MODULADORES.
Antes de empezar con el estudio de los receptores, vamos a ver los circuitos electrónicos de modulación de frecuencia.
Para producir señales de FM y de PM (Phase Modulation), se ha creado una gran variedad de circuitos. Existen circuitos de modulación de frecuencia directa y circuitos que producen modulación de frecuencia indirectamente mediante técnicas de PM.
En los circuitos de FM directa se utilizan técnicas para producir una variación real de la frecuencia del oscilador de la portadora de acuerdo a la señal moduladora.
En técnicas PM se utiliza un desfasador después del oscilador de la portadora.
En esta clase describiremos algunos circuitos de FM y de PM antes de proceder con el estudio de los receptores de radio.
Moduladores de frecuencia.
El concepto básico de la FM es hacer variar la frecuencia de la portadora de acuerdo a la señal moduladora. La portadora se crea en un circuito LC, o con un oscilador a cristal.
El objetivo es encontrar entonces la forma de variar la frecuencia de oscilación de la señal portadora.
En un circuito oscilador, los valores de L - C fijan el valor de la frecuencia de la portadora; por lo tanto al variar cualquiera de esos valores, se modificará el valor de la frecuencia. Para estos circuitos, la idea es encontrar un circuito en el que se pueda cambiar el valor del voltaje de la moduladora en un cambio en la inductancia o capacitancia del circuito de la portadora.
Cuando se genera la frecuencia portadora con un cristal, es el mismo el que genera la frecuencia de la portadora. Pero este tipo de circuitos tienen una red formada por LCR, por lo que al conectar un condensador al cristal se pueden obtener variaciones leves en la frecuencia de la portadora.
Capacitador variable por voltaje.Para el anterior circuito, el componente más usado es el condensador variable por tensión o Varactor. Otro nombre más famoso es el diodo de capacidad variable o Varicap.
El Varicap es un diodo semiconductor que funciona en modo de polaridad inversa.
Un diodo normal funciona de manera que cuando se le polariza directamente se produce una circulación de electrones en su interior debido a una diferencia de potencia forzada por las cargas de su interior. Cuando se polariza inversamente, se bloquea la circulación de corriente y aumenta un espacio interior llamado barrera de potencial que es una barrera eléctrica natural formada por los dipolos de las cargas eléctricas del diodo (repasa el capítulo de semiconductores).
Mientras mayor sea la polarización inversa del diodo, mayor será la barrera de potencial, liberando solamente cargas parasitárias que se traducen en corrientes de fuga.
Pues bien, la unión en polarización inversa actua como un pequeño condensador. Los materiales tipo P y N hacen de placas y la barrera de potencial actúa como dieléctrico. El grosor de la barrera de potencial, que depende de la tensión de polarización inversa, determina el grosor del dieléctrico y por tanto la capacidad del diodo Varicap.
Si la alimentación inversa es mayor, la barrera de potencial también lo será y por tanto, la capacidad del dispositivo será muy baja ya que las placas del mismo están muy separadas.
Si la tensión inversa no es alta, la barrera de potencial será menor y la capacidad será mayor.
Aunque todos los diodos de unión presentan esta característica cuando se modifica la polarización inversa, el diodo Varicap está diseñado especialmente para que el efecto de la variación de la capacidad sea característica en dichos dispositivos.
Los diodos Varicap se diseñan y construyen de manera que la variación de la capacidad sea lo más lineal y amplias como sean posibles.
Los diodos varicap se construyen con una amplia gama de valores de capacidad que varía desde 1 a 200 picofarádios (pF).
En la gráfica superior se muestra una gráfica equivalente para este tipo de diodos.
Con 1 voltio se obtiene una capacidad máxima de 80 pF. A 60 voltios la capacidad baja a menos de 20 pF.
El rango de trabajo del diodo Varicap se suele fijar en la zona central de la gráfica (de 10 a 40 voltios).
Modulador con Varicap.
El siguiente circuito muestra un modulador de frecuencia con un Varicap.
El diodo Varicap, se conecta en serie con el condensador C1, en el circuito resonante. C1 es de un gran valor para que su reactancia sea pequeña. Entonces como C1 está en serie con el condensador variable del Varicap, la capacidad resultante es la de la mayor capacidad, y en el caso para la frecuencia a trabajar es la del diodo Varicap, que es como si estuviese solo sin tener en cuenta a C1.
Por lo tanto, la capacidad total del circuito viene dado por el valor de la capacidad del Varicap y C3, que fija pues la frecuencia de la portadora.
como puedes ver, la capacidad del Varicap está dada por dos valores. La tensión continua de alimentación y la tensión variable de la señal de la fuente (moduladora). La tensión continua procedente de el divisor de tensión formado por R1 y R2, proporciona una polarización al diodo Varicap. Aunque se suele hacer que uno de estas dos resistencias sea variable para poder ajustar el valor de la frecuencia central de la portadora.
La señal moduladora se aplica a través del choque de radiofrecuencia y C2. C2 bloquea la componente continua de la fuente de alimentación. El choque de radiofrecuencia CRF se encarga de ofrecer una reactancia muy alta a la señal de la portadora para evitar que así influya en la moduladora en ésta etapa.
La señal moduladora AC1, varía en amplitud sumando y restando dicha amplitud a la tensión continua de la fuente de alimentación. Esto hace que la capacidad del Varicap se modifique y produzca una variación de la misma.
Si la señal al llegar al divisor de tensión es positiva, la amplitud de la misma se suma a la tensión de alimentación, y como el diodo está conectado inversamente, aumenta la polarización inversa y por tanto disminuye la capacidad.
Al llegar la señal negativa, el proceso inverso y se reduce la frecuencia de la portadora.
El circuito tiene un incoveniente y es que la mayoría de los osciladores L - C no tienen estabilidad suficiente como para proporcionar una señal portadora.
Por muy buena que sea la calidad de los componentes, la frecuencia del oscilador L - C sufrirá cambios debido a la temperatura, variaciones en el voltaje, y otros factores físicos y eléctricos. En los sistemas de comunicaciones no puede permitirse dicho problema ya que afectaría a la comunicación, por lo que hay que recurrir a otros circuitos para estabilizar la frecuencia de la portadora.
De ahí se empezaron a usar los cristales piezoeléctricos.
Modulación de frecuencia de un oscilador a cristal.
La frecuencia de un oscilador a cristal puede cambiar cambiando el condensador en serie o paralelo del cristal.
En la figura siguiente puedes ver este tipo de circuito.
Cuando un pequeño condensador se conecta en serie con el cristal, la frecuencia del mismo puede ser cambiada por la frecuencia del cristal. Con el Varicap, se consigue que la frecuencia de la señal del diodo sea la misma que la del cristal.
La señal de la moduladora se inyecta como en el anterior circuito al diodo Varicap para cambiar la frecuencia del oscilador.
Lo importante del circuito es que solo se produce una pequeña variación de la frecuencia y que se requieren circuitos complementarios en L - C para producir mayores variaciones en la frecuencia de la portadora.
La frecuencia del cristal pocas veces puede cambiarse en más de cientos Hercios respecto al valor nominal del cristal. La desviación resultante puede ser menor que la desviación deseada.
En los sistemas bidereccionales (FM), desviaciones menores son aceptables.
Pero imagina que la frecuencia que proporciona el cristal es inferior a la que necesitamos. Eso no implica ningún problema ya que se puede recurrir a circuitos multiplicadores de frecuencia en donde la señal de la portadora se aplica el circuito para multiplicar su frecuencia. Cuando una señal FM se aplica a un multiplicador de frecuencia, aumenta la frecuencia y el valor de la desviación.
Los multiplicadores de frecuencia suelen multiplicar la frecuencia de la portadora de 24 a 32 veces. Por ejemplo, supón que necesitas una señal de salida del transmisor de 168MHz y la portadora se genera con un oscilador a cristal de 7MHz. Aplicando la salida del oscilador a un circuito multiplicador necesitaremos un factor de 24 para conseguir esa frecuencia ( 7MHz x 24 = 168MHz). Pero además supón que la máxima desviación de frecuencia deseada es de 5 KHz. La modulación de frecuencia del oscilador a cristal podrá producir una desviación máxima de 20Hz.
Cuando se aplica a un circuito multiplicador y se aplica el factor de 24, esta desviación del cristal se incrementa en (20Hz x 24 = 4,8KHz). Consiguiendo la desviación de frecuencia deseada.
Modulador de reactancia.
Otra manera de producir modulación de reactancia directa es con un modulador de reactancia. Este circuito utiliza un amplificador que actúa como reactancia variable.
Cuando el circuito se conecta a través de un circuito sintonizado de un oscilador, la frecuencia de éste puede hacerse variar aplicando la señal moduladora al amplificador.
El circuito muestra un emisor común estándar que trabaja en clase A. R1 y R2 proporcionan la mitad de la alimentación de la fuente. R3 y C3 polarizan al emisor y permite el paso de la moduladora. En lugar de un colector, se usa un circuito oscilador. El choque de radiofrecuencia L2 ofrece una alta impedancia a la moduladora.
Por contra, C4 ofrece muy baja impedancia a la moduladora, por lo que la señal llega amplificada al circuito formado por Lo - Co (jejejeje), además de impedir el paso de la corriente continua.
El circuito antirresonante designa el valor de la frecuencia del oscilador.
La señal del oscilador a la salida del circuito antirresonante (Vo), vuelve a la entrada del primer transistor mediante C2, Rs y Cs. El condensador Cs junto con Rs es un corrector de fase. Esta rama ofrece la realimentación positiva al oscilador para que el pulso se mantenga estable todo el rato. C2, ofrece una alta impedancia a la señal moduladora, pero muy baja a la señal de oscilación; además bloquea la componente continua de la fuente y evita que Rs afecte a la polarización del emisor común.
Es importante que el valor de la reactancia de Cs sea 10 veces ó más, superior al valor de Rs. Esto se hace para que el ramal sea capacitivo y se adelantará la tensión 90º respecto a la tensión que pasa por la resistencia Rs.
Funcionamiento completo de un modulador por reactancia.
La señal moduladora llega por C1 y el choque L1. éste impide que la señal del oscilador afecte a la moduladora porque tiene mucha reactancia para la misma. C1, bloquea la componente continua. Al llegar al transistor, las variaciones de la moduladora, hace cambiar la intensidad y tensión en la base del transistor. La corriente en el colector variará en proporción. A medida que cambia la amplitud de la corriente en el colector, el ángulo de desfasamiento cambia con respecto al voltaje del oscilador, lo que el oscilador interpreta como un cambio en la capacidad.
Así, cuando la señal moduladora cambia la capacidad efectiva del circuito varía, la frecuencia del oscilador se hace variar en conformidad.
Por lo tanto, un aumento en la capacidad disminuye la frecuencia; y una disminución de la capacidad aumenta la frecuencia.
El modulador por reactancia es de los más usados en circuitos FM porque produce variaciones de frecuencias en un gran intervalo de ancho de banda. Además es bastante lineal y tiene poca distorsión.
Oscilador controlado por voltaje.
Son los controladores cuya frecuencia es controlada por un voltaje de entrada externo. Se les conoce como VCO. Un controlador a cristal controlado por cristal suele conocerse como VXO.
En los circuitos de comunicación de alta frecuencia, los VCO utilizan circuitos transistores y Varicaps individuales.
Pero en los VCO de baja frecuencia se suelen utilizar muchos circuitos integrados como el NE566 que utilizan osciladores RC del tipo de multivibradores y cuya frecuencia se controla mediante una amplia gama de voltaje de entrada de alterna o continua. El intervalo de operación del NE566 suele rondar de 1 Hz a 1 MHz.
La salida es una onda triángular o cuadrada en vez de una onda senoidal.
La resistencia R1 (terminal 6), fija el valor de la corriente producidas por las fuentes internas.Tales fuentes cargan y descargan el condensador externo C3 (terminal 7).También puede usarse un voltaje externo usando el terminal 5 directamente.
El circuito disparado de Schmitt es un detector de nivel que opera cuando el condensador C3 se carga o descarga a un nivel de voltaje específico. Este disparador controla la fuente de corriente permutando las fuentes de corriente entre la carga y la descarga.
La fuente de corriente (terminal 4), desarrolla una forma de onda de dientes de sierra para el voltaje del condensador C3. La salida del disparador es una onda cuadrada de la misma frecuencia que en el terminal 3. Para obtener una onda sinoidal se utilizará la salida del terminal 4 (triángular), ya que un circuito resonante filtrará la forma de la onda y la convertirá en sinoidal.
En el siguiente tema estudiaremos los demodulares y veremos algunos de los circuitos más usados en las comunicaciones radioeléctricas. A continuación haremos un breve repaso sobre los transmisores y los diversos circuitos que utilizaremos en el curso.
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