y
comunmente este tiene un valor de m á s de 100,000 Megaohms
RESISTENCIA EN SERIE EFECTIVA.- (ESR) Esta resistencia es la
equivalente combinada de Rs y Rp y es la resistencia en corriente alterna de un
capacitor.
ESR = [PF/wC(1 - 1OE6)]
En donde: w=27f.
FACTOR DE DISPAC1ÓN.- El factor de disipación (DF) es el rango de
resistencia en corriente alterna a la reactancia de un capacitor y viene dado por la
fórmula:
DF= (E SR/Xc).1 00%.
Q.- La Q de un circuito es el recíproco de DF y se define como el factor de
calidad de un capacitor:
Q = l/DF = Xc/ESR.
TPOS DE CAPACITORES.
Hay muchos materiales dieléctricos diferentes que se usan en la fabricación de
los capacitores estos pueden ser papel, plástico, cerámica, mica,
polietileno,policarbonados, teflón, aceite, vidrio y aire. Cada material tiene sus
ventajas y sus desventajas.
El diseñador de RF tiene a su disposición una pléyade de capacitores que puede
utilizar para cualquier aplicación particular. En muchas aplicaciones las
aproximaciones no pueden ser toleradas. Esto sucede especialmente en los
ambientes del proceso de fabricación donde se construyen las piezas en serie y
donde ellos deben ser muy seguros al operar sobre cambios bruscos de temperatura
o de voltaje. Comunmente decimos en ingeniería que nadie puede diseñar algo que
solo funcone una vez, pero esto lleva al diseñador a desarrollar algo que puede ser
producido en cantidad y aún que opere como debiese en diferentes condiciones de
temperatura.
CAPACITORES CERÁMICOS.-Los capacitores de dielectrico ceramico
varían de manera amplia en sus correspondientes constantes dieléctricas que van de
K=5 hasta 10000, también varían en sus caracteristicas de temperatura, una buena
regla empírica que se puede usar es: " Que a mas alta K, peor es la característica de
temperatura." Esto se ve claramente en las gráficas de Partes Por Millón de
capacitancia vs Temperatura en grados centígrados para capacitores dieléctricos,
una baja K en este tipo de capacitores tiende a tener caractéristicas lineales en la
temperatura. Estos capacitores son hechos comunmente usando titanato de
magnesio, que tiene un coeficiente de temperatura positivo y titanato de calcio que
tiene un coeficiente de temperatura negativo por medio de la combinación de los
dos materiales a un rango de coeficintes de temperatura controlados que pueden
ser generados. Estos capacitores son a veces llamados capacitores de
compensación de temperatura Ó NPO (Negative Positive Cero) cerámicos, pueden
tener coeficientes de temperatura desde +150 a -4700 ppm/"C ( Partes por millón
sobre grado centígrado) con tolerancias tan pequeñas como de *15 ppm/"C.
Debido a su excelente estabilidad a la temperatura son elementos perfectos para
osciladores, circuitos resonantes, y aplicaciones en filtros.
Los capacitores moderadamente estables varían típicamente *15% de su valor
de capacitancia sobre su rango de temperatura. Estas variaciones comunmente no
son lineales, sin embargo y con cuidado puden usarse en circuitos resonantes y
filtros en donde la estabilidad es importante.
Los capacitores cerámicos de alta K son generalmente capacitores de propósito
general. Sus caracteristicas de temperatura son muy pobres y su capacitancia puede
variar hasta 80% con los rangos de variación de latemperatura, estos son
comunmente usados en aplicaciones de bypass a las Fecuencias de radio.
Obviamente en el mercado existen capacitores de alto Q (Bajo ESR Resistencia
efectiva en serie) con patitas o sin patitas, de plata que contienen bajas pérdidas
resistivas.Hay capacitores inclusive integrados, claro que estamos hablando de el
mercado estado unidense, aquí en Mexico estos son dificilísimos de conseguir por
lo que el desempeño de nuestros diseños dejan algo que desear a la hora de
desempeñarse en etapas acopladas.
Capacitores de mica.- Los capacitores de mica comunmente tienen una
constante diélectrica de alrededor de 6, que indica que para un valor particular de
capacitancia, los capacitores de mica son muy grandes. Su baja K, sin embargo
produce una caractéristica de temperatura extremadamente buena. Por lo que los
capacitores de mica son usados extensivamente en en los circuitos resonantes y en
filtros donde el protoboard no ayuda, los capacitores de mica plateados son los
mas estables. Los capacitores de mica ordinarios tienen placas de relleno que se
presionan contra el dieléctrico de mica. En las micas plateadas, las placas de plata
son aplicadas mediante un proceso de evaporación al vacío, que es un proceso
muchísimo muy exacto. Esto produce una mejor estabilidad de mayor fuerza y
tolerancias reproducibles de hasta +2Oppm/"C sobre un rango de temperatura de 60°C a +89"C.
El problema con las micas es que, sin embargo se han convertido en menos
efectivos en el costo que los de tipo cerámico. Por lo tanto, si uno tiene
aplicaciones en las que un capacitor de mica parece que trabaja bien; este capacitor
en caso de requerirse muchos del mismo tipo por costo, se pueden sustituir por
capacitores de tipo cerámico que trabajarán de la misma manera.
CAPACITORES DE CAPA METALIZADA.- Este tipo de capacitores, incluye
a los capacitores de teflón, polietileno, policarbonato y dieléctricos de papel. Los
capacitores de capa metalizada se usan en muchas aplicaciones incluidas claro está
el filtraje, derivaciones y acoplamientos. La mayoría de estos capacitores tienen
tolerancias de h2% sobre el rango entero de temperatura, aunque el polietileno
comunmente no puede ser usado arriba de los 85°C ya que es muy sensible por
arriba de este punto.
INDUCTORES.
Un inductor no es nada mas que un alambre enrollado o .embobinado de tal
manera que incrementan el flujo magnético ligado a las vueltas de la bobina. Este
fbjo incrementado, incrementa a su vez la propia inductancia del alambre mas allá
de lo que de otra manera debería ser. Los inductores son usados de manera extensa
en los circuitos de radio fiecuencia, circuitos resonantes, filtros, redes de retraso y
cambio de fase; También los chokes de RF son usados para prevenir Ó reducir al
mínimo el flujo de energía de RF a lo largo de algun camino en especial.
INDUCTORES DEL MUNDO REAL.
Como hemos descubierto a lo largo de la práctica y de los apuntes anteriores no
existe el componente perfecto y el inductor obviamente no es la excepción. Como
algo muy curioso quién sabe por qué el inductor es el elemento mas propenso a
cambios muy drásticos en la fiecuencia.
Como hemos visto anteriormente, si nosotros tenemos dos conductores muy
cercanos pero separados por un dielectrico formamos un capacitor. Así si una
resistencia existe siempre en un alambre una caída de voltaje ocurrirá entre las
vueltas y se formarán pequeños capacitores, este efecto se llama distribución de
capacitancia (Cd). El efecto de Cd por sobre la reactancia de un inductor se
muestra en la figura 1-5. Al principio en bajas frecuencias, de un inductor ideal. Sin
embargo su reactancia se separa de la curva ideal e incrementa su valor
rápidamente alcanzando su valor pico en la frecuencia resonante paralela del
inductor (Fr), arriba de Fr la reactancia del inductor empieza a decrecer con la
fiecuencia y así el inductor empieza a comportarse como un capacitor.
Teorícamente el pico de resonancia debería ocurrir a reactancia infinita, sin
embargo debido alas resistencias en serie de la bobina, algunas impedancias finitas
son vistas en la resonancia.
Los recientes avances en la tecnología de inductores ha llevado al desarrollo de
inductores de chips microminiatura. Estos inductores se caracterizan por un
sustrato cerámico con conexiones de oro y plata soldadas alrededor del centro,
este tipo de elementos tienen valores de 0.0luH a 1.0 mH, con Q’s típicas de el
rango de 40 a 60 en 200 Mhz.
Ya se mencionó que las resistencia en serie de una bobina, es el mecanismo que
guarda la impedancia de la bobina finita en resonancia. El rango de la reactancia de
un inductor para su resistencia en serie es usada usualmente como una medida de la
calidad del inductor. Mientras más grande el rango mejor es el inductor, uno se
refiere a la calidad del inductor como la Q del inductor en donde:
Q= X/Rs.
Si el inductor fuese enrollado con un conductor perfecto su Q sería infinita y
entonces tendríamos un inductor sin pérdidas, por suuesto esto no puede ser, en
frecuencias bajas la Q del inductor es muy buena debido a que solo la resistencia en
del devanado está presente en corriente directa, la cual por ser la resistencia del
alambre es muy baja. Pero conforme la fkecuencia se incrementa el efecto
superficial y las capacitancias entre vueltas comienzan a degradar la Q del inductor.
Algunos métodos para incrementar la Q de un inductor y extender su rango de
fiecuencia útil es:
1.- Usar un alambre de diámetro mas largo. Esto hace mas pequeñas las
resistencias de AC y DC de la vueltas.
2.- Separar la vueltas entre si que tiene el inductor, el aire tiene una constante
dieléctrica más baja que los demás aislantes de esta manera la inductancia que hay
entre separaciones de las vueltas disminuye.
3.- Incrementar la permeabilidad del sendero de flujo, es decir enrollar el
inductor sobre un centro de material magnético, tales como hierro o ferrita. Una
inductancia hecha de esta manera consistirá de pocas vueltas para una inductancia
dada, procedimiento que describiremos enseguida.
DISEÑODE INDUCTORES CON NÚCLEO DE AIRE DE UNA SOLA CAPA.
Todos los diseñadores de radiofiecuencia necesitan saber como diseñar
inductores. Esto puede ser tedioso de vez en cuando, pero vale la pena el esfuerzo.
La fórmula que nosotros utilizamos en este diseño viene dada por la siguiente
ecuación:
L= 0.394 r2N2/(9r+ 101).
En donde:
r = El radio de el inductor en cm.
1 = El largo de el inductor en cm.
L= La inductancia en phemies.
Sin embargo el largo 1 de el inductor debe ser mas grande que 0.67r, esta
fórmula es precisa dentro de un uno por ciento del valor exacto.
CONSTRUCCION DE UNA ANTENA
Las antenas verticales de un cuarto de onda son utiles para las comunicaciones
locales, cuando su tamaño, costo y facilidad de construcción es importante. La
antena que se construyó fue en base a un conector coaxial. Los materiales para su
construcción se eligieron tomando en cuenta, que durante la fase de prueba y su
toda su etapa de funcionamiento seria en todo momento a la intemperie, por lo cual
lo materiales debian ser lo suficientemente resistentes a los diversos cambios de
clima. Las dimensiones del alambre rígido vertical y de los radiales fue resultado
de proponer una fiecuencia de aproximadamente 91.7 Mhz y haciendo una
elección de una antena de un cuarto de onda, dando como resultado una longitud
de 81 cm
Las dimensiones del plano de tierra no son críticas, pero determina el tamaño
de los radiales. Este plano de tierra se propuso ser una placa metálica cuadrada de
20 cm de lado; que en las esquinas se les colocó unas antenas telescopicas que
fungiran como radiales. Respecto a los radiales, es importante mencionar que
estos estan sujetos al plano de tierra de tal manera que forman un ángulo de 45
grados entre sí . Otro componente que se encuentra fijado al plano de tierra es el
conector(cuya fiinción es la unir el cable coaxial con el elemento rigid0 vertical),
este por medio de unas placas que lo sujetan entre sí.
Un elemento adicional a la antena es el mástil, que se decidió colocar a la
antena para que estuviera a una mayor altura. El mástil consta de tres tubos
metálicos de una y media pulgada de diámetro y una longitud aproximada de 1.5 m
cada uno; con un tubo interno que permite la Unión entre ellos.
Por último, tenemos la base circular de fierro colado, que servirá para fijar los
tubos en ella, dicha base junto con los "vientos"(tensores) daran la estabilidad a
esta estructura. Una característica adicional en esta antena es su portabilidad, ya
que desde un principio se pensó que fuera I' TOTALMENTE 'I desarmable.
OSCILADORES
En sistemas de radio, los osciladores de onda senoidal establecen las fiecuencias
de portadora
del transmisor y excitan a las etapas mezcladoras que convierten las señales de una
fiecuencia a
otra. Básicamente, un oscilador de onda senoidal es un circuito que, mediante
amplificación y retroalimentación, genera una salida sinusoidal. Su elemento activo
es normalmente un transistor Único o FET y la fiecuencia de operación se
determina con un circuito sintonizado en la trayectoria de retroalimentación. Un
oscilador que contenga un dispositivo activo en un cuadripolo debe tener una
trayectoria de retroalimentación, por la que parte de la salida realimente a la
entrada. Si la señal de retroalimentación es mayor que la de entrada y en fase con
ella, se iniciarán las oscilaciones y crecerán en amplitud, hasta que la saturación
reduzca la ganancia alrededor del bucle de retroalimentación a la unidad. Por
consiguiente, el primer criterio es que un circuito oscilará cuando exista una
trayectoria de retroalimentación que proporcione al menos una ganancia de bucle
unitaria, con desplazamiento de fase nulo.
Los osciladores alcanzan la operación estacionaria sólo cuando cuando un
transistor ha sido excitado tan profundamente en su operación lineal que su
ganancia, promediada en cada ciclo de salida, cae hasta una fiacción pequeña del
valor nominal en señal débil. Las tabulaciones de catálogo para parámetros de
transistores definen sólo las condiciones iniciales de un circuito oscilador,
desconociéndose por lo general los valores transitorios y h a l e s . Los circuitos
equivalentes y la mayoría de las herramientas analíticas de circuitos se sustentan en
la linealidad, una condición que no existe en la mayoría de los osciladores. Esto
quiere decir que las condiciones de operación estacionarias de un oscilador no se
pueden predecir exactamente, por lo general, mediante técnicas matemáticas
elementales.
Para que se inicien las oscilaciones, la salida de un dispositivo amplificador debe
retroalimentar a la entrada con una ganancia mayor que la unidad y con un
corrimiento de fase de O0 o de algún múltiplo de 360O. En un circuito oscilador
ideal, esto puede tener lugar sólo en una fiecuencia, que debe ser la de oscilación.
Si el desplazamiento de fase a través de la red de retroalimentación y del transistor
es independiente de las condiciones de operación de éste, la fiecuencia de
oscilación estacionaria debe ser la misma que al inicio de la oscilaciones y puede
predecirse exactamente por análisis de señal débil del circuito inicial. Es también
posible predecir la ganancia de transistor mínima que iniciará la oscilación, aunque
esta ganancia y fiecuencia de operación son casi lo único que puede dar un análisis
en señal débil.
La dependencia en fiecuencia de los valores de los componentes pasivos es otro
factor que complica el análisis.
Los capacitores con capacitancias arriba de algunos pF tienden a comportarse
inductivamente después de los 10 MHz y las capacitancias entre las vueltas pueden
hacer que los inductores se hagan capacitores. Estos efectos son diñciles de
modelar en la teoría de circuitos y pueden hacer que un circuito satisfaga las
condiciones para oscilación en Fecuencias no previstas en los análisis de circuitos.
Por lo general, esto se puede evitar empleando inductores de alta calidad y
conectando en paralelo capacitores pequeños (de 100 a 300pF) con todos los de
puenteo y acoplamiento.
En fiecuencias donde los capacitores m á s grandes se hacen inductivos, los
pequeños proporcionan cortocircuitos efectivos. Así, el análisis del circuito de un
oscilador es sólo el comienzo del proceso de diseño. Da quizá valores para todas
las componentes determinadas por la fiecuencia en el circuito, pero dice poco o
nada sobre magnitudes como salida de potencia, eficiencia, pureza de forma de
onda, estabilidad en fiecuencia y sensitividad fiente a variaciones en temperatura y
alimentación de voltaje. estos puntos se resuelven muy a menudo tomando los
cálculos de señal débil como punto de partida, construyendo el circuito y ajustando
valores de componentes hasta alcanzar el funcionamiento deseado.
En cualquier oscilador, la frecuencia y la amplitud de la oscilación se efectúan
en cierto grado por la impedancia de carga a la que se entrega la salida de un
oscilador. Resulta entonces una buena práctica incluir una etapa de separación
entre el oscilador y cualquier carga que tenga tendencia a variar por modulación,
vibración mecánica u otra causa. El amplificador intermedio debe tener una alta
impedancia de entrada para minimizar sus efectos de carga; debe estar
neutralizado, de tal suerte que las variaciones de la carga de salida no se reflejen a
la entrada y debe también tener una impedancia de salida pequeña, de tal manera
que las variaciones de carga no tengan mucho efecto sobre el voltaje de salida. Una
etapa de colector común satisface muchas de estas condiciones.
ESTABILIDAD EN FRECUENCIA.
La inestabilidad en fiecuencia de un oscilador proviene de los cambios en la
impedancia de carga, de variaciones en el voltaje de alimentación y de cambios
provocados por la temperatura en los valores de las componentes que determinan
la Fecuencia. Los dos primeros problemas se eliminan con separación adecuada y
regularización de voltajes. Los efectos por cambios de temperatura se reducen al
mínimo escogiendo componentes individuales, cuyos cambios en valor se cancelan
por cambios en las otras componentes. En casos extremos, puede ser necesario
encerrar al oscilador en una cámara mantenida a temperatura constante.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA.
Los amplificadores de potencia se usan cuando la eficiencia y la salida de
potencia de un circuito amplificador son las consideraciones importantes. Los
diversos tipos de amplificadores de potencia se identifican por sus clases de
operación; es decir, clases A,B,C,D,E,F,G,H, y S
siendo únicamente los tres
primeros los que serán de nuestro interés.
Los amplificadores de potencia de RF clase A y B tienen una ganancia de
potencia apreciable; producen una réplica amplificada del voltaje de señal de
entrada o de la onda de corriente y se usan comúnmente en transmisores SSB
(banda lateral única) y multimodo, donde se requiere la reproducción exacta de la
envolvente y de la fase de la señal. Los circuitos sintonizados o los filtros pasa
bajos no son componentes integrales de los amplificadores clase A o B; no
obstante, se incluyen a menudo para asegurar la supresión adecuada de las
armónicas.
Como el ancho de banda de una señal de RF común es una fiacción pequeña de
la fiecuencia de portadora (y del ancho de banda del amplificador de potencia), las
señales no deseadas a la salida del amplificador de potencia, se pueden dividir en
tres categorías. La figura 1.6 describe las relaciones de estas señales con la señal
deseada, que en este caso consiste de dos tonos de amplitudes iguales de
fiecuencias fc+@ fc-fk La no linealidad del amplificador produce dos tipos de
señales no deseadas: llamadas armónicas y los productos de distorsión por
intermodulación (IMD). Los productos IMD son prominentes cerca de la
fiecuencia de portadora. Causan distorsión en la señal recibida e interferencia de
canal adyacentes o ambas.
Otras señales no deseadas incluyen oscilaciones subarmónicas y parásitas y
productos de mezclador; se les llama productos espurios o simplemente "spurs".
En un amplificador de potencia de RF, las armónicas y alguno de los productos
espurios se pueden eliminar con fltros; sin embargo, los IMD generados deben ser
de un nivel aceptablemente bajo.
La distorsión causada a una señal de entrada por un amplificador es mostrada
en la fig 1.7. La distorsión de la señal de salida es debida al contenido de los
armónicos generados por el amplificador. Este tipo, de distorsión es llamada
distorsión de armónicos y es expresada por la ecuación:
Vout= AVin + BVin2
+ CVin3 + ...
El segundo término de la ecuación es conocido como el segundo armónico o
distorsión de segundo orden. El tercer término es llamado tercer armónico o
distorsión de tercer orden. Por supuesto, un amplificador perfectamente lineal no
produce armónicos de segundo, tercero o, de mayor orden que distorsionen la
señal.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE A.
El circuito de un amplificador de potencia clase A con emisor a tierra es
semejante al del amplificador análogo en señal débil. En una aplicación del
amplificador de potencia, la resistencia de carga es por lo general lo
suficientemente pequeña para que los efectos de la resistencia y reactancia de
derivación del dispositivo sean insignificantes. Como el punto de reposo Q se
selecciona para conservar siempre al transistor en su región activa, el dispositivo
equivale a una fuente de corriente.
El circuito sintonizado paralelo o el ñltro equivalente no es una parte necesaria de
un amplificador en clase A. sin embargo, como ningún dispositivo es pedectamente
lineal, se incluye a menudo u11 circuito sintonizado o un filtro para evitar que las
corrientes armónicas alcancen a la carga.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE B.
En un amplificador clase B el ángulo de conducción para el transistor es
aproximadamente de 1800. Así, el transistor conduce sólo la mitad del tiempo ya
sea la mitad del ciclo positivo o el ciclo negativo de la señal de entrada, cuando los
transistores están en la región activa son esencialmente fuentes de corriente. Los
ampliñcadores clase B son más eficientes que los clase A (70% contra menos del
50%). Sin embargo, son mucho menos lineales.
Probablemente la configuración m á s común de una ampliñcador clase B es el
arreglo push-pull mostrado en la fig. 1.8. En esta configuración, el transistor Q l
conduce durante los ciclos positivos de la señal de entrada, mientras que el
transistor Q2 conduce durante el ciclo negativo. De esta forma, la señal de entrada
es reproducida totalmente en el secundario del transformador T2. Así, ningún
dispositivo por él mismo produce una réplica amplificada de la señal de entrada. en
vez de esto la señal es en realidad separada a la mitad. Y cada mitad es entonces
ampliñcada y reensamblada a la salida.
Existen varios métodos de polarización para operación en clase B. Uno de los
más ampliamente usados es mostrado en la fig. 1.9. Este método simplemente
estabiliza el voltaje de base del transistor a 0.7 volt, usando un diodo externo.
El diodo CR1 debe soportar trabajo pesado porque el valor de la resistencia R
es usualmente elegido de tal forma que la corriente através de CR1 sea bastante
alta. Esto asegura que la polarización del transistor sea estable. Una red de
polarización alternativa es mostrada en la fig. 2.0. Aquí son usados 2 diodos para
polarizar directamente un emisor seguidor, el cual es usado como un amplificador
de comente. El voltaje en el emisor de Q l y por lo tanto en la base de Q2, est fijo
en 0.7 volt debido al VBE que cae através del transistor Q l .
El choque de RF y el capacitor mostrados en las figs. 1.9 y 2.0 son sólo para
prevenir el flujo de RF hacia la red de polarización. Debe tenerse cuidado en todos
los arreglos de polarización de asegurar que el choque de RF sea de bajo Q para
una operación óptima.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE C.
Un ampliñcador clase C es uno en el cual el ángulo de conducción del
transistor es significativamente menor que 1800. El transistor es polarizado de tal
manera que bajo las condiciones de estado estacionario no fluya corriente de
colector. El transistor estará en corte. De las otras clases de amplificadores la
linealidad del amplificador clase C es la peor. Su eficiencia puede aproximarse al
85%.
Para polarizar un transistor para que opere en clase C, es necesario polarizar
inversamente la unión base-emisor. No es necesaria una polarización externa. Esto
es mostrado en la fig. 2.1. si la base del transistor es enviada a tierra através de un
choque de RF (RFC),la corriente de base fluye através de la resistencia interna
(rbb') tendiendo a polarizar inversamente la unión base emisor.
CONSTRUCCIQN DE UNA NENA.
A
b
4 - 4 0 HARDWARE
A N D SOLDER
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H
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4.00
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2.4G
1.96
1.5'1
1.2.7
0.98
REFERENCIAS.
THE ARRL ANTENNA BOOK.
Editor. American Radio Relay League.
Edition 16th. Copyright. 09/29/94.
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Y AMPLFICACIÓN DE SEÑALES.
A. Sedra & K.C. Smith.
Edit. Mc Graw Hill. Copyright. 1989.
ESTADO SÓLIDO EN INGEMERÍA DE RADIOCOMUNICACI~N.
Herbert C. Krauss, Charles W. Bostian & Frederick H. Raab.
Edit. Limusa. 1985.
RF.CIRCUIT DESIGN.
Chris Bowick.
Edit. SAMs. ?!