Esta semana hemos seguido con el tema del diseño del emisor radio, los conceptos aprendidos esta semana se exponen a continuación:
- Una vez implementado el oscilador a 27 MHz, para medir la potencia suministrada a la carga se puede usar la amplitud pico a pico de la senoide creada. A pesar de su aparente viabilidad, el osciloscopio a esa frecuencia trabaja al límite de su capacidad y las medidas pueden verse distorsionadas.
- A partir de altas frecuencias el intrumento adecuado para analizar las ondas electromagnéticas es el analizador espectral, un dispositivo capaz de escanear todo el rango de frecuencias denotando la amplitud de la señal para cada una. Por lo tanto consiste en un filtro paso banda sintonizable con un detector de envolvente a continuación.
- La realización de un filtro paso banda con esas características presenta verdaderos problemas así que se obta por una solución más práctica: un filtro paso-banda con una frecuencia central fijada combinado con un multplicador que multiplica la señal entrante con la proveniente de un oscilador. Si suponemos que la frecuencia central del filtro es Fi y la frecuencia del harmónico que se desea potenciar Fh, al sintonizar el socilador a frecuencia Fh+-Fi se obtendrá un filtro equivalente paso banda a Fh. Dicha frecuencia de oscilación podrá ser controlada mediante un oscilador controlado por tensión y mediante una señal diente de sierra se podrá escanear el rango frecuencial completamente.
- Ahora el problema se centra en como crear un oscilador de frecuencia controlable por tensión. Una opción es la incorporación de una capacidad variable en el diseño del oscilador a 27 MHz. Dicha capacidad variable puede ser implementada por un "varicap" que consiste en una combinación de R-Diodo-C que se puede modelar como un condensador variable con la tensión que se le aplica.
- El circuito varicap, una vez implementado, puede ser aplicado en el emisor del transistor o junto con Cv. En la primera opción la capacidad variable actua sobre C2 provocando un ajuste fino y en la segunda actua sobre Cv provocando una ajuste intenso de la frecuencia de oscilación.
- A pesar de la viabilidad del diseño presentado, contiene elementos de alta fragilidad (como el inductor) que van a variar la frecuencia de transmisión. Este hecho es impensable y hay que buscar una solución más reforzada.
- El cristal de quarzo es un material que por sus propiedades piezo-eléctricas es capaz de proveer oscilacions muy estables a frecuencias bien determinadas. Mediante el espesor del corte de dicho material se determina la frecuencia de oscilación y esta se mantiene absolutamente invariable. Dicho dispositivo presenta el siguiente comportamiento: existe una cierta fs a la que su impedancia es nula, existe una cierta fp a la que la impedancia es infinita, entre fs y fp (un pequeño intervalo) el comportamiento del material es el de un inductor y fuera de dichos intervalos se comporta como una capacidad.
- Para iniciar el movimiento oscilatorio en este material se debe aplicar una tensión de polarización, la cual generará un desequilibrio de cargas y una deformación. Mediante el análisis se llega a modelar como un inductor y una capacidad en serie que estan en paralelo con una capacidad, en base a dicho modelo se obtienen expresiones de fs y fp.
- En base a este dispositivo la idea básica para generar un oscilador es la de colocar la etapa amplificadora seguido del filtro paso-banda con amplifciación 1 y desfase 0 y realimentado mediante un lazo con un cristal de quarzo en serie. Si el circuito trabaja a fs, dicho cristal se comportará como un cortocircuito y oscilará.
- Aplicando este diseño al circuito del oscilador a 27 MHz, si se conecta el cristal de cuarzo en terminales del emisor del transistor obtendremos la oscilación a dicha frecuencia estable.
- En relación con el comportamiento del cristal de quarzo, se observa que, debido a su comportamiento inductivo entre fs y fp, es posible sustituirlo por el inductor del diseño (recordando que se trata de un elemento frágil). Habrá que tener cuidado con el tipo de cristal de quarzo usado, pues muchos se diseñan para que trabajen en OVER-TONE (harmónicos de la frecuencia fundamental) debido a su mejor resistencia y precio económico, por lo cual si se coloca en el lugar del inductor, al no ser filtrados los diferentes harmónicos, el cristal trabajará en un harmónico fundamental que será 9 MHz.
miércoles, 23 de noviembre de 2016
lunes, 14 de noviembre de 2016
Reinventando la Radio. Semana 9.
Esta semana hemos iniciado un nuevo tema, el diseño de un emisor radio baliza. En las anteriores semanas hemos definido el receptor de radio, pero para completar el sistema hay que definir el emisor mediante el cual se transmitirá la señal radio a recibir.
Los conceptos explicados se muestran a continuación:
- El primer element fundamental de un emisor radio baliza es el oscilador sinusoidal que permitirá crear una onda electromagnética capaz de iluminar el espacio. El diseño de dicho dispositivo presenta importantes dificultades y no es trivial.
- Se propone la estructura de bloque amplificador + filtro pasobanda. Si la constante multiplicativa de dicha cadena K = 1, tenemos que a la salida del circuito la tensión es la misma que a la entrada. Por leyes de circuitos, se pueden interconectar dichos nodos sin alterar el resultado. De dichas conclusiones nace la "Condición de Barkhausen" la cual dictamina que para que dicha combinación de elementos actue como un oscilador sinusoidal, la ganancia del lazo debe ser la unidad y la fase nula.
- Definida la constante K del lazo, se dan 3 posibles stuaciones: K = Kosc (oscilación estable), K<Kosc (oscilación decreciente), K>Kosc (oscilación creciente).
- Otro aspecto de importancia es el arranque de la oscilación, pues se necesitará de un tono sinuoidal para iniciar la oscilación lo que genera de nuevo el problema de como generarlo. Como solución a este problema se propone usar el ruido térmico. A la entrada del amplificador, por el simple hecho de estar a una cierta temperatura, existe una señal aleatoria de baja amplitud y un completo rango espectral. Por lo tanto usando el filtro paso-banda se puede seleccionar parte de la componente espectral del ruido y quedarse únicamente con el tono frecuencial que corresponderá a la sinusoide.
- Aplicando este método basado en el ruido térmico, si se cierra el lazo con K>Kosc, se generará una sinusoide a la frecuencia deseada con amplitud creciente la cual acabará recortada por la saturación del amplificador.
- Hemos implementado en el laboratorio un prototipo de este diseño usando un Amplificador Operacional configurado como amplificador no inversor. Entonces, para evitar que la sinusoide creada quede recortada, hemos incorporado una resistencia ajustable en el lazo de ajuste de ganancia del AO para, una vez generada la sinusoide, disminuir el factor K hasta alcanzar el valor óptimo.
- Finalmente, se proponen mecanismos que permitan realizar automáticamente el ajuste del factor K. Uno de ellos es el uso de un transistor FET el cual como más negativa es la tensión de puerta del dispotivo, mayor es la resistencia que ofrece. Por lo tanto, con un detector de envolvente (trabajado en anteriores capítulos), configurado para extraer el nivel negativo, y el transistor FET conectado a él y a su vez a el lazo de ajuste de ganacia se realiza el ajuste automatizado del factor K.
- Lamentablemente, el uso del AO está fuertemente limitado en frecuencia, así que para poder realizar osciladores en frecuencias mayores se deberán usar modelos basados en transistores. La estructura usada consistirá en una etapa amplificadora unidad (seguidor de tensión) y un filtro paso-banda con amplificación a la frecuencia de resonancia.
Los conceptos explicados se muestran a continuación:
- El primer element fundamental de un emisor radio baliza es el oscilador sinusoidal que permitirá crear una onda electromagnética capaz de iluminar el espacio. El diseño de dicho dispositivo presenta importantes dificultades y no es trivial.
- Se propone la estructura de bloque amplificador + filtro pasobanda. Si la constante multiplicativa de dicha cadena K = 1, tenemos que a la salida del circuito la tensión es la misma que a la entrada. Por leyes de circuitos, se pueden interconectar dichos nodos sin alterar el resultado. De dichas conclusiones nace la "Condición de Barkhausen" la cual dictamina que para que dicha combinación de elementos actue como un oscilador sinusoidal, la ganancia del lazo debe ser la unidad y la fase nula.
- Definida la constante K del lazo, se dan 3 posibles stuaciones: K = Kosc (oscilación estable), K<Kosc (oscilación decreciente), K>Kosc (oscilación creciente).
- Otro aspecto de importancia es el arranque de la oscilación, pues se necesitará de un tono sinuoidal para iniciar la oscilación lo que genera de nuevo el problema de como generarlo. Como solución a este problema se propone usar el ruido térmico. A la entrada del amplificador, por el simple hecho de estar a una cierta temperatura, existe una señal aleatoria de baja amplitud y un completo rango espectral. Por lo tanto usando el filtro paso-banda se puede seleccionar parte de la componente espectral del ruido y quedarse únicamente con el tono frecuencial que corresponderá a la sinusoide.
- Aplicando este método basado en el ruido térmico, si se cierra el lazo con K>Kosc, se generará una sinusoide a la frecuencia deseada con amplitud creciente la cual acabará recortada por la saturación del amplificador.
- Hemos implementado en el laboratorio un prototipo de este diseño usando un Amplificador Operacional configurado como amplificador no inversor. Entonces, para evitar que la sinusoide creada quede recortada, hemos incorporado una resistencia ajustable en el lazo de ajuste de ganancia del AO para, una vez generada la sinusoide, disminuir el factor K hasta alcanzar el valor óptimo.
- Finalmente, se proponen mecanismos que permitan realizar automáticamente el ajuste del factor K. Uno de ellos es el uso de un transistor FET el cual como más negativa es la tensión de puerta del dispotivo, mayor es la resistencia que ofrece. Por lo tanto, con un detector de envolvente (trabajado en anteriores capítulos), configurado para extraer el nivel negativo, y el transistor FET conectado a él y a su vez a el lazo de ajuste de ganacia se realiza el ajuste automatizado del factor K.
- Lamentablemente, el uso del AO está fuertemente limitado en frecuencia, así que para poder realizar osciladores en frecuencias mayores se deberán usar modelos basados en transistores. La estructura usada consistirá en una etapa amplificadora unidad (seguidor de tensión) y un filtro paso-banda con amplificación a la frecuencia de resonancia.
martes, 8 de noviembre de 2016
Reinventando la Radio. Semana 8.
Esta semana hemos seguido con los filtros y transformadores de RF. Los conceptos trabajados se exponen a continuación:
- El circuito R con L-C paralelo (o circuito tank) se puede modelar como la misma R con el paralelo de tres elementos R-L-C lo que se puede modelar como el circuito original con una fuente thevelin y una resistencia thevelin.
- El saber crear una buena inductancia es realmente importante, hemos trabajado 3 métodos diferentes: el uso de un toroide ferromagnético en el que se enrolla el devanado, una estructura solenoidal ferromagnética en la que se enrolla también el devanado peró con la característica de que la longitud del núcleo debe ser mucho mayor que la longitud de la espira, finalmente hemos visto la configuración de Nagaoka que usa bobinas no solenoidales y la condición de funcionamiento es que la longitud de la bobina debe ser mayor o igual que N veces el calibre del hilo (donde N es el número de espiras).
- Hemos trabajado el concepto de acoplamiento magnético, el cual es de una gran importancia ya que teniendo en cuenta este concepto, dos bobinas cercanas por donde circula un campo magnético variable en el tiempo no pueden analizarse como elementos separados.
- Aparece el transformador perfecto o ideal, el cual definido por los teóricos de circuitos es capaz de expresar la salida como la entrada dividida por un cierto factor n, y es capaz también de expresar la resistencia de entrada al dispositivo como la resistencia de carga multiplicada por n al cuadrado.
- El circuito que se representa como una cierta inductancia (primera bobina) en paralelo con el símbolo del transformador, se modela como dicha inductancia en paralelo con la resistencia de carga por N al cuadrado (donde N se expresa como n1/n2).
- Se han trabajado las transformaciones serie-paralelo y paralelo-serie de elementos R-C que ayudan a la aplicación de las propiedades del transformador en diversos circuitos.
- Finalmente se ha presentado el dispositivo llamado "Autotransformador" el cual consiste en el uso de un único bobinado con una toma intermedia que define las dos bobinas que forman el transformador, de esta manera se ahorra el segundo bobinado. Cambian ligeramente el coeficiente n, que ahora se define como N1/(N1+N2).
Con estos puntos se finaliza el tema de filtros y transformadores de RF con un claro protagonista, el transformador. Este elemento permitirá desde crear filtros paso-banda con amplificación equivalente a 'n', hasta adapatar impedancias!
- El circuito R con L-C paralelo (o circuito tank) se puede modelar como la misma R con el paralelo de tres elementos R-L-C lo que se puede modelar como el circuito original con una fuente thevelin y una resistencia thevelin.
- El saber crear una buena inductancia es realmente importante, hemos trabajado 3 métodos diferentes: el uso de un toroide ferromagnético en el que se enrolla el devanado, una estructura solenoidal ferromagnética en la que se enrolla también el devanado peró con la característica de que la longitud del núcleo debe ser mucho mayor que la longitud de la espira, finalmente hemos visto la configuración de Nagaoka que usa bobinas no solenoidales y la condición de funcionamiento es que la longitud de la bobina debe ser mayor o igual que N veces el calibre del hilo (donde N es el número de espiras).
- Hemos trabajado el concepto de acoplamiento magnético, el cual es de una gran importancia ya que teniendo en cuenta este concepto, dos bobinas cercanas por donde circula un campo magnético variable en el tiempo no pueden analizarse como elementos separados.
- Aparece el transformador perfecto o ideal, el cual definido por los teóricos de circuitos es capaz de expresar la salida como la entrada dividida por un cierto factor n, y es capaz también de expresar la resistencia de entrada al dispositivo como la resistencia de carga multiplicada por n al cuadrado.
- El circuito que se representa como una cierta inductancia (primera bobina) en paralelo con el símbolo del transformador, se modela como dicha inductancia en paralelo con la resistencia de carga por N al cuadrado (donde N se expresa como n1/n2).
- Se han trabajado las transformaciones serie-paralelo y paralelo-serie de elementos R-C que ayudan a la aplicación de las propiedades del transformador en diversos circuitos.
- Finalmente se ha presentado el dispositivo llamado "Autotransformador" el cual consiste en el uso de un único bobinado con una toma intermedia que define las dos bobinas que forman el transformador, de esta manera se ahorra el segundo bobinado. Cambian ligeramente el coeficiente n, que ahora se define como N1/(N1+N2).
Con estos puntos se finaliza el tema de filtros y transformadores de RF con un claro protagonista, el transformador. Este elemento permitirá desde crear filtros paso-banda con amplificación equivalente a 'n', hasta adapatar impedancias!
jueves, 3 de noviembre de 2016
Reinventando la Radio. Semana 7.
Esta semana hemos iniciado un nuevo tema: Filtros y Transformadores en RF.
Los conceptos que hemos trabajado són:
- Comportamiento frecuencial de la impedancia de los inductores y los condensadores. El inductor a bajas frecuencias es un cortocircuito y a altas frecuencias un circuito abierto, el condensador al contrario a bajas frecuencias es un circuito abierto y a altas frecuencias un cortocircuito.
- Mezclando estas dos propiedades se puede crear un filtro paso banda mediante un divisor de tensión que en el terminal a masa tiene un condensador y un inductor en paralelo. Combinando adecuadamente el comportamiento frecuencial de dichos elementos se crea una cierta banda de paso delimitada por la frecuencia inferior a la que el inductor se convierte en cortocircuito y la frecuencia superior a la que el condensador se convierte en cortocircuito.
- Existirá una cierta frecuencia de resonancia a la que la impedancia del paralelo entre el condensador y el inductor se hace infinita y se produce el pico de resonancia (máxima amplitud). Dicha frecuencia de resonancia será: 1/sqrt(LC), y el ancho de banda del filtro será: 1/RC.
- Análisi del bipolo R-L-C en paralelo que presenta las mismas características que el circuito con L-C paralelo, pero en este caso la impedancia que presenta el conjunto paralelo a la frecuencia de resonancia no es un circuito abierto sinó que es la resistencia R.
- Circuito TANK que consisté en un módulo integrado que contiene un condensador en paralelo con una bobina, que por el efecto pelicular, añadirá una resistencia en serie.
Se analiza dicho circuito y se obtiene que existe un valor de frecuencia de resonancia que elimina la parte imaginaria de la impedancia del conjunto.
- Dicha resistencia se puede modelar como un bipolo R-L-C en que Rp = L/(RsC) y Lp = L/(1-1/Q^2), pero teniendo en cuenta que fácilmente se conseguirán valores de Q>5, el factor del denominador de Lp será 1 y Lp se podrá aproximar por L.
- Se han presentado dos ideas de diseño nuevas: el amplificador inversor reconvertido en un filtro pasobanda sustituyendo la resistencia de lazo por un circuito TANK, y el amplificador sintonizado sustituyendo la resistencia de colector por un circuito TANK.
Los conceptos que hemos trabajado són:
- Comportamiento frecuencial de la impedancia de los inductores y los condensadores. El inductor a bajas frecuencias es un cortocircuito y a altas frecuencias un circuito abierto, el condensador al contrario a bajas frecuencias es un circuito abierto y a altas frecuencias un cortocircuito.
- Mezclando estas dos propiedades se puede crear un filtro paso banda mediante un divisor de tensión que en el terminal a masa tiene un condensador y un inductor en paralelo. Combinando adecuadamente el comportamiento frecuencial de dichos elementos se crea una cierta banda de paso delimitada por la frecuencia inferior a la que el inductor se convierte en cortocircuito y la frecuencia superior a la que el condensador se convierte en cortocircuito.
- Existirá una cierta frecuencia de resonancia a la que la impedancia del paralelo entre el condensador y el inductor se hace infinita y se produce el pico de resonancia (máxima amplitud). Dicha frecuencia de resonancia será: 1/sqrt(LC), y el ancho de banda del filtro será: 1/RC.
- Análisi del bipolo R-L-C en paralelo que presenta las mismas características que el circuito con L-C paralelo, pero en este caso la impedancia que presenta el conjunto paralelo a la frecuencia de resonancia no es un circuito abierto sinó que es la resistencia R.
- Circuito TANK que consisté en un módulo integrado que contiene un condensador en paralelo con una bobina, que por el efecto pelicular, añadirá una resistencia en serie.
Se analiza dicho circuito y se obtiene que existe un valor de frecuencia de resonancia que elimina la parte imaginaria de la impedancia del conjunto.
- Dicha resistencia se puede modelar como un bipolo R-L-C en que Rp = L/(RsC) y Lp = L/(1-1/Q^2), pero teniendo en cuenta que fácilmente se conseguirán valores de Q>5, el factor del denominador de Lp será 1 y Lp se podrá aproximar por L.
- Se han presentado dos ideas de diseño nuevas: el amplificador inversor reconvertido en un filtro pasobanda sustituyendo la resistencia de lazo por un circuito TANK, y el amplificador sintonizado sustituyendo la resistencia de colector por un circuito TANK.
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