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

Detector de envolvente

En la última entrada hablábamos sobre la etapa separadora y vimos como a su salida obteníamos el mismo factor de amplificación que a la salida de la etapa amplificadora. En la clase del lunes pasado, una vez finalizado el tema de la etapa separadora, introdujimos el detector de envolvente, ese circuito que nos permitirá extraer la información, no debemos olvidar que la señal a recibir está modulada en amplitud. 

El diseño consta de un diodo en paralelo con un condensador y una resistencia, la salida del circuito es la tensión en terminales del condensador, que va variando en función de si el diodo esta en ON o en OFF, vamos a explicar este punto con más detalle. cuando la tensión de entrada supera la tensión umbral del diodo, la salida del circuito es la misma señal que tenemos a su entrada ( igual a la tensión en terminales del condensador ), pero cuando la entrada se encuentra por debajo del umbral la señal de salida es corresponde a la descarga de la tensión del condensador a través de la resistencia. Este proceso de descarga tiene una duración de RC, producto de los valores de los componentes. En un detector de envolvente este tiempo de descarga debe ser superior al período de la señal portadora pero debe guardar una relación con la variación de la envolvente, su valor debe ser inferior a 1/(máxima variación de la envolvente).

Para finalizar pasamos al laboratorio a observar el comportamiento de esta nueva etapa. Los valores de nuestros componentes son; C=4.7nF y R=56KOhms, por lo tanto nuestra constante RC = 0.26ms, y la señal que recibimos es de 1MHz aproximadamente, período de 1us, por lo tanto se cumple la condición que el tiempo de descarga debe ser mayor que el período de la portadora. Aquí dejo una foto de nuestro resultado.

Etapa separadora

En la última clase introdujimos la idea de incorporar una etapa separadora entre nuestro circuito actual y el que diseñaremos en las próximas semanas. ¿ Y esto porqué ? Pues bien, una etapa separadora nos permitirá prescindir de los efectos de carga que nos provocaría la resistencia de entrada equivalente de las posteriores etapas, de esta manera no nos quedaría alterado el ancho de banda de nuestra etapa de sintonía ni la amplificación de la etapa amplificadora-regeneradora. ¿ Cómo podemos realizar esta separación ? Un amplificador operacional puede realizar la función descrita anteriormente. Su representación circuital queda reflejada como una diferencia de tensión entre sus dos terminales de entrada y una fuente dependiente controlada por esta diferencia de tensión a su salida.

Una vez definido el comportamiento que debe tener esta etapa en nuestro circuito pasamos al laboratorio a comprobar su efecto en nuestro diseño. Nuestra hipótesis es que a la salida de esta etapa la amplificación conseguida en la etapa previa no debe quedar alterada.

El montaje de nuestro circuito queda de la siguiente manera :

 
Notar que no se ha añadido la etapa de realimentación.

Queremos comprobar si la amplificación es la misma que sin la etapa separadora. A la entrada conectaremos una señal de 20mV pico a pico haciendo variar su frecuencia dentro del rango de Onda Media ( de 550 kHz a 1,7 MHz ) y así obtener su curva de amplificación, que debe ser contante en todo el rango. Destacar que el amplificador esta polarizado unipolarmente, por lo tanto a su entrada debemos tener una componente continua para que la señal a la salida no quede recortada. Casualmente la tensión del colector en el punto de trabajo es esta componente continua requerida. 

El resultado de nuestro experimento concuerda con nuestras previsiones sólo hasta los 1,2 MHz, a partir de esa frecuencia nuestras suposiciones no se cumplen. El próximo día pasaremos directamente al laboratorio para proseguir con este estudio.

Realimentación positiva

En la última entrada finalizabamos el diseño de la etapa amplificadora, y en la clase del lunes vimos como podíamos aumentar el valor de esa amplificación realizando lo que se conoce como realimentación positiva. La realimentación o feedback positivo consiste en coger una fracción de la salida y hacerla pasar de nuevo por la etapa de amplificación. Pudimos comprobar con un ejemplo que el valor de esta amplificación incrementaba en un orden de magnitud.

Después leer estas líneas puede surgir la siguiente duda: ¿Cómo realizamos esta realimentación? Pues bien, primero es mejor realizar un análisis circuital de lo que tenemos hasta ahora; una antena construida a partir de un devanado de espiras sobre un núcleo de ferrita, una etapa de sintonía que consiste en un condensador en paralelo con la inductancia del devanado anterior y una etapa amplificadora conectada al resto del circuito a través de un segundo devanado sobre el núcleo de ferrita. La tensión que tenemos en bornes de nuestra antena la modelamos como una fuente independiente de tensión conectada en série con una resisténcia y una bobina que se encuentra en paralelo con un condensador, el voltage en terminales del condensador es el voltage entregado por la etapa de sintonía a las siguientes etapas. La etapa amplificadora esta representada por una fuente dependiente de tensión, la salida de esta etapa será la salida del circuito hasta ahora realizado. Una vez reinterpretado nuestro diseño circuitalmente, la parte de la salida que se añade a la entrada debe quedar reflejada como una fuente de tensión dependiente sumada en fase con la fuente de tensión independiente que modela la entrada del circuito. Si las dos fuentes de tensión estuvieran en contrafase la realimentación sería negativa, no contribuiría a nuestra finalidad que es aumentar la amplificación. Esta realimentación la representamos con un tercer devanado sobre la ferrita conectado a la salida del circuito mediante una resisténcia. 

Una vez explicada la realimentación positiva encontramos la función de transferéncia de nuestro nuevo circuito y pudimos observar que el ancho de banda se podía ver reducido si el valor de la resisténcia que conecta el tercer devanado con la salida tomaba un valor muy pequeño y consecuentemente aumentaba el valor de la amplificación, así pues la preséncia de un determinado valor de esta resisténcia aumentaría la sensibilidad y la selectividad de nuestra etapa de sintonía.

Para finalizar la clase, durante la última media hora estuvimos en el laboratorio de José Mª viendo como Jordi, técnico del laboratorio, nos enseñaba todos los pasos para la realización de una placa de circuito impreso. Fue algo nuevo para todos nosotros, nunca habíamos visto como se realizaba este proceso y tuvimos la oportunidad de verlo y seguirlo en directo.

Etapa de amplificación

En la clase de ayer como ya introdujimos en la anterior reseña realizamos unas modificaciones sobre el diseño que ya teníamos de la etapa amplificadora, y una vez listo nuestro nuevo circuito fuimos a probar la capacidad de amplificación que tiene. Según nuestros cálculos la amplificación debía ser constante, no debería variar con la frecuencia, por lo tanto para validar nuestra hipótesis hicimos un barrido en el rango de Onda Media ya será donde trabajará nuestra etapa. Pudimos observar como al ir aumentando la frecuencia de la señal de entrada al circuito la amplificación iba disminuyendo, por lo tanto hay algo en nuestra hipótesis inicial que estamos pasando por alto. Para poder poner solución a este inesperado fenómeno pasamos al aula de teoría dónde el profesor José Mª nos explica que entre las uniones P-N y N-P del transistor aparece unas capacidades que no habíamos previsto y que provocan una disminución en la tensión Base-Emisor al aumentar la frecuencia, lo que nos lleva a tener una tensión de salida cada vez más pequeña. Como solución se nos propone colocar una bobina entre resistencia de colector y colector, dado que un inductor tiene un comportamiento inverso al de un condensador con la frecuencia nuestra curva de amplificación quedará ecualizada, la amplificación será la misma para cualquier frecuencia.

Hasta ahora hemos diseñado la antena, la etapa de sintonía y la etapa de amplificación,y hemos aprendido como trabajan sus componentes y que papel juega cada una en el proceso de recepción de señales de Onda Media.    

El transistor en zona activa

La clase de hoy ha estado partida entre el aula de teoría y el laboratorio. Anteriormente ya habíamos hablado sobre el transistor y un poco sobre su funcionamiento, hoy lo estudiaremos más a fondo, describiremos y montaremos el circuito que nos permitirá amplificar, nuestra finalidad. 

La configuración anterior es la que usaremos para tener el transistor en zona activa y podamos utilizarlo en nuestra etapa amplificadora. Previamente hemos analizado otra configuración posible pero nos dicen que es muy inestable térmicamente y que es preferible utilizar la del esquema. La idea es escoger un valor razonable de ICQ (1mA) y VOQ igual a Vcc/2, y a partir de estas condiciones encontrar el valor de la resistencias que cumplan con las restricciones de la zona activa. Una vez hecho el análisis teórico pasamos a montar el anterior circuito al laboratorio. Aqui muestro una foto de mi circuito:

Basándonos en los valores encontrados en el diseño realizamos las medidas significativas sobre nuestro circuito para obtener el valor de B. B es la relación entre corriente de colector y corriente de base, es a lo que comúnmente se le denomina amplificación del transistor. El valor de nuestra ICQ es de 1,02mA, el de IBQ es 2,17uA y por lo tanto si hacemos la división entre estos dos valor encontramos que B = 470.  

El motivo por el cual VOQ es la mitad de VCC es para poder tener un rango más amplio de amplitudes cuando existan pequeñas variaciones en la base del transistor. 

Sobre el anterior circuito deberemos hacer unas pequeñas variaciones, concretamente deberemos insertar un condensador entre las dos resistencias conectadas en serie a la base para eliminar el efecto Miller, que no es más que un efecto que se da en circuitos que tienen la entrada y la salida conectados por una resistencia, y el valor de su resistencia de entrada en estos circuitos resulta muy pequeño. También deberemos conectar otro condensador justo a la entrada del circuito amplificador para que se cargue a la tensión de polarización Base-Emisor y así asegurarnos que el transistor se encuentra en zona activa.

Mañana continuaremos montando nuestra etapa amplificadora con las modificaciones correspondientes.

El diodo

En la anterior publicación introdujimos al diodo y en esta vamos a hablar un poco más sobre él.

Es un componente que tiene un comportamiento no lineal y eso nos dificultará su análisis en un circuito, por lo tanto buscaremos un modelo lineal que nos facilite el estudio de los diodos.

El diodo es un elemento unidireccional, lo que quiere decir que la corriente que circula por él sólo puede ir en una dirección, y en función de esta corriente y de la tensión que haya entre sus terminales se encontrará en un estado u otro. El diodo estará en ON cuando circule corriente a través suyo, y estará en OFF cuando la tensión entre sus terminales sea inferior a la tensión umbral del mismo diodo.

Una vez vistos los primeros aspectos estudiamos lo que se conoce como modelo incremental, muy comúnmente llamado modelo de pequeña señal. El diodo tiene un punto de trabajo, se trata de la intersección entre las gráficas de la relación V-I del diodo con la relación V-I del circuito a analizar, y con este modelo incremental queremos observar como se ve alterado este punto de trabajo si la tensión de entrada del circuito varía ligeramente.

Una vez acabada la explicación del diodo pasamos a adentrarnos en el transistor bipolar. Recordamos que el uso del transistor nos permitirá amplificar la tensión que recibimos de la etapa de sintonía y que por eso procedemos a realizar su estudio. El transistor se diseño para suplir a los triodos (consta de tres nodos como se puede deducir de su nombre), o válvulas de vació, que logran modificar el valor de la intensidad a la salida de uno de sus terminales a partir de una tensión variable que hay entre los otros dos. Los tres terminales del transistor son base, emisor y colector, y cuando se varía la tensión entre base-emisor la intensidad que entra por el colector se ve alterada, tal como sucedía con el triodo. Para que esto suceda se deben cumplir unas condiciones, al igual que se tenían que cumplir en el diodo para que se encontrara en conducción, las tensiones entre base-emisor y colector-base deben ser positivas, y a esta zona de trabajo se le denomina zona activa.

El próximo día acabaremos de explicar más conceptos sobre el transistor para luego poder diseñar ese amplificador que necesitamos para aumentar la tensión que nos llega de la salida de la etapa anterior.

Saludos.

El transformador

En la anterior entrada adelantamos que en la próxima clase estudiaríamos el transformador, cuyo comportamiento nos solucionará graves problemas que podríamos tener en nuestra etapa de sintonía. Hasta ahora nuestro circuito está formado por una antena receptora y un filtro paso banda, cuando conectemos la siguiente etapa veremos que el efecto de carga nos afectará al ancho de banda de nuestro filtro ensanchándolo y haciéndolo menos selectivo. Cuanto menor sea la resistencia equivalente del resto del circuito, mayor será el ancho de banda y es aquí dónde el transformador juega su papel. Un transformador consta de dos devanados sobre un mismo núcleo con una relación entre espiras del devanado primario y secundario que denominaremos n. Una resistencia de valor R en bornes del devanado secundario tiene un valor de (n^2)R en bornes del primero, y con este comportamiento conseguiremos que la resistencia equivalente de las siguientes etapas se incremente y así minimizar el ancho de nuestra etapa de sintonía. El inconveniente que deberemos soportar es que la tensión se verá reducida en un factor n en el devanado secundario, haciendo aún más necesario la amplificación de la señal

Una vez dada la explicación del transformador y su comportamiento pasamos al laboratorio a comprobar el efecto de dicho componente, en nuestro caso es un transformador con n=6. Monitorizamos la señal a la entrada y salida del transformador y vemos que la relación entre amplitudes es igual a n, relación entre número de espiras primarias y secundarias.

Para acabar la clase comentamos la necesidad del uso de un componente nuevo, el transistor, que nos ayudará a amplificar la señal. Antes pero, José Mª remarca la necesidad que hay de entender bien previamente el funcionamiento de un diodo, así pues concluimos la clase presentando este otro componente de gran utilidad en el mundo circuital.  

Antena de barra de ferrita

En la anterior sesión acabamos construyendo nuestra bobina que nos serviría de antena. Hoy mediremos el valor de su inductancia y de su resistencia parásita variando la posición de las espiras sobre la barra de ferrita. Inicialmente en nuestros cálculos teóricos encontramos que el valor deseado debe ser de 250 uH, pues bien, este valor se debe encontrar comprendido en el margen de inductancias que encontraremos al hacer las medidas.

El procedimiento es el siguiente; montamos el circuito RLC descrito en la entrada del día anterior y conectamos desde el generador de funciones a su entrada una señal a 1 voltio y 300 kHz, medida previamente con el osciloscopio. La medida a la salida la realizaremos con una sonda de baja capacidad que nos minimizará el efecto capacitivo de la entrada del osciloscopio y del cable, el inconveniente de la sonda es que la lectura mostrada en la pantalla del osciloscopio estará atenuada en un factor 10. Una vez ya tenemos visualizada la salida en el osciloscopio vamos aumentando la frecuencia de la señal de entrada hasta que encontramos la máxima amplificación en la señal de salida. Este valor nos permitirá encontrar mediante la fórmula de la frecuencia de resonancia la inductancia presente en nuestra barra de ferrita, y posteriormente a este cálculo podremos encontrar la resistencia parásita usando la ecuación que nos proporcionaba la amplificación de pico. El proceso anterior lo repetimos dos veces; una para las espiras situadas en el centro de la barra, y otra cuando las espiras se encuentran en el extremo. Los valores obtenidos son:

Espiras en el centro: L=316,74uH, Rs=17,27 ohmios

Espiras en el extremo: L=210,72uH, Rs=28,38 ohmios  

Como pronosticábamos en un inicio el valor deseado se encuentra entre los valores encontrados. Ya tenemos nuestra antena!

Después de esta sesión práctica pasamos al aula de teoría para evaluar nuestra etapa de sintonía y vemos que tenemos deficiencias de selectividad provocadas por la resistencia parásita de la bobina que provoca que el ancho de banda del filtro esté por encima de la distancia entre emisoras establecida por el estado.

Por último comentamos que este aspecto irá empeorando a medida que vayamos diseñando nuestro circuito y deberemos ingeniárnoslas para minimizar el efecto de carga de los siguientes etapas del circuito.

Sintonizando la señal

En la entrada anterior explicamos como debería ser la estructura de nuestro receptor, y ayer nos centramos en la primera parte de esta estructura: la antena y el filtro de sintonía. Comentamos primero como se crean los picos de resonancia en un filtro paso banda formado por un circuito RLC en serie y las ventajas que tiene este circuito respecto al paso banda formado por una resistencia en serie con un condensador y una bobina en paralelo. 

En anteriores clases vimos que la recepción de las señales de onda media se hace mediante una bobina, al pasar el campo magnético de la onda por el interior de sus espiras induce una corriente en ella y una tensión entre sus bornes. Basándonos en el anterior hecho y sabiendo que el filtro paso banda utiliza una bobina pensamos en la idea de compactar la antena y el filtro. El último paso para tener la primera etapa del receptor definida es pensar como podemos hacer variar la frecuencia de resonancia de nuestro filtro dado que tendremos múltiples señales a sintonizar. La solución óptima es un el uso de un condensador cuya capacidad sea variable, en la práctica se varía la superficie enfrentada entre placas del condensador para variar la capacidad.

Para acabar pasamos al laboratorio para construir nuestra antena. Para ello enrollamos un hilo de cobre alrededor de una barra de ferrita, no lo enrollamos directamente sobre la ferrita sino que lo hacemos encima de un pequeño tubo de cartón que nos permitirá desplazar las espiras sobre la ferrita y así variar el valor de la inductancia. Esta tarde nos dedicaremos a medir la inductancia y la resistencia que aparecen en terminales nuestra bobina.

Información a distancia

El martes pasado empezamos la clase con la prueba de de dos receptores radio. Para ello salimos al parking que hay delante del D4 y así poder recibir la señal sin los impedimentos que supone las paredes de un edificio. Con este experimento queremos comprobar dos hechos; la propagación por onda de superficie de emisiones lejanas y la refracción ionosférica. La propagación por onda de superficie se da cuando la frecuencia de emisión esta por debajo de los 2 MHz ( Onda media se encuentra por debajo de 2 MHz ), logramos sintonizar cadenas extranjeras, reconocemos claramente en dos de ellas el idioma; francés e inglés, y también recibimos la señal de un faro para aviones procedente de Vilanova y la Geltrú cuya frecuencia se encuentra por debajo de la banda de onda media. Una vez comprobado el primer fenómeno cambiamos de receptor para recibir señales en el rango de 2 a 30 MHz ( banda de FM ). Sondeando esta banda observamos que recibimos señales de lo que parece ser el este de Europa, y lo que me pareció más curioso, señales de radio-aficionados. Los fanáticos de esta práctica tienen estudiadas las frecuencias a las que pueden emitir en cada momento del año y del día para aprovecharse del fenómeno de la refracción ionosférica

Finalizado nuestro experimento volvemos al aula para hacer un estudio de como deben ser nuestro emisor y receptor para poder manejar señales de audio. El rango de audio va de los 20 a los 20 KHz pero la mayor parte de la información se concentre entre los 300 y 3400 Hz, por lo tanto nos centraríamos en ese intervalo de frecuencias. Entonces nos encontramos con un problema, y es que si transmitiéramos a esas frecuencias las antenas deberían ser de 75 km, algo inviable! La solución que se propone es ubicar esa información en el rango de onda media, cuyo estudio hemos realizado en anteriores clases. Matemáticamente ubicar nuestra información en otra frecuencia consiste simplemente en multiplicar ambas señales; nuestra señal de audio y nuestra señal emisora,por lo tanto introducimos un multiplicador entre nuestros generadores de señal y la antena. El problema que se da con esta solución es que en el receptor también se requerirá de un multiplicador para realizar la extracción de la información y eso no nos interesa dado que a nivel circuital es muy complejo. Lo que se propone entonces es tener un detector de envolvente en el receptor, ya que se considera más sencillo de realizar. En el emisor simplemente deberíamos añadir una componente de continua a nuestra señal de entrada ( señal de audio ) para que la suma siempre sea positiva y garantizar el funcionamiento del detector de envolvente en el receptor.

Nos vemos el lunes que viene para empezar a poner en práctica todo lo visto hasta ahora.

Reinventando la Radio : Primer experimento

En la penúltima clase José Mª nos propuso un ejercicio práctico para realizar, consistía en tratar de sintonizar diferentes emisoras de radio en diferentes franjas horarias del día y comparar los resultados que obteníamos. Pues bien, al comenzar la clase de ayer pusimos en común el experimento y aquellos hechos que nos habían llamado la atención, y muchos coincidimos que lo más sorprendente era que en horario nocturno podíamos recibir señales de emisoras lejanas, incluso del extranjero. Más adelante explicaremos el porqué de este hecho.

Al acabar la puesta en común sobre el experimento reemprendimos nuestra principal tarea en este inicio de curso, reinventar la radio. Hablamos de un factor muy importante que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar nuestro receptor, el ruido, y es que la presencia de ruido altera nuestras comunicaciones. Para cuantificar el ruido presentamos dos parámetros : S/N ( Relación Señal-Ruido ) y MSD ( Mínima Señal Detectada ), ambos definidos en el receptor. 

Después presentamos un nuevo tipo de antena, las Yagi-Uda, que constan de un dipolo más un conjunto de directores de diferentes medidas y un reflector que consiguiendo un diagrama con mayor directividad. Continuando con la temática de las antenas, le echamos un vistazo a un data sheet de una antena y a las características en las que nos tenemos que fijar cuando deseemos hacernos con una.

Ya casi al final de la clase nos preguntamos si podríamos ser capaces de comunicarnos vía radio a distancias muy lejanas, y es en este punto dónde daremos la explicación de porque recibíamos señal de emisoras extranjeras. Primer punto a destacar, la comunicación directa vía radio no tiene mucho alcance, es comparable al alcance visual ( alrededor de 8 km ). Segundo punto, si nos encontramos en un terreno plano y húmedo, y nuestra frecuencia de emisión está por debajo de los 2MHz la onda electromagnética que se propaga puede recorrer la superficie de la Tierra con su misma curvatura. El tercer y último punto, y este es el que explica nuestro anecdótico caso, es que se pueden dar reflexiones en la ionosfera, sucede particularmente por la noche porque en esta franja del dia desaparece la capa superficial de iones que hace que sea más reflectiva. El primero en hacer uso de este fenómeno y sin saberlo fue Marconi, que logro una transmisión vía radio desde la costa de Inglaterra hasta Terranova.

Esta tarde continuamos con el renacer de las comunicaciones radio.

Reinventando la radio

En el segundo día de clase entramos ya en la materia del curso. Nos situamos en el hipotético caso que haya sucedido una catástrofe donde nosotros somos los únicos ingenieros supervivientes. Partiendo de este punto debemos hacer el estudio de todo aquello que es necesario para poder diseñar un aparato que nos permita comunicarnos a distancia, en definitiva, debemos reinventar la radio.

Empezamos por el análisis circuital; nuestros conocimientos de teoría de circuitos nos dicen que en todo circuito se deben cumplir las leyes de Kirchhoff: ley de nodos, donde la suma de todas las corrientes entrantes a un nodo debe ser cero, y la ley de mallas la cual dice que  la suma de tensiones a lo largo de una malla del circuito es nula. Entonces nos surge una duda. ¿ Estas leyes siempre se cumplen ? Pues la respuesta es no, debe existir un compromiso entre la longitud de onda con que trabajamos y las dimensiones del circuito, las dimensiones del circuito deben estar uno o dos ordenes de magnitud por debajo de la longitud de onda.
Ejemplificamos esta parte de teoría con un caso concreto. Tenemos un generador conectado en serie con una resistencia y una línea de transmisión de dimensiones comparables a la longitud de onda en circuito abierto. Nuestra predicción circuital nos dice que por este circuito no circula corriente, pero no es así, se esta transfiriendo potencia desde el generador a la línea de transmisión y el espacio que rodea a nuestro circuito queda inundado por radiación electromagnética, es decir estamos transmitiendo potencia en el espacio abierto, sin conexiones circuitales.
Llegados a este punto entramos a estudiar las ondas electromagnéticas y como podemos utilizarlas para nuestra finalidad. Empezamos con una breve definición, una onda electromagnéticas es la combinación ortogonal entre un campo eléctrico y un campo magnético cuya dirección de propagación es ortogonal a ambos campos. La presencia de campos eléctricos y magnéticos hace posible que estos puedan ser captados por otros circuitos. Para finalizar y acabar de perfilar este punto entramos a profundizar en el estudio de aquellos elementos que hacen posible la radiación electromagnética; las antenas, aspectos básicos, como se comportan y como podemos mejorar su eficiencia, todo ello acompañado de algunos ejemplos como el dipolo de media onda, el dipolo vertical de un cuarto de onda y antenas de longitud mucho menor que la longitud de onda.

Nos vemos el lunes para continuar reinventando la radio!

Bienvenidos a Diseño de Radioreceptores

En el primer día de clase el profesor José Mª Miguel nos ha dado la bienvenida a la asignatura y nos explicado las directrices del curso. Hemos hablado de la cantidad de conocimientos que se requieren para construir un receptor radio, desde conocimientos de circuitos y componentes electrónicos hasta temas legislativos, pasando por el estudio de los campos electromagnéticos, antenas y el mundo de la simulación. Finalmente cada alumno se ha presentado y ha expuesto sus motivaciones para matricularse de esta asignatura, la mayoría coincidíamos en la necesidad que tiene un estudiante de ingeniería de telecomunicaciones/electrónica de experimentar en un laboratorio y sustentar dichos experimentos con la teoría. 

Buen inicio de curso a todos!