Emisor de radiobaliza a 27 MHz

Transcripción

1 Emisor de radiobaliza a 27 MHz Erik Martín Jordán En la imagen superior se muestra un posible montaje de un emisor de radiobaliza a 27 MHz. Este circuito se monta en barcos, de forma que en caso de naufragio el dispositivo genera una tensión senoidal de 27 MHz a su salida, inundando el espacio de ondas electromagnéticas. Los puestos de salvamento marítimo tienen como misión monitorizar la existencia de emisiones y actuar en caso de detección. A continuación se detallará el funcionamiento del emisor, para ello, se ha creído conveniente dividir el circuito anterior en tres partes que llamaremos etapas: Etapa 1: Modulación Etapa 2: Oscilación Etapa 3: Emisión Introducción 1

2 Etapa 1: Modulación Supongamos que disponemos de un aparato que es capaz de generar a su salida una tensión senoidal a frecuencia de 1 khz. Supongamos también, que disponemos de un altavoz que nos permite conectar dicha tensión senoidal a su entrada. Como 1 khz pertenece al rango de frecuencias audibles por el ser humano, escucharemos un pitido. Supongamos ahora que desconectamos y conectamos el aparato que genera la tensión senoidal cada 1 segundo. Qué ocurrirá? Pues escucharemos el pitido cada 1 segundo. Si se varía el tiempo entre conexión y desconexión, el oído podría distinguir varios tipos de sonidos y se les podría asignar a cada uno una letra del alfabeto. Esto es en definitiva en lo que consiste el código morse. Pues bien, si actuamos como un interruptor sobre la tensión senoidal estaremos modulando esta tensión en ASK. Para realizar este interruptor, se emplea un circuito integrado 555 con alimentación de 15 V. Si se configura como en el esquema anterior, este dispositivo genera una tensión cuadrada en la puerta 3, de tal modo que cuando la tensión cuadrada esté en el nivel alto, el transistor estará en corte y no habrá tensión senoidal a la salida del circuito. Mientras que cuando la tensión esté en el nivel bajo, el transistor estará en activa y sí habrá tensión senoidal. Adicionalmente, para asegurarnos del funcionamiento correcto del modulador, se puede añadir un LED de tal forma que se encienda cuando el transistor esté en activa y se apague en caso contrario. 2

3 Etapa 2: Oscilación Un oscilador senoidal es un circuito asombroso, pues a partir de ruido eléctrico es capaz de generar una tensión senoidal a su salida. Para entender este comportamiento partiremos de un circuito formado por un amplificador y un filtro paso banda. Cuando se conecta el amplificador a la alimentación, a su salida habrá únicamente ruido eléctrico. Seguidamente, este ruido será filtrado por el paso banda, que actuará como un silbato, de tal forma que conectando la salida a un altavoz podríamos escuchar un pitido. En realidad, este pitido se corresponde con una señal senoidal de frecuencia fr (los ingenieros la denominan frecuencia de resonancia) y para poder escucharlo, fr debería estar en el rango de frecuencias audibles por el ser humano (20 Hz - 20 khz). Como el circuito está realimentado, la salida del paso banda está conectada a la entrada del amplificador, por lo que el pitido aumentaría su amplitud y volvería a pasar por el paso banda, se volvería a filtrar y volvería a aumentar de amplitud y así sucesivamente. Es decir, que con el paso del tiempo, el pitido iría aumentando de volumen. Sin embargo, para que este comportamiento en espiral tenga lugar, es necesario que se cumplan las dos condiciones del criterio de Barkhausen: 1. arg H = 0 (existencia de una frecuencia con desfase nulo entre tensión de entrada y salida) 2. k H > 1 (ganancia mayor que la unidad) Además, este comportamiento creciente no es infinito, lo que significa que la tensión senoidal estará limitada por el valor de la alimentación del amplificador. El efecto que se observa si se visualiza con un osciloscopio la tensión a la salida del amplificador, es una tensión senoidal recortada y por tanto, aparecerán armónicos a frecuencias indeseadas (distorsión). Primera aproximación a la solución final Como se requiere el cumplimiento de estas dos condiciones para generar un oscilador, existirán diversas opciones a la hora de construirlo. Por ejemplo, se podría construir un oscilador pensando que el paso banda podría llevar a cabo la amplificación y 3

4 dejando al amplificador operacional como seguidor. Este montaje es útil cuando la frecuencia es elevada, pues conforme aumenta la frecuencia, el amplificador operacional disminuye considerablemente su amplificación. De tal forma que en este caso el paso banda sería el encargado de conseguir esa amplificación mayor que 1 para el arranque del oscilador. Otra opción sería que en lugar de la utilización de un amplificador operacional, podría utilizarse un transistor bipolar. Este elemento presenta como principal ventaja la capacidad de trabajo a frecuencias elevadas. Como contrapunto, tiene una amplificación limitada por la red de polarización y son propensos a crear distorsión por la asimetría en su amplificación (recuérdese curva amplificación del diodo). En nuestro caso, y a pesar de sus inconvenientes, nos hemos decantado por esta última opción. En una primera aproximación a la solución final, se determinó que el transistor realizaría la función de seguidor de tensión y que se utilizaría un paso banda con amplificación. Por otra parte, se creyó conveniente la realización de dicho paso banda con un condensador ajustable y una bobina, con los valores pertinentes para situar fr a 27 MHz. Para comprobar los efectos de la distorsión armónica presentes tanto en amplificadores operacionales como en transistores bipolares, se utilizó un analizador de espectro. Este dispositivo funciona como un filtro sintonizable por tensión, pues según sea el valor de ésta, el filtro paso banda del analizador se centrará en una determinada frecuencia. Conectando el analizador de espectro al osciloscopio, se puede visualizar el espectro de la señal. El espectro nos da una representación de potencia en función de frecuencia, y en definitiva, nos informará de la potencia emitida por nuestro circuito en un determinado rango de frecuencias. Toda potencia que se visualice fuera de los 27 MHz, será distorsión. La distorsión causada por un circuito es inadmisible, pues puede interferir en otros sistemas que utilicen ese rango de frecuencias. Además de los armónicos, el anterior montaje (condensador ajustable y bobina) presenta otro enorme inconveniente: su robustez. Y es que es relativamente sencillo que se produzca un desajuste del capacitor y el circuito oscile a una frecuencia distinta. Además, basta con soplar en el circuito para que el oscilador cambie de frecuencia. Esto es inadmisible desde el punto de vista de ingeniería, pues no podemos pretender que desde el puesto de salvamento se monitorice otra frecuencia que no sea la de 27 MHz. Incluso, en el caso más grave un cambio en la frecuencia de oscilación podría provocar interferencia en otros sistemas. 4

5 La solución final Los ingenieros resolvieron este problema gracias a la utilización de un material que hoy se encuentra en innumerables dispositivos (e.g. los relojes) y es el cristal de cuarzo. Cuando a este material se le aplica una tensión, se deforma y se carga. De tal modo que cuando se desconecta de la tensión, comienza vibrar y las cargas generan una tensión senoidal sumamente estable cuya frecuencia depende del tipo de corte y el grosor del cristal. Además, si midiésemos la impedancia de este dispositivo en función de la frecuencia, obtendríamos que su comportamiento depende de la frecuencia según 3 tramos: 1) Capacitivo f < fs 2) Inductivo fs < f < fp. 3) Capacitivo para f > fp Además, comprobaríamos como el comportamiento de la impedancia se repite en diferentes armónicos, esto es, para frecuencias 2f, 3f, 4f, etc. Cuando un cristal trabaja en una de estas frecuencias de dice que trabaja en sobretono, en caso contrario, diremos que trabaja en la frecuencia fundamental. En nuestro caso, trabajaremos con un cristal en sobretono, pues si queremos una frecuencia fundamental alta, el grosor del cristal disminuye, haciéndolo más frágil. En definitiva, el cuarzo trabajará en sobretono principalmente por un tema de robustez. Pues bien, además del cristal de cuarzo, será necesario la conexión de un circuito tanque en el colector del transistor. Un circuito tanque no es más que un dispositivo que incluye en su interior una bobina y un capacitor. Estos dos elementos situados en paralelo, forman un filtro paso banda, lo que significa que a una frecuencia: (1) fr = 1/(2" LC) 1/2 se obtendrá un pico de resonancia. Para qué servirá el circuito tanque? En este circuito está la clave de todo. Supongamos que situamos la frecuencia de resonancia del circuito tanque entre 9 y 27 MHz. El cuarzo verá el circuito tanque como un circuito RC a 27 MHz (recordar que para f > fr el circuito tanque tiene un comportamiento similar a un circuito 5

6 RC) y por tanto, si el cuarzo se comporta como un inductor, se cumplirá el criterio de Barkhausen y el circuito genererá una tensión senoidal de frecuencia 27 MHz. Realización práctica En resumen, los pasos a seguir para la construcción del oscilador son los siguientes: 1. Polarizar el transistor independientemente de ß. Esto es necesario porque la ß es variable con la temperatura, e interesa mantener una corriente independiente de ß en el colector. Esta corriente determinará la potencia radiada por la antena, que lógicamente, debe ser independiente de la temperatura. En nuestro caso, la corriente de colector (réplica de la corriente de emisor) tomará la siguiente expresión: (2) I E I C = V E /R E Nota: La colocación de un condensador en el emisor en paralelo con la resistencia, proporciona una corriente máxima a frecuencia de trabajo, y por ende, también se maximiza la potencia radiada por la antena 2. Conexión del circuito tanque con frecuencia de resonancia comprendida entre 9 y 27 MHz para comportamiento tipo RC desde el punto de vista del cuarzo. 3. Conexión del cristal de cuarzo para conformar el circuito RLC y obtener una tensión senoidal de frecuencia 27 MHz en Vo. 6

7 Modelo incremental A continuación se muestra el modelo incremental del transistor bipolar junto al circuito tanque: Los tres aspectos más relevantes son los siguientes: 1. El transistor se modela como una fuente de corriente controlada por tensión con una transconductancia que toma la siguiente expresión: (3) g m = I C /26 mv 2. El circuito tanque se comporta como un circuito RC desde una frecuencia superior al pico de resonancia fp. 3. La primera frecuencia a la cual el cuarzo observará el circuito tanque como un RC será a 27 MHz, correspondiente a 3f (sobretono). Además, el cristal de cuarzo se comportará en modo inductivo, cumpliéndose la condición de existencia de una frecuencia con desfase nulo entre entrada y salida. 7

8 Etapa 3: Emisión A partir de este punto, ya se ha conseguido el propósito de generar una tensión senoidal. Ahora lo que falta es inundar el espacio de ondas electromagnéticas y para ello será imprescindible una antena. Hablar de una antena parece estar hablando de algo muy complejo cuando no tiene porque ser así. En nuestro emisor, bastará con conectar un hilo de cobre de forma rectilínea y de longitud λ/4. Donde λ es la longitud de onda de la tensión senoidal, que a una frecuencia de 27 MHz corresponde a una longitud de 11 metros aproximadamente. Es decir, con un hilo de cobre de longitud λ/4 2,8 m (monopolo en λ/4) conseguiremos inundar el espacio de ondas electromagnéticas. Pero existe un problema, la impedancia típica del monopolo estará alrededor de los 50 %. Si conectamos directamente la antena en el colector del transistor, podríamos incumplir el criterio de Barkhausen, ya que la amplificación debe ser mayor que la unidad. Es por ello que entre antena y transistor deberemos conectar un elemento que haga creer al transistor que la antena tiene una impedancia mayor que 50 %. Esta es la misión de un transformador. Recordar que para su realización bastaría con realizar un devanado secundario sobre una bobina. Pero en esta ocasión, se realizará el transformador de otra manera; si conectamos un hilo de cobre entre las espiras de la bobina se obtendrá el mismo efecto que realizando un devanado secundario. Es decir, dejando N 1 espiras en la parte superior de la bobina y N 2 espiras en la parte inferior, obtendríamos un transformador con relación n = N 1 /N 2. A este tipo de transformadores se les conoce como autotransformadores y en definitiva, un único devanado actuará de primario y secundario a la vez. Adicionalmente se puede observar como se ha incluido un condensador entre el autotransformador y el monopolo para aislar la antena en DC, pues podría perjudicar a la polarización del transistor. Finalmente, a modo de test, se podría conectar el analizador de espectro a la salida del circuito y comprobar como se obtiene un pico a 27 MHz de 13 dbm 20 mw de potencia. Recordar que esta potencia es la necesaria para sonorizar una sala de pequeño tamaño y será suficiente en el caso de trabajar con el emisor de radiobaliza a 27 MHz, pues a esta frecuencia se produce el fenómeno de reflexión ionosférica, que en definitiva, propicia un alcance mayor. 8