Oscilador con frecuencia controlada por tensión

Después de realizar el montaje de un oscilador a 27 MHz queremos saber que potencia puede entregar este circuito a una carga. Como comentamos el resultado que se obtiene no es una sinusoide perfecta, sino que esta formada por la señal a la frecuencia deseada más sus correspondientes armónicos, por este motivo la potencia transmitida dependerá de todas las componentes que forman la señal resultante.

Para poder detectar estas componentes, los armónicos correspondientes a la sinusoide deseada, hacemos uso del analizador de espectros, cuya función es descomponer la señal en todas las componentes que la forman.

Para acabar explicamos los osciladores con frecuencia controlada por tensión (VCO), que hacen uso del efecto capacitivo de los diodos. Para comprobar su validez pasamos al laboratorio a observar su funcionamiento, y vemos que al variar la tensión entre los terminales del diodo polarizado en inversa varia la frecuencia de oscilación del circuito, por lo tanto ya tenemos un diseño capaz de generar señales en un amplio rango de frecuencias.

Oscilador a 27 MHz

En la sesión del martes pasado, después de haber comentado un posible diseño de oscilador el día anterior, nos preguntamos si el diseño propuesto puede operar a todas las frecuencias, más concretamente si podría generar altas frecuencias. La respuesta es no, ya que el AO mantiene su amplificación en un intervalo de frecuencias que no supera los 3MHz.

El elemento circuital que sustituirá al operacional es el transistor, pero en este caso la misión de amplificar la tensión no recaera sobre él, sino que será el circuito pasivo ( filtro paso-banda ) el que se encargará de esta tarea.

El circuito propuesto es el siguiente:

La etapa amplificadora es la formada por el transistor y las respectivas resistencias que lo polarizan, y el paso banda es la parte izquierda del circuito, siendo RL la carga a la salida del oscilador.

Las resistencias que polarizan al transistor toman los valores; Rb=390K y Re=1K5, escogidas para lograr una resistencia de entrada muy alta y una amplificación prácticamente unitaria.

Las capacidades Cinfinito  a la frecuencia de oscilación se comportan como un cortocircuito, se insertan para que en continua la inductancia L no cortocircuite Re y RL.  L tiene un tercer terminal al que se conecta la siguiente etapa, se trata de un nuevo elemento, un autotransformador, que aprovecha un solo devanado para realizar la misma función que la del transformador, que en este caso es aumentar la impedancia de entrada de posteriores etapas. La frecuencia de oscilación viene determinada por L y C, donde C es la capacidad equivalente de Cv en paralelo con C1 y C2 en serie. 

Pasamos al laboratorio a comprobar el correcto comportamiento de nuestro oscilador y después de ajustar un poco el valor de Cv obtenemos como salida una sinusoide a 27MHz.

Diseño de osciladores

La clase del lunes pasado la centramos en abordar el diseño de un oscilador. Un oscilador estará compuesto por; una etapa de amplificación conectada a una etapa con respuesta frecuencial y la salida de esta realimentando la entrada de la primera. Para que este circuito se trate de un oscilador, si desconectasemos la salida de la entrada y conectaramos un generador Vg(t) al inicio del circuito se deberían cumplir las dos condiciones siguientes:  

1 - La amplificación total del circuito debe ser igual a 1, V0(t) = Vg(t)

2 - Debe existir una frecuencia para la cual el desfase entre entrada y salida sea cero

Propusimos como diseño de un oscilador el siguiente circuito que trataré de explicar.

Empezamos por la etapa amplificadora, circuito que configura al AO. Queremos alimentar unipolarmente  el Operacional, por lo tanto necesitaremos tener una tensión contínua a la entrada del AO para que las señales variables con el tiempo viajen sobre esta tensión. Esta tensión contínua la conseguimos con el divisor de tensión a la entrada positiva del AO. A continuación tenemos un amplificador inversor, el electrolítico a tensión contínua se convierte en circuito abierto y por lo tanto nos queda un seguidor de tensión; esto hará que la tensión contínua que proviene del seguidor de tensión aparezca a la salida del AO, a las frecuencias de trabajo este condensador tendrá una impedancia despreciable. Ry se hace ajustable para poder variar la amplificación de esta etapa.

La etapa del filtro paso banda esta formada por una resistencia, una inductancia y un condensador. La frecuencia a la cual oscilará nuestro diseño viene determinada por los valores de L y C. La amplificación de esta etapa sería un divisor de tensión entre R1 y la resisténcia paralela equivalente de la resistencia parásita de la bobina.

El condensador del lazo de realimentación se conecta para evitar la en DC la inductancia corocircuite la resistencia del divisor de tensión de la entrada.

Por último podríamos conectar un AO en configuración seguidor de tensión para crear un nodo de alta impedancia; cualquier impedancia que se conectase no afectaría al comportamiento del circuito.

Transformadores - Osciladores

En esta entrada resumiremos las clases del lunes 10 y el martes 11. 

En la anterior entrada nos quedamos en la construcción de bobinas, pues bien, el procedimiento se puede extender para construir transformadores, realizar dos devanados sobre un mismo núcleo. Realizamos de nuevo el estudio circuital de este elemento, y explicamos un par de aplicaciones de diseño basándonos en sus dos principales propiedades: la tensión en el primario es n veces la del secundario, y la impedancia del primario es n^2 veces la del secundario. Comentamos que si el núcleo sobre el que devanamos nuestras espiras es un conductor, este se comporta como un secundario de una sola espira en cortocircuito, este fenómeno tiene varias aplicaciones prácticas, como un detector de metales. 

En la clase del martes comentamos el funcionamiento de un detector antirrobo. El producto tiene enganchado lo que a simple vista parece una etiqueta pero se trata de un circuito formado por un condensador y una bobina en paralelo que tienen su pico de resonancia a 13 MHz. Cuando pasa por el arco metálico, el arco se modela como un generadora fr en paralelo con una bobina, la bobina de la etiqueta y la del arco forman un transformador. Al estar la señal a la frecuencia de resonancia del circuito de la etiqueta aparece un pico de tensión a la salida del circuito equivalente, y así es como detectan los robos. En la etiqueta que comentamos, el condensador y la bobina están unidos por un fusible, que cuando se compra el producto la cajera lo que hace es aplicarle un campo magnético a fr para fundir ese fusible y desconectar la bobina del condensador.

Estudiamos también otro circuito alternativo al transformador que adaptaba el valor de las resistencias al deseado, colocar entre medio de dos condensadores la resistencia a adaptar.

Para finalizar con la clase y a modo de introducción para las próximas sesiones damos un pequeña introducción sobre osciladores.

Filtro paso-banda con circuito tank

Como dijimos en la anterior entrada, el siguiente día de clase continuaríamos con el análisis práctico de algunos diseños de circuitos. El que describiremos a continuación es un filtro paso-banda realizado con un amplificador operacional y un circuito tank, que no es mas que una bobina y un condensador en paralelo.

El circuito tank ya lo tenemos detallado del experimento previo, descrito en la publicación anterior, y por lo tanto aprovecharemos todos los datos que tengamos sobre este diseño sin necesitar analizarlo de nuevo.

El AO tendrá a su entrada positiva una tensión continua de 4,5 V, conseguida a través de una batería de 9 V y un divisor de tensión, que por cortocircuito virtual también nos aparece en el terminal negativo. Esta tensión en continua nos será de utilidad dado que queremos alimentar el AO unipolarmente a 9 V y de este modo aseguramos que nuestro rango de salida irá de 0 a 9 voltios. Siguiendo con el diseño, conectaremos el terminal de entrada negativo de amplificador con la salida, esto nos permitirá tener la máxima amplificación a la frecuencia de resonancia del circuito tank. Para acabar la tensión de entrada se conectará a la entrada negativa mediante un condensador electrolítico y una resistencia, el electrolítico a frecuencia cero (continua) se comportará como circuito abierto y tenemos que asegurarnos que el valor que escogemos hará que su reactancia sea despreciable a nuestra frecuencia de trabajo. La señal de entrada que insertamos es de 1V pico-pico y observamos como se cumple el comportamiento previsto, a la frecuencia de resonancia del circuito tank la tensión queda amplificada por un factor 6,8 aproximadamente.

Para finalizar la clase y como introducción de lo que haremos en las próximas sesiones tratamos el tema de la fabricación de bobinas. Debido a que es difícil adquirirlas en el mercado el hecho de saber realizar uno mismo una bobina resulta de lo más útil para así poder realizar diseños que incluyan estos componentes.

Aplicar conceptos conocidos para abordar el análisis de un nuevo circuito

En la clase de ayer después de hacer un repaso de los ejercicios entregables pasamos a comentar que actitud debemos adoptar a la hora de enfrentarnos a circuitos desconocidos. Empezamos haciendo el análisis de un filtro paso banda RLC, algo conocido por todos, y encontramos su frecuencia de resonancia, el comportamiento que tiene el circuito por debajo y por encima de dicha frecuencia, su ancho de banda a partir de considerar un pequeño incremento en la frecuencia de resonancia, el factor de calidad correspondiente y sus frecuencia de corte superior e inferior. Este primer análisis, que puede parecer muy básico, lo hacemos porque cuando estemos delante del esquema de un circuito desconocido lo primero que debemos hacer es encontrar similitudes con lo que nosotros sabemos, y hacer uso de este conocimiento previo en el estudio. Luego realizamos unos ejemplos con un condensador y una bobina en serie para aplicar lo que habíamos obtenido en el primer análisis, y así poner en práctica la técnica descrita.

Para finalizar con un poco de práctica, montamos el filtro RLC mencionado al principio con el objetivo de medir experimentalmente tu factor de calidad Q. Hoy continuaremos con este experimento, y con algun otro nuevo diseño.

Final del diseño de nuestro radioreceptor

En la clase del martes 28 acabamos el diseño de nuestro radioreceptor añadiendo una última etapa, la etapa de audio. Primero la salida del detector de envolvente deberá ser amplificada, para ello usaremos un Amplificador Operacional con configuración de inversor, y posteriormente llegar al altavoz, final de la etapa. Pero la problemática aparece cuando la corriente de salida del AO supera un cierto valor (30mA), eso es debido al bajo valor de la impedancia del altavoz. Para aumentar esa impedancia hacemos uso del transistor, ya sabemos que una resistencia de valor R en terminales del devanado secundario aparece en terminales del primario multiplicada por un factor (N1/N2)^2 . Por último y para asegurar un buen funcionamiento de esta etapa final insertaremos un condensador electrolítico entre operacional y transformador, el motivo es evitar que la inductancia del devanado primario cortocircuite la salida ya que en continua su reactancia sería nula.

Con esto damos por finalizado el diseño de nuestro receptor radio para onda media regenerativo, a lo largo de estas semanas hemos estudiado el comportamiento que tiene cada circuito presente en este receptor y aportación al diseño global.

A continuación aporto los datos técnicos que hemos detallado para el receptor : 

Rango de sintonía : 550KHz - 1.7MHz

Sensibilidad : 8mV/m

Tensión de alimentación : 9V

Consumo : 15mA

Controles de sintonía, regeneración y volumen

 Antena: devanado de cobre sobre barra de ferrita

Potencia de audio : 60mW sobre 8ohmios

LED de encendido