El TRANSMISOR DE RF Este es el corazón del proyecto de fin de carrera para Ingeniería de Telecomunicaciones consiste básicamente en recibir una señal de audio y modularla con un generador de frecuencia de amplitud y frecuencia constante, esta frecuencia es la que determina cual será la frecuencia comercial con la que las personas nos escucharan en sus radios receptores además de cuando se unen estas señales se le da el nombre de modulación y en este caso será en frecuencia por lo que se denomina FM ( frecuencia modulada), seguidamente a una etapa de amplificación de 2Watt y por ultimo ala etapa fina de 20 Watt por lo que el amplificador de 2Watt ahora se llama excitador pues no seria posible amplificar a 20watt teniendo como entrada la débil señal del audio, esto es claro entenderlo si lo comparamos cuando amplificamos la señal del micrófono en la consola pues si el micrófono dinámico se deseara amplificar sin una etapa previa de pre amplificación seria un resultado insatisfactorio. Conformado de tres epatas básicas. A continuación el diagrama de bloques del transmisor. Fig. 86. Diagrama a Bloques del transmisor de RF
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El TRANSMISOR DE RF
Este es el corazón del proyecto de fin de carrera para Ingeniería de Telecomunicaciones consiste básicamente en recibir una señal de audio y modularla con un generador de frecuencia de amplitud y frecuencia constante, esta frecuencia es la que determina cual será la frecuencia comercial con la que las personas nos escucharan en sus radios receptores además de cuando se unen estas señales se le da el nombre de modulación y en este caso será en frecuencia por lo que se denomina FM ( frecuencia modulada), seguidamente a una etapa de amplificación de 2Watt y por ultimo ala etapa fina de 20 Watt por lo que el amplificador de 2Watt ahora se llama excitador pues no seria posible amplificar a 20watt teniendo como entrada la débil señal del audio, esto es claro entenderlo si lo comparamos cuando amplificamos la señal del micrófono en la consola pues si el micrófono dinámico se deseara amplificar sin una etapa previa de pre amplificación seria un resultado insatisfactorio. Conformado de tres epatas básicas.
A continuación el diagrama de bloques del transmisor.
Fig. 86. Diagrama a Bloques del transmisor de RF
1.- Toma de Audio
Se refiere al plug hembra de 3.5 mm que recibe la señal de audio procedente de consola, el alambre tienen un longitud de 3mts aproximadamente para lograr que exista una debida distancia con respecto del transmisor ya que se genera un campo electromagnético fuerte alrededor de las bobinas que lo contiene y se auto inducen en la línea de la señal de audio.
2.- Oscilador / Modulador
Una representación de cómo seria la secuencia de conexión y para comprender el proceso de la modulación seria de la siguiente manera.
Fig.87. Diagrama de bloque que muestra la modulación.
La modulación de radioemisoras en Guatemala son:
AM (modulación por amplitud o Amplitud Modulada),
FM (frecuencia modulada o modulación por frecuencia.
La FM que es la que nos interesa surge al unir o mezclar la señal del
transductor con la señal del oscilador.
Otra característica muy importan que se debe considerar en la etapa de oscilador no solo es modular la señal en frecuencia (FM), y de generar una señal constante para la modulación, sino que también es el hecho de tener un buen ancho de banda que es realmente el problema existente con las radios ilegales en Guatemala. Ya que compran un trasmisor de dudosa procedencia y lo conectan en una frecuencia en donde ellos observan que no esta transmitiendo nadie pero no se dan cuenta si ante la SIT (Super Intendencia de Telecomunicaciones ) hay registrado un propietario con el titulo de usufructo de la frecuencia y lo peor es que si esta entre dos dueños, es decir invadiendo en la frecuencia por medio de las señales laterales de la frecuencia e invadiendo a los dueños adyacentes de la frecuencia. En el diagrama esquemático se muestra a continuación.
Transductor Mezclador
Oscilador
Fig. 88. Etapa de Oscilador.
La alimentación es una fuente de poder de un amperio suficiente, aunque se ha conectado a los demás etapas a una fuente de 22A aunque no se demanda esto, es necesario que la corriente que circule en las tres etapas sea el mismo, se pone una bobina de choque (enrollado de alambre con base de ferrita que permite que no se convierta un campo electromagnético), opcional para purificar la corriente, al igual que se elimina inestabilidad de voltaje con los capacitores de 0.01 microfaradios código 103 a la entrada de la fuente. La toma de audio es recibida por un conector de bloque y a un capacito electrolítico de 1 microfaradio que lleva su tención al divisor de tención entre las resistencia s de 10Kohm y 22Kohm, el Vx del divisor que esta dada por la formula
Vx = R1 * V / (R1 + R2)
Permite únicamente que no exista un voltaje de alimentación alto en la entrada de la base del transistor NPN que es de uso general y que como se muestra en la grafica este suicheara de acuerdo a la tención de entrada que es la señal de audio y cerrara el circuito entre colector y emisor y lo mas importante que en el colector esta en paralelo una bobina y un capacitor que es realmente la oscilación o circuito tanque con capacitores de acoplamiento como los de 25 pf y 18 pf, el capacitor variable es un trimer cuyo valor puede ser comprendido entre 15 a 40 pf en nuestro casos hemos puesto un que no le encontramos un valor simplemente y al medirlo con un multimetro en la unidad de capacimetro media entre 20 a 40 pf por lo que pareció fabuloso. La bobina que lo mas importante pues es la que determina la frecuencia de trabajo consiste en cinco o cuatro vueltas de alambre esmaltado de calibre o AWG 25 esta se enrolla en una broca de ¼” para tener una mejor referencia las espirar se abrirán o cerraran según sea la frecuencia que se desea al igual que al mover el trimer o capacitor variable, en la epata final donde esta la antena como se vera posteriormente es en donde se conecta de un frecuencímetro para determinar la frecuencia de operación de trabajo en nuestro caso es la frecuencia comercial de FM que es de 88 a 108 Mhz y la frecuencia elegida es la 93.5 Mhz en donde no encontramos muchas
frecuencias comerciales en donde pudiéramos tener algún problema con nuestra bandas laterales.
Desde luego que se puede aplicarse una formula para poder controlar la frecuencia de oscilación de un circuito tanque, la característica de este tipo de circuito, también conocido como circuito tanque LC, es que la velocidad con que fluye y regresa la corriente desde el condensador a la bobina o viceversa, se produce con una frecuencia (f) propia, denominada frecuencia de resonancia, que depende de los valores del condensador (C) y de la bobina (L), y viene dada por la siguiente fórmula:
donde:
f se mide en Hercios, C en Faradios y L en Henrios.
Así como también de las bobinas aunque Lamentablemente no existe una fórmula mágica que nos permita fabricar una bobina teniendo como dato solo la inductancia deseada. Juegan algunos factores como dimensiones físicas, tipo de alambre, tipo de núcleo, el destino que tendrá (audio, video, VHF, UHF), etc. Sin embargo hay una fórmula que nos permite obtener la inductividad de una bobina basándose en sus dimensiones físicas y tipo de material, la cual nos permita calcular que resultado nos dará una bobina "teórica". El logro de la inductividad deseada solo será el resultado de una serie de pruebas-error. (al menos sabremos qué tendremos antes de empezar a enrollar alambre).
Donde L es la inductividad de la bobina en henrios (H), u(mu) es la
permeabilidad del núcleo, n es el número de espiras de la bobina, s la superficie cubierta por el núcleo en cm2 y l la longitud de la bobina en cm.
Fig. 89. Bobina núcleo de aire (diámetro, longitud, área)
µ (mu en griego) es un número entero que representa la permeabilidad magnética del material del núcleo, es decir su capacidad para absorber líneas de fuerza magnéticas. Haciendo una comparación nada elegante digamos que una pieza de aluminio y otra de hierro son permeables a un campo magnético en forma comparable a la de un trozo de plástico y una esponja respectivamente son permeables al agua. Existen tablas que describen las propiedades permeables de distintos materiales, (incluso el vacio absoluto), pero por razones prácticas veremos solo la de los materiales más usados en electrónica: aire=1, magnetocerámica (ferrite)=10, polvo de hierro= 30 (los rangos de u de piezas comerciales de polvo de hierro van de 10 a 100, aunque 30 parece ser el más común).
En el emisor del primer transistor esta entonces la señal ya modulada por frecuencia como hemos mencionado que los cambios de audio permitirán mas que la frecuencia en el colector sea mayor o menor es entonces la FM esta se limpia por el capacitor 47nf y el que esta en serie el cerámico de 25 pf hasta llegar nuevamente a otro divisor de tensión de las resistencias de 10 Kohm y 2200Kohm el Vx a la base del transistor pero en esta ocasión se cerrara el circuito o se suichara a los cambios que ocurran en la base por lo que se estaría amplificando la señal en este punto se llamaría amplificador de RF porque la señal que se amplifica es de una frecuencia superior a los 20 Khz y recordemos que una señal de AF es la comprendida ente 20 hz y 20Khz, una vez amplificada pues la señal es llevada a la antena, para que el transistor no tenga una carga bastante grande y demandando la corriente por las resistencias de 100 ohm y 47 ohm conectadas al colector y emisor del transistor respectivamente se pone una bobina y se limpia la señal con un capacitor cerámico 103 de o.01 microfaradio.
3.- Excitador de 2Watts
El excitador de 2Watts se trata de un circuito amplificador de radio frecuencia y de paso entre el oscilador y la potencia, pero necesaria para el buen funcionamiento, como condición necesaria es contar con los transistores correctos para que puedan no solo amplificar sino que tener una frecuencia de trabajo ideal. Su circuito esquemático es:
Fig.90. Excitador amplificador de 2Watts
Necesita de una alimentación de 12V y de unos 4 Amperios, la señal de audio modulado que proviene del bloque del oscilador anteriormente expuesto no permite la saturación de esta etapa cono se aprecia en el esquemático un capacitor de tipo cerámico regula la señal de entrada limpiándola por lo que puede ser el típico 0.01 microfaradios o código 103 la bobina que esta conectada de la entrada a tierra es de núcleo de aire y consiste en cuatro vueltas de alambre calibre 25 AGW con un diámetro de ¼” por lo que se aconseja construirla en una broca de estas dimensiones, la separación entre una espira y otra depende de la ganancia que se desee y al tener conectado el vatímetro en la etapa de salida se tendrá una idea de que al abrir o cerrar las espiras la señal de entrada y la ganancia que llegue a la entrada de base del primer transistor aumentara o disminuirá. Los siguientes capacitores uno en serie electrolítico y otro en paralelo de tipo cerámico permitirán acoplar la señal de entrada y regular la primera amplificación designada por el transistor 2N3866 cuyas características consisten el trabajar con frecuencia de 130 Mhz, superior a la frecuencia máxima de operación del rango de frecuencia comercial de FM, por lo que se considera muy bueno además su valor de ganancia o Beta es superior a 120 fhe, y por ultimo y muy recomendable es conectar un disipador de calor ya que el trabajo de los mismos con forme el paso de las horas de trabajo puede ir en aumento, esto justifica también el ventilador puesto a un costado de este. Este primer transistor esta configurado como amplificador con emisor a tierra pero si se analiza de corte y saturación del mismo se puede observar que a la alimentación positiva esta una bobina de choque conectada al colector en el emisor hay una resistencia y un capacitor en paralelo de 10 ohm y 0.1 microfaradios respectivamente.
A la salida del colector del primer transistor la primera amplificación esta conectada a la entrada de otra, la que se denomina conexión en cascada y hay dos capacitores en paralelo, uno de 100 microfaradios y
otro de 1 microfaradios que se encargan de eliminar señales armónicas en la portador la bobina y la resistencia permitirán que no exista una saturación en la entrada de la base del segundo transistor y también regulara el grado de amplificación, la bobina siempre tiene las mismas dimensiones que las anteriores y si bien es cierto que se en este circuito hay bobinas y cercano a el hay capacitores no debe de confundirse con un circuito tanque como el que se observen la primera etapa la del oscilador, sino que estas al estar abriéndolas o cerrándolas se determina la ganancia de esta etapa sin alterar la frecuencia. Cabe mencionar que este segundo transistor debe de estar conectado a aun disipador de calor ya que al tener una buena amplificación estos alcanzaran una temperatura considerable.
En el colector hay una bobina de choque y conectada apositivo, esta bobina al igual que las anteriores consiste en unas tres vueltas de alambre esmaltado AWG 25 o 26 sobre una base de ferrita, y conectada apositivo acompañada de dos capacitores que elimina los valores de pico indeseable en el voltaje y se ocupan de limpiar la señal de alimentación que como se sabe es de DC pero como se sabe si esta fuente esta conectada en la línea de AC entonces los cambios también se manifiestan en la salida de la fuente de DC aunque se tenga una buena etapa de filtreo, también se observa que no es directamente el voltaje de la fuente la que lo alimenta, sino que se baja aproximadamente a 11v por medio de la resistencia de 22 ohm, que dicho sea de paso en el impreso se conectaron en serie dos de 10 ohm y de 2watts, que hace el mismo funcionamiento, este es un seguro o una protección al transistor y la demanda de corriente, pues como se observa y hay mucha demanda a esta etapa entonces puede averiarse el transistor y poner en corto al primero, pero si se avería este transistor y se pone en corto circuito entonces esta resistencia que en realidad es un fusible se abrirá y protegerá a la etapa, lógicamente el circuito deja de funcionar , pero la fuente no sufrirá inconvenientes de corto circuito ni la primera etapa de amplificación.
Por ultimo a la salida del segundo transistor se tiene en serie a dos bobinas de con núcleo de aire, para determinar la ganancia de salida y siempre con las mismas dimensiones que siempre se han considerado y planteado con anterioridad y una derivación opcional, es decir que el paralelo entre bobina y capacitor conectados en un tanque afinaran la frecuencia de salida es decir que ayudan a la frecuencia que no se corra ni se salga de su ancho de banda y el cambio se manifiesta también en mas ganancia a salida. Para terminar con esta etapa un capacitor de 0.01 microfaradio conectado a la salida para proteger filtrar la señal de salida pero muy importante evitar algún reflejo en la salida al no estar acoplada esta etapa con la siguiente.
4.- Amplificador de Potencia de RF a 20Watts
Sin duda alguna es un circuito muy complejo, no posee muchos dispositivos electrónicos puesto que solo se necesita amplificar la señal de entrada, pero la calibración de la antena y la ganancia de los transistores determinara la potencia de salida. Como se menciono la señal de entrada proviene del
amplificador de 2watts, ahora se le denomina excitador, puesto que se necesita una señal alta y no solamente pre amplificada para poder excitar a los transitares, como muestra su diagrama esquemático.
Fig. 91. Diagrama esquemático de transmisor de potencia a 20 Watts
Como se puede apreciar en la entrada se lleva la señal de audio ya amplificada a una potencia inferior a 2watts lo necesario para excitar a los transistores especiales de RF, es importante resaltar que para conectar cada etapa se ha utilizado alambre especial de audio cuyo blindaje y envoltura no permite que se auto induzca una onda electromagnética ya que por estar muy cercano a las etapas de generación de señal y amplificaciones pueden fácilmente convertirse en una antena y provocar fil back o armónicos indeseables. El capacitor variable o trimer cuyas laminas que lo conforman determinan la capacidad y carga eléctrica, el material dieléctrico es el aire y todos los capacitores variables en esta etapa determinan la ganancia de la amplificación, a la salida de este primer capacitor variable se conecta a una bobina de núcleo de aire que posee dos vueltas de alambre AWG 18 y se aconseja construirla en una broca de ¼” esta generalmente no necesita de abrir o cerrar puesto que determina que la señal sea limpia y no tanto así relacionada con la ganancia de entrada, mientras que la bobina de choque conectada en paralelo consiste en cuatro vueltas de alambre esmaltado a en una horma circular de ferrita, a esta bobina se le llama bobina de tipo toroide o toridal y se encuentra fácilmente en los receptores antiguos de radio al igual que los capacitores variables. Para conectar el transistor es de nomenclatura 2N5641 y posee la siguiente forma:
Puede trabajar a 7W y un máximo de 20W aunque si se conecta una fuente de 28v puede alcanzar a 40W y el rango de frecuencia máximo de trabajo es de 133 Mhz, por lo que es ideal para nuestro trabajo.
Las aletas de izquierda y derecha teniendo al dispositivo de frente, representa al emisor y están conectadas a negativo como en la típica configuración de un amplificador mientras que la aleta o terminad delantera representa a la base y trasera la salida o el colector, posee una base con rosca americana y su respectiva tuerca para asegurar a un disipador de calor ya que es inevitable la temperatura.
En el colector del transistor están conectados como acoplamientos los capacitores cerámicos de 0.01 microfaradios código 103 que empleamos para limpiar la señal de entrada, que siempre ponemos, hay que recordar que si se va a amplificar nuevamente esta señal no tiene que tener ruido de lo contrario este se amplifica también. También una resistencia de 100 ohm que se coloca dentro de una bobina de núcleo de aire que posee 7 vueltas de alambre esmaltado numero AWG 24 que determina la ganancia de la salida se la señal, aquí junto con los capacitores ajustables de entrada se determina la ganancia.
La segunda etapa de este amplificador esta en la bobina de núcleo de aire que son 3 vueltas de alambre esmaltado calibre AWG 18 para filtrar la señal entrada y en paralelo un capacitor ajustable de 0.05 microfaradios y dos mas en serie y uno en paralelo hasta llegar a las dos bobinas una de choque de tipo toroidal y otra de aire, para llegar a la base del transistor S3007 que es el transistor final de salida configurado como amplificador con emisor a negativo
El colector de este transistor es similar a lo conectado en el colector de la
primera etapa y aquí se conecta la salida de audio, se recomienda que el cable
a conectar no tenga tanta longitud y que sea apantallado como el puesto que
es un cable coaxial blindado RG58 y conectado a un conector tipo N,
aunque en nuestro caso a un conector tipo RCA pues la extensión de cable
posee de entrada un conector tipo BNC con adaptador a RCA para ser
monitoreado al vatímetro en donde se determinara la potencia de salida.
Este bloque tiene una salida final de 11 Watts que cubre un radio de 6
Km puesta en un punto alto como en la zona 3 de Quetzaltenango, se
puede incrementar su potencia a sus 20 Watts pero la fuente de
alimentación y transistores finales de amplificación sufren mucho
calentamiento y se reduce el tiempo de vida de los mismos, en visitas
técnicas que han servido de referencia para la implementación de este
proyecto pudimos ser testigos que todos los transmisores de RF no tienen la
potencia de salida que indica el transmisor sino que se reduce en un 15%
para proteger de calentamiento y darle mas vida útil al mismo..
5.- Antena
La antena utilizada para la emisión de ondas electromagnéticas en la banda
comercial de FM. Puede ser de varios tipos, una de dipolo, dipolo doble,
anillo y penetradoras. Ya que todos estos ofrecen una transmisión de tipo
omnidireccional, pero cada una ofrece parámetros de ganancia e
impedancia, esto se manifiesta en el precio por el diseño, cálculo y materiales
que se empleen para construirla.
Fig. 92. Antena de Flecha o penetradora Fig. 93. Antena de Anillo
Fig. 94. Antena de Dipolo Doble Fig.95. Antena de Dipolo o Látigo.
Realmente la antena es muy importante para la emisión de nuestra señal,
debe de tener las medidas adecuadas de acuerdo a su longitud de onda
para evitar que este sea un elemento que si tiene mas o menos tamaño no
se adecua a la frecuencia de trabajo y es un desacoplo de impedancia,
también el material que la conforma y la línea de transmisión o cable del
transmisor al ala antena. Empezaremos a detallar aspectos técnicos como
la longitud de onda. Como se menciono en el capitulo de fundamentos de
FM, que es la frecuencia y periodo de la señal, Para la frecuencia se tiene
una señal oscilante y cuando este periodo se repite es una longitud de
onda.
λ
Fig. 96. Representación de la longitud de onda
Esta longitud de onda es un segmento del periodo de la señal,
entonces si nuestra frecuencia de trabajo es de 93.5 Mhz, significa que hay
93,500,000 ciclos en un segundo, e igual número de periodos para calcular
entonces cual es la longitud de onda de esta señal se respeta la siguiente
formula.
λ = Longitud de onda (mts)
λ = C / F C = Velocidad de la luz (3 exp 8 mts/seg)
F = Frecuencia de Trabajo (93.5 Mhz)
Sustituyendo valores.
λ = 3 exp 8 = 3.20 mts
. 93.5 exp 6
La longitud de una antena se puede trabajar en λ/2, λ/4 y λ/8. Aunque en
algunos casos en λ/16. Pero la ganancia disminuye notablemente lo que se
manifiesta en no extenderse a una gran distancia en la transmisión. Los
autores han determinado un trabajo de operación de λ/2. Por lo se seria.
λ = 3.20 mts = 1.60 mts
. 2
Esta seria la distancia entre el extremo de un dipolo u otro.
Fig. 97. Longitud de onda saliendo de los dipolos de la antena
Como se observa en la figura anteriormente presentada la longitud de
onda de la señal irradiada sale desde los dipolos lo que resalta la importancia
de las medidas de estos, lo que se manifiesta como tener en la salida
oleadas circulares de señal electromagnética.
Cálculo de antenas Asistido por Software.
En el ciberespacio existen bastantes sitios de antenas y en muchos de ellos
ofrecen demos y software gratuito para poder realizar los cálculos de
distintas antena, el que a continuación se muestra ofrece los mismos
cálculos anteriormente presentado ya que son constantes, también uno
mismo puede construir un software ya que es de calculo simple.
Fig. 98. Software para cálculo de tamaño de antena de dipolo, http://www.ea1uro.com/ve3sqb.gif
Otro software es para determinar el acoplamiento entre la línea de
transmisión y la antena, además de el patrón de radiación que esta tenga y
así tener una mejor idea de la cobertura que se tenga. Es necesario tener
en cuenta que los catálogos de las antenas ofrecen características como
esta en donde al ver el patrón de radiación se puede comprar la antena
ideal.
Fig. 99. Patrón de radiación de una antena
La grafica (a) muestra una radiación en tercera dimensión de una
antena en omnidireccional, la (b) muestra un patrón simple omnidireccional
de la antena y la (c), muestra un patrón de una antena directiva cuyos
lóbulos mayores y menores se extienden a lo horizontal de la misma y dos
pequeños lóbulos en vertical, por lo que se trata de una antena directiva con
frente de onda simétrico horizontal por lo que se les llama polarizada