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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA E INFORMÁTICA
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MASSACHUSETTS
CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS 02139
6.101 Práctica introductoria sobre electrónica analógica
Práctica 1
TRABAJO DE LECTURA: repaso de los apuntes del curso 6.002 sobre resonancia.
Si no ha trabajado anteriormente con osciloscopios, tendrá que consultar las secciones 3: Controles,
Conectores e indicadores y 6: Aplicaciones básicas del Manual del osciloscopio Tektronix 2445
[disponible en la ventanilla del almacén o en la bolsa que hay encima del osciloscopio] para obtener una
descripción del funcionamiento de los distintos controles del osciloscopio. Sería también conveniente que
leyese la fotocopia Cómo utilizar la sonda del osciloscopio [disponible en la ventanilla del almacén] y
Los XYZ de los osciloscopios, ejemplar gratuito disponible en la ventanilla del almacén. Muchos de ustedes
utilizarán los nuevos Osciloscopios Tektronix TDS30XXB, en los que se adjuntan manuales reducidos.
En cualquier caso, puede consultarse el manual completo en la sección 38-601 del laboratorio.
VISIÓN GENERAL
Esta es la primera de seis prácticas que ocuparán la primera mitad de trimestre, y probablemente la más larga,
pero también la más parecida de todas a un recetario por la sencillez. Por lo general, se le entregará una práctica
práctica nueva en la clase de las 14:00 del viernes. Dado que esta práctica es más extensa y que usted la
recibirá el miércoles, dispondrá de un par de días más para realizarla. Las prácticas posteriores tratarán temas
que se presentarán en clase y estarán más orientadas al diseño, siendo menos tipo recetario a medida que
avanza el curso. En otras palabras, queremos que pase de ser un aprendiz a ser todo un experto.
En el experimento 1, comenzaremos por examinar los efectos de la resonancia, en particular el ancho de
banda, utilizando únicamente un transformador 475kHz con un condensador paralelo incorporado, el
generador de funciones y las resistencias.
A continuación, en el experimento 2, pasaremos a accionar el transformador utilizando una fuente más real,
un transistor que tiene su propio valor único de fuente de resistencia y que es una fuente de corriente,
en lugar de una fuente de tensión. Seguiremos utilizando una resistencia de carga sencilla en el secundario
del transformador para controlar el ancho de banda. El truco es que la resistencia de fuente del transistor
es un nuevo factor que afecta también al ancho de banda, junto con la resistencia de carga en el secundario.
Posteriormente, en el experimento 3, reemplazaremos la resistencia de carga con la combinación detector de
diodos / Filtro RF / resistencia de carga y estudiaremos cómo el diodo modifica el valor efectivo de la
resistencia de carga y cómo pueden afectar el condensador y el ajuste del ancho de banda a la respuesta
de audio de alta frecuencia de alrededor de 5 kHz [debido a una modificación del valor de la resistencia
de carga], que debería ser el principal ajuste del ancho de banda de audio.
En el experimento 4, examinaremos un método sencillo de transmisión de modulación AM que también
nos brinda la oportunidad de estudiar el comportamiento del circuito resonante en serie. El ancho de
banda de este circuito puede tener también un efecto sobre la respuesta de audio de alta frecuencia del
sistema completo de transmisión-recepción.
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Seguidamente, pasaremos al experimento 5 para sustituir una antena de recepción por el generador de
funciones, que además añade un segundo circuito sintonizado que, si se sintoniza a la misma frecuencia
central que el transformador, nos proporcionará un receptor doble de circuito resonante. El ancho de banda
combinado de los dos circuitos resonantes reducirá la respuesta de audio alrededor de 5kHz o incluso más
[el Q de la disposición de la varilla de ferrita / bobina / condensador ajustable (trimmer) no es tan elevado
como el Q del transformador, por lo tanto, las dos curvas de resonancia no tienen la misma forma].
En el experimento 3, la idea es medir unas cuantas frecuencias altas de audio: 400, 1000, 3000, 5000 Hz
y, a continuación, repetir esas mediciones en el experimento 5 y compararlas para ver cómo afecta la suma
del segundo circuito sintonizado a la respuesta de audio.
OBJETIVO
El propósito de esta práctica consiste en que transmita una señal de radio AM a un receptor AM rudimentario que
usted mismo construirá. Esta es una de las formas de obtener una comunicación sin cables y la experiencia
le ayudará a decidir qué tipo de proyecto de diseño desea llevar a cabo durante la segunda mitad del
trimestre. El objetivo es que se familiarice con circuitos prácticos resonantes paralelos y en serie [circuitos
sintonizados] y con la transmisión de radiofrecuencia (RF) y la demodulación de la amplitud, señales
AM moduladas. Además, aprenderá a utilizar los osciloscopios en serie Tektronix 2445 y TDS 30XXB
y el generador de funciones / modulador AM-FM Hewlett-Packard 33120A.
Observe que, a pesar de que hemos tratado de ser relativamente meticulosos en este informe escrito,
lo cierto es que habrá cuestiones que usted deberá resolver por sí mismo. En tal caso, probablemente le
resultará útil realizar ensayos con el instrumental para ayudarle a entender lo que no sepa. resulta difícil que
dañe las herramientas necesarias para esta práctica dadas sus características, siempre y cuando las
utilice con sentido común. No obstante, si tiene algún problema, no dude en pedir ayuda.
Rogamos que NO UTILICE cables individuales de enchufe de banana a pinza de cocodrilo para
la conexión desde el generador de funciones hasta sus circuitos. Estos cables sin blindaje y
sin emparejar recogen señales de dispersión y poseen capacitancia e inductancia de dispersión
sin controlar. UTILICE los cables blindados del conector BNC a EZ-Hook o del conector BNC a
cocodrilo que están disponibles en las ventanillas del almacén. Insista en ello, ya que se
adquirieron para el uso de los estudiantes del curso 6.101.
No olvide volver a sintonizar el slug de la bobina de su transformador de FI cada vez que realice
un cambio en los elementos del circuito y/o el nivel de señal. Los niveles de gran señal que
utilizamos suelen saturar el núcleo regulable del transformador de FI, lo que provoca una variación
en la inductancia. Por lo tanto, es posible que haya conectado el transformador a la resonancia a una
frecuencia y nivel de tensión determinados, aunque puede que a la misma frecuencia y distinto nivel
de tensión el circuito ya no esté sintonizado a la resonancia. Comprúebelo siempre.
Experimento 1: Q y ancho de banda de circuitos paralelos sintonizados.
NOTA: ES NECESARIA UNA SESIÓN DE COMPROBACIÓN PARA EL EXPERIMENTO 1 el lunes 8 de
septiembre. Apúntese a una hora de la sesión de comprobación en la lista que se facilitará en la puerta
del despacho del profesor adjunto [38-544].
Localice el transformador de radiofrecuencia (RF) de 475kHz en su kit de piezas y también un pequeño
destornillador morado de PLÁSTICO para justar el slug de la bobina. Intercambie la cápsula del
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transformador de 475kHz RF que venía en la caja de piezas por una de los nuevos transformadores montados
sobre una pequeña tabla de circuito impreso que se enchufa directamente en su kit de prácticas, si no lo
hizo al recibir su kit de piezas. Construya el circuito que se muestra en la figura 1, pero observe que
no es necesario que utilice un condensador, ya que viene incorporado al transformador y está
conectado a lo largo [en paralelo con] de todo el primario. Sería conveniente que conectase
el terminal de tierra [conectado a la "cápsula", que también es un blindaje para la interferencia exterior]
al lado del generador de funciones que está conectado a tierra, y la pinza de tierra del osciloscopio también
debería estar conectada a la misma puesta de tierra. Realice una serie de 15 mediciones utilizando
varias resistencias de entrada de carga y en serie e introducirá los datos en la Tabla 1 de la página 6. A
continuación, realice algunos cálculos para el resto de la tabla y, posteriormente, le pediremos que
extraiga unas conclusiones acerca de estos circuitos respondiendo a una serie de preguntas.
Mantenga sus manos lo más alejadas posible del montaje del transformador a la hora de realizar
los ajustes y las mediciones de este circuito. La capacidad de dispersión procedente de sus manos afectará
a las lecturas. Además, sea consciente de que las trayectorias largas de protoboard a lo largo de las partes
superior e inferior de los protoboard, vistas con el lado corto del kit hacia usted, no son continuas; están
divididas en dos secciones en el tornillo situado en el medio del lado largo.
Relación de transformación Pri-Sec = 4:1
R
C
VS
RCARGA
Figura 1. Circuito para resonancia paralela; experimento 1.
1. Debe conectar el osciloscopio a través de la salida [secundaria] del transformador de FI.
Conecte un lado del secundario a la misma parte del circuito a la que está conectada la
puesta a tierra del generador de funciones [FG]. Conecte la pinza de tierra del oscilosopio al mismo
punto de tierra. Registre todos los resultados de este experimento en la Tabla 1 de la página 6.
2. Comience con la resistencia en serie de 10kΩ del circuito y sin resistencia de carga en el secundario,
ajuste su generador de funciones para suministrar unos 600 mV pico a pico a 475 kHz medidos a través
del secundario del transformador. Mientras observa la tensión en la salida con su osciloscopio, ajuste
lentamente y con cuidado el slug de la bobina del transformador con el destornillador de plástico
[NO UTILICE DESTONILLADORES DE METAL] hasta que la salida alcance su punto más alto . [NO
FUERCE EL SLUG. TOCARÁ FONDO Y SE ROMPERÁ EN TROZOS]. Acaba de ajustar [recortar]
el valor de la inductancia primaria del transformador, de forma que resuena exactamente
con el condensador acoplado a 475 kHz. [NOTA: posiblemente le resulte más sencillo controlar
las tensiones de entrada y de salida si presta atención al cambio de fase entre las dos tensiones.
Cuando las dos se encuentran exactamente en fase, o exactamente fuera de fase por 180 grados
[dependiendo de qué terminal secundario esté conectado a tierra], se consigue una resonancia,
ya que la reactancia capacitiva ha anulado a la reactancia inductiva, dejando únicamente resistencia].
3. Ajuste su osciloscopio para que mida la tensión utilizando los cursores acoplados y ajuste ligeramente
la salida del generador de funciones tal que la forma de onda del osciloscopio sea exactamente
de 600 mV pico a pico. Es posible que esté tentado a conectar su multímetro HP 34401A para que
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le sirva de ayuda a la hora de realizar las mediciones, pero le rogamos que tenga en cuenta
que la impedancia de entrada del multímetro es de 1 MΩ +/− 2% en paralelo con 100 pF.
Esta capacitancia en paralelo se multiplicará por la relación de transformación del transformador
y se reflejará de nuevo en el primario, donde aparecerá en paralelo con el condensador
acoplado al transformador. Esto modificará de forma significativa el valor de la capacitancia primaria
y, por consiguiente, la frecuencia de resonancia y el ancho de banda.
Por lo tanto, es preferible que no utilice la capacitancia en paralelo en esta aplicación.
4. A continuación, cambie lentamente la frecuencia del generador de funciones en sentido ascendente y
observe que la amplitud de la forma de onda en el osciloscopio disminuye. Siga aumentando la frecuencia
hasta que valor de pico a pico de la forma de onda haya descendido 0,707 del valor que registró
en el paso 3. Este es f H o el punto –3dB de alta frecuencia. [Puede facilitar este proceso ajustando los
cursores regulables del osciloscopio a 0,707 X 600 mV ≈ 425 mV y, simplemente, modificando
después la frecuencia del generador de señales hasta que la forma de onda encaje entre los dos
cursores.
5. A continuación, cambie lentamente la frecuencia del generador de funciones en sentido descendente y
observe que la amplitud de la forma de onda en el osciloscopio aumenta y vuelve a disminuir al pasar
a través de la resonancia. Siga disminuyendo la frecuencia hasta que el valor de pico a pico de la
forma de onda haya descendido 0,707 con respecto al valor que registró en el paso 3.
Este es fL o el -3dB de baja frecuencia.
6. A continuación, repita el proceso anterior, en primer lugar con la selección de resistencias de carga que
se indican en la Tabla 1, y, posteriormente, sustituya la resistencia en serie con los valores mayores en la
Tabla 1, de nuevo con la misma selección de resistencias de carga. Observe que a medida que se
aumentan la resistencia en serie y la resistencia de carga, aumenta la definición de sintonización y disminuye
el ancho de banda [los puntos –3dB están mucho más cercanos a la frecuencia de resonancia de 475 kHz].
La medida de la definición de este pico de resonancia se denomina "Q" y su valor es infinito para la
resistencia en serie infinita [P.1.1 ¿Funcionaría la serie infinita? ¿Por qué? ]; pero en el mundo real, el
valor está limitado por resistencia parásita y detalles prácticos como las resistencias de carga. [Tendrá que
volver a comprobar los niveles de referencia de salida a 475kHz cada vez que modifique el valor de RFUENTE
o el de R L . Asegúrese de ajustar de nuevo su generador de funciones a 475 kHz cada vez que ajuste
los niveles de referencia de salida. Cuando llegue a las mediciones con la ayuda de la resistencia en serie
de 1 MΩ y las resistencias de carga más pequeñas, tendrá que resolver para una tensión de referencia
mucho más pequeña a 475kHz debido a la caída tan grande que se da a través de la resistencia de 1 MΩ
y al efecto de carga de las resistencias de carga. Debería ser capaz de obtener aproximadamente 80mV de
pico a pico a 475kHz medidos a través del secundario bajo las condiciones más desfavorables].
7. Una vez complete las mediciones para la Tabla 1, utilice algunas de las ecuaciones que se indican más
adelante para introducir los datos en la sección de la tabla "datos calculados". No olvide que la resistencia
de carga en el secundario "se refleja" en el primario según la relación de transformación. Es decir, la
resistencia secundaria aparece en paralelo a la primaria pero multiplicada por la relación de transformación
al cuadrado [a 2 ]. Este valor es RLpri en la tabla de la página 6. R ef es la combinación paralela de la carga
secundaria reflejada en la primaria en paralelo con la resistencia de fuente. El hecho de que los anchos
de banda calculados y medidos sean distintos se explica por las resistencias parásitas de la bobina y
del condensador, que estamos modelando como resistencia en paralelo con Ref .
Las siguientes ecuaciones le serán útiles para comprender el comportamiento de los circuitos resonantes
paralelos y a la hora de calcular los valores para la tabla, que se obtendrán en una sección posterior de la práctica.
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Se da resonancia cuando
ωC =
1
; las magnitudes de las impedancias son iguales. Debido a que tienen
ωL
ubicaciones iguales pero contrarias en el eje imaginario, estas impedancias se anulan mutuamente [sólo para
elementos de circuito ideal], dejando únicamente los elementos resistivos del circuito en resonancia.
.
Si resuelve para la frecuencia resonante:
ωo =
1
LC
o fo =
1
2π LC
. Observe que, aunque la frecuencia
resonante no depende de los valores de ninguna de las resistencias en paralelo de L y de C, variará con el
valor de la resistencia parásita [en serie] de la bobina de inductancia a causa de la resistencia del cable fino
utilizado para fabricar la bobina. En este momento, debemos ignorar que existe esta resistencia parásita.
El ancho de banda se define:
BW = ∆f = f
El Q del circuito se define como
Q=
H
−f
L
= . 1
2πRC
fo
. Con
.
muy elevada [cercana al infinito] en
= una resistencia
BW
paralelo con los elemetos reactivos, el ancho de banda se aproxima a 0 Hz y Q al infinito.
Preguntas:
P.1.2 Los circuitos resonantes paralelos se presentan a menudo con R, L y C en paralelo. Sin embargo,
estamos accionando nuestro circuito paralelo a partir de una fuente de tensión con una impedancia
de fuente baja y, por consiguiente, la resistencia debe estar en serie con los dos elementos reactivos.
Explique qué sucedería si, en este caso, ubicásemos la resistencia en paralelo con los elementos reactivos.
¿Cuál es el valor de la resistencia de fuente de su generador de funciones?
P.1.3 ¿Cuál es la impedancia de entrada que la sonda del osciloscopio ofrece al circuito?
P.1.4 ¿En qué se puede comparar esta impedancia de entrada con la que el multímetro ofrecería al circuito?
P.1.5 ¿Afectará esta impedancia al circuito primario del transformador de la misma forma que lo haría el
multímetro? Razone su respuesta.
P.1.6 Repase su tabla de los resultados calculados y medidos. ¿Qué combinaciones de resistencias de carga
y de fuente ofrece el ancho de banda mayor? ¿Y el Q superior? ¿Y el ancho de banda inferior? ¿Y el Q
inferior?
P.1.7 ¿Concuerdan todos los valores medidos y calculados del ancho de banda y de Q? Si no es así, enumere
las diferencias y explique sus causas. ¿Por qué va a peor el error a medida que aumenta el valor entre la
resistencia en serie y el generador de funciones, para el caso en el que se da una resistencia de carga
infinita?
P.1.8 Calcule el valor de la resistencia parásita relacionado con el transformador a partir de los datos que
tomó utilizando la resistencia de fuente de 1 Megaohmio y un valor de R L infinito.
Práctica 1
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TABLA 1: DATOS DE RESONANCIA MEDIANTE EL GF Y LA RESISTENCIA EN SERIE [C = 190 pF]; [a = 4:1]
DATOS MEDIDOS [fuente de 475 kHz]
R. EN SERIE
R. DE CARGA
10.000 Ω
Circuito abierto
10.000 Ω
10.000 Ω
10.000 Ω
4.700 Ω
10.000 Ω
1.000 Ω
fH [kHz]
fL [kHz]
BW [kHz] Q=fo/BW
DATOS CALCULADOS
RLpri
Ref
BW [kHz]
100.000 Ω Circuito abierto
100.000 Ω
10.000 Ω
100.000 Ω
4.700 Ω
100.000 Ω
1.000 Ω
1 Meg Ω
Circuito abierto
1 Meg Ω
10.000 Ω
1 Meg Ω
4.700 Ω
1 Meg Ω
1.000 Ω
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fH [kHz]
fL [kHz]
Q=fo/BW
Experimento 2: Q y ancho de banda de circuitos paralelos sintonizados accionados por etapa de transistor.
A continuación, repetiremos algunos de los cálculos y las mediciones anteriores utilizando un circuito real.
El circuito de la figura 2 es una versión del "par de cola larga", conocido como conexión en cascada.
Consiste en un circuito esencial que se puede utilizar también como amplificador diferencial y que
estudiaremos con más detalle a lo largo de este curso. La conexión en cascada es un amplificador de
colector común [seguidor de emisor] que acciona un amplificador de base común. Este circuito resulta muy útil,
en particular a frecuencias altas, ya que previene la multiplicación indeseada de la capacitancia de la base del
colector del transistor mediante la ganancia de etapa [el temido "efecto Miller"] cuando se utiliza el
amplificador de transitor de emisor común. Estudiaremos este efecto a lo largo del trimestre.
+15 V
Relación de transferencia pri.-sec. [a] =
4:1
RL
50Ω
[Dentro del GF]
0,1µF
2N3904
FG
VIN
VOUT
5Ω
[utilice 2-10Ω]
2N3904
10 kΩ
10 kΩ
0,1µF
RX=15 kΩ
-15 V
Figura 2. Circuito de amplificador en cascada que acciona un transformador resonante de FI.
En este nuevo circuito debe entender que el terminal del colector del transistor es una fuente de corriente
extremadamente buena, con una resistencia de fuente bastante alta cuyo valor depende de las condiciones
de polarización del transistor.
Simplifiquemos la figura 2 de forma que podamos obtener adecuadamente algunas de las ecuaciones de
resonancia que se enumeraron anteriormente. Sólo nos concentraremos en el segundo transistor y en
el circuito resonante del transistor. El primer transistor sirve de seguidor de emisor y proporciona una impedancia
de entrada relativamente alta y una impedancia baja de salida para accionar la impedancia baja de entrada
del emisor del transistor de base común que a su vez acciona el "tanque" resonante. Se puede decir que el
primer transistor es una configuración de colector común o "seguidor de emisor", ya que éste se halla
conectado directamente a la alimentación DC [VCC ], que es una conexión AC a tierra. Asímismo, se puede decir
que el segundo transistor es una configuración de base común, ya que la base está conectada a tierra a
través de un condensador. P.2.1. ¿Cuál es la reactancia [impedancia] de este condensador a la frecuencia
de 475 kHz que estamos utilizando?
En la figura 3a se muestra el transformador sintonizado accionado por la fuente de corriente del transistor,
y en la 3b el mismo circuito con la resistencia secundaria multiplicada por la relación de transformación
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primaria-secundaria al cuadrado, atribuida a la primaria y marcada como "G" de
conductancia para facilitar un análisis matemático más sencillo.
Relación de transformación pri.-sec. [a] = 4:1
I
I
RCARGA
C
Figura 3a. Carga sintonizada en amplificador de FI.
GCARGA
C
L
+
V
Figura 3b. Carga secundaria atribuida a la primaria.
A continuación, utilizaremos la notación de admitancia para resolver las ecuaciones de resonancia. No olvide
que estamos ajustando la admitancia de la bobina de inductancia utilizando una varilla de sintonización de
forma que anule la admitancia del condensador a 475kHz , para que la carga del generador de corriente
parezca una conductancia pura.
A partir de la figura 3b:
⎛
1 ⎞
⎟ = −I ;
V ⎜⎜ G + jωC +
jωL ⎟⎠
⎝
−I
V =
1 ⎞
⎛
G + j ⎜ ωC −
⎟
ωL ⎠
⎝
Se dice que el circuito es resonante cuando ωC =
ωo =
1
LC
o
o
Ecu.1
1
, y la frecuencia resonante viene dada por
ωL
fo =
1
2π LC
Ecu. 2
Por consiguiente, vemos que L y C deben tener valores que hagan que f o = 475kHz y que fo no dependan del
valor de G = 1/R. Sin embargo, a frecuencias superiores o inferiores a f o , los valores de 1/ωL y ωC NO son
iguales, y la carga tendrá una admitancia capacitativa o inductiva neta en paralelo que hará que el valor
neto de la admitancia aumente y, por tanto, que la tensión de salida disminuya. La rapidez con la que la
admitancia de la carga total aumenta a partir del valor de pico determina la "definición" de la sintonización,
que a menudo se denomina la selectividad del circuito. Esta es una cualidad deseada de estos circuitos, ya
que la selectividad nos permite sintonizar únicamente la emisora que deseamos y excluir las cercanas, que de
lo contrario provocarían interferencias. [En EE.UU, las emisoras de modulación de amplitud (AM) tienen un
ancho de banda máximo de +/- 5kHz alrededor de la frecuencia portadora, por lo que en este caso,
únicamente nos interesaría pasar de frecuencias de 470kHz a las de 480kHz, excluyendo las demás.
Práctica 1
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El ancho de banda de un circuito se define como la diferencia entre las frecuencias a las que la respuesta
está por debajo de 3 dB. [dB=20log 10V2/V1]. En la figura 4 se muestra una curva de Y= G + j[ωC-1/ωL].
Figura 4. Diagrama de la admitancia frente a la frecuencia angular, indicando el ancho de banda.
Los puntos –3 dB de la ecuación 1 anterior tendrán lugar cuando lo real sea igual a lo imaginario en el
denominador:
1
1
1 + j1
=
1.414
= 0.707
Se resuelve para ω3dB : igualamos la parte real del denominador a la parte imaginaria en la ecuación 1.
⎛
1 ⎞
⎟
G = ±⎜⎜ ω 3dB C −
ω 3dB L ⎟⎠
⎝
Esto se reescribe de la forma siguiente:
ω 32dB ±
G
ω 3dB − ω o2 = 0
C
Si se utiliza la solución cuadrática:
2
ω 3dB = ±
G
⎛ G ⎞
2
± ⎜
⎟ + ωo
2C
⎝ 2C ⎠
Ecu. 3
Pero, si ωo2 es mucho mayor que (G/2C) , entonces:
2
ω 3dB = ω o ±
G
1
= ωo ±
2C
2 RC
El ancho de banda es la distancia entre puntos 3dB, por lo tanto,
∆ω = 2
1
;
2 RC
∆ω =
or
1
RC
Ecu. 4
A pesar de que la aproximación de la ecuación 3 oculta el hecho de que ω o no se da realmente con exactitud
entre las dos frecuencias ω 3dB, el ancho de banda es siempre 1/RC, sin tener en cuenta la aproximación.
Práctica 1
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Por consiguiente, tenemos dos consideraciones fundamentales en el diseño de este circuito resonante
selectivo de frecuencia dado por las ecuaciones 2 y 4 anteriores. Dependiendo de qué elementos del
circuito son modificados fácil y de forma práctica, puede observar que posiblemente la resonancia
y el ancho de banda puedan ser ajustados de forma independiente.
Tenga en cuenta que L no aparece en la ecuación del ancho de banda pero que C tiene lugar t
tanto en la ecuación de resonancia como en la de ancho de banda.
Instrucciones:
Construya el circuito de la figura 2. Observe que a continuación va a accionar el transformador desde
la toma central. Conecte su generador de funciones tal y como se muestra a la izquierda del esquema, de
forma que la salida del generador esté conectada a la entrada del transistor a través del condensador de
acoplamiento [bloqueo DC]. [Las dos resistencias en paralelo de 10Ω combinadas con la resistencia de fuente
de 50Ω del generador de señales forman un divisor de tensión para reducir lo suficiente la tensión de
salida y prevenir una sobrecarga de esta etapa de ganancia alta. Tendrá que tener en cuenta este divisor
de tensión cuando registre la tensión real de entrada a su circuito. Asegúrese de que su generador
de funciones está ajustado para HIGH Z (Z ALTO) antes de anotar ninguna lectura de V in. Si su generador
de funciones está ajustado para 50Ω , las lecturas que realice serán incorrectas]. Coloque la sonda de
su osciloscopio a través de la resistencia R L y ajuste la tensión de entrada para producir una tensión de
salida pico a pico con R L = ∞. Sintonice de nuevo el transformador para una salida máxima cuando su
frecuencia de entrada sea exactamente de 475kHz. A continuación, tome las medidas necesarias para
rellenar la sección "Datos medidos" de la tabla 2. [Tendrá que reajustar la tensión de entrada a 475kHz
cada vez que modifique la resistencia de carga para así mantener la tensión Vp-p de 2,0 a la salida.
Además, asegúrese de sintonizar de nuevo el transformador con el generador fijado en 475kHz
cada vez que realice un cambio en el circuito. Los núcleos de estos transformadores se pueden saturar
fácilmente dependiendo de los niveles de corriente y de tensión, lo que hará que cambie el valor de la
inductancia. Es preferible volver a comprobar que el primario del transformador es resonante a 475 kHz cada
vez que modifique el valor de RL ].
A continuación, realice los cálculos necesarios para rellenar la sección "Datos calculados" de la tabla. Observe
que R Lpri es el valor de la resistencia de carga reflejado al primario. A v = Vout/Vin es la ganancia de tensión,
que se puede calcular a partir de los valores de tensión que registró en la tabla 2. R FUENTE es el valor
de la resistencia de fuente del generador de corriente del transistor, en paralelo con cualquier resistencia
parásita existente en el transformador, y en paralelo con R Lpri . Estas dos resistencias juntas
comprenden la conductancia G que utilizamos anteriormente para obtener las ecuaciones de resonancia.
Cuando calcule el valor de R FUENTE, utilice el valor que obtuvo a partir de los datos medidos con la resistencia de
carga finita y cópielos en la tabla para los otros valores de resistencia de carga. A continuación, puede colocar
RFUENTE en paralelo con R Lpri para calcular los anchos de bandas de los otros casos. Probablemente, estos
anchos de banda calculados no serán los mismos que los medidos en la sección de la izquierda de la tabla,
pero deberían acercarse. [Por supuesto, el ancho de banda calculado para el caso de la resistencia de carga
infinita será el mismo que el ancho de banda medido para calcular el valor de R FUENTE.]
Nota: su DMM mide la tensión AC en voltios RMS y su osciloscopio lee en voltios pico a pico. Para
obtener un cálculo de ganancia preciso, deberá convertir una de las unidades de tensión para que se
corresponda con la otra. Puede ajustar su generador de funciones para que lea voltios pico a pico o voltios
RMS.
Preguntas:
Práctica 1
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P.2.2 ¿Qué valor de resistencia de carga ofrece el mayor ancho de banda? ¿Y el menor?
P.2.3 ¿Cuál es el valor de la resistencia de carga que más se aproxima al ancho de banda apropiado
para la recepción AM indicada anteriormente?
P.2.4 ¿Cuáles son las frecuencias –3dB alta y baja que obenidas para este valor de R L ?
P.2.5 ¿Qué ocurriría si decidiésemos modificar C en lugar de L para así sintonizar a 475 kHz el circuito
sintonizado en paralelo?
P.2.6 ¿Por qué piensa que la ganancia disminuye a medida que lo hace el valor de la resistencia de carga?
Práctica 1
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TABLA 2: DATOS DE RESONANCIA UTILIZANDO UN AMPLIFICADOR EN CASCADA Y UNA TOMA CENTRAL [C = 190 pF]; [a = 4:1]
DATOS MEDIDOS [fuente de 475 kHz]
Vin [RMS]
Vout P-P
RL
fH [kHz]
fL [kHz]
BW [kHz] Q=fo/BW
DATOS CALCULADOS
RFuente
RLpri
RS||RLpri
2,0 V p-p Circ. abierto
Práctica 1
2,0 V p-p
10.000Ω
2,0 V p-p
4.700Ω
2,0 V p-p
1.000Ω
12
9/11/03
BW [kHz]
fH [kHz]
fL [kHz] Q=fo/BW
Av
Experimento 3: detector de señales de modulación de amplitud
[Nota: este detector estará conectado al secundario del transformador de FI, en lugar de la resistencia
que se utilizó en el experimento anterior].
A continuación, tenemos un circuito útil que amplificará y seleccionará una banda estrecha de frecuencias que nos
interesen. Posteriormente, necesitaremos preparar un circuito que desmodule o detecte una señal AM.
La señal modulada de amplitud se expresa mediante la expresión siguiente:
v = Ac cos ω c t +
KAm
[cos(ω c − ω m )t + cos(ω c + ω m )t ]
2
donde los subíndices "c" indican la frecuencia del portador [en este caso es 475kHz] y los subíndices "m"
a la frecuencia modulada, que es una frecuencia de audio entre 50Hz y 5kHz. K es un factor de escala.
Si examinamos esta ecuación, podemos ver que una señal modulada AM consta de tres frecuencias: la
frecuencia del portador, la suma de dicha frecuencia, la señal de audio y la diferencia entre ambos. Cuando se
desconecta el audio, el portador es la única señal. En la Figura 5a se muestra un esquema de una señal modulada
AM con la frecuencia del portador exagerada [generalmente, esta frecuencia sería mucho mayor que la frecuencia
de audio que combinarían las formas de onda individuales del portador]. En la figura 5 se muestra el espectro
de la frecuencia de la señal de amplitud modulada.
Figura 5a. Portador de amplitud modulada.
Figura 5b. Frecuencias en onda modulada del portador.
[No está realizado a escala]
Para poder remodular y capturar de nuevo el audio es necesario suprimir el portador. Si examinamos la
figura 6a, podemos observar con mayor claridad cómo los picos de la onda portadora aproximan la frecuencia
de audio [de nuevo, se ha exagerado el espaciado para una mayor claridad]. Observe cómo parece que existen
dos formas de onda completas en la figura 6a. Podemos eliminar una de ellas y eso es exactamente lo que
hace el diodo en el circuito detector de la figura 6b. Lo que queda del circuito es lo más simple: un filtro de
paso bajo. Por supuesto, se intuye que para suprimir el portador es necesario filtrar las altas frecuencias
de audio y guardar las bajas.
Práctica 1
13
9/11/03
Figura 6a. Los picos del portador perfilan la frecuencia
de audio.
Figura 6b. Circuito detector de AM.
Utilice un 1N914 o un 1N4148 para D 1
Hasta ahora, hemos estado sustituyendo una resistencia de carga sencilla, R L , para el circuito detector y
usted debe haber aprendido que el valor de R L se refleja en el primario del transformador y que es el
elemento principal a la hora de determinar el Q del circuito y el ancho de banda. Es muy importante
controlar el ancho de banda en AM para rechazar la modulación no deseada de emisoras adyacentes.
A continuación, debemos determinar un método para hallar la resistencia de entrada al detector para así
poder controlar el ancho de banda de la señal modulada.
Cuando se rectifica una señal AC y se utiliza para cargar un condensador, se produce una tensión DC
bastante constante a través del dispositivo de almacenamiento [el condensador]. Habrá alguna ligera
oscilación en la parte superior de esta tansión DC, debida a la tendencia del condensador a descargarse
en la resistencia, pero ignoremos esta ondulación por ahora. Nuestro objetivo es determinar una resistencia
de entrada estudiando el detector justo antes que el diodo. Llamémoslo Req [de equivalente]. Calcularemos
esta resistencia suponiendo que la potencia DC disipada en la carga RL es igual a la potencia AC que reparte
la señal del portador del transformador a R eq .
Si suponemos que C F se carga hasta el valor de pico de la tensión de portador, entonces,
PDC =
Vp
2
RL
;
La potencia AC que disipa la fuente del transformador en la resistencia equivalente del detector es:
2
PAC
⎛ Vp ⎞
⎜⎜
⎟
V2
2 ⎟⎠
⎝
=
= p
Req
2 Req
Si equiparamos la potencia de entrada con la de salida, es fácil ver que R eq = R L/2. Por lo tanto,
necesitamos seleccionar R L primero, ya que controla el ancho de banda del circuito sintonizado. Seleccione
un valor para R L que proporcione un ancho de banda de 10kHz [+/− 5kHz] alrededor de la frecuencia del portador
de 475 kHz y medido a través del primario del transformador de FI. A continuación, podríamos seleccionar C F
a partir de lo que conocemos acerca de los filtros de paso bajo. Sin embargo, en este caso, no estamos seguros
Práctica 1
14
9/11/03
del tipo de resistencia de fuente que proporcionan el secundario del transformador y el diodo. Si pudiéramos
medir o calcular fácilmente estos valores, podríamos diseñar rápidamente el filtro de paso bajo. En su
lugar, diseñaremos un filtro de forma empírica probando un valor para C F igual a 0,01 µF y, a continuación,
modularemos el portador con 400Hz a una modulación del 50%. Para ello, mantenga la frecuencia del portador
de su generador de funciones a 475 kHz, conecte la función de modulación AM y ajuste una frecuencia de
modulación de 400 Hz a una modulación del 50% [consulte el manual del generador de funciones. Hay copias
disponibles en la ventanilla del almacén].
Coloque el osciloscopio a través de la resistencia de carga del detector y observe la señal que se detecta.
Registre la tensión de salida y, a continuación, aumente la frecuencia de modulación a 1kHz, 3 kHz y 5kHz.
Registre el nivel de tensión de salida de audio para estas cuatro frecuencias de prueba. Si la tensión de salida
a 5 kHz no es 3dB a través de la tensión registrada a 400 Hz, necesitará aumentar C F hasta que la señal
de 5kHz sea de 3dB. [Si tiene muchos problemas para conseguir mantener la respuesta a 5kHz, posiblemente
necesite seleccionar un valor de R L diferente para poder obtener un ancho de banda más amplio del transformador;
en concreto, si está utilizando condensadores cada vez más pequeños y observa que el portador experimenta una
gran ondulación en su salida de audio]. Registre los valores de los elementos de estos dos circuitos. [Si su
salida es superior a 3dB a 5kHz, tendrá que empezar de nuevo el proceso con un valor menor de C F y, a
continuación, añadir capacitancia en la medida que vaya siendo necesario].
NOTA: en este punto, es posible que no vea la frecuencia de modulación [audio] en la salida del
detector, sino una imagen fantasma distorsionada de una forma de onda. Esto se debe a una
característica muy importante de circuitos resonantes de "Q" alto [ligeramente amortiguados], concretamente:
al estimular un circuito resonante de Q alto con un impulso, una onda cuadrada, una parte de onda sinusoidal,
(prácticamente cualquier elemento) el circuito resonante devolverá una onda sinusoidal, que es su respuesta
natural. Por lo tanto, en las secciones anteriores de esta práctica, se podrían haber sobrecargado las etapas del
transistor con una señal de entrada de onda sinusoidal lo suficientemente grande como para producir "clipping"
[una onda cuadrada] en la salida. Sin embargo, dado que la carga de salida es un circuito resonante de Q alto,
la respuesta a una onda cuadrada de entrada será una onda sinusoidal. Esto es bueno, siempre y cuando
estemos hablando de señales sin modular; pero si en cambio tomamos una onda sinusoidal de amplitud modulada,
la mandamos a un nivel demasiado alto en un amplificador de transistor y recortamos la señal, resulta que
eliminamos la modulación, que es precisamente lo único que tratamos de detectar. Por lo tanto, si no se detecta
ninguna onda sinusoidal de audio en la salida del detector, asegúrese primero de que está modulando su
portador y, a continuación, baje la amplitud del portador [salida del generador de señales] hasta que observe la
salida de audio adecuada del demodulador.
Cuando realice sus mediciones a 400 Hz, no olvide medir también la tensión DC presente en la salida del
detector. Aumente el nivel de modulación al 80% y registre de nuevo la tensión DC. Reduzca el nivel de
entrada de radiofrecuencia al circuito y registre cualquier cambio que se produzca en la tensión DC.
Experimento 4: transmisión de señales AM; circuitos resonantes en serie.
NOTA: LE ROGAMOS QUE, PARA ESTE EXPERIMENTO, TRAIGA UNA RADIO PORTÁTIL O UN REPRODUCTOR
DE AUDIO PORTÁTIL. HABRÁ ALGUNAS RADIOS AM DISPONIBLES EN LA VENTANILLA DEL ALMACÉN.
Ya hemos construido y analizado muchos de los circuitos necesarios para amplificar, limitar el ancho de banda y
detectar señales de radio AM. A continuación, transmitiremos algunas señales de radiofrecuencia de amplitud
modulada. Seguiremos utilizando 475kHz en la mayoría del trabajo, ya que hemos diseñado los circuitos receptores
para que sean sensibles a esta frecuencia, que se acerca a la de 455 kHz utilizada internamente en todas
las radios AM como frecuencia intermedia [FI]. La mayoría de los diseños actuales de radios AM utilizan
el método de recepción superheterodino, en el que todas las señales de la banda AM [530kHz a 1,7MHz] se
convierten a la frecuencia intermedia al llegar al receptor. Esto nos permite personalizar la mayoría de las etapas
de amplificación en el receptor para que funcione bien solamente a esta frecuencia, como acabamos de hacer en
el experimento 2. Normalmente, no se elige la opción de transmitir a 475kHz, ya que esta frecuencia no se
Práctica 1
15
9/11/03
puede recibir radios AM normales y, además, está lo suficientemente cerca de la frecuencia intermedia estándar
como para causar interferencias. Sin embargo, nuestras transmisiones no excederán los 30 pies y estarán limitadas
al ámbito de este edificio, que dispone de blindaje para frecuencias en la banda AM.
Existen dos grandes categorías de antenas para la transmisión o la recepción: 1. Fisicamente resonantes [la
antena es ¼, ½, ¾, etc. de una longitud de onda, dependiendo de si está alimentada en los extremos o en el
centro] y, 2. Físicamente pequeñas comparadas con una longitud de onda, es decir, menos de 0,1λ. Las antenas
resonantes resultan útiles a frecuencias superiores en las que las longitudes de onda son más cortas que en la
banda AM. Una antena resonante a 475kHz tendría que medir unos 200 pies. Por lo tanto, estamos utilizando
una antena físicamente pequeña. Una antena físicamente resonante se parece bastante a una resistencia pura
cuando es conducida como antena transmisora. Sin embargo, una antena pequeña puede parecer inductiva
o capacitativa dependiendo de la frecuencia. Nuestra antena parece ser inductiva a 475kHz, por lo que para
poder conducir una cantidad suficiente de corriente a la antena tendremos que resonar la antena en serie
con un condensador en serie para poder anular la impedancia causada por la inductancia.
Análisis de resonancia en serie:
El análisis de circuitos en serie es idéntico al de los circuitos resonantes paralelos, excepto en que podemos
utilizar conceptos de impedancia en lugar de notación de admitancia. El diagrama de curvas/admitancia del
ancho de banda de la figura 4 se puede convertir en la curva de impedancia para el circuito resonante en
serie si se sustituye la Y por la Z. Para un circuito en serie R-L-C sencillo conducido por una fuente de tensión
sin resistencia:
⎛
1 ⎞
⎟⎟;
V = I ⎜⎜ R + jωL +
j
C
ω
⎠
⎝
V
I =
1 ⎞
⎛
R + j ⎜ ωL −
⎟
ωC ⎠
⎝
Se dice que el circuito es resonante cuando ωL =
ωo =
1
LC
Ecu.5
1
y la frecuencia resonante viene dada por
ωC
fo =
o
o
1
2π LC
Ecu. 6
Los puntos –3 dB de la ecuación 5 anterior tendrán lugar cuando los valores reales coincidan con los imaginarios
en el denominador:
1
1
1 + j1
=
1.414
= 0.707
Si se resuelve para ω3dB igualando la parte real del denominador a la imaginaria en la ecuación:
⎛
1 ⎞
⎟
R = ±⎜⎜ ω 3dB L −
ω 3dB C ⎟⎠
⎝
Esto se puede reescribir de la forma siguiente:
Práctica 1
16
9/11/03
ω 32dB ±
R
ω 3dB − ω o2 = 0
L
Con la ayuda de la solución cuadrática:
2
ω 3dB
R
⎛ R⎞
=±
± ⎜ ⎟ + ω o2
2L
⎝ 2L ⎠
Ecu. 7
Pero, si ω o2 es mucho mayor que (R/2L)2 :
ω 3dB = ω o ±
R
2L
El ancho de banda es la distancia entre los puntos 3dB, por lo que,
∆ω = 2
R
;
2L
∆ω =
o
R
L
Ecu.8
A pesar de que la aproximación de la ecuación 7 oculta el hecho de que ω o no está exactamente entre
las dos frecuencias ω 3dB , el ancho de banda siempre es R/L, sin tener en cuenta la aproximación.
Ya que Q se sigue definiendo: Q =
fo
2πf o
L
, en este caso Q =
= 2πf o . . Por consiguiente, para obtener
R
BW
R
L
un valor alto de "Q" en un circuito resonante en serie tendremos que utilizar una bobina de inductancia
grande [y, por tanto, un condensador pequeño]. Contraste esto con el caso de la resonancia paralela,
donde demostramos que para obtener un "Q" alto y, por tanto, un ancho de banda muy estrecho,
tendríamos que utilizar un condensador grande [y, por consiguiente, una bobina de inductancia pequeña].
Afortunadamente, nuestros generadores de función Agilent proporcionan modulación AM y FM y una salida de
radiofrecuencia más que suficiente para hacer funcionar nuestra antena. Cuando haya varias personas trabajando
a la vez en el elaboratorio en una misma frecuencia, es posible que se produzcan interferencias mutuas. Por lo
tanto, conviene que reduzcan la salida de su generador de funciones a un nivel que les permita recibir su propia
señal, pero que evite que la señal alcance a otros receptores. Sería conveniente también que aquellos que
transmitan al mismo tiempo se ubiquen en puntos distantes del laboratorio.
Solicite una antena de cuadro del curso 6.101 del almacén. Ésta es una estructura de un pie cuadrado con
diez vueltas de cable enrolladas en una única capa de bobina plana. Necesitará también un condensador
"trimmer", que es un condensador ajustable con tres patas. Las patas NO encajarán en los protoboard, por lo que
ni siquiera lo intente
. . Dos de las patas del condensador están conectadas eléctricamente entre ellas y a su
vez a una placa. Suelde pequeños trozos de hilo de cableado a las dos patas y, a continuación, inserte el trimmer
en el protoboard. NO UTILICE EL PROTOBOARD DE SU KIT, SINO UNO AUTÓNOMO QUE PUEDE OBTENER
EN EL TALLER DEL LABORATORIO, O RETIRE UNO DEL ALMACÉN.
Práctica 1
17
9/11/03
trimmer 12-100 pF
C
Rfuente
L [Antena]
VS
10 Ω
Figura 7. Circuito de sintonización de antena para la transmisión
de un portador AM del generador de funciones.
Conecte el circuito de la figura 7. Asegúrese de que la modulación de su generador de funciones está
desconectada. No olvide utilizar un cable blindado [BNC a E-Z hook o BNC a pinzas de cocodrilo] entre el
generador de funciones y el protoboard. Busque en la estructura del bucle el lugar en el que la inductancia de
éste está marcada y calcule la capacitancia que se necesita para obtener resonancia a 540kHz, NO a
475kHz:
fo =
1
2π
.
Complete esta capacitancia seleccionando condensadores fijos de su kit o de los
LC
disponibles en la ventanilla del almacén y ubicándolos en paralelo con el condensador ajustable (trimmer).
Ajuste el generador de funciones a salida completa, 20 voltios de pico a pico a 540 kHz, no a 475 kHz.
[P.4.1 ¿Por qué muestra el display de amplitud del generador de funciones un valor de tensión
incorrecto?]. Conecte un canal del osciloscopio a través de la resistencia en serie de medición de corriente
de 10 Ω, asegurándose de que la pinza de tierra esté conectada al lateral de la resistencia que esté conectada a la
puesta a tierra del generador de señales. [La pinza de tierra del osciloscopio está siempre conectada a una
oma de tierra eléctrica]. Ajuste el control de amplitud del osciloscopio para el canal que pasa a través de la
resistencia, como se requiere para ver una señal [el nivel de señal será muy bajo hasta que se obtenga resonancia].
Estamos tratando de obtener una corriente máxima en este circuito resonante en serie, por lo que su principal
tarea consistirá en controlar la tensión a través de la resistencia de 10 Ω cuando sintonice el circuito. Es posible
que tenga que añadir o suprimir algunos de los condensadores fijos que ha instalado, pero cuando el valor
combinado de los condensadores fijos más el trimmer sea correcto, podrá sintonizar el trimmer y observar cómo
pasa la tensión a través de la resistencia de 10 Ω a un máximo. [Una vez más, es posible que sea más fácil
controlar la tensión de salida del generador de funciones en un canal del osciloscopio, la tensión
a través de la resistencia en un segundo canal, y aplicar los ajustes hasta que el ángulo de fase entre
las formas de onda sea de 0 ó 180 grados, dependiendo]. Al sintonizar el trimmer para
que produzca este máximo, se obtiene resonancia en serie y se proporciona corriente máxima a la antena.
Una vez haya obtenido resonancia, puede retirar o cortocircuitar la resistencia de 10 Ω, lo que hará que la
corriente que va a la antena aumente en cierta medida y que disminuya también el ancho de banda.
A continuación, ajuste el generador de funciones de forma que el portador sea modulado en AM con una frecuencia
de modulación de 400 Hz a una modulación del 100%. Conecte su radio AM y sintonícela a 540kHz mientras la
mantiene cerca de la antena de transmisión. Debería escuchar claramente el tono de modulación en su radio AM.
Modifique el tono a distintas frecuencias y escuche de nuevo. Ya está emitiendo en radio AM. Desplace la radio
por el laboratorio y observe a qué distancia de la antena puede conseguir una señal. Obtendrá un radio de acción
máximo si fija la amplitud del portador a salida máxima y si cortocircuita la resistencia de 10 Ω.
Práctica 1
18
9/11/03
Cuando los tonos de prueba se dejen de oir a frecuencias superiores a 540kHz, sintonice de nuevo su generador
de funciones a 475kHz. Vuelva a sintonizar la antena ajustando el valor del trimmer y/o los condensadores fijos,
de tal forma que la corriente de la antena sea de nuevo máxima. A continuación, desconecte la antena mientras
que construye el circuito para el experimento 5.
Preguntas :
P.4.2 Con la resistencia de 10 Ω cortocircuitada, ¿cuál es la resistencia en el circuito resonante en serie?
P.4.3 ¿Se puede ajustar o reducir a cero esta resistencia?
P.4.4 Calcule el ancho de banda de este circuito resonante en serie.
P.4.5 ¿Cuál sería el efecto en la señal transmitida si el ancho de banda del transmisor fuese demasiado
pequeño [Q demasiado alto]?
P.4.6 ¿Qué ocurriría si invirtiésemos los cables del osciloscopio que están conectados a través de la
resistencia de 10 Ω ?
P.4.7 Calcule la longitud de una longitud de onda a 540kHz.
Experimento 5: recepción de la señal procedente de su antena transmisora.
En este último experimento, realizaremos algunos cambios al circuito de transistor que contruyó en el experimento
2. Añadiremos otro circuito paralelo sintonizado como parte de una antena receptora, de forma que puede recoger
lo que transmita prácticamente igual que una radio AM. Utilizaremos lo que se conoce como una antena receptora
loopstick: una varilla de ferrita con una bobina/un transformador de antena enrollada alrededor de ésta. En
paralelo al devanado primario grande [antena receptora], colocaremos de nuevo un condensador para que
resuene con la bobina de inductancia y para que, por tanto, proporcione sensibilidad únicamente a una frecuencia
al mismo tiempo. Si esta fuese una radio "real", en lugar de utilizar una combinación de condensador y trimmer
para este propósito, utilizaría un diodo varactor o un condensador variable que tubiese un rango ajustable
enorme, de tal forma que pudiese sintonizar toda la banda AM.
La bobina de inductancia que utilizará tiene una inductancia primaria de aproximadamente 723µH y una relación
de transformación de 40:1 primaria a secundaria. Esta relación de transformación permite que el circuito primario
de alta impedancia se acople a la entrada de baja impedancia de la etapa del transistor. El transformador
reductor reduce la impedancia de fuente de la bobina a casi un valor cero para evitar pérdidas a la hora de accionar
una entrada de transistor de baja impedancia. [Otra forma de verlo es que el transformador aumente el valor bajo
de la impedancia de entrada del amplificador de transistor, de forma que cuando se vuelva a reflejar en el primario
sea lo suficientemente grande como para evitar que descienda al ancho de banda del circuito resonante primario].
Calcule el valor de capacitancia que necesitará para resonar el primario a 475kHz. Una vez más, extraiga este
valor a partir de una combinación paralela de condensadores fijos y un condensador trimmer. Construya la
antena receptora en el amplificador de transistor, tal y como se muestra en la figura 8.Tenga cuidado con los
cables finos de la bobina de la antena. De nuevo necesitará soldar algún hilo de cableado sólido a estos
cables para poder insertarlos en el protoboard. Consiga en la ventanilla del almacén un trozo de cinta de espuma
con adhesivo doble cara de aproximadamente a ½ pulgada cuadrada y péguela al panel de su nerdkit junto al
punto en el que la bobina de la antena se conecta al circuito. Deslice el núcleo de la varilla de ferrita en la bobina
de la antena y pegue un extremo de la varilla a la cinta adhesiva. Observe que la bobina del transformador está
Práctica 1
19
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suelta en el núcleo. Consiga un palillo de dientes de madera y deslícelo CON CUIDADO entre la bobina y el
núcleo de ferrita para evitar que la bobina se deslice por el núcleo.
+15 V
Relación de transformación pri.-sec. [a] =
4:1
D1 CF
Bobina de la antena
RL VOUT
0,1µF
Blanco
2N3904
Rojo
2N3904
10 kΩ
10 kΩ
0,1µF
Verde
RX=15 kΩ
negro
trimmer de 12-100 pF
-15 V
Figura 8. Antena resonante/bobina de antena conectada al amplificador de FI.
Vuelva a su antena transmisora y conecte de nuevo el generador de funciones. Para este experimento, utilizaremos
otra vez la frecuencia de portador de 475kHz. Conecte su osciloscopio a través del secundario del transformador de
FI justo antes del diodo del detector para controlar la fuerza de la señal del portador. Ajuste la salida del generador
de funciones y observe si el osciloscopio indica la presencia de un portador. [En este punto, su antena
transmisora debería estar a una distancia de unos 3 pies de la antena receptora]. Con un impulso suficiente
en su antena transmisora como para proporcionar una señal visible en el osciloscopio, ajuste el condensador
trimmer para un pico. Si no se puede obtener un pico claro en el portador del primario del transformador de FI,
ajuste el valor de cualquiera de los condensadores fijos que esté utilizando para resonar el primario de la bobina
de antena. [De nuevo, puede que le sea más fácil comparar la fase de la salida del generador de funciones
con la fase de la señal del secundario del transformador para ubicar el máximo]. Una vez que el
condensador esté correctamente ajustado, retire el palillo de dientes que colocó entre la bobina y el núcleo de
ferrita y deslice la bobina CON CUIDADO a lo largo del núcleo hasta que vea una salida máxima en el
osciloscopio. llegado a este punto, convendría que reajustase el condensador trimmer en este momento, ya que al
mover la bobina la inductancia cambiará ligeramente.
Si no tiene un nivel de señal decente en el primario de su tranformador de FI, puede obtener más ganancia en el
amplificador de FI ajustando el valor de R X. La ganancia de este tipo de circuitos depende principalmente del
valor de la corriente de colector del transistor. Si sustituye RX por un potenciómetro de 10kΩ de su kit
en serie con una resistencia fija de 5,1kΩ, podrá ajustar la ganancia del circuito ajustando el potenciómetro. Esto
funciona debido a que R X es la única resistencia con intensidad de regulación para los dos transistores, que
dividen por igual la corriente a través de R X .
Una vez que tenga una señal lo suficientemente grande en el primario del transformador de FI, desplace los cables
del osciloscopio a través de RL [V OUT]. Con la modulación desconectada en el generador de funciones, la
la única señal que debería ver a través de R L es la tensión DC a causa de la rectificación del portador. Este valor
Práctica 1
20
9/11/03
variará dependiendo de la fuerza de la señal. Si, a continuación, programa el generador de funciones para que
produzca una frecuencia de modulación de 400 Hz a una modulación del 80%, debería ver la señal de 400Hz
que se encuentra encima de la tensión DC en la salida del detector.
Mientras mantiene el nivel de salida de frecuencia y la distancia entre las antenas transmisora y receptora
constante [en otras palabras, "no mueva nada"], programe las siguientes frecuencias de audio: 400 Hz,
1000 Hz, 3000 Hz, 5,000 Hz, a una modulación del 50%. Registre los niveles de salida tal y como se observan
en su osciloscopio. Si la salida a 5000 Hz relativa a la salida de 400 Hz ya no está por debajo de 3dB, tendrá que
ajustar al valor de su condensador C F para corregir esto o, si el ancho de banda no es correcto [recuerde
que R L determina el ancho de banda del circuito], necesitará modificar R L y realizar de nuevo todas la mediciones
anteriores. Asegúrese de no mover la antena o el receptor mientras realiza estas mediciones.
Preguntas:
P.5.1 En un experimento anterior, ajustó con cuidado el valor de la resistencia equivalente del detector
para adaptar el ancho de banda del transformador de FI, de forma que sólo aceptase 475kHz +/− 5000 Hz. En este
momento, ha añadido un segundo circuito sintonizado a su receptor. Si este nuevo circuito tuviese exactamente
el mismo "Q" y ancho de banda que el primer circuito sintonizado, ¿qué ocurriría con el ancho de banda
total del receptor?
P.5.2 ¿Qué puede decir acerca de lo pronunciado de la curva de respuesta del ancho de banda con dos
circuitos sintonizados? [Una curva de respuesta del ancho de banda es solamente el inverso de la curva de la
figura 4, excepto que el eje Y representa la tensión de salida].
P.5.3 Para las mediciones que realizó de la salida de audio en el párrafo anterior, registre en una tabla la
tensión de salida frente a la frecuencia de salida de audio, de forma que pueda comparar estos valores con los
del circuito sintonizado sencillo del experimento 3.
P.5.4 Registre el valor de R X que finalmente utilizó.
P.5.5 En este momento, debe haberse dado cuenta de que el nivel de señal de salida variará mucho dependiendo
de la distancia entre la antena receptora y la transmisora y de la potencia de entrada de la antena transmisora.
Se habrá fijado también que se produce una tensión DC a través de la resistencia de carga del detector,
que es proporcional a la fuerza de la señal recibida del portador. Dado que la
ganancia del amplificador de FI se puede ajustar modificando el valor de RX para variar las corrientes de colector
del transistor, ¿se le ocurre una forma de poder utilizar la tensión DC proporcional del portador para ajustar
de forma automática la ganancia del amplificador de FI?
Práctica 1
21
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