Los osciladores de radiofrecuencia Un bloque oscilador es una etapa que entrega una señal de salida de RF sin necesitar el ingreso de otra. Es decir que es un circuito electrónico que permite generar una señal de frecuencia y amplitud relativamente constante. Un oscilador es un amplificador realimentado. Cuando analizamos los amplificadores de audio utilizamos la realimentación negativa sobre un amplificador para estabilizar sus características. La realimentación positiva realiza una operación inversa a la negativa. •
•
Un amplificador con realimentación negativa tenía menos ganancia que uno sin realimentación Un amplificador con realimentación positiva tiene más ganancia que el amplificador sin realimentar
En la figura 3 se puede observar un oscilador clásico llamado Hartley por el científico que trabajó con el. Fig.3 Oscilador Hartley Un oscilador comienza a oscilar por el pulso de polarización del circuito o por algún pulso de ruido que aparezca en la base del transistor. Cuando se aplica la tensión de fuente VCC, el capacitor C2 se encuentra descargado y por lo tanto la base conectada a través del primario de T1 y R2 no tiene tensión. En ese estado Q1 esta cortado y no circula corriente por el bobinado secundario de T1. Un instante después C2 tiene suficiente carga para que T1 conduzca y al hacerlo comienza a circular corriente de colector generando un pulso hacia abajo de la tensión de colector. Dado que el bobinado de base se encuentra invertido esto significa que la base tiene un pulso positivo que refuerza la conducción del transistor. Estos pulsos de energía excitan al circuito oscilante formado por el primario de T1 y C1 y las variaciones de corriente de colector comienzan a tomar una forma senoidal característica de un circulito LC. La señal sigue una forma senoidal creciente hasta que se satura la base de Q1 y deja de crecer. Dada la acción del circuito resonante podemos observar que se obtiene una senoide prácticamente pura en el colector, de 5V de pico (el potencial de fuente) apta para excitar a otros circuitos. Con la derivación del bobinado de colector o agregando u pequeño resistor en emisor se puede conseguir una tensión de salida mas pequeña.
Mezclador o conversor de frecuencia Llegado este punto, y antes de describir el funcionamiento del receptor superheterodino se hace necesario definir lo que es un mezclador o conversor de frecuencia. Sea una señal paso banda centrada a una cierta frecuencia fR.
Figura 2.39 Se llama mezclador o conversor de frecuencia a un circuito que desplaza el espectro a otro valor de frecuencia (figura 2.39). Si la nueva posición es superior se ha realizado una elevación en frecuencia (up-convert), si es inferior una disminución en frecuencia (down-convert).
Figura 2.40 El mezclador se compone de un multiplicador al que llega la señal pasobanda y un tono proveniente de un oscilador local (figura 2.40). La salida se conecta a un filtro paso banda que selecciona el espectro deseado.
Figura 2.41 Según el teorema de la modulación el espectro de la señal y(t) viene dado por la expresión 2-63, se representa en la figura 2.41.
Figura 2.42 La frecuencia de salida depende de la posición del filtro (trazo continuo o discontinuo) y del valor del oscilador local. El espectro desplazado a fO+fR siempre produce un aumento en frecuencia, el término centrado en fO-fR puede producir un aumento o disminución en frecuencia. Debe observarse que el ancho de banda del filtro debe ser al menos el mismo que el de la señal paso banda y suficientemente pequeño para que rechace el espectro no deseado. En este caso se ha supuesto fO>fR, estudie el caso en el que fO
Detector de Picos La función de un detector de AM es demodular la señal de AM, recuperar y reproducir la información de la fuente original. Y debe tener las mismas características relativas de amplitud. Detector de Picos La siguiente figura muestra un diagrama esquemático para un demodulador de AM sencillo no coherente, que se llama comúnmente detector de picos. Debido a que el diodo es un dispositivo no lineal, ocurre una mezcla no lineal en D1 cuando dos o más señales se aplican a su entrada. Por lo tanto, la salida contiene las frecuencias de entrada originales, sus armónicas, y sus productos cruzados. Esencialmente, la diferencia entre un modulador de AM y un demodulador de AM es que la salida de un modulador se sintoniza con las frecuencias de suma (convertidor de altas frecuencias), mientras que la salida de un demodulador se sintoniza a las frecuencias de diferencia (convertidor de baja frecuencia). El circuito demodulador mostrado en la figura 1 se le llama común mente detector de diodos puesto que el dispositivo no lineal es un diodo, o un detector de picos, porque detecta los picos de la envolvente de entrada, o un detector de envolvente o de figura porque detecta la figura de la envolvente de entrada. Esencialmente, la señal de la portadora captura el diodo y lo obliga a activarse y desactivarse (rectificar) sincrónicamente (tanto frecuencia como fase). Así las frecuencias laterales se mezclan con la portadora, y se recuperan las señales de banda base original. La red RC que sigue al diodo en un detector de picos es un filtro de pasa - bajas. La pendiente de la envolvente depende tanto de la frecuencia de la señal modulante como del coeficiente de modulación (m). Por lo tanto, la pendiente máxima ocurre cuando la envolvente está cruzando su eje cero en la dirección negativa. La frecuencia de la señal modulante más alta que puede demodularse por un detector de picos sin atenuarse se da como: en donde fm(máx) = frecuencia máxima de la señal modulante (hertz). m = coeficiente de modulación (sin unidades). RC = constante de tiempo (segundos). Para 100% de modulación, el numerador de la ecuación anterior tiende a cero, que esencialmente significa que todas las frecuencias de la señal modulante son atenuadas cuando se demodula.
Controles automáticos de Ganancia. Un circuito de control automáticos de ganancia CAG (AGC, de Automatic gain control) compensa variaciones pequeñas en el nivel de señal de RF recibida. Aumenta de forma automática la ganancia del receptor con valores bajos de entrada de RF, y disminuye en forma automática la ganancia del receptor cuando se recibe una señal fuerte de RF. Las señales débiles pueden quedar enterradas en el ruido del receptor y, en consecuencia, pueden ser imposibles de detectar. Una señal demasiado fuerte puede sobreexcitar a los amplificadores de RF y/o de FI, y producir demasiada distorsión no lineal, y hasta saturación. Hay varias clases de CAG, que incluyen el simple, el demorado y el directo.
CAG simple. La fig. 4.28 muestra un diagrama de bloques de un receptor superheterodino de AM con CAG simple. El circuito de control automático de ganancia vigila el nivel de la señal recibida y manda de regreso una señal a los amplificadores de RF y FI, para que ajusten en forma automática su ganancia. La del CAG es una forma de retroalimentación degenerativa, o negativa. El objeto del CAG es permitir que un receptor detecte y demodule, con igual calidad, las señales que se transmiten desde distintas estaciones, cuya potencia de salida y distancia al receptor varía. Por ejemplo la radio AM de un vehículo no recibe la misma intensidad de señal de todas las estaciones transmisoras de la zona o, lo que es igual, de una sola estación, cuando se mueve el automóvil. El circuito de CAG produce un voltaje que ajusta la ganancia del receptor y mantiene la potencia portadora del FI, en la entrada del detector de AM, en un valor relativamente constante. El circuito de CAG no es una forma de Control automático de volumen (AVC de Automatic volume control); el CAG es independiente de modulación, y es inmune a los cambios normales de amplitud de señal moduladora. La figura 4.29 muestra un esquema de un circuito de CAG simple. Como se puede ver, el circuito es en esencia un detector de picos. De hecho, con mucha frecuencia el voltaje de corrección CAG se toma de la salida del detector de audio. En la figura 4.26 se indicó que el voltaje de cd a la salida de un detector de picos es igual a la amplitud máxima de la portadora no modulada, menos el potencial de barrera del diodo, y es totalmente independiente del grado de modulación. Si aumenta la amplitud de la portadora, aumenta el voltaje de CAG disminuye. Y si disminuye la amplitud de la portadora, el voltaje del CAG disminuye. El circuito de la figura 4.29 es un detector de picos negativos, y produce un voltaje negativo en la salida. Mientras mayor sea la amplitud de la portadora en la entrada, el voltaje de salida será más negativo. El voltaje negativo del detector de CAG se retroalimenta a la etapa de FI, donde controla el voltaje de polarización en la base de Q1. Cuando aumenta la amplitud de la portadora, el voltaje en la base de Q1 se vuelve menos positivo, y hace que baje la corriente del emisor. Como resultado aumenta Re y disminuye la ganancia del amplificador, rc/rc, lo cual a su vez hace que disminuya la amplitud de la portadora. Cuando disminuye la amplitud de la portadora, el voltaje de CAG se vuelve menos negativo, aumenta la corriente del emisor, disminuye Re, y aumenta la ganancia del amplificador. El capacitor C1 es de derivación de audio, que evita que los cambios de voltaje de CAG debidos a la modulación afecten a la ganancia de Q1.
Amplificador electrónico Puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este, como un equipo modular que realiza la misma función; y que normalmente forma parte de los equipos HIFI. Su función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un amplificador de la salida de la fuente de alimentación. Circuito amplificador HIFI Clase D, de 200W RMS sobre altavoz de 4 Ohm.
El amplificador puede realizar su función de manera pasiva, variando la relación entre la corriente y el voltaje manteniendo constante la potencia (de manera similar a un transformador), o de forma activa, tomando potencia de una fuente de alimentación y aumentando la potencia de la señal a su salida del amplificador, habitualmente manteniendo la forma de la señal, pero dotándola de mayor amplitud. La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia del mismo para cada frecuencia. Es habitual mantener a un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud a su entrada. El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacío suelen usarse aún en algunos amplificadores diseñados específicamente para audio por la respuesta en frecuencia de estos, preferida en algunos estilos musicales. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como los amplificadores de instrumentación.
Clases de amplificador Clase A
Son amplificadores que consumen corrientes contínuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión. Tiene una corriente de polarización en relación con la máxima corriente de salida que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consiste en un solo transistor de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del positivo al negativo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil. Clase B
Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio. Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización nula. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la señal de salida cruza por su nivel de cero volt a.c. y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen. Clase C
Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización
cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga. Las desventajas de los estos amplificadores son más evidentes que en los clase B, principalmente por la alta disipación involucrada ante la ausencia de señal. Este tipo de amplificador solo es apto para RF o aplicaciones de conmutación, pero se evita su utilización en etapas de potencia con transistores bipolares, tampoco se usan en audio. Clase AB
Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B. Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una pequeña corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al mínimo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción. Clase D
Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor , y por tanto el tamaño y peso general del circuito. Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de clase AB. Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento. Esta señal conmutada puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser superior al ancho de banda de la señal al menos 10 veces. Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten, y evitar así que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM.
Amplificador de Radiofrecuencia El amplificador de R.F. tiene como función sintonizar de forma correcta la señal y amplificarla a fin de que al llegar al detector tenga una intensidad lo suficientemente fuerte. Si la señal se amplificara en la salida del detector sería insuficiente para lograr una buena reproducción de la señal de A.F., no significa que el amplificador de audio sea menos importante. Se denomina amplificadores de voltaje, tanto al amplificador de R.F. como al de A.F., ya que se encargan de amplificar el pequeño voltaje de la señal y esta amplificación se aplica al siguiente paso hasta llegar al amplificador de audio frecuencia. En el diagrama en bloques te ilustramos los pasos amplificados de la señal de radiofrecuencia hasta llegar al amplificador de A.F.
EL CAPACITOR VARIABLE:
En las figuras anteriores puedes ver 2 de los varios tipos de capacitores variables. Estos están formados por 2 juegos de placas, unas estacionarias y otras móviles; cuando giramos el eje del capacitor colocamos las placas móviles dentro o fuera de las estacionarias, dependiendo de las posición de las primeras, será la capacidad y por ende la sintonía de una emisora determinada, cuando las placas móviles están completamente dentro de las estacionarias el capacitor está en su máxima capacidad, vale decir que la capacidad de estos se determina, por ejemplo, 10 - 100, de 5 - 50 µF.(valores de ejemplo), si las placas están en el medio la capacidad será la media y si están completamente fuera sería la mínima. La capacidad mínima de un capacitor variable normal es generalmente de un 10% de la capacidad máxima. Dado que el circuito se forma por conductores, pistas de circuito impreso a relativa poca distancia unos de otros, por supuesto del chasis, a la capacidad mínina habrá que agregarle aproximadamente un 10% más. También hay capacitores variables múltiples, estos se usan para sintonizar las diferentes bandas del espectro radial. Existen también, ya sea incorporados al propio capacitor o montados en el impreso, otros capacitores a los cuales se les denomina compensadores, los cuales sirven para logran un ajuste más fino de la selección de las emisoras de radio.
Amplificador de frecuencia intermedia (F. I.) Cuando se recibe la señal(energía) en la antena, es amplificada por el amplificador de R. F., se aplica al mezclador, al mismo tiempo se aplica la R. F. generada por el oscilador local. En los casos en que no hay paso de R. F. al inicio, la señal de entrada se aplica directamente al mezclador. Las dos frecuencias en el mezclador se mezclan generando una nueva frecuencia, la frecuencia intermedia (F. I.), esta frecuencia es la que se debe de amplificar por el o los amplificadores de F. I., que pueden ser de 1 a 3. La frecuencia intermedia aún no es posible oírla, ya que aún es alta, para escucharla, debemos de pasarla por el detector, en el cual se separa el componente de audiofrecuencia y dejando pasar a tierra el componente de radiofrecuencia. Luego amplificamos las frecuencias audibles con varios métodos de amplificación. Es deseable en un receptor, amplificar exactamente igual todas las frecuencias de la banda de transmisión, este es el éxito del receptor superheterodino, tomando en cuenta que no importa cual sea la frecuencia entrante ya que la amplificación de la misma, se hará a una frecuencia, significa esto que, todos los pasos entre el mezclador y el detector están sintonizados a una misma frecuencia, la que se determina de antemano por la frecuencia entrante en el amplificador de R. F., la frecuencia del oscilador local(es la realmente determina la F.I.) y el mezclador, permitiendo el
trabajo a un máximo de eficiencia. LAS FRECUENCIAS DE IMÁGEN: Si la frecuencia intermedia en un superheterodino fuera de 175 Khz. y estuviera sintonizada una frecuencia de 600 Khz. el oscilador estaría trabajando a una frecuencia de 775 Khz. Pero, si otra emisora potente transmite a una frecuencia de 950 Khz, la diferencia de esta emisora con respecto a la frecuencia del oscilador local también es de 175 Khz.(que corresponde a la F. I), si existe un máximo grado de selectividad las dos emisoras de ejemplo no se escucharan al mismo tiempo, de lo contrario si. A esta señal no deseada se le denomina Frecuencia de imágen. Como es posible que esto suceda si existe una diferencia entre las frecuencias de las emisoras; sucede por dos razones, la primera, que sean emisoras locales y la segunda, las dimensiones de la antena. Por estas razones la selectividad se hace dificil, pero se soluciona, utilizando varios pasos sintonizados de R. F. antes del mezclador. La otra forma de solucionarlo es que la frecuencia intermedia sea más alta, la más popular es la 455 khz. usada por todos los fabricantes de radios. Se han usado otras, estas son: 130, 150, 155, 175, 180, 235, 445, 450, 456, 465, 485 y a lgunas otras.
CIRCUITOS SINTONIZADOS Son circuitos formados por elementos reactivos, inductancias, condensadores, líneas de energía, cristales piezoeléctricos, etc. y se utilizan en los receptores y trasmisores. Una aplicación típica es en las etapas de radiofrecuencia de amplificación donde se quiere que el circuito amplifique solamente una banda de frecuencias. A las inductancias y condensadores están asociadas resistencias que se deben a la resistencia ohmicas en las bobinas y pérdidas dieléctricas en los condensadores que se hacen más evidentes a altas frecuencias. Podemos modelarlos suponiendo que son elementos ideales, reactivos puros, con una resistencia que podemos asociar en paralelo, en serie o en ambos. Por ejemplo: Rs
Lp
Ls
a)
c) Rs
Rp Cp
Cs
b)
d)
Rp Es interesante relacionar las pérdidas ohmicas y la energía que almacena como elemento reactivo, lo que nos permite medir la bondad del componente. El factor de mérito o Q se define como: Energía almacenada Q
En el caso a)
LSω R S
= 2π Energía disipada por ciclo 1
b)
Por ejemplo en el caso a)
c)
C S ωR S
Q = 2π
R P
( 12 LI
d)
L Pω
2 m
( 12 RI ) 2πω 2
=
Lω
m
R P C P ω
y de forma similar en los otros casos.
R
Si trabajamos a una frecuencia fija podemos hallar una relación entre los valores de los ejemplos vistos. Llamamos X a la reactancia de una inductancia o condensador, R S
+
jXS
=
R P jXP R P
+
jXP
=
R P XP
2
R P
2
+
jXP R P
+
XP
2
2
Podemos definir también entonces:
XS
= LSω
ó XS
1 =−
C Sω
XP
QS
=
XS R S
= LPω
ó XP
1 =−
CPω
QP
=
R P XP
Separando parte real e imaginaria tenemos:
R S
1
=
QS
De
1
2
y
R P
XS
1 + QP
=
XS R S
2
=
=
2
X P QP
XP 1
1+
QP
2
=
R P
= 2
3
QP
X PQP
2
1 + QP
2
QS
=
QP
3
R P
XP
=
(
R S 1 + Q S
2
= X S 1 + 1 2 QS
Vemos que si la componente es de buena calidad, o sea que Q es mayor que 10 (en el caso de condensadores suele ser mucho mayor), entonces XP
≅
XS
y
R P
≅ R SQ S,2
Vemos que la componente reactiva no cambia casi su valor al cambiar la configuración (de serie a paralelo o viceversa) y el valor de la resistencia de pérdidas paralelo es mucho mayor que la resistencia serie, Q2 veces.
Preamplificadores de audiofrecuencia Un preamplificador es un tipo de amplificador electrónico utilizado en la cadena de audio, durante la reproducción de sonido. Como en todo amplificador, la finalidad de una preamplificador es aumentar el nivel de la señal y, para ello, actúa sobre la tensión de la señal de entrada. Cuando las señales salgan del preamplificador, habrán alcanzado el nivel de línea, estandarizado en los 0dB. El preamplificador se encarga de nivelar la tensión eléctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensión de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como señal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia). La relación entre nivel de salida y de entrada es la ganancia, expresada en decibelios, indica el grado de amplificación de una señal. Algunos equipos preamplificadores poseen controles que les permiten, además de regular la tensión de salida, regular el tono, el balance, etc. Además de reforzar la sonoridad con bajo volumen (loudness).
