PRÁCTICA 4. CIRCUITOS CON DIODOS: RECEPTOR DE RADIO AM

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1 Componentes Electrónicos y Medidas 15Mar2003 PRÁCTICA 4. CIRCUITOS CON DIODOS: RECEPTOR DE RADIO AM Mientras que en la práctica anterior veíamos la aplicación del diodo como rectificador para realizar una fuente de tensión de continua a partir de la tensión alterna de la red eléctrica, en esta práctica utilizaremos las propiedades rectificadoras de los diodos para trabajar con señales. Entre estas aplicaciones la más característica es la de detector de envolvente de una señal modulada en amplitud, lo que nos servirá para hacer un receptor de radio de AM. RECEPTOR DE RADIO DE AM. En este ejercicio realizaremos una radio y podremos escuchar al menos un par de emisoras de onda media. Para ello necesitaremos una fuente intensa de señales de radio en amplitud modulada. Eso requiere una buena antena, o alternativamente una antena pequeña cuya señal haya sido amplificada mediante un amplificador de alta frecuencia. En nuestro caso conseguiremos una señal suficientemente fuerte tendiendo un cable de varios metros de longitud entre las paredes del laboratorio. Esta antena no tiene nada de especial, sino que es simplemente un cable de metal en el que las ondas electromagnéticas crean una corriente eléctrica oscilante a la misma frecuencia que el campo eléctrico. Observe en el osciloscopio la señal proporcionada por la antena y anote su amplitud. Nótese que esta señal estará superpuesta al ruido eléctrico de 50 Hz causado por los campos electromagnéticos creados por las corriente de los cables de la red eléctrica. Al estar la antena muy próxima a los tubos fluorescentes del techo, el ruido eléctrico de 50 Hz que capta puede ser muy fuerte, mucho más que las señales de radiofrecuencia que nos llegan de las emisoras de radio. La amplitud que nos interesa no es la del ruido eléctrico de 50 Hz, sino la de las señales de radiofrecuencia, que aparecerán superpuestas con él. Precisamente, el primer paso que tenemos que dar es eliminar ese ruido de 50 Hz, tarea que realizaremos al mismo tiempo que seleccionamos una sola frecuencia de entre las emisoras que se reciben en onda media. Con este fin necesitamos un filtro que nos deje pasar una sola frecuencia, la de la emisora que buscamos. Es decir, no nos sirve un filtro paso-baja, ni paso-alta, ni siquiera paso-banda, sino que necesitamos un circuito resonante cuya respuesta en frecuencia tenga un máximo a la frecuencia que buscamos y atenúe todas las demás. Esto lo conseguiremos mediante un circuito resonante LC como el que se muestra en la figura 1. A frecuencias muy altas el condensador se comporta como un cortocircuito y atenúa esas señales. En el otro extremo, a frecuencias bajas es la bobina la que actúa como un cortocircuito y elimina esas frecuencias. Entre ambos extremos existe una frecuencia intermedia en la que la reactancia

2 inductiva de la bobina se ve compensada exactamente por la reactancia capacitiva del condensador, por lo que la impedancia del paralelo de ambas tiende a infinito. La señal correspondiente a esta frecuencia pasa de la entrada a la salida sin ser atenuada, mientras que todas las demás frecuencias son atenuadas, en mayor medida cuanto más lejos estén de esa frecuencia de resonancia. Como primer paso demuestre que la frecuencia de resonancia es: f 0 = 1 2π LC Figura 1. Circuito resonante LC Con objeto de detectar una señal de radio modulada en amplitud necesitamos realizar dos tareas: 1.- Seleccionar la frecuencia de la onda portadora de una emisora de radio. Si nos fijamos en el dial de una radio de onda media veremos que abarca desde 530 khz a 1600 khz. Tendremos que seleccionar L y C para que la frecuencia de resonancia coincida con la emisora que queremos. Como suele hacerse en cualquier aparato de radio, utilizaremos un condensador variable de modo que podamos sintonizar no sólo una emisora sino varias. Con los condensadores variables de que disponemos en el laboratorio no podremos cubrir todo el rango de frecuencias antes mencionado, pero sí el suficiente como para poder captar al menos dos emisoras. 2.- Una vez detectada una emisora, hay que extraer la señal de audio (el sonido) separándola de la onda portadora. Recordemos que en una modulación en amplitud (AM) la señal transmitida modula (hace variar) la amplitud de la onda portadora. La extracción de la onda moduladora se realiza en dos pasos. a) Primero se rectifica toda la onda (portadora más moduladora) mediante un diodo. En lugar de utilizar un diodo común de silicio, se utiliza aquí un diodo de germanio o bien un diodo Schottky. La razón es que estos diodos tienen una caída de tensión en directa significativamente menor que el diodo de silicio: concretamente 0.2 V, frente a 0.7 V para un diodo de silicio. En el caso del germanio esto se debe a su 2

3 menor gap (0.67 V) comparado con el silicio (1.1 V), mientras que el diodo Schottky está basado en un principio distinto al de la unión PN: es una unión rectificante metalsemiconductor. b) Seguidamente hay que filtrar la onda rectificada para eliminar la portadora y quedarnos con la moduladora. El margen de frecuencias de audio abarca hasta unos 20 khz, mientras que la portadora está en el rango de MHz, por lo que esta etapa es un filtro paso-baja. En realidad bastará un simple condensador para efectuar el filtrado, pues gracias a la presencia del diodo éste no se puede descargar hacia el lado del circuito que le suministra la señal. Figura 2. Esquema de detección, rectificación y filtrado. En la figura 2 se resume el circuito de detección y demodulación más simple basado en los criterios anteriores. La resistencia a la entrada del circuito resonante LC puede omitirse, ya que lo que nos interesa de él es que a su frecuencia de resonancia la impedancia del paralelo de la bobina y el condensador es infinita, por lo que las corrientes inducidas en la antena pueden pasar hacia el diodo, mientras que las frecuencias por encima o por debajo de f 0 tienden a ser derivadas a tierra (cortocircuitadas) por el condensador o la bobina respectivamente. La salida de este circuito será una señal de audio muy débil (de mucho menos de un voltio). Podría resultar audible en unos auriculares de alta impedancia como los que se utilizaban antiguamente. Para hacerla audible nosotros la suministraremos a un amplificador de audio incorporado en unos altavoces de ordenador. Para el circuito resonante LC tenemos dos alternativas en cuanto a la realización de la bobina. Una es utilizar una bobina comercial del orden de 100 µh (la inductancia no puede ser mucho mayor que este valor pues entonces el condensador tendría que ser demasiado pequeño para conseguir una frecuencia de resonancia adecuada, y hay que tener en cuenta que la capacidad parásita entre contactos de las placas de montaje es de unos pocos pf). La otra 3

4 posibilidad es hacer nosotros mismos la bobina enrollando un cable en torno a un cilindro. Escogeremos esta última posibilidad, para lo cual utilizaremos hilo metálico del tipo que se usa en algunos transformadores. Recuerde que este hilo tiene un recubrimiento aislante, y por tanto habrá que rascar o quemar los extremos para quitar el recubrimiento y hacer contacto eléctrico con ellos. Con objeto de lograr una inductancia adecuada enrolle 100 vueltas de este hilo en torno a un cilindro de unos 5 cm de diámetro. Para facilitar esta operación puede utilizar cinta adhesiva de modo que el arrollamiento quede fijado al cilindro. A continuación mida esta inductancia con el medidor LC disponible en el laboratorio. Deberá dar un valor en el orden de 200 µh. En función de este valor y teniendo en cuenta la fórmula antes deducida para la frecuencia de resonancia, calcule cuál deberá ser la capacidad que habrá que poner en paralelo para seleccionar las emisoras que se reciben en onda media en Cartagena (p. ej khz o 1600 khz). Una vez calculada la capacidad que necesitamos existen también dos alternativas. Una es tantear con varios condensadores en serie y/o paralelo hasta conseguir ese valor de capacidad. La otra posibilidad es utilizar un condensador variable cuyo margen de capacidades cubra el valor buscado para una o más emisoras. Tras el circuito resonante LC viene el diodo de germanio (también valdría un diodo Schottky) que rectifica la onda para facilitar la detección de la envolvente o moduladora. Como ya se ha comentado, la caída de tensión en directa en este tipo de diodos es mucho menor que un diodo de silicio, con lo que se minimiza el debilitamiento de la señal al pasar por él. Finalmente, el condensador C f y la resistencia R f forman, con ayuda del diodo, un filtro paso-baja. Ello es debido a que el condensador no puede descargarse a través del diodo, pues éste no conduce en inversa, y por tanto el único sitio por donde puede descargarse es a través de la resistencia. Cuando se conecten a la salida unos auriculares o un amplificador, el consumo de estos puede hacer el papel de resistencia R f y por tanto ésta puede resultar innecesaria. En principio, sin embargo, calculemos R f y C f para que formen el filtro paso-baja que buscamos. Se trata de que el condensador no pueda responder a la señal de alta frecuencia (la portadora) pero sí a la señal de baja frecuencia (la moduladora). Para ello la constante de tiempo R f C f tiene que ser grande comparada con el periodo de la portadora y pequeña comparada con las variaciones temporales de la moduladora (que recordemos comprende señales de audio entre 20 Hz y 20 khz aproximadamente). Utilizaremos un condensador de 2200 pf para esta misión, por lo que el valor de la resistencia puede ser p. ej. 20 kω. Realmente, y como podremos comprobar al conectar el amplificador, puede omitirse. 4

5 REALIZACIÓN DE LAS MEDIDAS Y COMPROBACIÓN DEL CIRCUITO Siga los siguientes pasos: 1.- Verifique la respuesta en frecuencia del circuito resonante LC trazando su diagrama de Bode en amplitud en un amplio rango de frecuencias en torno a la frecuencia de resonancia. Con este fin realice el circuito de la figura 1 con R=100 kω, la bobina que ha realizado siguiendo las instrucciones anteriores (y cuya inductancia L conocerá por haberla medido con el medidor LC), y el condensador variable o la combinación de condensadores que haya escogido para una frecuencia de resonancia dada (y cuya capacidad también puede medir con el medidor LC). Utilizando el generador de señales y el osciloscopio registre el diagrama de Bode en amplitud, prestando especial atención a las frecuencias próximas a la frecuencia de resonancia, entorno a la cual se producirá un pico acusado de la función de transferencia. 2.- Debido a que en todos los puestos de prácticas del laboratorio se va a tomar la señal de la misma antena, es necesario introducir una modificación en el circuito de la figura 2 para evitar que la selección de una frecuencia en uno de los puestos mediante el circuito resonante LC afecte a todos los demás puestos. Esta modificación consiste en situar el condensador en serie en lugar de en paralelo, como se muestra en la figura 3, y no altera la frecuencia de resonancia que deja pasar el circuito para un valor dado de L y C. 1 2 Figura 3. Circuito modificado para permitir la utilización de la misma antena en todos los puestos de prácticas. La diferencia se encuentra en que en este caso la frecuencia seleccionada es amplificada por la resonancia (por lo que se oirá más fuerte en el altavoz), mientras que las demás frecuencias no son aniquiladas derivándolas a tierra, sino que son o bien bloqueadas por el condensador (frecuencias por debajo de la resonancia) o bien quedan inalteradas 5

6 (frecuencias por encima de la resonancia). En este último caso, esas frecuencias estarán presentes en la salida, pero serán mucho más débiles que la señal amplificada por la resonancia, por lo que sólo se oirá la emisora seleccionada. Demuestre como ejercicio que el condensador y la bobina de la primera etapa del circuito de la figura 3 presentan una frecuencia de resonancia igual a la del circuito de la figura Realice el circuito y conecte la salida a los altavoces. El resultado que esperamos obtener es, por supuesto, oír la señal de radio. Para ello contamos con unos altavoces con amplificador incorporado. Es posible que la emisora buscada no quede sintonizada exactamente para el valor que habíamos fijado de L y C. Ello puede ser debido a diversos factores tales como: influencia de la capacidad del diodo y del condensador de filtro, capacidades o inductancias parásitas presentes en los distintos elementos del circuito (desde la antena hasta los altavoces), variación de la capacidad del condensador C con la frecuencia (la capacidad depende de la frecuencia y por tanto no tiene el mismo valor a las frecuencias de MHz de la portadora que a la frecuencia usada por el medidor LC para medirla), y componentes resistivas en la impedancia del condensador (pérdidas resistivas que se modelan como una resistencia en paralelo con el condensador) que son también dependientes de la frecuencia. Pruebe por tanto qué emisoras puede sintonizar variando la capacidad del condensador variable. También se puede modificar esta capacidad añadiendo condensadores en paralelo o en serie, así como modificar la inductancia de la bobina añadiendo pequeñas bobinas de 100 µh disponibles en el laboratorio. Una vez que pueda sintonizar un par de emisoras, visualice en el osciloscopio las correspondientes señales antes y después del diodo (puntos 1 y 2 de la figura 3). En el punto 1 debe poder ver la onda portadora senoidal correspondiente a la frecuencia seleccionada (p. ej khz o 1600 khz). Se observará cómo la amplitud de esta onda senoidal vibra de acuerdo con el sonido que está transmitiendo, el cual modula su amplitud. En el punto 2 deberá poder ver la forma de onda correspondiente al sonido una vez filtrada la onda portadora. 6

7 ANEXO:.- Diagrama de Bode en amplitud del filtro LC de la figura 1..- Diagrama de Bode en amplitud del filtro LC modificado para la versión final del circuito (figura 3). Ganancia (db) Ganancia (db) 7

8 .- En la figura siguiente se muestra a la izquierda (1.a) la señal proporcionada por la antena: la oscilación fuerte corresponde al ruido de 50 Hz, mientras que la señal de alta frecuencia correspondiente a las señales de radio aparece superpuesta a la oscilación de 50 Hz y se manifiesta como un ensanchamiento del trazo. A la derecha (1.b) se muestra cómo aparecería la señal tras pasar por el filtro LC. El ruido de 50 Hz ha desaparecido. Además las portadoras de otras estaciones de radio distintas de la seleccionada también han sido eliminadas del conjunto de frecuencias que son captadas por la antena. 1.a 1.b 1/T = 50 Hz.- La gráfica superior de la parte izquierda (2.A) de la siguiente figura corresponde a la misma señal que la gráfica 1.b anterior, pero con un barrido más rápido, es decir, es la señal portadora de la estación de radio seleccionada. La información transmitida (el sonido) modula la amplitud de la portadora y el resultado de estas variaciones de amplitud se observa en los máximos y mínimos. La gráfica inferior (2.B) muestra la misma señal tras pasar por el diodo, es decir, tras ser rectificada. La figura de la derecha (3) muestra la señal de audio recuperada tras el filtrado (B: gráfica inferior), y la misma señal antes de ser recuperada, cuando está modulando la amplitud de la portadora (A: gráfica superior) A A B B 8