29 de junio de 2012

Diseño antenas FM

Haciendo alusión a la entrada anterior, “Transmisor FM 4 watt”, en esta ocasión traigo algunos diseños de antena para probar una vez tengamos el transmisor en funcionamiento.

Dipolo simple
En primer lugar expondré el tipo de antena más empleado para este campo, y el más sencillo de realizar, con unos resultados bastante buenos, se trata de la antena en dipolo simple. La antena en dipolo trata de dos elementos (varillas) metálicos a los que se conectan el vivo y masa del cable de antena, y se dispone en forma vertical. Algunas imágenes:



Las pautas a seguir para su construcción son las siguientes:
  • Como se puede apreciar en las imágenes, los brazos del dipolo quedan sujetos al mástil horizontal que luego se colocara en uno vertical que será el que este apoyado en tierra. La longitud de dichos brazos puede ser calculada como L = 150 / f, siendo f la frecuencia de emisión, usada en la ecuación en MHz. La longitud obtenida queda expresa en metros, pero esta será corregida en un 95 % debido al efecto de bordes, luego la longitud real será L = 150 * 0.95 / f.
  • Para conformar la antena, se puede acoplar los brazos del dipolo y el mástil que los sujeta en una placa de metacrilato, siendo estos de aluminio o cobre (elementos más usados), en forma de alambre o tubo delgado. Un ejemplo de esto puede ser:



  • A la hora de la conexión del cable a la antena se puede optar por soldar o unir directamente sobre los dipolos, o usar conectores entre la antena y el cable, para que sea más practica su colocación y transporte.
  • Los brazos de los dipolos han de estar aislados eléctricamente, ya que en otro tipo de antenas parecidas, los dipolos direccionales, los brazos de esta sí están conectados eléctricamente.
  • También se ha de tener en cuenta, que para cuando llueva la soldadura o unión del cable a la antena puede verse afectada, por lo que se habrá de realizar algún tipo de caja para para aislar las conexiones. A la hora de colocar la antena, cuidar la distancia con cualquier objeto (suelo y paredes), separarla al menos una vez la longitud de onda de nuestra frecuencia. La distancia a separar la obtendremos como D = c / f, siendo c la velocidad de la luz (300000000 m/s) y f la frecuencia de emisión, en este caso empleada en Hz.
Aquí una posible disposición final de la antena




Dipolo direccional
Otro tipo de antena, muy parecida a la anterior, es el dipolo direccional. Físicamente es como el dipolo simple, salvo que esta tiene otro elemento más pequeño al que se conecta el vivo del cable de antena, y toda la antena está conectada a la masa del cable. Esta es otra antena de fácil y rápida construcción, con la que se obtienen también muy buenos resultados, pero requiere más ajustes que la anterior. Primero unas imágenes para ir dándole forma:



Las pautas a seguir para su construcción son las siguientes (en esta ocasión seguiré una guía expuesta por un usuario de www.forosdeelectronica.com)
Para empezar expondré el material a emplear:
- Una varilla de aluminio de 10 mm de diámetro y 2.5 m de longitud (esta conformara el dipolo direccional)
- Una varilla de aluminio de 8 mm de diámetro y 50 cm de longitud (para unir los brazos del dipolo)
- Barra de aluminio de 20*20 mm y 1 m de longitud
- Conector tipo PL
- Cable de antena
  • Haciendo uso de la barra cuadrada se realizaran las perforaciones que aparecen en la imagen. Las dos pequeñas son de 8 mm realizadas a 10 - 15 mm del borde, y las otras dos, la pequeña es de 8 mm y la grande de 15 mm ( esta es para el conector PL) a una distancia de 5 cm de las anteriores.




  • A continuación se colocaran en los agujeros más exteriores un trozo de la varilla de 8 mm de unos 15 mm de longitud, y se unirá con un tornillo a la barra cuadrada.


  • Se cortara un pedazo de cable de antena de hasta unos 40 (según la imagen de mas adelante se elegirá dicha medida, expresada como C) cm y se retira la cubierta y la malla. Este se suelda al conector PL hembra, como en la imagen.



  • Una vez hecho esto, se colocara el conector PL en la barra cuadrada, y se cortara otro pedazo de varilla, en esta ocasión de la de 10 mm, de algo más de los 40 cm (elegirlo en la imagen de más adelante, expresada como C) del cable de antena, para realizar la disposición de las imágenes:





  • Seguidamente se colocaran los elementos que forman el dipolo, cuya longitud la determinaremos de la siguiente imagen (expresada como A/2 la longitud de cada brazo), uniendolos a las varilla ya colocada en la barra cuadrada con tornillos.


Aquí la imagen antes mencionada:


  • En cuanto al montaje del dipolo, se pueden seguir otros métodos, como hacerlo con una  varilla entera o soldando la varilla completa como se aprecia en las imágenes



  • Lo último consiste en colocar el puente, el cual nos ayudara a obtener el mejor resultado con la antena (ajustar el punto de resonancia). Estos se pueden hacer de alambre (para buscar el punto de resonancia y luego sustituirlo por algo más agradable a la vista) o con una lámina de latón, aluminio o cobre.






Aquí una posible disposición final, en este caso muestro mi antena:


  • Ahora llega el punto en el que la gente suele ponerse nerviosa, después de haberse montado una joya como es esta antena. Toca coger el medidor de ROE y moviendo el puente se buscara  obtener una lectura de 1,2 : 1. Si no es así se llega a un punto más laborioso, en el que toca recortas secciones del cable hasta aproximarse a dicha medida o estar por debajo de ella, claro.
  • Una vez ajustada a la mínima reflejada (proceso anterior), estarás en disposición de colocar nuestra antena a una distancia mínima de cualquier obstáculo, esta será de D = c / f, siendo c la velocidad de la luz (300000000 m/s) y f la frecuencia de emisión, en este caso empleada en Hz.

27 de junio de 2012

Transmisor FM 4 watt



Descripción general

Se trata de un transmisor de FM pequeño pero bastante potente que consta de tres etapas de RF además de un preamplificador de audio para una mejor modulación.  Tiene una potencia de salida de 4 vatios y funciona con 12-18, lo que hace que sea fácil de transportar. Es el proyecto ideal para el principiante que desee iniciarse en el fascinante mundo de la radiodifusión de FM y quiere un buen circuito de base para experimentar.


Especificaciones técnicas. Características
Tipo de modulación: ........ FM
Rango de frecuencia: .... 88-108 MHz
Voltaje de trabajo: ..... 12-18 VDC
Corriente máxima: ....... 450 mA
Potencia de salida: ............ 4 W


¿Cómo funciona?

La frecuencia de salida del transmisor es ajustable de 88 a 108 MHz, que es la banda de FM que se utiliza para la radiodifusión. El circuito, como ya hemos mencionado consta de cuatro etapas. Tres etapas de RF y un preamplificador de audio para la modulación. La primera etapa de RF es un oscilador y está construido alrededor de TR1. La frecuencia de oscilación es controlada por la red LC L1-C15. C7 se encarga de asegurar que el circuito continúa oscilante y C8 ajusta el acoplamiento entre el oscilador y la etapa de RF siguiente, que es un amplificador. Este se construye alrededor de TR2 que opera en clase C y está sintonizado por medio de L2 y C9. La última etapa de RF es también un amplificador construido alrededor de TR3 que opera en clase C, cuya entrada está sintonizada por medio de C10 y L4. Desde la salida de esta última etapa, que está sintonizada por medio de L3-C12 se toma la señal de salida que a través del circuito sintonizado L5-C11 va a la antena.
El circuito del preamplificador es muy simple y está construido alrededor de TR4. La sensibilidad de entrada de la etapa es ajustable con el fin de hacer posible el uso del transmisor con diferentes señales de entrada. Por supuesto, es posible utilizar un mezclador de audio en la entrada para resultados más profesionales.


Construcción

Este es un proyecto de RF, lo que exige atención durante la soldadura, un descuido durante la construcción puede significar  una baja potencia de salida o incluso cero, poca estabilidad y otros problemas. Soldar primero de todos los pasadores (o puentes), y continuar con las bobinas, teniendo cuidado de no deformarlas, los RFC´s, las resistencias, los condensadores electrolíticos y, finalmente,  los condensadores variables. Asegurarse de que el electrolítico se coloca correctamente con respecto a su polaridad y que los condensadores variables no se sobrecalientan durante la soldadura. Continuar con la soldadura de los transistores en sus lugares, teniendo cuidado de no sobrecalentar ya que son los más sensibles de todos los componentes utilizados en el proyecto. Los terminales de entrada de audio está en los puntos 1 (tierra) y 2 (señal), la fuente de alimentación está conectado a los puntos 3 (-) y 4 (+) y la antena está conectada a los puntos 5 (tierra) y 6 (señal). Como ya hemos mencionado que la señal se utiliza para la modulación del transmisor, puede ser la salida de un preamplificador o mezclador  o se puede utilizar el micrófono piezoeléctrico. Como antena se puede usar un dipolo abierto o un plano de tierra. Antes de empezar a usar el transmisor o cada vez que cambie la frecuencia de trabajo debe seguir el procedimiento descrito a continuación que se llama alineación.


Esquema del circuito medidor


Esquema del transmisor


Diseño de la placa PCB


Ajustes (alineación)

Si busca que el transmisor sea capaz de entregar su potencia máxima en cualquier momento,  debe alinear todas las etapas de RF con el fin de asegurar que se obtiene la mejor transferencia de energía entre ellos. Hay dos maneras de hacer esto y depende de si se tiene un medidor de ROE o no. Si se dispone de medidor de ROE encienda el transmisor, después de haber conectado el medidor de ROE en serie con la antena, girar C15 con el fin de ajustar el oscilador a la frecuencia que se ha elegido para transmitir. A continuación, iniciar el ajuste de los condensadores C8 C9 C10 C12 y C11 en este orden hasta que se  consiga la máxima potencia de salida en el medidor de ROE. Para aquellos que no dispongan de un medidor de ROE hay otro método que da resultados bastantes satisfactorios.
Hay que construir el pequeño circuito de la figura, el cual se conecta a la salida del transmisor y en la salida se conecta un multímetro, seleccionando una escala de tensión adecuada (también existe una versión para usar con amperímetro).               
Usar C15 para sintonizar la frecuencia deseada y luego ajuste los demás condensadores variables en el mismo orden en que se describe más arriba para la máxima lectura en el multímetro. La desventaja de este método es que no se alinea el transmisor con una antena real conectada a su salida y puede ser necesario para hacer pequeños ajustes a C11 y C12.
No olvidar de ajustar el transmisor cada vez que se cambie la antena o su frecuencia de trabajo.
En cada transmisor están presentes además de la salida principal, los armónicos de la frecuencia de salida, que suelen tener un alcance muy corto. Con el fin de asegurarse de no sintonizar los armónicos, desplazarse lo más lejos posible del transmisor para realizar la escucha, o usar un analizador de espectro para ver el espectro de salida y ajustar con esto el receptor en la frecuencia adecuada.

Lista de componentes
R1 = 220K
R2 = 4.7K
R3 = R4 = 10K
R5 = 82 Ohm

C1 = C2 = 4.7uF electrolítico
C3 = C13 = 4.7nF cerámico
C4 = C14 = 1nF cerámico
 C5 = C6 = 470 pF cerámico
C7 = 11pF cerámico
C8 = 3-10pF variable
C9 = C12 = 7-35pf variable
C10 = C11 = 10-60pF variable
C15 = 4-20pf variable

L1 = 4 vueltas de cobre plateado con 5.5 mm de diámetro
L2  = 6 vueltas de cobre plateado con 5.5 mm de diámetro 
L3 = 3 vueltas de cobre plateado con 5.5 mm de diámetro
L4 = dibujada en la PCB
L5 = 5 vueltas de cobre plateado con 7.5 mm de diámetro
RFC1 = RFC2 = RF3 = VK 200

TR1 = TR2 = 2N2219 NPN
TR3 = 2N3553 NPN
TR4 = BC547/BC548 NPN


Choque de RF VK200 


Precaución
Este equipo de RF se presenta para uso experimental o de laboratorio. Su posesión y uso están limitados por las leyes que varían de estado a estado. Por favor, obtener información sobre lo que puede o no puede hacer en su área y permanecer dentro de los límites legales. Asegúrese de que no se conviertan en una molestia para los demás con sus experimentos.


Si no funciona

  • Revise su trabajo para posibles puentes a través de las vías adyacentes o los residuos de soldadura que usualmente causan problemas. Verifique de nuevo todas las conexiones externas hacia y desde el circuito para ver si hay un error allí.
  • Ver que no hay componentes que faltan o insertados en lugar equivocado.
  • Asegúrese de que todos los componentes están polarizados en el sentido correcto.
  • Asegúrese de que el suministro tiene la tensión correcta y está conectado en el sentido correcto de su circuito.
  • Revise su proyecto para los componentes defectuosos o dañados.
  • Revisar etapa por etapa para verificar el correcto funcionamiento de cada una de ellas.

Este circuito aun no lo he diseñado, estoy a la espera de mas entrado el verano para volver a la escuela y realizarlo allí. Por entonces subiré un vídeo y comentare los resultados y posibles modificaciones.

En mi canal de youtube tengo vídeos de hace ya algo de tiempo de mis primeros transmisores: http://www.youtube.com/user/yoluismi?feature=mhee

30 de abril de 2012

Teoría de Electrónica Analógica

Después de mucho, mucho, sin una entrada, intentare dejar caer algunas. En esta ocasión se trata de parte de la teoría que estamos dando en la asignatura de Electronica Analógica.

Esta es la teoría que se da en la asignatura de Tecnología Electrónica, donde se ven los diodos (todos), diodos zener y transistores con todas sus características técnicas y practicas.

De aqui se sacan la mayoría de los fundamentos de diodos y transistores que se usaran en la asignatura de Electronica Analogica.

Aquí comienza la asignatura de Electrónica Analógica, pero seguramente que los documentos que presenten terminen mezclándose, ya que las mismas cosas de asignaturas anteriores se han ido usando en esta.

Tema 1 - Aplicaciones con diodos y transistores

Modelo en pequeña señal para transistores BJT (emisor común)


Modelos en parámetros híbridos para el BJT. El primero es el modelo completo, y el segundo es el simplificado, el que se ha usado en el formulario "Etapas amplificadoras básicas para transistores BJT". Ambos modelos son validos para los BJT en NPN y PNP.

Modelo en pequeña señal para transistores FET (fuente común)

Este modelo vale para los dos tipos de FET y para sus dos versiones, canal N y canal P.

Etapas amplificadoras básicas para modelos de pequeña señal

Etapas amplificadoras básicas para transistores BJT


Etapas amplificadoras básicas para transistores FET


Ordenes de magnitud de las etapas amplificadoras básicas (BJT y FET)


Modelo en gran señal para transistores FET canal N


Modelo en gran señal para transistores FET canal P


Modelo en gran señal para transistores BJT NPN (modelo ideal)


Modelo en gran señal para transistores BJT NPN (modelo de 1ª aproximación)


Modelo en gran señal para transistores BJT PNP (modelo ideal)


 Modelo en gran señal para transistores BJT PNP (modelo de 1ª aproximación)

Tema 2 - Amplificadores realimentados

Estructura básica del amplificador realimentado

Detalles a comentar del diagrama de bloques: 
  • Xif: señal que genera la fuente
  • Xi: señal que entra al amplificador básico
  • Xof: señal que llega a la carga
  • Xm. señal de muestreo
  • Xf: señal de comparación
  • A: ganancia del amplificador básico
  • B: factor de realimentación

Modelado del amplificador básico

Amplificador de tensión


Amplificador de intensidad


Amplificador de transimpedancia


Amplificador de transconductancia



Topologías de la red de realimentación


Modelado de la red de realimentacion

Serie - paralelo


Paralelo - serie


Serie - serie


Paralelo - paralelo


Topologías de los amplificadores realimentados

La parte mas teórica de este tema queda recogida en el pdf de mas abajo.

Tema 3 - Filtros. Estabilidad. Osciladores

Filtros de 2º orden

Filtro paso baja


Esta gráfica es la proporcionada en teoría 

Esta gráfica se ha obtenido con el programa de simulación PsPice para el circuito mostrado (fo=1 KHz y Q=5)


Filtro paso alta


Esta gráfica es la proporcionada en teoría 


Esta gráfica se ha obtenido con el programa de simulación PsPice para el circuito mostrado (fo=1 KHz y Q=5)


Para la obtención de los datos de los dos anteriores filtros se ha seguido el método de componentes iguales de manera que R1=R2 y C1=C2. Dicho método esta explicado en la teoría, para la cual se habría de emplear la tabla que aparecerá mas adelante. 

Filtro paso de banda


Esta gráfica es la proporcionada en teoría 


Filtro rechazo de banda


Esta gráfica es la proporcionada en teoría 

La mencionada tabla para la obtención de los componentes es esta


En ella se muestran las ecuaciones que resultan de analizar los filtros de 2º orden antes expuestos. A la derecha de cada uno se tiene la misma expresión habiendo aplicado el método de componentes iguales. Para obtener los valores de los componentes solo hemos de conocer fo (frecuencia de resonancia, toma otros nombres según que autores) y Q (factor de calidad). 
Nota: la expresión del filtro rechazo de banda no se ha escrito debido al volumen de esta, ademas también se a dado en el circuito los datos directamente en componentes iguales.

A la hora de la construcción de filtros de mayor orden, se puede recurrir a dos maneras de diseño:
  • Síntesis directa: RLC + OA, método que conlleva gran dificultad.
  • Diseño en cascada: para la obtención de un filtro de orden n se irán colocando filtros de menor orden en cascada. En este caso los componentes suelen ser obtenidos mediante programa informático. Mas antiguamente se partía de tablas como la siguiente.



En la siguiente imagen se muestran distintos tipos de gráficas a partir de las cuales se clasifican los filtros de orden n


Principios básicos de osciladores senoidales.
Para generar señales senoidales:

  • Osciladores lineales: amplificadores operacionales + red RC o LC + control no lineal de amplitud.
  • Osciladores no lineales: conformacion de señales triangulares en senoidales.

Para el control no lineal de amplitud se emplea el circuito siguiente:


Y su correspondiente gráfica, en la que se aprecia la señal de entrada (verde) y la de salida (roja) amplificada debido a que R8 e mayor que R1 e invertida por ser realimentación negativa. El recorte de la señal se obtendrá en función de la configuración que se disponga en el divisor de tensión que forman las 4 resistencias verticales. 


Para el oscilador lineal se empleara el conocido puente de Wien (con control no lineal de amplitud):


El oscilador de puente de Wien en general es la totalidad del circuito quitando el divisor de tensión que forman las resistencias verticales y los diodos

 Y su correspondiente gráfica (con el control de amplitud), en la que se aprecia la señal que se genera a la entrada (verde, en V- del amplificador) y la señal de salida (rojo), amplificada debido a la relación R4/R7 > 1 y en esta ocasión no invertida, debido a que la realimentación en este caso es positiva, que es lo general en este tipo de circuitos.


La gráfica que se obtendría para el oscilador sin el control de ganancia seria la siguiente, en la que se puede apreciar como ambas señales, la que genera el circuito y al obtenida a la salida, saturan a ciertos limites, como para la salida, que satura a la tensión de alimentación.


También se ha dado otra variación del oscilador, en este caso el oscilador con desplazamiento de fase:


En la gráfica se observa el desplazamiento de fase que existe entre las tres sondas de medida: verde (sonda del medio), rojo (sonda de la izquierda) y azul (sonda de la derecha).


Nuevamente, la teoría explicativa de este tema queda recogida en el pdf de mas abajo.

Dentro del siguiente link esta la teoría: http://www.mediafire.com/?ykvrm8bc8p5felf. Dicha teoría esta escrita por el profesor que nos imparte la asignatura. En ella se encuentran los temas que se imparten en la asignatura de Electrónica Analógica y los que se impartió en la asignatura de Electrónica Industrial.

También dejo aquí un vídeo de la practica que estamos realizando en la asignatura, un amplificador de audio con control de volumen y filtro de agudos y graves, hecho en casa, la practica terminará dentro de dos semanas, y hasta ahora va mejor el que me he montado yo que el de las practicas:



En los siguientes links están los guiones de la practica donde se realiza el amplificador del vídeo, por si alguien quiere practicar un poco. 

Y por si aun muestran mas interés, aquí ejercicios resueltos de la asignatura de Electrónica Analógica.
Tema 1
Tema 2
Tema 3

Este libro nos lo recomendó nuestro profesor de problemas (Electrónica Básica para Ingenieros),
ademas de este otro, el cual es bastante conocido (Circuitos Microelectrónicos - Sedra, Smith):

Nota: si algún link deja de estar activo, avisar en un comentario.