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Electrónica Completa « Captura de esquemáticos con Multisim Laboratorio virtual Live Wire » 1/ Conceptos básicos de electricidad Con esta primera lección comenzamos un curso completo de electrónica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrónica desde sus principios. Nuestro curso completo capacitará al alumno para encarar la reparación de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV en donde se analiza la reparación de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc. La electricidad estática La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos físicos (objetos) están formados con moléculas de diferentes materiales que a su vez están construidas con alguno de los 92 átomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada átomo, existe un núcleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el átomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse eléctricamente.

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 Electrónica Completa

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1/ Conceptos básicos de electricidadCon esta primera lección comenzamos un curso completo de electrónica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrónica desde sus principios.

Nuestro curso completo capacitará al alumno para encarar la reparación de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV  en donde se analiza la reparación de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc.

La electricidad estática

La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos físicos (objetos) están formados con moléculas de diferentes materiales que a su vez están construidas con alguno de los 92 átomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada átomo, existe un núcleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el átomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse eléctricamente.

Al núcleo no tenemos un acceso fácil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de orbitas superiores es muy fácil y solo basta con frotar materiales con un paño para arrancar o agregar electrones y generar cargas eléctricas fijas en el material utilizado. Agregar o quitar depende del material que se frote en el paño. Algunos materiales son dadores y otros son aceptores.

Es así como podemos tener un objeto con exceso de electrones (negativo) y otro con falta de electrones (positivo). Mientras los objetos estén separados (aislados) permanecerán cargados permanentemente. Si se los aproxima hasta que se toquen, de inmediato circularan cargas eléctricas (electrones) ente ellos hasta neutralizarse de modo que cada cuerpo sea neutro.

Como el lector puede observar, todas estas acciones ocurren en un instante de tiempo y luego cesan en cuanto los cuerpos se neutralizan. No hay una circulación permanente de

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electricidad. Un instante después que los cuerpos se tocan cesan los fenómenos eléctricos. Por esos a estos fenómenos se los incluye entre los de electricidad estática o electrostática. Nos sirven para establecer los principios de nuestra especialidad, pero no son los fenómenos que normalmente ocurren dentro de un dispositivo electrónico, en donde las corrientes de electrones circulan en forma permanente.

El concepto más importante de la electrónica  es el de la circulación de la corriente eléctrica, que puede ser explicado claramente mediante la electricidad estática.

Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados eléctricamente. Uno es de material dador (positivo) y otro de material aceptor (negativo).

Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecerán cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aisladora.

Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarán y entonces decimos que la barra de cobre es conductora.

Es un error considerar que el mismo electrón que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenómeno que se produce es un desplazamiento de electrones de átomo en átomo de modo que entra un electrón por una punta de la barra pero el que sale es otro electrón que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prácticamente a la velocidad de la luz el corpúsculo (electrón) lo hace mucho mas lentamente.

En un cuerpo aislador los electrones están fuertemente unidos a su núcleo y es difícil o imposible sacarlos de sus orbitas.

En un cuerpo conductor los electrones están flojamente unidos a su núcleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de núcleo en forma casual; aunque siempre que un átomo adquiere un electrón cede otro para mantener la neutralidad.

Ahora es fácil entender que si un cuerpo con electrones en exceso se une a una barra de cobre, este cuerpo transfiere algunos de sus electrones de modo que el nuevo cuerpo con el agregado de la barra de cobre tiene características negativas distribuidas uniformemente por todo el cuerpo compuesto. Es decir que la barra de cobre es también negativa y por lo tanto al acercarla al cuerpo positivo, establecerá la circulación de electrones.

En cambio la barra de vidrio no acepta que sus electrones se muevan de átomo en átomo y por lo tanto el cuerpo con exceso de electrones no puede influir sobre ella. Estos dos conceptos de cuerpos aisladores y conductores son fundamentales en nuestra especialidad.

Ejemplos de cuerpos conductores son  los metales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro, etc. Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores; algunos líquidos también lo son. Dejemos el caso obvio de los

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metales líquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos líquidos compuestos como los ácidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores, aunque no tan buenos como los metales. También existen sólidos conductores como por ejemplo el grafito (un estado de agregación del carbono).

Como ejemplo de aisladores podemos indicar, al vidrio, los materiales plásticos y el agua destilada. En realidad son aisladores hasta cierto punto. En efecto si un cuerpo esta muy cargado de electricidad y la barra aisladora no es muy larga puede ocurrir un efecto de circulación disruptiva que perfora el aislador y lo vuelve conductor. En general esta circulación se produce con presencia de ruido, efectos luminosos y térmicos dando lugar a lo que se llama una descarga eléctrica y en muchos casos el cuerpo aislador queda definitivamente transformado en un conductor.

Este efecto no requiere en realidad a la barra aisladora; el propio aire entre los dos cuerpos cargados puede oficiar de conductor si la carga de los cuerpos es suficientemente alta. En este caso se producen arcos a través del aire de los cuales los relámpagos son una manifestación natural que se produce debido a la carga eléctrica de las nubes de tormenta.

Inclusive se puede formar un arco en el vacío. En efecto un cuerpo cargado muy negativamente puede rechazar tanto su exceso de electrones que estos son capaces de adquirir suficiente energía como para saltar el espacio vacío. El arco que se observa visualmente como una línea luminosa y el ruido que se produce son causados por los electrones circulantes a gran velocidad y en gran cantidad.

La corriente eléctrica

Los electrones que circulan entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, al unirlos con un conductor, forman lo que clásicamente se conoce como corriente eléctrica. Es decir que circulación de electrones y corriente eléctrica son sinónimos. Por lo general cuando se trata de fenómenos electrostáticos se habla de circulación de cargas o de electrones y cuando los procesos son continuos se habla de corriente eléctrica.

La corriente de agua que circula por un caño se mide en litros/Seg. ¿En que se mide la corriente electrica? Es evidente que se podría medir en electrones/Seg. pero la carga de un electrón es tan pequeña que los números serían muy altos, es decir que la unidad electrones/Seg. no es práctica. Inclusive la unidad de carga eléctrica de un cuerpo cargado por frotamiento medida en electrones es ya un número muy alto.

Por todo esto se idearon unidades prácticas tanto para la cantidad de electricidad o carga eléctrica como para la corriente eléctrica dándole a esas unidades el nombre de diferentes científicos que trabajaron con los fenómenos eléctricos.

La unidad practica de corriente eléctrica es el Coulomb (culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones.

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La unidad práctica de corriente eléctrica es el Amper y es igual a un Coulomb por segundo.

Para simplificar la notación se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad práctica por las letras Cb. La corriente eléctrica se representa por una I y a su unidad por una A. A la unidad de tiempo se la representa con la “t” minúscula (porque se reserva la T mayúscula para la temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente eléctrica

I = Q/t

medida en Cb/Seg o la unidad equivalente A.

Las unidades siempre involucran los múltiplos y submúltiplos de las mismas. En electrónica se utilizan por lo general los submultimplos del A es decir el mA (miliamper) y el uA (microamper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias.

SIMBOLO POT DE 10 EQUIV. mA EQUIV. μA NOMBRE

1 A 100 A 1000 1.000.000 AMPER

1 mA 10-3 A 1 1.000 MILIAMPER

1 μA 10-6 A 0,001 1 MICROAMPER

La electricidad dinámica

La electricidad dinámica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones por un conductor.

Las fuentes permanentes de electricidad se dividen en químicas y electromecánicas.

Una pila eléctrica es una fuente química de electricidad. Dentro de la pila se generan reacciones químicas cuyo resultado es la producción de electrones. Estos electrones están disponibles para que circulen por ejemplo por un conductor, pero a diferencia de un cuerpo cargado esa fuente de electrones no se agota. Cuando se los utiliza la pila vuelve a generar mas electrones que reemplazan a los tomados. Podría considerarse que la pila tiene en su interior tanto un cuerpo con exceso de electrones (el terminal negativo) como un cuerpo con falta de electrones (el terminal positivo) y que la pila transforma energía química en eléctrica como para tomar un electrón del terminal negativo y subirlo hasta el positivo.

Una dínamo es una maquina electromecánica que transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Hace lo mismo que la pila, es decir que la podemos asimilar a dos cuerpos cargados con diferente polaridad en donde las cargas que circulan son reemplazadas a medida que se van tomando. En este caso la energía necesaria para

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restaurar las cargas se saca de una interacción magnética entre los electrones y el campo magnético rotatorio de la dínamo.

Con la electricidad dinámica se arriba a otro concepto que es la capacidad de un generador de producir una circulación de corriente permanente. ¿De que depende la corriente eléctrica que circula entre dos cuerpos cargados? Depende de la diferencia de carga existente entre esos cuerpos y del tipo de barra con la cual interconectamos a los mismos. No hace falta en realidad que uno de los cuerpos sea negativo y el otro positivo. Si uno está muy lleno de electrones y el otro solo tiene un pequeño exceso de electrones y se conectan con una barra conductora, la misma equilibrará las cargas de modo que ambos cuerpos tendrán luego de un tiempo una cantidad de electrones promedio. Se puede decir por lo tanto que la circulación de corriente depende de la diferencia de potencial eléctrico entre los dos cuerpos (cuanto mas cargado esta un cuerpo que el otro) y del tipo de barra utilizada para establecer la unión entre los cuerpos. Hablamos de potencial porque un cuerpo cargado tiene una energía potencial, en el sentido de que si no colocamos la barra no hay circulación y por lo tanto la electricidad no puede generar trabajo de ningún tipo.

Los diferentes tipos de barras utilizados para hacer circular las cargas y las diferentes tipos de fuentes generan el concepto de la diferencia de potencial eléctrico y de la resistencia de la barra que analizaremos a continuación.

La resistencia eléctrica

La característica mas importante de lo que hasta ahora llamamos barra es su capacidad para nivelar las cargas de los cuerpos con mayor o menor velocidad. Intuitivamente sabemos que si coloco una barra de cobre las cargas se nivelan rápidamente; en cambio si coloco una barra de grafito las cargas pueden tardar mucho mas en nivelarse (dependiendo del tipo de grafito). En el primer caso decimos que la barra de cobre tiene muy poca resistencia a la circulación de la corriente eléctrica y el segundo que el grafito presenta mas resistencia a la circulación de los electrones.

¿Como haría Ud. para comparar la resistencia a la circulación electrónica de diferentes materiales? Lo lógico sería realizar probetas idénticas y operar por comparación. En el fondo lo que hace es muy parecido pero mas científico.

Se define a una probeta del material como un alambre de 1 metro de longitud con una sección de 1 mm2 y se dice que la resistencia especifica de ese material es unitaria cuando el resistor tiene una resistencia de 1 Ohms. La letra elegida para nombrar a la resistencia es R. La formula que da la resistencia en función de la resistencia especifica del material y las dimensiones del mismo es la siguiente:

R = Re.L / S

en donde Re es la resistencia especifica del material

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En la tabla siguiente expresamos la resistencia especifica de los materiales mas comunes.

MATERIAL CONDUCTOR RESISTENCIA ESPECIFICA (L = 1 m, S = 1mm2)

PLATA 0,016 Ω

COBRE 0,018 Ω

ALUMINIO 0,03 Ω

HIERRO 0,1 Ω

NIQUEL 0,13 Ω

ESTAÑO 0,142 Ω

BRONCE 0,17 Ω

PLOMO 0,20 Ω

Tabla de resistencias especificas

En electrónica se hace un uso enorme de barras de diferente resistencia. Tanto, que en realidad se define un componente llamado resistor, que puede tener valores específicos de resistencia que difieren entre si en un 1%, en un 5% o un 10% de acuerdo con su calidad. Estos resistores están construidos con grafito y poseen terminales de cobre para su soldadura en circuitos impresos con cobre sobre una lamina aislante.

La unidad Ohm representada por la letra griega Omega tiene por supuesto múltiplos y submúltiplos como el Amper. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados:

miliohm 1000 mΩ = 1 Ωkiloohm 1 KΩ = 1.000 Ωmegaohm 1 MΩ = 1.000.000 Ω

La tensión eléctrica

Se dice que una fuente tiene una diferencia de potencial o tensión de 1 Voltio cuando al conectarle un resistor de 1 Ohms circula 1 A de corriente eléctrica por el. La tensión de una fuente se individualiza por la letra E y su unidad el Voltio por la letra V. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados:

microvolt 1.000.000 uV = 1 Vmilivolt 1.000 mV = 1 VKilovolt 1 KV = 1.000 V

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En realidad la tensión de una fuente y la diferencia de potencial no obedecen al mismo concepto. Entre ambas características existe una pequeña diferencia que pasamos a explicar.

Toda fuente de electricidad posee una resistencia interna asociada que no puede ser evitada. Tomemos por ejemplo una pila del tipo A (las mas grandes usadas en linternas). Si medimos la tensión que entrega una pila nueva sin colocarle ningún resistor de carga, mediremos una tensión de exactamente 1,52V (la tensión depende de los materiales usados para su construcción, las pilas mas comunes utilizan grafito y zinc como electrodos y son las que dan exactamente esa tensión). Pero el grafito y el resto de los materiales que forman parte de la pila tienen cierta resistencia que debe ser considerada. En cambio si colocamos un resistor de carga de 1 Ohms la tensión de la pila se reduce a 1,3 V aproximadamente. Esto significa que esa pila tiene una resistencia interna que vamos a aprender a calcular posteriormente.

Por ahora podemos decir que la diferencia de potencial de la pila (o la tensión sin carga que es lo mismo) es de 1,52V y que la tensión cargada depende de la carga conectada, pero para una carga de 1 Ohm es de 1,3V.

Los generadores electromecánicos (dínamos) también poseen una diferencia de potencial y una tensión de trabajo con carga. En este caso la resistencia interna de la fuente está formada por la resistencia de los bobinados del dispositivo.

La Ley de Ohm

Una de las leyes mas importante de la electrónica es la ley de Ohm. El conocimiento por parte del alumno de esta ley es imprescindible y su aplicación no debe presentar ningún tipo de duda. Dudar en la aplicación de la ley de Ohm implica que todo el conocimiento que posteriormente se adquiera estará viciado de nulidad. Por eso le pedimos que preste la mayor atención y practique con la ley de Ohm hasta que no tenga la menor duda. En la próxima lección vamos a insistir sobre el tema pero utilizando una herramienta invalorable para ello; el laboratorio virtual Live Wire. Pero primero debemos captar el concepto a la antigua es decir utilizando solo nuestra capacidad de raciocinio.

La ley de Ohm es muy lógica e intuitiva y el alumno seguramente la va a entender con total facilidad. En la figura 1 se puede observar lo que en electrónica se llama un circuito.

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Fig. 1 Circuito de una pila cargada con un resistor

Evidentemente se trata de un dibujo esquematizado de la realidad. En lugar de dibujar una pila real, un resistor real y los cables que conectan a esos componentes se los reemplaza por un esquema fácil de dibujar. A la derecha se puede observar el símbolo de un resistor y a la izquierda el de una pila unido por líneas que representan a los cables del circuito o a las pistas del circuito impreso de cobre. Inclusive siempre se dibuja la pila de modo que la raya mas larga sea el terminal positivo de la misma.

En este circuito están claramente determinados dos parámetros mas importantes. La tensión de la pila y la resistencia del resistor conectado sobre ella y que por supuesto tiene aplicada la misma tensión que tiene la pila. Ignoramos la corriente que circula por el circuito. La ley de Ohm nos permite calcularla mediante una ecuación.

Ohm dice que I = E / R y esta formula es totalmente lógica porque a medida que la resistencia R aumenta se reduce la corriente circulante I y viceversa. También nos indica que a medida que aumentamos la tensión E aumentará la corriente y viceversa.

Calculemos la corriente circulante en nuestro sencillo circuito:

I = 1,5V / 1 Kohm o I = 1,5V / 1.000 Ohms = 0,0015 A = 1,5 mA

La ley de Ohm no solo sirve para calcular la corriente por el circuito. Podría ocurrir que en realidad conozcamos la tensión de la pila y queremos que circule una determinada corriente por el circuito (por ejemplo 2 mA) quedando como incógnita el valor del resistor. Realizando una transposición de términos podemos decir que:

R = E / I

y reemplazando

R = 1,5V / 2 mA => R = 0,75 Koms = 750 Ohms

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Por último podría ocurrir que conozcamos el valor de R y de I y necesitemos calcular el valor de la tensión de la pila. Por ejemplo si R = 2K y I = 2 mA se puede calcular que:

E = R x I

y reemplazando

E = 2K x 2 mA = 2000 x 0,002 = 4 V

Le pedimos al alumno que aplique la ley de Ohm para diferentes valores de E, R y I para que tome confianza con el tema. Y sobre todo le pedimos que intente el uso de notación científica para resolver los circuitos con mayor rapidez y seguridad. Le aconsejamos que dentro de sus posibilidades compre una calculadora científica para realizar las prácticas. O si tiene una PC que utilice la calculadora científica que viene con Windows.

Conclusiones

Y así entramos en tema. En esta lección aprendimos los principios de la electrónica de un modo práctico y sencillo. Tal vez el alumno se encuentre con dificultades para realizar los cálculos de ley de Ohm; si ese es su problema no se preocupe que en la próxima lección vamos a enseñarle a utilizar el laboratorio virtual Live Wire que le permitirá verificar los cálculos realizados.

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2/ Laboratorio virtual Live WireUn laboratorio real es el lugar donde Ud. realiza los trabajos prácticos de su especialidad; en nuestro caso de electrónica. Consta de una mesa de trabajo con instrumentos y fuentes de energía eléctrica regulables que suplantan a las pilas. También cuenta con un lugar donde se guardan los componentes electrónicos que se van a utilizar en el trabajo práctico y las herramientas necesarias para hacer las correspondientes conexiones entre ellos. Un laboratorio muy básico debe contar con un tester que permita medir por lo menos R,V e I y un conjunto de resistores de diferentes valores para este primer trabajo práctico.

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Ud. debe dentro de lo posible construir su propio laboratorio. Lo que indicamos hasta ahora puede tener un valor de unos pocos pesos. 15$ para el tester y unos 30 para la fuente regulada. Los resistores tienen un valor poco mas que anecdótico. Lo que Ud. va a hacer en su laboratorio es realizar conexiones y medir tensiones corrientes y resistencias con el tester.

¿Qué es un laboratorio virtual?  Su laboratorio real tiene un equivalente dentro de la PC, si Ud. tiene cargado alguno de los laboratorios virtuales conocidos hasta el momento. Nosotros vamos a trabajar en un principio con el Live Wire, un laboratorio excelente para los principios básicos de la electrónica.  En nuestro caso utilizaremos el Live Wire (en adelante LW) en su versión profesional 1.11 pero prácticamente salvo algunos componentes, las versiones anteriores son perfectamente compatibles y las explicaciones son prácticamente idénticas.

Instalación y prueba del Live Wire

Cuando termine la instalación aparecerá un icono en la pantalla como el indicado en la figura 1.

Fig.1 Icono del LW

Haciendo click  sobre este icono, aparecerá la pantalla del LW que puede considerarse como un laboratorio básico con todo lo necesario para realizar nuestra primera práctica y todas las siguientes.

Fig.2 Pantalla inicial de LW

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Es posible que al iniciar el trabajo no aparezca el bloque Gallery de la derecha que representa la estantería donde están guardados los instrumentos y los materiales. En ese caso pique sobre View arriba a la izquierda y se desplegará una pantalla en donde debe tildar “Gallery”. Al salir de la pantalla desplegable aparecerá la mencionada estantería.

Fig.3 Pantalla desplegable Wiew predisponiendo "Gallery"

Los componentes e instrumentos están ordenados dentro de esta estantería de modo que Ud. pueda encontrarlos fácilmente. Le aconsejamos picar en la flecha desplegable dirigida hacia abajo para observar todas las alternativas posibles.

Fig.4 Pantalla desplegable de Gallery

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En nuestro primer trabajo práctico vamos a trabajar con una fuente de tensión (Power Supplies); resistores, que se encuentran en componentes pasivos (Passive Components) y un tester que se encuentra en Measuring.

Fig. 5 Componentes desconectados

Ud puede sacar esos componentes haciendo click y trasladando sobre la parte activa de la pantalla que representa a su mesa de trabajo. Y ahora solo basta con unir los componentes con cables virtuales realizando el circuito de la figura6.

Fig.6. Componentes conectados

Para conectar los componentes haga click  sobre una punta del componente y arrastre hasta el otro componente que desea conectar, allí suelte y la conexión quedara terminada. Luego puede picar sobre los cables y acomodarlos. Si desea realizar un tendido con un cambio de dirección suelte momentáneamente donde desee cambiar y luego vuelva a pulsar y terminar la conexión.

Con todo esto podemos decir que la instalación y la prueba ya esta terminada. En la siguiente sección aprenderemos a usar el LW.

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Simulación del circuito elemental

Haciendo doble click  sobre la batería y aparecerá una ventanita en donde aparece el valor de la tensión de la misma.

Fig.7 Cambio del valor de los componentes

Todos los componentes presentan una pantalla similar en donde se pueden cambiar su código de posición dentro del circuito (en este caso B1 de batería 1) o el valor de tensión (en este caso cambiar 9V por 1,5V). E inclusive se puede poner algún mensaje explicativo en la ventana “caption”. En nuestro caso el resistor no necesita modificación porque su valor por defecto es el que necesitamos.

Si Ud. desea ubicar los textos en una posición diferente solo necesita hacer click  sobre el valor y correrlo. Pulse F9 para que comience la simulación. De inmediato observará dos cosas.

Dentro del tester aparece el numero 1,5 indicando la tensión de la pila. Y en la parte de abajo del marco observará una ventanita marcada “Time” que

indica el tiempo de la simulación que por lo general difiere del tiempo real dependiendo de la velocidad de la computadora. En el presente trabajo práctico la corriente y la tensión se establecen de inmediato. Pero posteriormente veremos otros circuitos en donde los parámetros son una función del tiempo transcurrido.

Si Ud. desea saber como circula la corriente por este circuito solo tiene que hacer click sobre la pestaña “current flow” del margen izquierdo. Observará que el fondo cambia a negro y se observan puntos que representan grupos de electrones circulando por el circuito. Reduzca a 100 Ohms el valor del resistor y observará como aumenta la corriente por los conductores la pila y el resistor. Para conocer el valor de la tensión respecto del negativo de la pila y el valor de la corriente solo debe arrastrar la flecha hasta el punto en donde desea hacer la medición.

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Fig.8 Circulación de la corriente y valores de tensión con 100 Ohms

Pruebe cambiar el valor de la pila y observará inmediatamente el resultado sobre la corriente. ¿Por qué no hay circulación de corriente hacia el tester? En realidad existe una pequeña corriente por el tester pero la misma es tan pequeña que se la suele considerar despreciable. En efecto un tester digital normal suele tener una resistencia interna equivalente muy alta, del orden de los 4 Mohms o mas dependiendo de su costo. Entonces es fácil entender que los electrones al llegar a un nodo (palabra equivalente a nudo) desde la batería, circulan en su gran mayoría por el resistor que ofrece poca resistencia y muy pocos a través del tester.

Si Ud. desea tener una indicación permanente de la tensión y la corriente puede recurrir a la colocación de los llamados instrumento de panel. Son equivalentes a aquellos que se utilizan atornillados a un tablero, e indican su parámetro en forma permanente. Detenga la simulación apretando “control F9″ y agregue un voltímetro y un amperímetro de panel.

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Fig.9 Colocación de un amperímetro y un voltímetro

Observe que ambos instrumentos indican permanentemente los parámetros del circuito y permiten determinar un valor y ajustar otro para conseguir un determinado nivel en el tercero, sin realizar ninguna operación matemática. ¿Por ejemplo si coloco una batería de 12V que valor de resistencia debo colocar para que circulen 1,5 mA?

Simplemente cambie la tensión de batería a 12V. y luego coloque una resistencia cualquiera. Por ejemplo 200 Ohms. Observe la corriente. Su valor obtenido inmediatamente es de 60 mA. Demasiado alto. Poniendo 2K la corriente se establece en 6 mA (observe que no hace falta detener la simulación para cambiar un valor). Ya estamos mas cerca, pero aun el resistor es demasiado alto. Como el sistema es lineal de inmediato nos damos cuenta que para que la corriente baje a 3 mA debo duplicar la resistencia y para lograr 1,5 mA debo duplicarla nuevamente. Por lo tanto probamos con 8K.

En el laboratorio virtual encontramos resistores de todos los valores pero en la realidad solo se encuentran aquellos que corresponde con la serie 1 – 1.2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 y 10 es decir que en nuestro caso lo mas cercano que podremos colocar en la realidad es de 8,2 K. Si lo hacemos la corriente se establece en 1,46 mA. Si es aceptable se lo deja así. En caso contrario queda un recurso que es conectar un resistor de alto valor R2 en paralelo con el resistor R1 de modo tal que se pueda ajustar la corriente al valor requerido.

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Fig.10 Ajuste de la corriente con valores normalizados de resistencia

¿Cual es el valor real de los dos resistores en paralelo? Mas adelante veremos que existe una formula de cálculo pero el laboratorio virtual permite realizar sencillamente la medición a condición de que se desconecte una de las patas del resistor. En la figura siguiente se puede observar como se realiza tal medición. El tester debe predisponerse como óhmetro pulsando sobre él con el botón derecho del mouse (BDM). Luego se elige Ohm y se arranca la simulación con F9.

Fig.11 Medición de la resistencia equivalente paralela

Como se puede observar se obtiene el valor original de 8Koms.

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Un caso muy particular ocurre con la medición de corriente. Ya vimos que los medidores de tensión o voltímetros, tienen una resistencia interna equivalente a varios megohms para que su inclusión en el circuito no modifique las características del mismo. Por la misma razón, un medidor de corriente o amperímetro debe tener un bajo valor de resistencia, ya que siempre se lo conecta en serie con el circuito. Dada esa característica, si por error se lo conecta sobre la fuente, circula una corriente muy elevada que quema el instrumento. Por esa razón los amperímetros de hasta 1 A incluidos en un tester, tienen un fusible de 2 amperes.

En la figura 12  se puede observar el circuito necesario para que ocurra una dramatización de este hecho, en donde conectamos un amperímetro sobre una fuente, pero mostrando el fusible como un componente externo. El fusible se encuentra al final de la sección “power supplies” de “Gallery”.

Fig.12. Amperímetro mal conectado

Luego se debe entrar en las pestañas desplegables superiores y elegir “explosions” de acuerdo a la figura siguiente.

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Fig.13 Predisposición explosiva

Cuando comience la simulación con F9 se producirá la quemadura inmediata del fusible indicando el error de conexión.

Práctica real

No hay mucho para agregar en la practica real que sea diferente a la práctica simulada. Simplemente debemos armar el circuito de prueba en una plaqueta perforada y luego realizar las mediciones. El tester digital real tiene una perilla selectora de funciones, ella permite predisponer el tester como voltímetro, como amperímetro o como óhmetro, seleccionando además el valor de escala en cada caso. Es muy común que por razones de seguridad, se utilicen dos bornes diferentes del tester para la medición de corriente y de tensión.

Realice la practica de ajustar la corriente a 1,5 mA cuando la tensión de fuente es de 12V, para familiarizarse con los valores de resistencia de la serie del 5% que es la mas utilizada habitualmente.

Conclusiones

En esta unidad didáctica aprendimos a utilizar una poderosa herramienta de estudio que es el laboratorio virtual LW. En realidad solo vislumbramos su utilidad, porque lo empleamos para resolver un circuito muy elemental. Cuando los circuitos se hagan mucho mas complicados el uso de los laboratorios virtuales resultará prácticamente imprescindible para obtener una solución simple y rápida a todos nuestro problemas.

Le aconsejamos al lector que practique con su laboratorio virtual porque ese es el mejor modo de aprender. Este curso no es un curso para leer, es un curso para practicar, primero

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en forma virtual y luego en forma real. Cumpla con todas las modalidades si pretende aprender realmente.

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3/ Leyes de KirchhoffLas leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía.

Estas leyes nos permiten resolver los circuitos utilizando el conjunto de ecuaciones al que ellos responden. En la lección anterior Ud. conoció el laboratorio virtual LW. El funcionamiento de este y de todos los laboratorios virtuales conocidos se basa en la resolución automática del sistema de ecuaciones que genera un circuito eléctrico. Como trabajo principal la PC presenta una pantalla que semeja un laboratorio de electrónica pero como trabajo de fondo en realidad esta resolviendo las ecuaciones matemáticas del circuito. Lo interesante es que lo puede resolver a tal velocidad que puede representar los resultados en la pantalla con una velocidad similar aunque no igual a la real y de ese modo obtener gráficos que simulan el funcionamiento de un osciloscopio, que es un instrumento destinado a observar tensiones que cambian rápidamente a medida que transcurre el tiempo.

En esta entrega vamos a explicar la teoría en forma clásica y al mismo tiempo vamos a indicar como realizar la verificación de esa teoría en el laboratorio virtual LW.

La primera Ley de Kirchoff

En un circuito eléctrico, es común que se generen nodos de corriente. Un nodo es el punto del circuito donde se unen mas de un terminal de un componente eléctrico. Si lo desea pronuncie “nodo” y piense en “nudo” porque esa es precisamente la realidad: dos o

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mas componentes se unen anudados entre sí (en realidad soldados entre sí). En la figura 1 se puede observar el mas básico de los circuitos de CC (corriente continua) que contiene dos nodos.

Fig.1 Circuito básico con dos nodos

Observe que se trata de dos resistores de 1Kohms (R1 y R2) conectados sobre una misma batería B1. La batería B1 conserva su tensión fija a pesar de la carga impuesta por los dos resistores; esto significa cada resistor tiene aplicada una tensión de 9V sobre él. La ley de Ohms indica que cuando a un resistor de 1 Kohms se le aplica una tensión de 9V por el circula una corriente de 9 mA

I = V/R = 9/1.000 = 0,009 A = 9 mA

Por lo tanto podemos asegurar que cada resistor va a tomar una corriente de 9mA de la batería o que entre ambos van a tomar 18 mA de la batería. También podríamos decir que desde la batería sale un conductor por el que circulan 18 mA que al llegar al nodo 1 se bifurca en una corriente de 9 mA que circula por cada resistor, de modo que en el nodo 2 se vuelven a unir para retornar a la batería con un valor de 18 mA.

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Fig.2 Aplicación de la primera ley de Kirchoff

Es decir que en el nodo 1 podemos decir que

I1 = I2 + I3

y reemplazando valores: que

18 mA = 9 mA + 9 mA

y que en el nodo 2

I4 = I2 + I3

Es obvio que las corriente I1 e I4 son iguales porque lo que egresa de la batería debe ser igual a lo que ingresa.

Simulación de la primera Ley de Kirchoff

Inicie el LW. Dibuje el circuito de la figura 2. Luego pulse la tecla F9 de su PC para iniciar la simulación. Como no se utilizó ningún instrumento virtual no vamos a observar resultados sobre la pantalla. Pero si Ud. pulsa sobre la solapa lateral marcada Current Flow observará un dibujo animado con las corrientes circulando y bifurcándose en cada nodo.

Para conocer el valor de la corriente que circula por cada punto del circuito y la tensión con referencia al terminal negativo de la batería, no necesita conectar ningún instrumento de medida. Simplemente acerque la flecha del mouse a los conductores de conexión y el LW generará una ventanita en donde se indica V e I en ese lugar del circuito. Verifique que los valores de corriente obtenidos anteriormente son los correctos.

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Para detener la simulación solo debe pulsar las teclas Control y F9 de su PC al mismo tiempo.

Enunciado de la primera Ley de Kirchoff

La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primer ley de Kirchoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes.

La razón por la cual se cumple esta ley se entiende perfectamente en forma intuitiva si uno considera que la corriente eléctrica es debida a la circulación de electrones de un punto a otro del circuito. Piense en una modificación de nuestro circuito en donde los resistores tienen un valor mucho mas grande que el indicado, de modo que circule una corriente eléctrica muy pequeña, constituida por tan solo 10 electrones que salen del terminal positivo de la batería. Los electrones están guiados por el conductor de cobre que los lleva hacia el nodo 1. Llegados a ese punto los electrones se dan cuenta que la resistencia eléctrica hacia ambos resistores es la misma y entonces se dividen circulando 5 por un resistor y otros 5 por el otro. Esto es totalmente lógico porque el nodo no puede generar electrones ni retirarlos del circuito solo puede distribuirlos y lo hace en función de la resistencia de cada derivación. En nuestro caso las resistencias son iguales y entonces envía la misma cantidad de electrones para cada lado. Si las resistencias fueran diferentes, podrían circular tal ves 1 electrón hacia una y nueve hacia la otra de acuerdo a la aplicación de la ley de Ohm.

Mas científicamente podríamos decir, que siempre se debe cumplir una ley de la física que dice que la energía no se crea ni se consume, sino que siempre se transforma. La energía eléctrica que entrega la batería se subdivide en el nodo de modo que se transforma en iguales energías térmicas entregadas al ambiente por cada uno de los resistores. Si los resistores son iguales y están conectados a la misma tensión, deben generar la misma cantidad de calor y por lo tanto deben estar recorridos por la misma corriente; que sumadas deben ser iguales a la corriente entregada por la batería, para que se cumpla la ley de conservación de la energía.

En una palabra, que la energía eléctrica entregada por la batería es igual a la suma de las energías térmicas disipadas por los resistores. El autor un poco en broma suele decir en sus clases. Como dice el Martín Fierro, todo Vatio que camina va a parar al resistor. Nota: el Vatio es la unidad de potencia eléctrica y será estudiado oportunamente.

Segunda Ley de Kirchoff

Cuando un circuito posee mas de una batería y varios resistores de carga ya no resulta tan claro como se establecen la corrientes por el mismo. En ese caso es de aplicación la segunda ley de kirchoff, que nos permite resolver el circuito con una gran claridad.

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En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de batería que se encuentran al recorrerlo siempre serán iguales a la suma de las caídas de tensión existente sobre los resistores.

En la figura siguiente  se puede observar un circuito con dos baterías que nos permitirá resolver un ejemplo de aplicación.

Fig.3. Circuito de aplicación de la segunda ley de Kirchoff

Observe que nuestro circuito posee dos baterías y dos resistores y nosotros deseamos saber cual es la tensión de cada punto (o el potencial), con referencia al terminal negativo de B1 al que le colocamos un símbolo que representa a una conexión a nuestro planeta y al que llamamos tierra o masa. Ud. debe considerar al planeta tierra como un inmenso conductor de la electricidad.

Las tensiones de fuente, simplemente son las indicadas en el circuito, pero si pretendemos aplicar las caídas de potencial en los resistores, debemos determinar primero cual es la corriente que circula por aquel. Para determinar la corriente, primero debemos determinar cual es la tensión de todas nuestras fuentes sumadas. Observe que las dos fuentes están conectadas de modos que sus terminales positivos están galvánicamente conectados entre si por el resistor R1. esto significa que la tensión total no es la suma de ambas fuentes sino la resta. Con referencia a tierra, la batería B1 eleva el potencial a 10V pero la batería B2 lo reduce en 1 V. Entonces la fuente que hace circular corriente es en total de 10 – 1 = 9V . Los electrones que circulan por ejemplo saliendo de B1 y pasando por R1, luego pierden potencial en B2 y atraviesan R2. Para calcular la corriente circulante podemos agrupar entonces a los dos resistores y a las dos fuentes tal como lo indica la figura siguiente.

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Fig.4 Reagrupamiento del circuito

¿El circuito de la figura 4 es igual al circuito de la figura 3? No, este reagrupamiento solo se genera para calcular la corriente del circuito original. De acuerdo a la ley de Ohms

I = Et/R1+R2

porque los electrones que salen de R1 deben pasar forzosamente por R2 y entonces es como si existiera un resistor total igual a la suma de los resistores

R1 + R2 = 1100 Ohms

Se dice que los resistores están conectados en serie cuando están conectados de este modo, de forma tal que ambos son atravesados por la misma corriente igual a

I = (10 – 1) / 1000 + 100 = 0,00817 o 8,17 mA

Ahora que sabemos cual es la corriente que atraviesa el circuito podemos calcular la tensión sobre cada resistor. De la expresión de la ley de Ohm

I = V/R

se puede despejar que

V = R . I

y de este modo reemplazando valores se puede obtener que la caída sobre R2 es igual a

VR2 = R2 . I = 100 . 8,17 mA = 817 mV

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y del mismo modo

VR1 = R1 . I = 1000 . 8,17 mA = 8,17 V

Estos valores recién calculados de caídas de tensión pueden ubicarse sobre el circuito original con el fin de calcular la tensión deseada.

Fig.5 Circuito resuelto

Observando las cuatro flechas de las tensiones de fuente y de las caídas de tensión se puede verificar el cumplimiento de la segunda ley de Kirchoff, ya que comenzando desde la masa de referencia y girando en el sentido de las agujas del reloj podemos decir que

10V – 8,17V – 1V – 0,817 = 0 V

o realizando una transposición de términos y dejando las fuentes a la derecha y las caídas de tensión a la izquierda podemos decir que la suma de las tensiones de fuente

10V – 1V =  8,17V + 0,817 = 8,987 = 9V

Y además podemos calcular fácilmente que la tensión sobre la salida del circuito es de

0,817V + 1V = 1,817V

con la polaridad indicada en el circuito es decir positiva.

Trabajo práctico en el laboratorio virtual

Page 26: Electrónica Completa

Nuestro trabajo práctico consiste en dibujar el circuito en el LW. Activarlo con F9 y recorrerlo con el cursor anotando las caídas de tensión y la corriente en cada punto del mismo. Se podrá verificar el cumplimiento estricto de los valores calculados.

Posteriormente lo invitamos a resolver otro circuito que es el indicado a continuación para el cual le damos una ayuda.

Fig.6 Circuito para resolver por el alumno

La ayuda que le vamos a dar es la siguiente:

1. Considere al circuito completo como construido con dos mayas. La maya I y la maya II. Resuelva la corriente en la malla I solamente, suponiendo que la II esta abierta.

2. Luego haga lo propio con la malla II; cada malla va a generar una corriente por R3.

3. Súmelas considerando sus sentidos de circulación y obtendrá la corriente real que la recorre cuando las dos mallas están conectadas y de allí podrá calcular la caída de tensión sobre R3.

4. Luego debe obtener las otras caídas de tensión y establecer la segunda ley de Kirchoff.

5. Por último calculará la tensión de salida V1.6. Luego dibuje el circuito en el LW y verifique que el resultado hallado

corresponda con el circuito virtual y por supuesto con la realidad.

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Conclusiones

Page 27: Electrónica Completa

De este modo ya estamos en poder de valiosas herramientas de trabajo que se utilizan todos los días en la resolución de circuitos electrónicos simples, que ayudan al reparador a determinar los valores de tensión y corriente, existentes en los circuitos.

En la próxima lección, vamos a trabajar con fuentes de tensión alterna aplicadas a circuitos con resistores. Posteriormente, vamos a presentarle los dos componentes pasivos que acompañan al resistor en los circuitos mas comunes: el capacitor y el inductor y en poder de todo este conocimiento, le vamos a explicar como armar y probar su primer dispositivo útil; una radio elemental que nos permitirá conocer conceptos muy importantes de la electrónica.

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4/ El resistorEl alma de la electrónica y su personaje más importante es el resistor, pero no es el único personaje de nuestra novela. En efecto los personajes se diferencia en activos y pasivos y dentro de los pasivos se encuentran otros personajes que seguramente Ud. debe por lo menos conocer de nombre: el capacitor, el inductor, el transformador, el potenciómetro, etc. Entre los activos se encuentras el diodo el transistor, la válvula (o su versión moderna los tubos de televisión y los display termoiónicos).

Nuestro estudio recién comienza, en esta lección vamos a hablar de la personalidad de nuestro principal acto: el resistor. El resistor es el único componente electrónico que esta diseñado para “según se dice” disipar energía eléctrica. El termino disipar no es realmente es mas adecuado, porque como ya sabemos existe un principio fundamental en la física que dice que:

La energía no se crea ni se pierde solo se transforma

Por lo tanto el autor prefiere decir que el resistor es el único componente que transforma energía eléctrica en energía térmica.

Como sabemos que nuestros alumnos son personas curiosas que alguna vez tocaron un transformador y observaron que estaba caliente, es que no queremos dejarlos con la duda. Si, es cierto, un transformador se calienta pero calentarse no es la función para la cual fue creado. Es una característica secundaria de su funcionamiento y totalmente indeseada; un

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transformador de buena calidad trabaja mas frío que uno de mala calidad. Por otro lado podríamos aclarar mas aun el panorama y decir que el transformador se calienta porque esta construido con alambre de cobre y el alambre de cobre tiene cierta resistencia que es la que transforma energía eléctrica en calor.

Si el alambre se hace más grueso tiene menos resistencia y entonces se calienta menos. En el limite si el alambre pudiera hacerse de diámetro infinito no tendría resistencia y el transformador cumpliría con su función primaria sin calentarse para nada.

Por lo tanto y parafraseando un viejo dicho criollo que dice que “todo bicho que camina va a parar al asador” podríamos decir que “toda carga que camina va a parar al resistor”.

¿Por qué se calienta un resistor?

Como a una persona, a las moléculas o a los átomos que forman a nuestro resistor no les gusta que les peguen. Cuando les pegan reaccionan calentándose. ¿Y quién les pega a las moléculas? Los electrones que circulan por el resistor saltando de átomo en átomo del material que las forma. Esto significa que cuando mas electrones circulan mayor calor se produce. Para hacerlo mas práctico podríamos decir que la temperatura del resistor depende de la corriente eléctrica que circula por él y para ser finos podríamos explicarlo matemáticamente diciendo que

T = F (I)

que se lee: la temperatura es función de la corriente circulante por el resistor.

Igual que cuando le pegan a una persona, no todo depende de la cantidad de golpes que le pegan en un intervalo de tiempo determinado. También depende de la velocidad de los puños a la cual se aplican esos golpes. En nuestro caso depende de la velocidad a la cual se desplazan los electrones dentro del resistor y eso depende de la diferencia de potencial o tensión aplicada al resistor. Es decir que matemáticamente podríamos decir que también

T = F (V)

Es decir que combinando las expresiones matemáticas

T = F (I,V)

No se maree con las formulas, ellas nos deben hacer las cosas mas sencillas sino no tiene sentido aplicarlas. Todo lo que nos dice la ultima expresión es que la temperatura del resistor depende de la corriente que circula por él y de la tensión aplicada al resistor. Los electrónicos aprendemos con ejemplos. En la figura siguiente se puede observar un circuito muy sencillo en donde un resistor está conectado a una fuente de alimentación pero utilizando un amperímetro y un voltímetro para medir la tensión aplicada y la corriente que circula por el resistor. También se conecta un instrumento nuevo llamado

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Vatímetro o medidor de potencia eléctrica cuya indicación depende tanto de la tensión aplicada como de la corriente que circula.

Fig1. Medición de la potencia sobre un resistor

Primero analicemos algo extraño que no podemos dejar pasar. ¿Por qué si la fuente es de 9V al resistor solo le llegan 8,92V?. La respuesta es muy simple; porque el amperímetro tiene una resistencia interna considerable en donde se produce una caída de tensión. Esto no es un problema del laboratorio virtual sino una virtud. Los instrumentos reales también tienen resistencia interna. En el LW la resistencia interna del amperímetro no puede modificarse y es de 100 mOhms, otros laboratorios virtuales permite cambiar dicho valor. Los voltímetros también tiene una resistencia interna pero de elevado valor para que puedan ser conectados sobre la fuente sin generar elevadas corrientes. Por ejemplo en el LW un voltímetro tiene una resistencia interna de 50 Mohms.

La disposición de la figura no es la única posible para medir tensión y corriente, podría conectarse el voltímetro sobre la fuente y el amperímetro en serie con la carga. Cada una de las formas de conectar los instrumentos tienen un nombre. La primera se llama de tensión bien medida (porque se mide la tensión directamente sobre el resistor) y la segunda de corriente bien medida porque se mide correctamente la corriente circulante por el resistor.

En el mismo circuito se observa la conexión de un instrumento que posee cuatro bornes. Se trata de un vatímetro; este instrumento nos indica directamente la potencia disipada en el resistor que como podemos observar es de 7,95W.

El vatímetro no es un instrumento común. Por lo general cuando un reparador necesita conocer la potencia disipada en un resistor. Mide la corriente y la tensión y realiza el calculo de la potencia mediante la formula correspondiente que es

P = V x I

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En nuestro caso reemplazando valores obtenemos que

8,92V x 0,891A = 7.95W

Como puede observar el lector, se trata de un cálculo muy sencillo que no merece poseer un instrumento especial como un vatímetro.

Ahora sabemos que potencia se desarrolla en un resistor, pero no era precisamente eso lo que buscábamos. Nosotros queremos saber cuanto se calienta un resistor. Todo lo que podemos decir hasta ahora es que el resistor se va a calentar a una temperatura que es proporcional a la potencia disipada en él. Matemáticamente

T = F (P)

Pero esa función no es fácil de hallar porque depende de las dimensiones físicas del resistor. Como ya dijimos la función del resistor es transformar energía eléctrica en energía térmica o calor. Es decir que calienta el ambiente, el aire que lo rodea. La temperatura de su cuerpo es función de cuanto aire pueda calentar y eso es a su ves función de su superficie externa. Es decir que un resistor pequeño se va a calentar mas pero va a generar menos cantidad de aire caliente. Con el tiempo el ambiente se va a calentar a la misma temperatura pero el resistor no; el resistor se calienta más y si llega a su temperatura máxima de trabajo se quema y tenemos una falla eléctrica.

En realidad al diseñador de un circuito no le interesa saber a que temperatura se calienta un resistor; lo que le interesa es saber que resistor debe colocar en una determinada parte del circuito para que no se queme. Por esa razón cuando Ud. va a comprar un resistor de por ejemplo 1K el vendedor le pregunta ¿de que potencia? En efecto, él seguramente tiene resistores de 1K desde 0,125W hasta 50W. Los de 0,125W (1/8 de W) son muy pequeños y de carbón y los de 50W son muy grandes y de alambre.

Resistores de carbón depositado

Un resistor de carbón depositado se fabrica depositando carbón sobre un cilindro de material cerámico. Luego se agregan casquillos metálicos con terminales de alambre sobre sus puntas y por último se cubren de una pintura epoxi y se pintan las bandas de color que indican sus características.

En realidad con este método solo se fabrican algunos valores de resistencia como por ejemplo 1 Ohms, 10 Ohms, 100 Ohms, 1 Kohms, 10 Kohms, 100 Kohms, 1 Mohms y 10 Mohms que se suelen llamar cabezas de serie y que se diferencian en la cantidad de carbón depositado sobre los cilindros cerámicos (el espesor y tipo de grafito).

El resto de los valores se realizan por torneado de esos cilindros con un torno que hace un canal helicoidal en el carbón, al mismo tiempo que mide la resistencia y detiene el torneado cuando el resistor tiene el valor deseado.

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En La figura siguiente podemos observar una fotografía de los resistores mas comunes utilizados en la electrónica; los resistores de carbón depositado que se fabrican en varias potencias diferentes y en una amplia gama de resistencias. Como trabajo práctico le recomendamos al alumno que tome un resistor de este tipo y le saque la pintura externa para observar su construcción.

Fig.2 Resistores de carbón depositado

En la fotografía no se pueden apreciar las dimensiones de los resistores, por eso le damos una tabla de valores con todos los resistores que normalmente se fabrican y su modelo que es algo uniformado para todos los fabricantes.

Tipo L (longitud) D (diámetro) H (largo terminales) d (diámetro teminarles)

R16 3,2 máx. 1,8 ± 0,25 28 ± 1 0,5

R25 6,2 ± 0.5 2,3 ± 0,25 28 ± 1 0,6

R50 6,5 ± 0,5 2,3 ± 0,25 28 ± 1 0,6

R100 15 ± 0,5 6 ± 0,4 30 ± 3 0,8

Tabla de resistores de carbón depositado (dimensiones en mm)

R16, R25 etc. es el modelo del resistor.L: Longitud entre los casquillos sin considerar los terminalesD: Diámetro máximo (medido sobre los casquillos)H: Largo de los terminalesd: Diámetro de los terminales

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Las especificaciones mas importantes de estos resistores se pueden observar en la siguiente tabla.

Tipo

Potenciade

disipación nominal

Tensión máx.

de trabajo

Tensión máx.

de sobrecarga

Rango de resistencia

Temperatura ambiente

G=2% J=5%

R 16 0,16w 250v 400v10Ω – 220kΩ

1Ω – 10MΩ

70º

R 25 0,25w 300v 600v10Ω – 510kΩ

1Ω – 10MΩ

70º

R 50 0.50w 350v 700v10w – 1MΩ

1Ω – 10MΩ

70º

R 100

1w 500v 1000v 70º

Tabla de características de los resistores de carbón depositado

La primer columna es la disipación del resistor que se debe entender del siguiente modo: La temperatura de un resistor depende de la potencia disipada pero no es independiente de la temperatura ambiente dentro del equipo. Por esa razón, en la columna final indica que todos los valores anteriores son para una temperatura ambiente máxima de 70ºC. A esa temperatura si a un resistor modelo R16 se le hace disipar 0,16W el mismo llega a la temperatura máxima de trabajo.

Pero los resistores tienen una limitación mas. Aunque no se halla llegado al valor máximo de potencia disipable por el resistor si la tensión supera un determinado valor el resistor se daña porque se perfora dieléctricamente el surco del grafito. Esa tensión se encuentra en la tercer columna que indica la tensión máxima de trabajo a la cual pueden funcionar permanentemente los resistores. En la cuarta columna hay otro valor de tensión que está indicado como “Tensión máxima de sobrecarga”. Este valor indica que en forma esporádica y por corto tiempo sobre el resistor se puede aplicar una tensión mayor a la de trabajo.

En la quinta columna está indicado el rango de resistencia posible para cada modelo. Observe que el fabricante utiliza la letra w en lugar de Ohms. Además la columna esta desdoblada en otras dos con las letras G y J que indican la tolerancia de los resistores. A continuación le explicamos que se entiende como tolerancia.

Tolerancia de los componentes electrónicos

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Si yo digo que la electrónica es una ciencia muy inexacta seguramente Ud. se va a sorprender. Sin embargo es así ya que los componentes pasivos se utilizan con tolerancias del 5%. Un resistor especial de precisión puede tener una tolerancia del 2%. Se imagina si la tolerancia de una pieza mecánica común como un tornillo y una tuerca se fabricaran con una tolerancia del 5%. Seguramente no habría modo de colocar una tuerca en un tornillo que tuviera un +5% de tolerancia si la tuerca tuviera un -5% de tolerancia. Si por ejemplo el tornillo fuera de 3 mm, ese 5% implica que podría llegar a tener 3,15 mm y la tuerca tendría 2,85 mm.

La ciencia electrónica es en realidad muy exacta; ya que el diseño de los circuitos esta realizado de modo tal que absorbe dichas tolerancias a pesar de usar componentes individuales muy poco exactos. Inclusive mas adelante vamos a analizar componentes que tienen una tolerancia mayor. Por ejemplo de -20 +50%.

Los valores de los componentes están uniformados para todos los fabricantes en algo que se llama “serie”. Por ejemplo la serie del 20% esta compuesta del siguiente modo:

1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10

Esto significa que solo existen resistores de 1 Ohm, 1,2 Ohms , 1,5 Ohms etc. hasta llegar a 10 Ohms. Luego seguirán resistores de 12 Ohms, 15 Ohms 18 Ohms, etc y al llegar a 100 Ohms la serie salta a 120 Ohms y así sucesivamente. Esta no es la única serie que existe. Los resistores de carbón se fabrican también según la serie del 10% y del 5% existiendo por último resistores de la serie del 1% fabricado para instrumentos de precisión.

Resistores especiales

Hasta ahora vimos los resistores de uso mas común en electrónica. Pero estos están muy lejos de ser los únicos que se fabrican. Es muy común por ejemplo que se recurra a resistores de potencia mayor a 1W. En ese caso un resistor de carbón resultaría muy voluminoso porque el carbón solo soporta temperaturas del orden de los 250ºC. Inclusive se debe considerar que están soldados con aleaciones de estaño plomo cuya temperatura de fusión es de 180ºC. Si llegamos a 250 ºC de temperatura sobre el casquillos del resistores es posible que este no se queme pero se desuelde. Por esa razón en muchos casos los resistores se colocan alejados de la plaqueta (por ejemplo a 10 mm de altura) de modo que no transmitan el calor directamente a la soldadura.

Por arriba de 1 W se suele recurrir a resistores de alambre o a resistores de metal depositado en donde en lugar de depositar carbón sobre un cilindro cerámico, se deposita un metal que soporta mayor temperatura. Por lo demás estos resistores se fabrican de modo similar a los de carbón y llegan hasta potencias del orden de 3 a 5 W.

Los resistores de alambre pueden tener diferentes formas de acuerdo a su potencia. Es muy difícil que un equipo moderno utilice resistores de mas de 10W porque esos

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significaría un diseño poco logrado y sobre todo poco ecológico, ya que si un dispositivo cualquiera irradia calor al ambiente como efecto secundario, significa que hay un consumo de energía eléctrica mayor que se debe pagar todos los meses cuando llega la cuenta de energía eléctrica.

Otros resistores especiales están construidos, no para disipar mas potencia, sino para soportar una mayor tensión aplicada sobre ellos. En los comercios se los conoce por su nombre en Ingles “metal glazed” que no tiene una traducción precisa. Su tamaño suele ser el correspondiente al modelo R25 pero soportan una tensión de trabajo de 1KV.

El código de colores de resistores

Los resistores se identifican por un código de colores pintado en forma de barras sobre su cuerpo. Los de una precisión del 5% poseen cuatro bandas de colores, que comienzan sobre uno de los casquillos y terminan a mitad del cuerpo aproximadamente. Para leer un resistor, Ud. debe anotar en un papel el número equivalente a la banda mas externa, luego la siguiente y por último agregar tantos ceros como lo indique la tercer banda. La última banda tiene un color especial que indica la tolerancia. Si es dorada significa que tiene una tolerancia del 5%, si es plateada que su tolerancia es del 10% y si no tiene banda del 20%. En equipos modernos solo existen resistores con una banda dorada porque ya no se fabrican resistores del 10 o el 20%.

Fig 3.Código de colores de resistores

Resistores de montaje superficial

Los equipos mas modernos poseen resistores de montaje superficial que no tiene terminales o alambres de conexión. Por lo tanto solo se pueden conectar al circuito

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impreso por el lado de la impresión de cobre. El circuito impreso posee una extensión en donde apoya el resistor SMD que tiene forma de paralelepido (cubo alargado) con dos cabezas metalizas para su soldadura.

En la figura 4 se puede observar diferentes resistores SMD con su notación característica.

Fig.4 Marcación de los componentes SMD

Identificar el valor de un resistor SMD es más sencillo que hacerlo en un resistor convencional, ya que las bandas de colores son reemplazadas por sus equivalentes numéricos y así se estampan en la superficie del resistor, la banda indicadora de tolerancia desaparece y se la “presupone” en base al número de dígitos alfanuméricos que se indican, es decir: un número de tres dígitos nos indica con esos tres dígitos el valor del resistor, y la ausencia de otra indicación nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia del 5%. Un número de cuatro dígitos indica con los cuatro dígitos alfanuméricos su valor y nos dice que se trata de un resistor con una tolerancia de error del 1%.

La potencia o modelo del resistor solo se puede determinar en función del tamaño del mismo. Pero los fabricantes uniformaron su criterio de modo que los resistores se individualiza por su largo y su ancho. En la fotografía de la figura 5  se pueden observar un resistor cuyas medidas reales son de 12 mm de largo por 6 de ancho y un espesor o altura de 1 mm.

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Fig.5 Resistor SMD tipo 1206 de 10K

Conclusiones

Así estudiamos a uno de los personajes mas conocidos de la electrónica: el resistor y lo hicimos con lujo de detalles para que el alumno no dude cuando deba identificarlo en un circuito.

En la próxima lección , vamos a presentar a un personaje también muy conocido que es el capacitor y veremos que en realidad, del mismo modo que el resistor, se trata de una familia completa, porque los hay de diferentes tipos y materiales.

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5/ El capacitorEl resistor es el componente pasivo por naturaleza. Su función es disipar energía. Él transforma energía eléctrica en energía térmica. Podríamos decir que es un intercambiador de calor y no nos equivocaríamos. En un circuito con resistores la energía eléctrica se disipa. El resistor no acumula solo gasta. La pila o batería acumula y si es perfecta no gasta o transforma en calor y su energía acumulada permanece inalterable en el tiempo, solo el circuito externo es capaz de gastarla.

Pero existen otros componentes que sirven para acumular energía eléctrica a saber el capacitor que presentamos hoy y el inductor que presentaremos mas adelante. Esos dos

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componentes forman un grupo llamado “reactivos” y cuando son perfectos, es decir no tienen perdidas que pueden considerarse como componentes resistivas, nunca se calientan. Solo acumulan e intercambian energía entre ellos.

En nuestro curso ya utilizamos capacitores aun sin saberlo, al tratar el tema de los cuerpos cargados electrostáticamente. ¿Recuerda cuando cargamos un cuerpo metálico con una carga positiva y otra negativa? Y luego los conectamos con una varilla metálica. Los cuerpos se descargaban haciendo circular electrones desde el cuerpo negativo al positivo hasta que ambos estuvieran al mismo potencial eléctrico (a la misma tensión).

La carga de un capacitor

La construcción interna del capacitor nos recuerda a esa experiencia. En la figura 1 se pueden observar dos bolitas metálicas que forman un capacitor elemental.

Fig1 Capacitor elemental

Con este dispositivo tan simple vamos a establecer algunos conceptos muy precisos. Para cargar el capacitor elemental solo se requiere un cuerpo cargado por frotamiento, una pila o un generador mecánico de tensión continua (dínamo). Para cargar nuestro dispositivo podemos apoyar su barra superior al terminal positivo de la pila y su terminal inferior a la negativa. Inmediatamente se produce una circulación de electrones desde la pila a la bolilla inferior y desde la bolilla superior a la pila.

Esta circulación solo es momentánea al apoyar las barras; un tiempo después la circulación cesa porque se produjo un equilibrio de cargas. Si pudiéramos medir la tensión entre las dos barras con un instrumento de medición de resistencia interna infinita (que no afecte al circuito) observaríamos que las bolillas metálicas tienen una diferencia de potencial igual a la tensión de la pila.

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Lo más interesante es que esa tensión a la que fue cargado el capacitor elemental no se pierde nunca inclusive desconectando el dispositivo de la pila. Si el capacitor formado es ideal y el medidor tiene resistencia infinita puede medir la misma tensión hora tras hora.

Como Ud. sabe en nuestra especialidad todos tiene una representación a través de un circuito. En la figura 2 se pude observar la representación de nuestro capacitor elemental con una forma muy característica formando un circuito que nos permitirá cargar y descargar al capacitor. El elemento que transforma el circuito de carga en circuito de descarga se llama llave inversora y posee una lamina metálica que hace contacto físico con una u otra sección del circuito.

Fig. 2 Circuito de carga y descarga de un capacitor

Este es un circuito complejo para un principiante; así que vamos a explicarlo en detalle. La llave SW1 posee dos láminas metálicas conductoras. Esas laminas pivotean sobre los dos terminales de la izquierda y une alternativamente los contactos superiores o inferiores de la derecha. El mejor modo de entender este circuito es realizando realmente la simulación y observando como se mueve la llave SW1 al señalar con el mouse sobre ella y pulsar el botón de la izquierda. En la figura 3 se puede observar el detalle de la llave SW1 en sus dos posiciones.

A la izquierda se observa la posición de carga cuando el capacitor está conectado a la batería B1. A la derecha la descarga cuando el capacitor está conectado al resistor de descarga R1.

Fig.3 Llave inversora

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XSC1 es un instrumento de medición llamado osciloscopio que permite observar la tensión presente sobre el capacitor. El alumno no debe confundirlo con el instrumento clásico de aguja o digital que se utiliza para medir tensión y que fue tratado en YoReparo.com por el Sr. Luis Davila con el nombre “Utilizando el Multímetro”. En efecto un osciloscopio permite observar como varía la tensión sobre el capacitor a medida que transcurre el tiempo. Podemos decir que es un graficador de tensiones equivalente a realizar una medición con el multímetro cada segundo y graficar el resultado.

Sabemos que es muy improbable que un principiante tenga disponible un osciloscopio; por eso le recomendamos utilizar el Live Wire para realizar una simulación de la experiencia y para ello le explicaremos como armar el circuito simulado.

Explicar el procedimiento con palabras es sumamente tedioso, por eso empleamos un procedimiento resumido en forma simbólica.

^ M significa abrir la caja de materiales indicada en la extrema derecha de la barra superior señalando y picando con el botón de la izquierda del mouse. Luego >power supplies > battery significa abrir la cortina de selección pulsando en power supplies y luego seleccionar battery. Y por último pulsar con el botón de la izquierda del mouse sobre battery trasladar y soltar sobre la mesa de trabajo donde se desee ubicar la batería. Simbólicamente decimos:

^M>power supplies>battery o Gallery>power supplies>battery

>C ; >R ; >SW con lo cual tenemos indicado que sobre la mesa de trabajo se ubicó un capacitor, un resistor y una llave inversora doble. Luego se procede a trazar el circuito según indicáramos en la lección anterior.

Una vez armado el circuito o en el momento en que se pega cada componente, se debe dar un valor al mismo. Pulse dos veces sobre el componente elegido y aparecerá un cuadro de dialogo como el indicado en la figura 4.

Fig.4 Selección del valor de resistencia

En nuestro caso elegimos la unidad Ohms y el valor 1. Del mismo modo picamos dos veces sobre el capacitor y aparecerá el cuadro de dialogo de la figura 5 con las unidades de capacidad. La unidad de capacidad es el F o faradio pero resulta ser un valor demasiado grande así que por lo común se trabaja con mF milifaradio, uF microfaradio y

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pF pico faradio que corresponden a la milésima, millonésima, nanonésima y billonésima ava parte del Farad o en potencia de diez a 10-3 10-6 10 -9 y 10-12 F.

El LW realiza automáticamente los gráficos de la variación de la tensión en función del tiempo pero antes de generar el gráfico vamos a realiza el calculo de la llamada “constante de tiempo” de un circuito RC (es decir resistor y capacitor). En nuestro caso el capacitor se cargará con una tensión de 10V cuando la llave se encuentre hacia arriba cuando se la baja el capacitor de 1 uF se descargará sobre el resistor de 1 Ohms. El tiempo trascurrido para que la tensión llegue al 36,8% de la original se llama constante de tiempo del circuito y se calcula como el producto de R por C.

En nuestro caso

1 uF x 1 Ohms = 1 uS

uS significa 1 microsegundo o la millonésima ava parte de un segundo

Ahora podemos elegir la escala de nuestro grafico como de 2 uS por división en horizontal y 1 V por división en vertical para que se puedan observar la descarga prácticamente completa del capacitor. Para eso seleccione el icono con barras de colores (graf) y luego abra un grafico debajo del circuito. Picando sobre el grafico aparece una pantalla que permite seleccionar las escalas. Predispóngala según la figura siguiente.

Fig.5 Predisponiendo el gráfico

Antes de realizar la simulación hay que preparar al LW predisponiéndolo para trabajar en esta escala de tiempo ya que por defecto trabaja en el orden de los segundos.

Haga TOOLS>SIMULATION>TIMING CONTROL y seleccione en la pantalla tal como en la figura 6.

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Fig.6 Predisponiendo la simulación

Ahora ya está todo preparado. Simplemente pulse F9 del teclado y comenzará a generarse un línea negra en 10V si la llave SW1 está hacia arriba, en caso contrario pique sobre la llave con el mouse y cuando la tensión esta en 10V por un microsegundo vuelva a picar para que la llave cambie de posición y comience la descarga. En la figura 7 se puede observar el gráfico deseado.

Fig.7 Curva de descarga de un capacitor

Observe que a los 4 uS se desconecta la batería y se conecta el resistor de carga. Y que a los 5 uS la tensión es de 3,8V. A los dos segundos la tensión no es nula sino que es del 14% y a los 8 uS es de 0,2 V etc. . En realidad el capacitor no se descarga jamás siempre sigue cargado con un valor que decae la 38,4 % del valor que tenía 1 uS antes. Este tipo de curva se llama exponencial y siempre se presenta cuando se combina un componente reactivo con un componente resistivo.

Nota: en nuestro circuito de carga y descarga utilizamos una llave doble para desconectar los dos terminales de nuestro capacitor. En realidad tanto el terminal negativo de la batería como el terminal inferior del resistor y el terminal inferior del capacitor pueden estar permanentemente conectados a masa ya que basta con interrumpir en un solo punto del circuito para que deje de fluir la corriente.

En la figura 8 se puede observar el circuito modificado que el alumno deberá probar con el LW para determinar que nuestra hipótesis es cierta.

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Fig.8 Circuito con una llave inversora simple

Curva de carga de un capacitor

Así como un capacitor se descarga exponencialmente también se carga exponencialmente cuando entre la batería y el capacitor existe un resistor de valor conocido. En la figura 10 se puede observar un circuito en donde un capacitor se carga desde una fuente de 10V o se descarga a masa al mover una llave.

Fig.9 Carga y descarga de un capacitor

El gráfico se genera moviendo la llave cada 2 uS aproximadamente. Cuando la llave está hacia arriba el capacitor se carga y la tensión sube cuando está hacia abajo se conecta el resistor y la tensión baja. Aquí debemos explicar dos cosas muy importantes con referencia a la simulación. Lo primero es que en este último circuito al lado de la llave dice Key = “A”. Esto significa que la llave se puede comandar con la tecla “A” del teclado de la PC. En realidad Ud. puede seleccionar la tecla deseada porque picando dos veces sobre la llave aparece un cuadro de dialogo que le pregunta con que tecla desea controlar a la misma. Lo segundo es que es imposible que estemos abriendo y cerrando la

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llave en dos millonésimas de segundo (2 uS). Seguramente estamos tardando segundos entre pulsado y pulsado. Lo que ocurre es que la simulación no se realiza en tiempo real. En realidad el circuito no se arma realmente sino que se resuelven ecuaciones pero a tal velocidad que se pueden representar en una gráfica; aunque no en tiempo real. En nuestro ejemplo se demora aproximadamente 1 S por cada uS transcurrido. El tiempo simulado se puede leer en la parte inferior de la pantalla donde dice “time”.

La curva exponencial

¿Se puede explicar fácilmente la razón de que la tensión cambie en forma exponencial al descargarse un capacitor? Habría que utilizar matemáticas para demostrarlo pero es preferible intuir el motivo antes de realizar una demostración puramente académica. Analizando nuestro ejemplo podemos decir que cuando el capacitor esta cargado con 10 V y sobre él se conecta un resistor de 1 Ohm, la corriente que circula por el resistor es de 10 A y por lo tanto la caída de tensión en el resistor es igual a la tensión de fuente. Cuando el capacitor se descarga sobre el resistor hay menos tensión y por lo tanto cada ves toma menos corriente y entonces es lógico que tarde mas en descargar al capacitor. Por ejemplo cuando pasó un microsegundo la tensión es de 3,8V y solo circulan 3,8 A por el resistor.

¿Se puede conseguir que un capacitor se cargue linealmente? Por supuesto pero se lo debe cargar con una fuente de corriente constante y no con una fuente de tensión constante como por ejemplo una batería.

¿Y que es una fuente de corriente constante? Una fuente de tensión constante es aquella cuya tensión de salida no cambia con la corriente de carga. En cambio una fuente de corriente constante es toda aquella fuente que entrega una corriente constante de salida independientemente de la resistencia de carga. Por ejemplo, una fuente de corriente constante de 1A va a entregar esa corriente tanto si se la carga con 1 Ohms como si la carga con 10 Ohms.

En la figura 10 se puede observar que el LW tiene un símbolo para las fuentes de corriente constante y otro para las fuentes de tensión constante. Obtenido de Gallery>Power supplies>DC Voltaje sources o DC Current sources y ajustando luego el valor de tensión o de corriente.

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Fig.10 Uso de las fuentes de tensión constante

V1 es el dibujo de una fuente de tensión constante de 1KV (1 kilovolt) que carga al capacitor C1 cuando se opera el pulsador SW1 (Gallery>Input Components>Push to Make). En realidad Se puede considerar que la combinación de la fuente de tensión de 1KV con el resistor R1 forman una fuente de corriente si no se permite que la tensión sobre el capacitor supere los 10V. En efecto cuanto el capacitor esta descargado (VC1=0) y la corriente circulante por la fuente es 1KV/1Kohms = 1ª . 6 uS después la tensión sobre el capacitor creció hasta 6V y la corriente será entonces igual a (1.000 – 6)/ 1.000 = 0,9999A es decir prácticamente 1 A. Es decir que la corriente circulante no depende de la carga dentro de nuestro rango de utilización entre 0 y 10V.

Observe que cuando un capacitor se carga a corriente constante la curva exponencial se transforma en una recta dando lugar a muchos circuitos útiles que iremos conociendo paulatinamente.

El mismo resultado se puede obtener utilizando el símbolo de la fuente de corriente constante. En realidad si Ud. lo desea puede considerar que las fuentes de corriente constante son solo una abstracción electrónica ya que no existe como componente real. En la figura 11  se puede observar la modificación del circuito para que funcione con una fuente de corriente constante.

Fig.11 Uso de una fuente de corriente

Como puede observar el alumno los circuitos generan la misma señal sobre el capacitor y son por lo tanto equivalentes. El resistor R1 agregado es a los efectos de que el laboratorio virtual pueda realizar cálculos cuando el pulsador está abierto. Si no existiera cuando el LW quiere calcular la tensión sobre la fuente de corriente debe realizar una multiplicación por infinito y eso hace que la simulación se interrumpa.

Conclusiones

En esta lección conocimos el segundo personaje más importante de la electrónica. En realidad solo lo presentamos ya que aun no explicamos como esta construido un capacitor real.

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Hasta ahora nuestro capacitor son dos bolas metálicas separadas por un aislador que es el aire. Nunca indicamos el tamaño de esas bolas, necesario para lograr un capacitor de 1 uF como el que utilizamos en la explicación. Ese capacitor debería tener aproximadamente varios kilómetros de diámetro. Pero por suerte la industria actual nos ofrece soluciones tan pequeñas como la de un cilindro de 3 mm de diámetro por 3 de altura.

En la próxima lección vamos a completar el tema explicando que es un capacitor cerámico, uno de polyester y un capacitor electrolítico y sobre todo nos vamos a detener en este ultimo por ser uno de los componentes con mayor índice de fallas y por tener la particularidad de ser un componente polarizado.

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6/ Capacitores cerámicos, electrolíticos y SMD¿Cuantos tipos de capacitores hay? Muchos y cada uno tiene una función especifica. Por ahora no podemos explicar muy bien para que sirve cada uno ya que por el momento solo dominamos el campo de la corriente continua. Sin embargo en la entrega anterior vimos que podemos cargar y descargar un capacitor en intervalos de tiempo tan pequeños como 1 uS. Las señales pulsantes que se generan ya no son corrientes continuas propiamente dichas y nos ayudaran a explicar para que sirven cada uno de los capacitores que se utilizan en la electrónica y que podemos adelantar que son de cinco tipos diferentes a saber:

Capacitores electrolíticos (polarizados, no polarizados y de Tantalio) Capacitores de polyester (metalizado y no metalizados) Capacitores cerámicos (disco y Plate) Capacitores de mica plata Capacitores SMD

En la figura1 se pueden observar muestras de cada tipo de capacitor.

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Fig.1 Muestrario de capacitores

Modificando nuestro capacitor elemental

Por ahora nuestro capacitor esta construido con dos bolitas metálicas separadas por aire. Experimentalmente se puede demostrar que cuando mas grandes son las bolitas mayor es la capacidad del capacitor y que lo mismo ocurre cuando mas cerca está una bolita de la otra. Con las bolitas esféricas es evidente que la superficie enfrentada varia constantemente y la capacidad que se obtiene es muy baja.

Botella de Leyden

Pieter van Musschenbroek físico y científico  holandés  que nació en Leyden, Holanda el 14 de marzo de 1692 y murió en  1761. Durante el año de 1746  construye el primer capacitor práctico y lo llama, en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo, “Botella de Leyden”. El nombre de la “Botella de Leyden” quedó en la historia como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia y consistía en una botella de vidrio con delgadas láminas metálicas que la cubrían por dentro y por fuera. Una varilla metálica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con la lámina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una diferencia de potencial que hacía que la “Botella de Leyden” se cargara. Una vez cargada se la podía descargar acercando el conductor central a la placa externa, produciendo la perforación dieléctrica del aire mediante una chispa.

Lo que se busca al diseñar un capacitor, es que exista una gran superficie de enfrentamiento entre los dos cuerpos metálicos que ofician de placas. Pero ¿por qué Musschenbroek utilizo el vidrio para separar las placas metálicas? Porque observó que la capacidad era fuertemente dependiente del material utilizado para separar los cuerpos metálicos o placas y que llamó “dielectrico”.

Sabemos que un capacitor acumula energía eléctrica. Pero en donde esta acumulada esa energía eléctrica ¿en las placas o en el dieléctrico? Musschenbroek estaba seguro que era en las placas como parece indicar la lógica y para demostrarlo fabricó un capacitor desarmable con dos chapas cuadradas y un vidrio que podía retirase a voluntad para reemplazarlo por otro vidrio. Armó el capacitor lo cargó con varios KV, sacó el vidrio y coloco un vidrio virgen; probó si sacaba chispas y se sorprendió al ver que el capacitor estaba descargado. Volvió a colocar el primer vidrio y observó que el capacitor produjo chispas al unir las placas con un conductor.

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Es decir que la energía estaba en el dieléctrico, lo cual explicaba que la capacidad dependiera del mismo. De sus estudios y experimentos dedujo que la energía no podía estar acumulada en las placas porque un metal no puede tener diferencias de potencial en su interior debido a la movilidad de los electrones. En cambio, en el dieléctrico, si los electrones son reubicados se quedan en esa misma posición por una infinita cantidad de tiempo si el dieléctrico es ideal (no tiene fugas). Se puede decir que en el dieléctrico existe un campo eléctrico con zonas donde hay un exceso de electrones a zonas donde hay una ausencia de electrones. Todo el dieléctrico es neutro pero sus diferentes zonas tienen lo que se llama un gradiente de potencial que va variando linealmente de una zona positiva a otra negativa.

Distribución del potencial dentro de un capacitor plano

La capacidad de un capacitor es directamente proporcional a la superficie enfrentada de las placas e inversamente proporcional a la separación o espesor del dieléctrico. La constante de proporcionalidad es un coeficiente que depende del dieléctrico utilizado y se llama constante dieléctrica. Cuando se requieren grandes capacidades se recurre a realizar dieléctricos de muy bajo espesor y placas de mucha superficie. Algo muy común es realizar placas y dieléctricos muy largos y luego enrollarlas sobre si misma. Otro modo es realizar mas de dos capas metálicas planas y unir todas las placas pares y todas las placas impares. Más adelante volveremos sobre la tecnología de los capacitores.

La capacidad de un capacitor se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador al que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1V éste adquiere una carga eléctrica de 1 Culombio de electricidad.

Un capacitor de 1 faradio es mucho más grande que la mayoría de los capacitores utilizados en electrónica, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en submúltiplos del F. Los supercondensadores son la excepción. Están hechos de carbón

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activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las “placas”. Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se están utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente

Q = C . V

en donde:

C: Capacidad Q: Carga eléctrica V: Diferencia de potencial o tensión aplicada

Ahora imagínese al capacitor como un recipiente de electrones cuando mas tensión V le aplica mas electrones entran en el mismo. Lo mismo ocurre cuando mas grande es el recipiente “C”.

Capacitores cerámicos

Los capacitores cerámicos sueles ser de dos tipos diferentes. Los cerámicos disco son los mas comunes y tienen una forma muy simple: se trata de un disco de material aislante cerámico de elevada constante dieléctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos chicotes de conexión resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3 en donde se observa el capacitor si su baño final de pintura epoxi que tapa el disco y parte de los terminales.

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Fig.3 Capacitor cerámico disco

Este tipo de capacitor se provee desde capacidades de 2,2 pF hasta .1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen también capacitores cerámicos disco de mayor tensión para aplicaciones especiales que llegan a valores de 2 KV.

Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia mas común es del 5% y los de valores bajos hasta 100 pF no varían con la temperatura y se denominan NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variación con la temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no varíe con la temperatura.

Por lo general estos capacitores están marcados con lo que se llama el método Japonés que consiste en utilizar un código de 3 cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo un capacitor marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores de bajos valores cuando se utiliza este código se lo escribe subrayado (en nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si no lo está es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podría estar marcado 220 o 22.

Otra tecnología muy parecida es la de los capacitores Plate que se caracterizan por tener una forma rectangular en lugar de la clásica circular como la de los disco. En realidad la palabra Plate es una marca registrada de Philips. Pero su uso es tan común que se lo toma como un denominación de tipo. Están construidos igual que los disco con una pastilla cerámica plateada en sus dos caras en donde se sueldan posteriormente los terminales de alambre de cobre. La marcación de estos capacitores es simplemente escribir el valor en una unidad cómoda utilizándola la letra de la unidad como una coma decimal. Por ejemplo un capacitor marcado 4n7 es un capacitor de 4,7 nF. Se puede observar que los capacitores posee su cabeza pintada de un color que determina la variación de la capacidad con la temperatura. Por ejemplo una cabeza negra significa que es un capacitor NP0 que no varía con la temperatura.

Los dos tipos de capacitores tratados suelen tener versiones multicapa que poseen una elevada capacidad en un pequeño tamaño.

Capacitores con dieléctrico de plástico

Por lo general se fabrican partiendo de dos finos folios de polyester que se enrollan junto con dos láminas también muy finas de aluminio, para formar las placas del capacitor. Una variante para lograr tamaños mas pequeños consiste en metalizar el plástico usado como dieléctrico. La primer versión suele utilizarse para capacitores que requieran una elevada corriente circulando por ellos, debido a que la presencia de las laminas metálicas ayudan a extraer el calor interno y el mayor tamaño ayuda a disipar el calor que llega al exterior. La segunda versión se utiliza donde solo existen bajas corrientes.

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El tipo de dieléctrico utilizado se presta para construir capacitores de elevada tensión de aislación que está estandarizada en 250V, 400V y 630V. En cuanto a la banda de capacidades que se pueden construir; esta suele comenzar en 1.000 pF y llegar hasta 0,47 uF (habitualmente se dice .47 uF) o 1 uF.

Existe dos modos de marcar estos capacitores de acuerdo al fabricante.

Philips suele pintarlos con tres bandas de colores para la capacidad de modo que se comiencen a leer por la banda mas alejada de los terminales con el clásico código de colores de resistores (primer valor significativo, segundo valor significativo, cantidad de ceros) con la capacidad expresada en pF. Estos capacitores tienen una aceptable estabilidad con la temperatura y un coeficiente térmico que compensa perfectamente la variación de un resistor de carbón. De este modo suelen ser los capacitores elegidos cuando se diseña una constante de tiempo RC.

Siemens imprime directamente las características del capacitor en el cuerpo (normalmente pintado de naranja) y usa una tecnología algo diferente que se llama multicapa. Los capacitores no son enrollados sino con capas metálicas planas y entrelazadas. Pero a todos los efectos se considera a ambas tecnologías como equivalentes y solo diferenciables en que los capacitores de Philips tienen simetría cilíndrica y los de Siemens tienen simetría cúbica.

Capacitores electrolíticos

Donde se requiera un pequeño tamaño son indispensables los capacitores electrolíticos cuya faja de capacidades suele empezar en .47 uF y llegar hasta 10 mF. Un capacitor electrolítico esta construido enrollando dos laminas de aluminio y dos láminas de papel mojado en agua acidulada llamada electrolito. El electrolito es un camino de relativamente baja resistencia es decir que inmediatamente después de fabricado, no tenemos un capacitor sino un dispositivo sin terminar que se llama protocapacitor. El protocacitor se conecta a una fuente de corriente de modo que el ácido oxide a una de las placas de aluminio. Como el óxido es un aislador, un tiempo después se forma un capacitor electrolitico polarizado en donde la placa positiva esta oxidada.

El valor de capacidad y de tensión no solo depende de las características geométricas de las placas sino que depende fuertemente de este interesante proceso de formación que no es permanente. En efecto el único componente electrónico con fecha de vencimiento es el electrolítico ya que si se lo deja mucho tiempo sin aplicarle tensión se desforma variando su capacidad y su tensión de aislación.

Podríamos decir que un electrolítico (normalmente se obvia la palabra capacitor) es un componente vivo que se alimenta del equipo. Y si el equipo no se usa por mucho tiempo los electrolíticos fallan y hasta inclusive explotan si son circulados por una corriente excesiva. Por lo común el buen diseñador tiene en cuenta el problema y suele (cuando el circuito lo permite) agregar algún pequeño resistor en serie para evitar la explosión. De este modo por lo general el electrolítico se hincha en su cara superior y en su tapón de

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goma inferior por la presión de los gases generados en su interior, pero no llega a explotar.

Si el lector tiene educación informática sabe que muchos de los problemas de un motherboard se arreglan al cambiar los electrolíticos, sobre todo si estos se ven hinchados o si existen derrames de líquido a su alrededor.

Cuando se reemplaza un electrolítico, se debe prestar la mayor atención al valor de tensión del mismo. Existe una falsa información muy difundida en nuestro gremio que indica: un electrolítico de mayor tensión puede reemplazar siempre a otro de menor tensión. Esto es cierto con el fin de realizar una prueba; pero luego es conveniente realizar un reemplazo definitivo sin exceder el rango de tensión. La razón de esto obedece al fenómeno de la deformación de un electrolítico que tiene aplicada una tensión muy pequeña para su valor de trabajo.

Si Ud. posee experiencia en la reparación, habrá observado que los electrolíticos de bajo valor son mas susceptibles de fallar que los de valor m´ss elevado. Esto parecería no tener una explicación simple. Pero la tiene. Sucede que cuando un fabricante tiene que hacer capacitores de bajo valor se encuentra con un problema; con unas cuantas vueltas ya se pasa de capacidad. Entonces hace circular corriente por mucho tiempo para que la capa de oxido sea de mayor espesor; de este modo controla la capacidad pero no puede evitar que el capacitor fabricado tenga una tensión de trabajo elevada. Como el comprador pide de un valor mas bajo, lo marca con ese valor para dejarlo conforme, pensando en que las pruebas de control de calidad va a dar bien de cualquier modo. Y en efecto así es, pero ese capacitor ya tiene la simiente de la falla marcada en su cuerpo. Donde dice 12V debería tal ves decir 250V. Si el equipo provee 6V es prácticamente como si el capacitor estuviera sin alimentar y unos pocos meses después falla catastróficamente por deformación.

Debido a todos estos problemas, el electrolítico es el dispositivo de mayores tolerancia que usamos en la electrónica. En efecto la tolerancia normal es de -30% +100%. También son muy susceptibles de variar de acuerdo a la temperatura. Por todas estas razones su uso se ve limitado solo a alisar tensiones de fuente y solo cuando las fluctuaciones son muy lentas, porque su construcción enrollada los hace comportar mas como inductores (que serán estudiados en la próxima entrega) que como capacitores.

Otro problema es su polarización. Un electrolítico debe recibir la tensión positiva en el terminal marcado + . Si por error se conecta al revés, se produce una elevada circulación de corriente ya que el electrolítico intenta formarse con la polaridad inversa, se calienta y explota. Si el circuito puede invertir su tensión se deberán utilizar electrolíticos no polarizados (internamente poseen dos electrolíticos en inversa dentro de una misma cápsula).

El problema de la tolerancia y la variación con la temperatura se resuelve utilizando placas de un metal llamado tantalio, que tiene una elevada resistencia al ataque de los ácidos. De este modo una ves formado el electrolítico de tantalio es muy difícil que se

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deforme con el tiempo. Su costo elevado hace que solo se lo utilice en circuitos especiales donde se requiera una estrecha tolerancia.

Un capacitor de tantalio sigue siendo polarizado. Por esas razones cuando se requiere un capacitor no polarizado y estable se recurre a colocar dos electrolíticos de tantalio en oposición dentro de la misma cápsula.

Capacitores de precisión

En muchos casos se deben emplear capacitores de precisión (por ejemplo al 1%) y cuya capacidad prácticamente no varíe con la temperatura. En esos casos si se trata de capacitores para constantes de tiempo altas, del orden del uS, se recurre a capacitores enrollados con un dieléctrico de plástico especial llamado Macrofol con carga de mica pulverizada (a la izquierda en la figura). Pero cuando se trata de constantes de tiempo mas pequeñas, se recurre a los auténticos capacitores de mica/plata que se construyen con un tubo de mica metalizado en su interior y su exterior con plata pura.

Los capacitores de Macrofol suelen partir de unos pocos pF y llegar a valores del orden de los 1000 pF, en tanto que los capacitores de mica/plata no suelen sobrepasar los 220 pF, ambos con bajas tensiones de trabajo del orden de los 50V.

El rotulado de los Macrofol es simplemente por impresión, en cambio los capacitores mica/plata muchas veces no están rotulados, ya que suelen estar ocultos dentro de los inductores blindados y son muy pequeños como para recibir una simple impresión.

Capacitores variables

Los capacitores variables se utilizan para lograr la sintonía de un dispositivo. En este sector solo los nombramos porque su tratamiento completo será analizado cuando realicemos nuestro trabajo práctico sobre la fabricación de una radio elemental.

Capacitores SMD

En los equipos actuales, en la secciones de señal, se utiliza el armado por componentes SMD (surface mounting device o componentes de montaje superficial). De todos los capacitores nombrados hasta aquí los que mas se prestan para el montaje superficial son los capacitores cerámicos. Los capacitores electrolíticos tienen una versión enteramente SMD pero su costo es casi prohibitivo. Por esa razón simplemente se coloca un electrolítico común (con sus terminales cortados) en una base cerámica y se los utiliza como SMD.

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Fig.4 Capacitores cerámicos SMD

Estos capacitores se identifican por su dimensiones; por ejemplo los de tipo 0805 tienen una largo de 8 mm y un ancho de 5mm. Puede ocurrir que no tengan ninguna marcación sobre su cuerpo porque el fabricante los identifica por el tamaño y el color. Otros fabricantes los marcan con un sistema codificado o de código reducido debido a su pequeño tamaño.

La codificación del valor consiste en una letra seguida por un número, la letra corresponde a la mantisa o valor significativo indicado en la tabla inferior y el número corresponde a la cantidad de ceros que se deben agregar a la mantisa, obteniéndose el resultado en pF.

Letra Mantisa Letra Mantisa Letra Mantisa

A 1.0 J 2.2 S 4.7

B 1.1 K 2.4 T 5.1

C 1.2 L 2.7 U 5.6

D 1.3 M 3.0 V 6.2

E 1.5 N 3.3 W 6.8

F 1.6 P 3.6 X 7.5

G 1.8 Q 3.9 Y 8.2

H 2.0 R 4.3 Z 9.1

Tabla para la lectura de capacitores cerámicos

Ejemplos:

S4 indica 47nF ( 4.7 x 104 pF = 47.000 pF ) A2 indica 100 pF ( 1.0 x 102 pF ) A3 indica 1 nF ( 1.0 x 103 pF = 1000 pF )

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Los capacitores cerámicos SMD requieren un trato muy especial porque es suficiente con tocarlos con un soldador sobrecalentado para alterar su valor o fisurarlos. Inclusive muchas veces son afectados por un inapropiado proceso de soldadura (shock térmico) que los afecta de modo tal que suelen fallar algunos meses después de su salida de la planta de producción.

Conclusiones

En esta lección terminamos de conocer a uno de los personajes mas importante de la electrónica: el capacitor. Por supuesto que no está todo dicho sobre el tema que es extremadamente amplio pero Ud. ya sabe lo necesario para continuar adelante con nuestro estudio.

En la próxima lección vamos a hacer un uso intensivo del laboratorio virtual LW porque vamos a presentar al tercer personaje mas importante de la electrónica: el inductor. Y con tres actores podremos simular muchos circuitos interesantes que afirmen nuestros conocimientos de electrónica básica. El resistor, el capacitor y el inductor forman el elenco pasivo de la electrónica y se combinan formando el “circuito sintonizado” que es el pilar de los sistemas de transmisión modernos. Con estos componentes y un solo componente activo se puede construir una radioemisora telegráfica elemental que si bien no tiene un extraordinario funcionamiento, será clave como elemento didáctico real (ya no simulado) de nuestro curso. Como el elemento activo será un microprocesador programable vamos a introducirnos en un mundo nuevo demostrando que ahora la electrónica se estudia de otro modo y que no hace falta un largo curso de técnicas analógicas para entrar en las digitales.

Autoevaluación

Autoevaluación de las lecciones 1 a la 6 

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7/ El inductor¿Qué es un inductor? Cuando un conductor de electricidad es recorrido por una corriente eléctrica, alrededor del mismo se genera un campo magnético similar al campo magnético terrestre.

El campo magnético es por supuesto invisible a los sentidos de un ser humano y no tienen manifestaciones evidentes de su existencia como el campo eléctrico. En efecto, si nosotros tomamos nuestras bolitas metálicas y les aplicamos una tensión creciente llegará

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el momento en que se producirá un arco eléctrico con manifestaciones luminosas y acústicas muy evidentes, que seguramente al lector le recordaran a Frankeisten.

Se podría decir que no es en realidad una manifestación del campo eléctrico lo que estamos percibiendo sino justamente su ruptura cuando los electrones tienen suficiente energía como para saltar el espacio aislante entre las esferas. Pero lo cierto es que se produce un arco en el lugar donde se estaba desarrollando el campo eléctrico.

En cambio Ud. puede tomar un conductor hacerle pasar una corriente creciente por el y no se va a producir ninguna manifestación evidente del campo magnético aunque la corriente llegue a valores muy grandes.

Si queremos estar seguro de que se produce un campo magnético debemos hacerlo utilizando algún dispositivo sensible al campo magnético y por ahora el único que conocemos es la famosa brújula.

Todo aquello que se puede aprender con la experiencia realizada en un trabajo práctico no debe dejar de realizarse jamás. Así que vamos a relatar como realizar un trabajo práctico muy interesante utilizando una brújula y la red de energía eléctrica domiciliaria.

Trabajo práctico sobre electromagnetismo

Vamos a necesitar:

una brújula un artefacto eléctrico de elevado consumo como por ejemplo una estufa o una

plancha

Como primera medida Ud. debe construir un pequeño prolongador para la red domiciliaria; con un 1 metro de longitud construido con cable de 1,5 a 3 mm2 de sección es suficiente. La única característica especial de este cable es que debe tener sus conductores no paralelos (deben ser conductores simples y no formando un par o abrir el par cortado el aislante plástico que los une).

Imaginemos que usa una estufa eléctrica. Coloque la brújula sobre la mesa y oriéntela con la punta roja hacia el norte. Acerque uno de los cables del par del prolongador a la brújula. Conecte la estufa y observará una fuerte oscilación de la aguja indicando que el campo magnético terrestre sufrió una grave variación.

Por ultimo le pedimos que tome el conductor y lo enrosque sobre si mismo generando un rulo de unos 10 cm y unas 10 vueltas. Ahora realice la misma experiencia orientando el rulo en diferentes posiciones. Observe que el efecto se multiplica es decir que el campo magnético generado se refuerza con cada espira del rulo. Lo que acabamos de construir es un inductor o bobina elemental con núcleo de aire.

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En la figura 1 se puede observar un conductor eléctrico y la forma del campo magnético que se genera a su alrededor.

Fig.1 Campo magnético alrededor de un conductor

Cuando este conductor se enrolla sobre si mismo el campo magnético de una espira se refuerza con el campo magnético de la espira anexada y así sucesivamente hasta lograr un campo magnético reforzado.

El inductor en corriente continua (CC)

Antes de analizar al inductor recordemos las características de un capacitor.

Si Ud. carga a un capacitor y lo aísla de toda carga el capacitor quedará cargado permanentemente; es decir que el capacitor es un componente que retiene la carga.

Si se conecta un capacitor a una fuente de tensión sabemos que la tensión sobre el capacitor variará suavemente de modo que debe transcurrir un tiempo hasta que el capacitor se cargue. Esto significa que un capacitor se opone a los cambios de tensión, si esta descargado quiere seguir estándolo y recién después de tener aplicada una corriente aumenta la tensión sobre el dependiendo de la capacidad del capacitor.

Si Ud. pretende cargar un capacitor rápidamente conectándolo sobre una batería, el capacitor protesta generando una chispa de corriente (rojiza) que inclusive puede arrastrar material de los alambres de conexión.

El inductor tiene características absolutamente inversas. Si Ud. lo conecta directamente a una fuente no se producen chispas porque la corriente aumenta lentamente, dependiendo de la inductancia del inductor.

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Se puede decir, que un inductor se opone a los cambios de la corriente que circula por él generando una tensión inversa a la de la fuente.

Esta tensión tiene inclusive un nombre: se llama fuerza contraelectromotriz. El laboratorio virtual Live Wire nos permite realizar un trabajo práctico virtual muy instructivo para visualizar la corriente circulante por un inductor sometido a la acción de una batería.

Así como utilizamos un osciloscopio para visualizar la tensión sobre un capacitor usaremos un osciloscopio para medir la corriente que circula por un inductor. Pero el osciloscopio solo responde a las variaciones de tensión y nosotros queremos ver variaciones de corriente. ¿Existe algún componente que entregue una tensión proporcional a la corriente que lo circula? Existe, y Ud. ya lo conoce, se llama resistor. En efecto un resistor genera sobre él una tensión igual a la corriente que lo circula multiplicado por la resistencia del resistor es decir

I = V . R

Pero Ud. se preguntará si el agregado de un resistor en el circuito no modifica las características del mismo haciéndole perder validez al trabajo práctico. La respuesta es que todo depende del valor del resistor agregado. Si este es muy pequeño es como si no hubiéramos agregado nada; el resistor se observa pero no influye en las ecuaciones del circuito. Por otro lado como un inductor es un componente bobinado con un alambre de cobre y ese alambre tiene cierta resistencia es como si estuviéramos aumentando la resistencia del propio bobinado. En la figura 2 se puede observar el circuito de nuestro trabajo práctico en LW.

Fig.2 Corriente por un inductor

Nuestro circuito es simplemente un inductor de 1 Hy (unidad de medida de la inductancia) conectado a una batería de 1V mediante una llave. También tiene un resistor de 1 Ohm en donde se medirá la tensión con intención de averiguar el valor de corriente circulante. Nota: este resistor de pequeño valor se llama “shunt” y para que no afecte significativamente al funcionamiento del circuito la caída de tensión sobre él debe ser 100 veces menor a la tensión sobre el inductor (en nuestro caso no debe superar los 10 mV equivalente a una corriente circulante de 10 mA).

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Antes de encender la simulación predisponga la velocidad del LW haciendo tools > simulation > timing control y poniendo 1mS como “Timing base”.

Luego de arrancar la simulación y cuando el haz llega a los 2 mS se cierra la llave SW1 por medio del mouse o pulsando la tecla “A” que fue elegida para operarla. De inmediato se observa que el haz rojo da un salto vertical hasta la tensión de batería (que en nuestro caso queda fuera de escala) y que el haz azul representativo de la corriente comienza a crecer lenta y linealmente a razón de 1 mV/mS lo cual significa un incremento de la corriente de 1 mA/mS o lo que es lo mismo 1 A/S.

Justamente elegimos estos valores para definir al inductor de 1 Hy como aquel en que la corriente crece a razón de 1A/S cuando se le aplica una tensión de 1V.

Ahora empleando el mismo circuito vamos a apreciar la característica mas distintiva del inductor que es su característica de elevar la tensión de la batería debido a la generación de la fuerza contra electromotriz. Como ya sabemos el inductor no quiere que la corriente que circula por él tenga cambios bruscos. La corriente siempre variará con suavidad cuando hay un inductor en el circuito a pesar de que Ud. cambie el circuito exterior tan drásticamente como el de nuestro ejemplo. En efecto la llave SW1 estará cerrada por un tiempo determinado haciendo que la corriente aumente hasta ese momento. Al abrir la llave el inductor trata de que la corriente no varíe bruscamente pero se encuentra con la imposibilidad de hacerlo debido a que nuestro circuito con la llave abierta es precisamente un circuito abierto y por un circuito abierto no puede circular corriente. El inductor lleno de energía magnética solo tiene un recurso por emplear. Aumentar la tensión hasta que salte un arco por la llave y así mantener la corriente lo mas invariable que pueda.

¿Será posible simular esta condición de falla? Solo tenemos que modificar la escala de tensión de nuestro grafico para darle lugar a que se aprecie una sobretensión negativa de la tensión de batería. Luego deje la llave cerrada por 10 mS aproximadamente y ábrala con el mouse o con la tecla A de la PC.

Fig. 3 Fenómeno de la sobretensión en un inductor

Como podemos observar se produce un pulso de tensión negativa de unos 550V que en una llave real produciría un arco de tensión (azulado, con forma de rayo y saltando entre

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los dos contactos). Este es un fenómeno real que cuando se produce en forma indeseada puede alterar muchos componentes del circuito.

El inductor como acumulador de energía magnética

Ahora vamos a hablar de una característica del inductor que es su capacidad de almacenar energía. Si Ud. conecta un capacitor a una batería por medio de un resistor este después de un instante de tiempo queda cargado a la tensión de la batería. Si lo retira de la batería no se descarga porque el aire no puede conducir la electricidad y no hay efectos de sobretensión. El equivalente para cargar un inductor es hacerle circular una corriente y luego ponerlo en cortocircuito sin pasar por el circuito abierto. Esta es una condición difícil de lograr pero suponiendo que pudiera lograrse Ud. no podrá mantener cargado un inductor real por una razón muy concreta. El conductor con el que esta construido es de cobre y el cobre tiene una resistencia considerable que se calienta transformando la energía magnética acumulada en calor.

Por estas razones los técnicos suelen confundir los hechos y no consideran al inductor como un dispositivo capaz de almacenar energía. Pero el inductor al ser un símil del capacitor es potencialmente un acumulador de energía (magnética en lugar de eléctrica) y solo basta con construir un inductor real tan cercano del ideal como los capacitores reales lo son de los ideales, y por supuesto encontrar un circuito de carga adecuado que mantenga al inductor cerrado con una resistencia nula.

Hace un tiempo una universidad de EEUU realizó un experimento real usando alambres superconductores y el inductor cargado magnéticamente recorrió varias universidades en diferentes estados sin descargarse.

Combinando un inductor con un capacitor y un resistor

Hasta ahora nuestros circuitos tenían tan solo dos componentes; R y C ahora intentaremos conectar un tercer componente el L para analizar un fenómeno fundamental de la electrónica que nos permita realizar la experiencia de Guillermo Marconi que fue el primero en transmitir a distancia una señal de radio modulada por código Morse (el primer telégrafo sin hilos de la historia) y que es la base de toda la electrónica moderna.

En la figura 4 se puede observar nuestro circuito básico para construir un transmisor que aun no sabemos lo que es, auque todos los días recibimos señales de TV o de radio basadas en el proyecto que estamos encarando aunque obviamente se trata de transmisores mas sofisticados.

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Fig.4 Transmisor similar a los de Marconi con llave mecánica

Ud. puede observar solo dos componentes. El tercero existe internamente en el inductor y es la resistencia de su bobinado. El capacitor está conectado a una llave mecánica que genera una tensión continua de 0 o de 9V de acuerdo a su posición. El grafico esa llave se opera cada 500 uS. Al segundo cero la llave está en la posición inferior de 0V permaneciendo allí hasta los 500 uS momento en que el gráfico azul indica 9V hasta los 1000 uS en que vuelve a cambiar de estado. Nota: cuando la llave está en cero volt el trazo se pierde detrás del trazo rojo.

Pero lo mas importante es lo que se observa como una oscilación después de cada cambio de estado. En el gráfico indicado no se puede observar con detalle la forma de variación de la señal por eso en la figura 7.5.2 se puede observar el eje de tiempos ampliado a 2 mS por división en donde se aprecia la verdadera forma.

Fig.5 Oscilación amortiguada

La forma de onda mostrada se llama oscilación amortiguada y se debe a la interacción del capacitor con el inductor. En principio vamos a tratar de entender como se produce esta “señal” (el termino señal se emplea para indicar tensiones o corrientes variables en el tiempo, en donde esas variaciones puedan emplearse para transmitir información de algún tipo).

Durante la primer parte del ciclo, la llave que esta hacia arriba, produce la carga rápida del capacitor desde la fuente a través de la resistencia interna de la misma y el inductor. Esto queda indicado por el trazo del haz azul que indica la tensión después de la llave y

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que se observa fijo en 9V. Observe que en este caso la tensión sobre la bobina (haz rojo) indica una tensión nula.

A los 3,5 uS se mueve la llave y el capacitor se conecta a masa con lo cual su carga se aplica al inductor. El capacitor observa que tiene una carga conectada sobre el y le hace circular una corriente que depende del la tensión acumulada (tensión de fuente en nuestro caso 9V) con el negativo sobre el vivo del inductor y el negativo sobre la masa. Un instante después toda la energía eléctrica del capacitor se descargó y el haz rojo llega nuevamente a cero. Pero que el capacitor esté descargado no significa que no haya energía acumulada en el circuito. En efecto, en ese momento el campo magnético sobre el inductor es máximo porque toda la energía eléctrica (capacitor) se transformó en energía magnética (inductor) debido a la ley de conservación de la energía que indica que la energía no puede desaparecer. Ahora el inductor cargado debe descargarse y solo tiene conectado sobre si mismo un capacitor así que el capacitor se carga ahora con un pico de tensión positiva y así se continuaría hasta el infinito si no fuera porque el inductor tiene una resistencia debido a alambre conductor y en ella se genera energía térmica (calor). Por esa razón los ciclos de intercambio de energía son cada ves menores hasta que la energía electromagnética termina convirtiéndose integramente en calor.

Ley de Thomson

Este trabajo práctico es suficientemente enriquecedor como para que podamos deducir comprobar fácilmente una formula muy importante de la electrónica que nos indica a que velocidad se producen los intercambios energéticos. Esta formula se llama fórmula de Thomson y nos indica la duración de cada ciclo de intercambio desde un pasaje ascendente por cero hasta el siguiente (en nuestro caso de 1 uS leyéndolo de la gráfica). Nosotros no vamos a demostrar la ley de Thomson que esta basada en las ecuaciones del capacitor y el inductor, solo vamos a indicarla como:

T = 2π√ LC

Aplicada a nuestro circuito y utilizando potencias de 10 se puede obtener que T es aproximadamente igual a 1 uS. (en realidad sería exactamente 1 uS si pudiéramos utilizar capacitores de 500 pF en lugar de 470 pF).

Pero si Ud. observa el dial de una radio de onda media o OM (en Argentina onda larga o OL) verá que no está marcada en uS sino Hz o ciclos por segundo dando lugar a un concepto denominado “frecuencia” de una señal. Si una señal dura 1 uS significa que se repetirá 1 millón de veces durante un tiempo de 1 S. Esto se obtiene por una simple regla de tres simple que indica:

Si un ciclo dura un tiempo

T = 1 uS

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en un segundo se producirán 1/T = 1.000.000 de ciclos o un millón de ciclos o 1 Mc/Seg o un MHz en honor al científico que estudió el fenómeno que se llamaba Hertz.

Como el lector observara 1 MHz es equivalente a 1.000 KHz y esa es la frecuencia del centro de la banda de OL que se puede captar con cualquier radiorreceptor casero. ¿Y que será lo que se escuche cuando nuestra emisora se sintonice en una radio? Se va a escuchar un silenciamiento por un instante cada ves que se opere la llave SW2.

Para escuchar un tono audible es necesario mover la llave con un periodo audible. Por ejemplo un tono de 2 KHz equivale a un periodo de 1/2.000 avo de segundo o 500 uS cosa que evidentemente no podemos realizar a mano. Por esa razón se debe cambiar el circuito en la sección de la llave utilizando una fuente de tensión que cambie de 0 a 9V a un ritmo programable y que aun no conocemos. Esta fuente de tensión se llama generador de funciones.

Generador de funciones

Un generador de funciones es una fuente de alimentación (como una batería) pero cuya tensión varía a lo largo del tiempo.

Existe tres formas de señal fundamentales que son la rectangular, la triangular y la sinusoidal. Nosotros conocemos ya a dos de ellas la rectangular y la sinusoidal porque están presentes en nuestro transmisor (o generador de señales de radiofrecuencias).

En la figura 6 se puede observar el frente del generador de funciones que posee el LW y que nosotros vamos a anexar a nuestro circuito. Búsquelo haciendo Gallery > input component >  Signal generator.

Fig.6 Generador de funciones

Observe en el centro del instrumento, allí existe un dibujo de la forma de señal de salida. La primera es una señal senoidal que es la misma que vimos en nuestro trabajo practico virtual pero que en este caso no es amortiguada sino permanente. La segunda es la señal rectangular que nosotros generábamos a mano con la llave; la tercera es la señal

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triangular que es una sucesión de rampas obtenidas por carga y descarga de un capacitor y la ultima es una señal con forma aleatoria que representa el ruido que puede generar por ejemplo un TV sobre el parlante cuando está fuera de canal (lluvia).

En la parte superior se puede observar el número de posición del generador en el circuito y una ventana en blanco para colocar algún comentario. Luego debajo de los botones de forma de señal se puede observar las características mas importante del generador como la tensión y la frecuencia. Le pedimos al alumno que conecte un osciloscopio al generador y observe las señales que entrega el generador variando todos los parámetros para conocerlo mejor. No se olvide de predisponer el time control de acuerdo al periodo de la señal a observar.

Generador de RF modulada

Ppara reparar una radio hace falta un generador de AM que cubra la banda de OL. Con los conocimientos adquiridos hasta aquí y los que vamos a adquirir en las próximas lecciones donde aprenderemos a programar un microprocesador PIC Ud. va a aprender a construir este generador de AM aun antes de saber que es un transistor.

Para terminar esta lección  vamos a modificar el circuito de nuestro trabajo practico virtual quitando la llave que manejábamos a mano y agregando un generador de funciones.

Fig.7 Generador de RF con generador de funciones

Nuestro generador de RF consta ahora de los dos componentes anteriores C1 y L1 cuya frecuencia de resonancia según la formula de Thomson los hace generar oscilaciones de 1 MHz en el medio de la banda de OL. Estas oscilaciones no son permanentes sino que tienen forma de sinusoide amortiguada. Es como si nuestra emisora de radio no estuviera permanentemente encendida sino que se encendiera a plena potencia cada 500 uS (semiperiodo de la señal entregada por el generador de funciones XSG1) y luego se atenuara generando unos 20 o 30 ciclos con potencia decreciente.

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En realidad el tiempo de decaimiento real que tendremos en nuestro prototipo va a ser seguramente muy superior de acuerdo a la construcción del inductor L1. Si el inductor se construye con una alambre grueso y de poca resistencia seguramente su componente resistiva va ser muy pequeña y va a ser prácticamente un inductor ideal que genere poca amortiguación y prácticamente va a permanecer excitado los 500 uS. En la figura 8 se puede observar como se vería la señal sobre el inductor real con un osciloscopio real.

Fig. 8 Oscilograma real sobre L1

Seguramente el alumno estará pensando en este momento “Todo muy lindo y parece muy simple generar un señal de radio modulada en AM,  ¿pero de donde saco un generador de funciones?” En la próxima lección le vamos a explicar como realizar un generador de funciones programable con un microprocesador que cuesta algo de 1,5 U$S para comenzar introducirse en el mundo de las técnicas digitales y construir un instrumento práctico para nuestro taller que genere señales de audio y RF modulada.

Conclusiones

Los clásicos cursos básicos de electrónica sin laboratorios virtuales y para componentes clásicos acostumbraban a tratar los temas con un orden totalmente diferente al que estamos empleando nosotros. Mi experiencia me indica que ese modo de enseñar la electrónica está muerto y enterrado. La electrónica actual requiere una velocidad de aprendizaje que el concepto antiguo no puede adoptar.

En un curso clásico antes de comenzar con los microprocesadores el alumno debía aprender toda la electrónica analógica clásica, es decir que se mencionaban y estudiaban teóricamente todos los componentes activos como los transistores, diodos y circuitos integrados analógicos y recién después se pasaba a mundo de los circuitos digitales como compuertas y microprocesadores programables.

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Seguramente los docentes que están siguiendo este curso se estarán quemando las vestiduras pensando a donde quiero llegar con esta forma de enseñar que revierte todo la metodología clásica. Quiero llegar a interesar al alumno, para que haga lo único que no se puede lograr con los métodos clásicos, aprender armando dispositivos que funcionen, que sean útiles y didácticos para aprender trabajando que es la mejor forma de aprender. Y que esa etapa del armado, esté tan al comienzo del curso como sea posible. Así espero evitar deserciones y aumentar el interés de los mas jóvenes que son siempre de los mas inquietos y deseosos de experimentar.

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8/ Programación de un PIC con NIPLEEn el momento actual, la electrónica utiliza microcontroladores y microprocesadores de todo tipo en profusión. Ud. en este momento está leyendo en una PC que tiene seguramente uno de los microprocesadores masivos de mayor tamaño y con una enorme cantidad de patas. Pero también existen microcontroladores de pequeño tamaño y muy fáciles de programar, que han revolucionado la electrónica por su bajo precio.

Entre estos últimos se destacan como los mas económicos, los microcontroladores de la serie PIC de microchips. Y entre ellos se encuentra aquel que es líder en el rubro economía el PIC12F629 de tan solo 8 patas y cuyo costo es de aproximadamente 2 U$S. Si Ud. se pregunta que puede hacer este micro de tan bajo precio yo le contesto que puede cumplir múltiples funciones que aun no podemos evaluar en su totalidad, pero que con el tiempo iremos conociendo poco a poco.

Como al autor le gusta enseñar construyendo dispositivos y no solo con teoría escrita sobre papeles, vamos a construir el primer dispositivo de nuestro curso que es un generador de RF modulado en AM, para la banda de OL que cubre las frecuencias de radio de 530 KHz a 1610 KHz.

Pero lo vamos a hacer explicado, de modo que el lector pueda utilizarlo para otras bandas de frecuencias y otras funciones similares. Al terminar la lectura de esta lección Ud. sabrá qué es un microprocesador y cómo se utiliza.

Pero hasta el menos versado sabe que un microprocesador requiere un programa; si Ud. compra una PC y no le carga ni siquiera el sistema operativo, no podrá hacer nada con ella. El PIC no es la excepción y parecería que allí se acaban nuestras ilusiones de

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explicar que es un microprocesador. Sin embargo no es así. Cuando les dije a mis alumnos que nuestro curso básico de electrónica incluía laboratorios virtuales y la programación de microcontroladores, no estaba mintiendo; ya hicimos buen uso de los laboratorios virtuales y creo que los alumnos ya les están perdiendo el miedo poco a poco y los están reconociendo como una enorme y didáctica ayuda. Ahora le toca el turno a la otra promesa. En esta lección vamos a aprender a programar.

Hasta hace algunos años los PICs se programaban en “asembler” que es el idioma básico o nativo de esos microcontroladores. Programar de ese modo requiere todo un largo aprendizaje y una ardua tarea a la antigua, o casi a la antigua. Había que escribir sentencias muy complejas y una simple coma mal puesta podía ser un dolor de cabeza para el programador. Hasta que un grupo de profesionales de la Argentina creó un programa llamado NIPLE que resuelve el problema en forma gráfica. Ud. sólo elige diferentes iconos, que representan las diferentes operaciones que realiza el PIC, el resto lo realiza el NIPLE como una tarea de fondo entregando el programa en “Asembler” sin ningún esfuerzo para el programador y sin errores de ningún tipo.

¿Qué debe generar el PIC?

Nuestro PIC tiene una tarea sencilla adecuada para aprender a usarlo. Debe generar en una de sus patas de salida una señal rectangular con un 50% de tiempo de actividad (cuadrada) de una frecuencia de 2 KHz. La amplitud de esta señal no puede ser elegida, ya que en un pata de salida del micro solo pueden existir señales que tengan la misma amplitud que su fuente de alimentación y el PIC que estamos usando se alimenta con 5V. Es decir que generaremos una señal de 5V durante 250 uS y de 0 V durante otros 250 uS para completar un periodo de 500 uS. De este modo generamos una señal de audio de 2 KHz ya que la inversa de 500 uS es 1/500.10-6 = 0,002.106 = 2.000 Hz o 2 KHz.

El PIC12F629 tiene solo 8 patas, pero es un microprocesador completo con todas las de la ley y tiene una capacidad de memoria igual a la de su hermano mayor de 18 patas el 16F84A o su versión mas moderna 16F621 que es el mas conocido de la línea de Microchip. Es evidente que con 8 patas en total y dada la necesidad de poseer una pata para fuente y otra para masa solo le restarían 6 patas activas para realizar su trabajo. Pero los microcontroladores comunes necesitan emplear tres patas mas para dos funciones imprescindibles para ellos y que pasamos a explicar.

Función de RESET

Esta palabra (que podría traducirse literalmente como restauración) se utiliza directamente en Español ya que la ciencia informática la ha adoptado definitivamente. Un microprocesador sigue un programa de trabajo. Y ese programa debe ser ejecutado desde el primer paso de programa hasta el último, en un orden predeterminado comenzando siempre por el paso 1. Si se comienza por el medio del programa el resultado será catastrófico. Por eso los microcontroladores poseen una pata que se mantiene a nivel cero por algunos instantes de tiempo luego de aplicada la tensión de fuente. En esa condición el micro sabe que debe ir a leer el primer paso de programa y ejecutarlo, pasando luego

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por lo general al segundo y así sucesivamente. Pero esa función de reset puede realizarse internamente si se lo requiere en un micro con pocas patas. El 629 se puede programar para que realice esa función en forma automática liberando la pata de reset para que se pueda usar como pata de entrada.

Función de CLOCK

La mayoría de los microcontroladores requiere dos patas para utilizarlas en una función llamada “clock”. La traducción literal de esta palabra es “Reloj” pero los informáticos suelen usar directamente el termino en Inglés. La necesidad del clock es evidente. Si un micro es un dispositivo que sigue una serie de pasos de programa debemos decirle a que ritmo debe leer esos pasos. Ese ritmo se le puede dar con un circuito LC como el que vimos en la clase pasada y cuya frecuencia de trabajo era de 1 MHz (ritmo de 4 uS por paso de programa) a condición de que el circuito interno del micro se encargue de generar una señal excitando al circuito LC externo. Pero existe un componente electrónico llamado “cristal” que suplanta al circuito LC con una enorme precisión y que se utiliza junto con dos capacitores de pequeño valor para generar el clock de los micros.

El 629 posee un oscilador interno que no requiere la conexión de un cristal externo. De ese modo esas patas quedan libres para ser usadas como entradas o salidas pero hay que aclarar que ese clock interno no tiene la precisión de un cristal. Como en nuestro caso no necesitamos que el tono de audio generado sea preciso haremos uso de esa facilidad de nuestro micro. También cabe mencionar que la base de tiempo interna esta fija en 4 MHz y que tiene una precisión del 1% dentro de un margen de temperatura de 0 a 70ºC; con esto el paso de programa dura 1 uS (siempre es la frecuencia del clock dividido 4).

Puertos GP de I/O

Con todo esto, salvo las patas de masa y fuente, las otras 6 pueden considerarse patas activas que la costumbre indica como patas del puerto (que en este integrado se llama puerto GP); y que son 5 de I/O y una de I solamente.

Suponemos que Ud. no entendió la frase anterior porque pertenece al mundo informático, que estamos develando poco a poco. La palabra puerto se utiliza para indicar el lugar a donde llegan o desde donde parten la señales de un micro. Las patas son casi siempre de entrada o de salida debiendo indicarse dicha condición al principio del programa como un paso de programa mas. En Inglés se dice que son patas de I/O de Input que significa entrada y de Output que significa salida. En nuestro caso el puerto (el nombre de las patitas indicado por el fabricante) será GP0 (pata 7), GP1 (pata 6), GP2 (pata 5) etc hasta GP5 (pata 2) y todas son de I/O salvo GP3 (pata 4) que es de I solamente.

En la figura 1 se puede observar la distribución de patas del 629 con todas sus variantes.

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Fig.1 Distribución de patas del 629

En nuestro caso solo requerimos una pata de salida, pero la explicación vale para el futuro donde realizaremos otros diseños de instrumental con este mismo micro.En nuestro caso usaremos la pata 7 (GP0) como salida, indicando que en esta pata se puede colocar una carga que tome hasta 25 mA o entregue hasta 20 mA. Dentro de estos consumos el fabricante garantiza que la pata de salida pasará al estado alto o bajo sin inconvenientes.

Programación del PIC con NIPLE

El programa de nuestro generador de señales rectangulares va a ser desarrollado con NIPLE 5.2 del cual se puede descargar un demo. Instale el demo y luego genere un icono de arranque. Al arrancar aparecerá una pantalla con solapas similar a cualquier programa de Windows. Haga archivo > nuevo proyecto y aparecerá la pantalla inicial para elegir el micro.

Fig.2 Predisposición inicial

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Elija su idioma preferido entre Español, Ingles y Portugués y el micro 12F629 y pulse en crear. Aparecerá la pantalla para ponerle nombre al archivo y escribir un comentario del programa que se puede observar en la Fig. 3.

Fig.3 Pantalla para nombrar el proyecto y comentar su uso

Complete la pantalla, pulse crear y aparecerá la pantalla de trabajo donde va a crear el programa.

Fig.4 Predisposición de puerto

El orlado con los 6 puntos significa que el próximo bloque se va a conectar automáticamente al que acabamos de crear.

Observe que la zona de trabajo ya posee un icono de inicio en donde el programa genera todos las sentencias de predisposición correspondientes al integrado en uso. Arriba a la derecha tenemos dos ventanas. Una correspondiente a la frecuencia de clock. Que como sabemos estará predeterminada porque el clock interno funciona solo a 4 MHz. Elegimos INT 4 MHz.

La segunda ventana pregunta si vamos a usar una pata como reset, o si el reset será automático y producido internamente. Elegimos “interno”.

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Ahora comienza en realidad el programa que deseamos crear y comienza con la definición del puerto. En nuestro caso solo debemos buscar en la tabla de operaciones de la derecha abajo insertar> rutinas básicas > puerto > configuración de puerto y aparecerá la pantalla de la Fig. 5 con el layout completo del integrado en donde observamos que todas las patas están indicadas como salidas incluyendo la que nosotros necesitamos que es la GP0. Deje a las otras patas como salida aunque no las utilice en este proyecto. Es decir que solo debe pulsar “enter” y aparecerá el segundo icono del programa que se puede observar en la figura 6.

Fig.5 Definición del puerto

Fig.6 Icono de definición del puerto

El icono verde con las dos flechas significa definición de puerto. Y la leyenda interna XXSSESSS indica como quedo definido el puerto. El ultimo carácter corresponde a GP0 y hacia la izquierda aparece GP1, GP2, etc hasta GP5 porque este micro no posee un puerto completo de 8 bits. La indicación XX significa que esos bits no están habilitados para ser predispuestos como I o como S. GP3 no puede elegirse, siempre es de entrada por definición, cuando esa pata se predispone para que no sea la de reset.

Nuestro programa requiere que la pata GP0 esté 250 uS alta y 250 uS baja continuando con la oscilación hasta el infinito. Vamos a pasar primero la pata al estado alto ingresando a insertar > rutinas básicas > puerto > escribir en puerto, con lo cual aparece

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un cartel de aviso de que en esa parte del programa el puerto no esta predispuesto como salida ya que GP3 es una entrada. Haga caso omiso del aviso y siga adelante. Aparecerá una pantalla solicitando que aclare lo que desea hacer.

Fig.7 Pantalla para escribir datos

La opciones son escribir un valor literal o especifico en el puerto de salida o escribir un valor guardado en un registro. Elegimos la primer opción y se produce otra pantalla preguntándonos que “número desea colocar en el puerto” y con que notación. Elegimos notación binaria y colocamos el número 00000001 con lo cual la pata GP0 pasa al estado alto y todas las demás quedan en el estado bajo (las patas virtuales GP6 y GP7 se ponen en cero aunque sabemos que dichos bits no tienen como ser sacados del PIC.

Fig.8 Escritura en un puerto

Al pulsar en ingresar aparece el icono que indica que se envió el numero binario al puerto de salida y por lo tanto la pata GP0 pasó al estado alto.

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Fig. 9 Sacando un número binario por el puerto

En este punto del programa necesitamos que el micro se quede detenido con GP0 en alto durante 250 uS. Y eso se logra con un temporizador por loop obtenido de la tabla de herramientas de la derecha haciendo insertar > rutinas básicas > temporizadores > tiempos por ciclos, para que aparezca una pantalla como la indicada en la figura siguiente.

Fig.10 Deteniendo el programa por 250 uS.

Al pulsar “Ingresar” aparece el icono del temporizador en el programa que estamos construyendo.

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Fig.11 Demora de 250 uS

Al llegar a este punto vamos a acelerar las explicaciones porque el programa se vuelve repetitivo. Todo lo que nos queda por hacer es escribir 00000000 en el puerto de salida y realizar otra temporización de 250 uS.

En la figura 12  se puede observar el programa terminado para realizar un solo ciclo de nuestra onda rectangular de salida.

Fig.12 Programa para generar un solo ciclo

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Y en la figura 12 se puede observar el programa completo con repetición permanente del ciclo. Todo lo que se agregó es un línea del diagrama de flujo para que el control del programa de un salto hacia atrás. Esa línea de regreso se realiza orlando el ultimo icono y luego pulsando en su punto central y arrastrando hasta el icono de retorno.

Fig.13 Programa final

Como se puede observar la programación no puede ser mas sencilla ya que construir todo este programa puede haber llevado un tiempo de un par de minutos como mucho. Y además existe la posibilidad de modificarlo muy fácilmente editando los iconos y cambiando su contenido. Por ejemplo si Ud. quiere generar un tono de 1 KHz solo debe picar dos veces sobre cada temporizador para editarlo. Cuando aparece la pantalla del temporizador, ponga el nuevo tiempo y pulse en “ingresar”. Dejamos como un tarea para el lector la generación de una señal rectangular de 2 KHz con un 40% en alto y un 60% en bajo.

Carga del PIC

El Niple ya realizó nuestro programa, pero ¿Cómo se carga en el PIC? Es evidente que el programa está en la PC pero la PC no tiene zócalo para ubicar un PICs. Si queremos cargar un PIC debemos tener un dispositivo adecuado que haga de interfaz entre la PC y el PIC; ese dispositivo tiene tres nombres; de acuerdo al país de origen del alumno se lo conoce como programador, cargador o quemador de Pics.

Un programador se conecta al puerto serie o paralelo de su PC (también existen programadores para puerto USB) y posee un zócalo que admite los diferentes PICs que existen en la actualidad, a saber de 8, 18 y 28 patas. El autor recomienda comprar un programador para puerto paralelo, debido a que dicho puerto por lo general está libre debido a que las impresoras ya no se conectan allí.

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Si Ud. sabe algo de PCs sabe que un dispositivo para la misma no sirve de nada sino posee el correspondiente programa para controlarlo. Nuestro programador utiliza un programa llamado ICprog que se consigue gratuito en la red. Cuando ingrese podrá comprobar que dicho programa es utilizado por 4 millones de personas en el mundo y por lo tanto podemos asegurar que es el elegido por los programadores de PICs.

El instrumento completo

Como el lector ya sabe nuestro curso básico de electrónica lo capacita para reparar radios de AM y FM. El instrumento que le estamos proponiendo hoy es un generador de AM que le servirá para iniciarse en la reparación de esas radios. En nuestro curso solo le pediremos que Ud posea las herramientas clásicas, un tester digital, un tester analógico y el generador de RF que le indicamos en la presente lección.

Un generador de RF para AM debe emitir en diferentes frecuencias de radio. Mas adelante en este mismo curso vamos a indicarle que existe una frecuencia llamada de FI que generalmente es de 455 KHz y es imprescindible para ajustar una radio; luego existen otras dos frecuencias importantes que son los extremos de la banda de AM que en América son 530 y 1650 KHz. Por último se requieren tres frecuencias mas que sirven par observar el funcionamiento dentro de la banda y ajustar eventualmente el circuito de la radio en reparación y que son de 680, 950 y 1250 KHz.

Hasta ahora nuestro generador de RF solo permitía emitir una sola frecuencia. Para realizar un instrumento versátil es necesario que tenga la posibilidad de emitir en toda la banda de AM. Esto posee dos alternativas; usar un inductor variable o un capacitor variable. Si bien los inductores variables existen los mismos no son aptos para lograr el cubrimiento completo de la banda de AM mas la de FI. En cambio los capacitores variables son los mas indicados en este caso, porque están fabricados para cubrir la banda de AM y un poco mas, permitiéndonos construir un dispositivo muy sencillo.

En realidad el circuito completo que se puede observar en la figura14 no difiere mucho del propuesto en la lección anterior. Solo posee un capacitor variable de plástico para radios de AM y un capacitor fijo debajo de la bobina para adaptar la impedancia de salida, que es un parámetro de los componentes reactivos tal como lo explicaremos en la próxima entrega. Y por supuesto posee un PIC12F629 programado como generador de funciones para generar la modulación. Luego le explicaremos el uso de la SW2 y C4.

Fig.14 Circuito final del generador de RF

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Nosotros conocemos hasta ahora todos los componentes de este circuito, salvo el inductor y capacitor variables (tienen una flecha cruzada). El inductor variable posee un conductor enrollado sobre un carretel de ferrite y una tapa cazoleta que lo cubre y puede tapar al carretel total o parcialmente ya que está montada sobre un dado de plástico roscado tal como puede observarse en la figura 15.

Fig.15 Inductor variable con cazoleta roscada

Esta disposición logra que el campo magnético generado por la bobina se cierre prácticamente por un camino de material concentrador del campo magnético como es el ferrite (hierro pulverizado mezclado con resina epoxi) pero dejando un espacio variable de aire para ajustar la inductancia de la bobina a su valor exacto. Este ajuste de la bobina se realiza cuando se prueba el circuito es decir que no es accesible al reparador una ves que el instrumento está terminado. El cambio de frecuencia se realiza con otro componente variable que es el capacitor C1. Este capacitor se conoce con el nombre de capacitor en tándem de plástico. Ese nombre tan extraño se debe a que esta dividido en dos secciones que se mueven en forma sincrónica ya que están montadas en un mismo eje. El eje tiene chapas semicirculares móviles que se pueden enfrentar con chapas fijas también semicirculares de acuerdo a la posición del eje. Cuando las chapas están totalmente enfrentadas, la capacidad es máxima y cuando no lo están es mínima. Antiguamente los tándens tenían dieléctrico de aire pero actualmente entre chapa y chapa existe una capa de polietileno que aumenta la capacidad y mantiene la aislación entre las chapas.

Fig.16 Capacitor variable en tandem

Observe que las dos secciones del capacitor tienen montados otros dos capacitores construidos con chapas semicirculares mas pequeñas en paralelo con las secciones mas grandes (no visibles en la foto). Esta sección llamada de los “trimmers” ajusta la capacidad mínima del tánden cuando está totalmente abierto ajustando los correspondientes tornillos.

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Así las cosas con el tánden cerrado debemos llegar a una frecuencia dada por la formula de Thomson de 400 KHz ajustable con la cazoleta de la bobina y con el tánden abierto a una frecuencia de 1700 KHz ajustable con los trimmers.

Conclusiones

En está lección entramos al mundo de los microprocesadores y de la programación de los mismos. Sabemos que es atípico hablar de microprocesadores cuando aun no explicamos el funcionamiento de los dispositivos activos como el diodo y el transistor. Pero el autor considera que se pueden diseñar dispositivos con microprocesadores sin tener ni siquiera una idea de su funcionamiento interior. Solo considerando al mismo como una caja negra con entradas y salidas y un programa que le indica que debe hacer con esas entradas para obtener las salidas.

La prueba de este criterio la tenemos a la vista y la vamos a completar en las próximas entregas cuando encaremos prácticamente el armado de nuestro generador de RF o nuestro transmisor de telegrafía sin hilos que es lo mismo.

También marcamos en esta lección otro importante hito. Diseñamos un programa para PIC en forma enteramente gráfica utilizando la herramienta mas moderna que se tenga noticia: el NIPLE. Este programa debe hacer sentir dichosos a todos nuestros compatriotas, porque casi sin medios se ha logrado realizar un programa extraordinario que ya se esta exportando a todo el mundo (prueba de ello es que se lo puede predisponer en tres idiomas diferentes, Español, Portugués e Inglés).

Por supuesto que no todos están de acuerdo con un criterio tan avanzado. Uno de ellos escribe en Internet ….. “¿Porque no estoy de acuerdo con el uso del NIPLE?”…. Yo lo conozco y se la verdadera razón de su desacuerdo: Tiene miedo, un miedo terrible a quedarse sin trabajo, porque se gana la vida programando con los métodos antiguos. Yo considero que los programas los debe hacer un ingeniero en electrónica o un técnico con conocimientos de programación y nunca un programador con conocimientos de electrónica. La programación de microcontroladores así como el diseño electrónico de hoy están abiertos a todos. Si Ud. es un químico que quiere realizar un dispositivo electrónico que lo ayude en su profesión, puede estudiar electrónica con toda facilidad y realizar su propio dispositivo.

Muy pronto vamos a comenzar a construir nuestra primer radio y va a ser algo muy parecido a una radio a galena.

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9/ ReactanciaLos resistores presentan una oposición a la circulación de corriente que se manifiesta calentándose, es decir transformando energía eléctrica en energía térmica. Un resistor se calienta, tanto si por el circula una corriente alterna (CA) como si circula una corriente continua (CC) (Las abreviaturas pueden ser también AC y DC si el circuito tiene nomenclatura inglesa). Seguramente Ud. escuchó estos términos frecuentemente ¿pero sabe bien lo que quieren decir?

Con una señal de CC la corriente siempre tiene la misma dirección; puede aumentar o reducirse pero no cambiar de dirección. Convencionalmente se dice que la corriente circula desde el positivo al negativo de la batería. En realidad nosotros sabemos que no es así. La corriente circula desde un lugar con exceso de electrones a otro con falta de electrones y por lo tanto podríamos decir que la convención adoptada es errónea. Pero es una convención, que se utiliza desde la época en que se conocía el fenómeno de la electricidad pero no se conocían sus principios y la costumbre le ganó a la realidad, de modo que la convención se sigue utilizando.

Con una señal de CA, la corriente llega a cambiar de dirección aunque sea por un pequeño intervalo de tiempo. No importa como sea la forma de la señal; si se invierte es una CA. Los capacitores y los inductores, si bien tienen un comportamiento específico en presencia de tensiones continuas, sabemos que ese comportamiento no va mucho mas allá que unos instantes después de la conexión a la fuente. Si conectamos un capacitor de 1 uF a una fuente de 1V y analizamos la corriente luego de 6 horas de haberlo conectado seguramente el capacitor está totalmente cargado y no circulará ninguna corriente apreciable por el salvo la de fuga. En la figura 1 se puede observar una simulación de este fenómeno en donde observamos los primeros microsegundos después del cierre de la llave.

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Fig.1 Carga de un capacitor

En rojo se observa la corriente por el capacitor y en azul la tensión aplicada a la serie. Si hacemos algo similar con un inductor de 1 Hy conectado sobre una fuente de 1V, observaremos que después del momento de la conexión la corriente se establece en un valor de 1A. Esto se debe al resistor sensor de corriente, que limita la corriente máxima por el circuito.

Fig.2 Curva de corriente por un inductor

Lo verdaderamente importante, cuando se utilizan capacitores e inductores es cuando se los conecta a una fuente de CA (corriente alterna) y no a fuentes de CC (corriente continua). En este caso, ambos componentes presentan una reacción a la fuente de corriente alterna que es el equivalente a la resistencia de un resistor y que se llama reactancia; pero con una salvedad muy importante, no hay disipación de calor. El capacitor y el inductor ideal no transforman energía eléctrica o magnética en calor, solo producen intercambios de energía.

Señales típicas de CA

Nuestro laboratorio virtual nos va a ayudar a comprender este tema con toda claridad. Seguramente, al terminar el estudio del mismo, Ud. tendrá una idea tan clara de las diferentes señales utilizadas en la electrónica que jamás olvidará esta lección.

Nuestro estudio de la electrónica comenzó en realidad con el circuito mas simple; una batería conectada a un resistor. En la Fig.3 le mostramos un circuito similar pero en lugar de usar una batería para producir una señal de CC vamos a utilizar un instrumento llamado generador de señales o generador de funciones, que provee las formas de señal mas utilizadas en la electrónica.

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Fig.3 Circuito básico de CA

Predisponga la base de tiempo del LW en 10 mS (Tool > simulation > timing control) y abra el frente del generador de funciones XSG1 picando sobre él. Predispóngalo según la figura 4. Genere un grafico como el indicado en la figura y comience la simulación con F9.

Fig.4 Generación de una señal cuadrada pulsante

¿La señal generada es una CA? No, como se observa en el gráfico nunca llega a tener valores negativos. Tampoco podemos decir que es una clásica CC como la de una batería. Se llama CC pulsante y teóricamente se puede construir con una batería y un pulsador que se pulse 50 veces por segundo, ya que esa es la frecuencia predispuesta en el generador de funciones. El pulsador debe estar cerrado el mismo tiempo que está abierto.

Ud. ya sabe calcular el periodo correspondiente a una determinada frecuencia; recuerda que la formula era

T = 1/F

En nuestro caso:

T = 1/50 = 0,02 S o 20 mS

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Esto significa que el pulsador estará cerrado 10 mS y abierto otros 10 mS.

Es decir que nuestro “Signal Generator” o generador de señales podría tener adentro una batería, un pulsador y un enano que apriete el pulsador rítmicamente. Reemplace el enano por un microprocesador programado y tendrá un generador de señales moderno.

La frecuencia de 50 Hz no la elegimos al azar. Es la frecuencia de la red de alimentación domiciliaria en los países con red de 220V. En otros países con red de 110V la frecuencia es de 60Hz ¿Esto significa que si conectamos el osciloscopio a la red tendremos una señal como la del gráfico? No, en principio porque como ya dijimos la del gráfico no es una corriente alterna y segundo porque la señal de la red no tiene forma cuadrada.

Resolvamos primero el problema de la CA generando una señal cuadrada que tenga picos negativos de -2,5V y positivos de +2,5V. Siguiendo con el generador a enano, solo deberíamos agregar otra batería conectada al revés y hacer que el enano maneje una llave inversora que conecte una batería o la otra. Nuestro generador posee una ventanita de predisposición que aun no usamos y que se llama offset (no tiene traducción literal pero la mas cercana sería “corrimiento”) Ponga -2,5V en offset y observe que la señal se corre hacia abajo generando una autentica señal alterna que podemos observar en la figura 5.

Fig.5 Generación de una corriente alterna cuadrada

¿Se puede generar una señal rectangular en lugar de una cuadrada? Si, la ultima ventanita de predisposición de nuestro generador indicada como “Duty Cycle” (tiempo de actividad) nos permite modificar el largo del pulso superior y consecuentemente el largo del inferior. Ponga 10% en la ventanita y observe los resultados en la gráfica.

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Fig.6 Generación de una CA rectangular

La ventanita “Phase” (fase) es un concepto que aun no manejamos y por lo tanto dejamos su explicación para mas adelante. Por ahora solo generamos señales cuadradas o rectangulares, alternas o continuas pulsantes pero esas señales pueden tener formas diferentes a la rectangular. Si pulsamos el tercer botón generaremos señales triangulares como la observada en la figura 7.

Fig.7 Generación de una señal triangular

El tiempo de actividad afecta también a esta señal haciendo que el tiempo de subida y de bajada se hagan desiguales. Varíe Duty Cicle y observe las diferentes señales. Cuando se trabaja a un valor diferente del 50% la señal se llama “diente de sierra”.

El ultimo botón genera una señal de ruido o señal aleatoria. Todas las señales estudiadas hasta ahora tenían un periodo fijo y por eso se engloban dentro de las llamadas “señales repetitivas” es decir que cada ciclo es igual al anterior o al posterior. La señal aleatoria no es repetitiva y por lo tanto no tienen una frecuencia que la distinga. En realidad podríamos decir que tiene a todas las frecuencias dentro de ella.

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Fig.8 Generación de una señal de ruido

Observe que cuando se selecciona esta señal se borra la ventana de frecuencia y la de “Duty Cicle” porque estos parámetros no existen en una señal de ruido.

¿Cómo se genera una señal de ruido?

En realidad las tensiones absolutamente fijas no existen. En efecto la corriente que circula por un resistor conectado a una batería no es absolutamente fija, tiene pequeñísimas variaciones con forma de ruido. La razón es que un electrón que circula por un conductor no sigue un camino recto sino que va rebotando aleatoriamente átomo en átomo y como los átomos se mueven alrededor de su punto de equilibrio (movimiento Browniano) los electrones rebotan como en un “Pin Ball” y es como si cada electrón encontrara una resistencia diferente. Por lo tanto si se conecta un resistor a una batería y luego se mide la corriente circulante por él con un osciloscopio y un resistor Shunt, y se le da suficiente amplificación al canal vertical del osciloscopio se observará una señal de ruido de corriente.

Señales senoidales

El primer botón del generador es el de la señal sinusoidal y es por mucho el mas utilizado. Ya dijimos que cuando se intercambia energía entre un capacitor y un inductor las formas de señal generadas son senoidales amortiguadas y que un circuito sin resistencias tiene una amortiguación nula y genera una señal senoidal pura. ¿Existe otro modo de generar una señal senoidal pura? Si, existe.

Si Ud. toma una espira de alambre de cobre y la hace girar dentro de un campo magnético constante, la espira genera una tensión alterna senoidal con una frecuencia y una amplitud determinada por la velocidad de giro de la bobina. Un giro completo genera un ciclo completo de la señal senoidal. Por supuesto que ese dispositivo solo generará una señal muy pequeña; para aumentar la amplitud de la señal en lugar de una sola espira se deben emplear varias formando una bobina. Otra forma de aumentar la amplitud es aumentando el campo magnético y la última es aumentar la velocidad de rotación.

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Fig.9 Generador mecánico de señales senoidales

¿Cuál es la razón de que este dispositivo genere una señal senoidal? La razón es que una espira sumergida en un campo magnético genera una tensión que depende de la velocidad con que cambia ese campo magnético.

Si el campo no cambia no se genera tensión Si cambia muy lentamente se genera poca tensión si lo hace rápidamente se genera mucha

La razón del cambio no importa; puede ser porque se mueve la espira, o porque se mueve el imán, por ambas cosas al mismo tiempo o porque el campo esta generado por otra bobina cuya corriente varía. En nuestro dispositivo cuando la espira esta vertical casi no hay cambio de campo magnético (se atraviesan pocas líneas rojas por segundo) en cambio cuando está horizontal se cortan muchas. A 45º tendremos un caso intermedio. En general se puede demostrar que la cantidad de líneas cortadas es proporcional al seno del ángulo con respecto a la vertical y de allí el nombre de señal senoidal. No es difícil imaginar que cuando la espira está horizontal se produce un cambio de sentido del campo magnético con respecto a la espira, que involucra un cambio de sentido de circulación de la corriente eléctrica por la carga.

Si Ud. toma una calculadora científica y resuelve la ecuación v = Vmax . sen α (en donde Vmax es la tensión del pico de la senoide) y calcula “v” para un ángulo de 0, 10, 20 etc hasta 360º y realiza una representación gráfica va a dibujar una senoide perfecta.

Vuelva al laboratorio virtual presione el primer botón y arranque una nueva simulación. Observe el oscilograma que mostramos en la figura 10.

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Fig.10 Generación de una señal senoidal

Las señales senoidales tienen una importancia fundamental en la electrónica no solo porque los intercambios energéticos tienen esa forma y la tensión de la red eléctrica también; mas adelante vamos a demostrar que toda señal repetitiva de cualquier forma se puede generar con multiples señales senoidales de frecuencias armónicas (doble, triple, etc.).

Tenga en cuenta que cuando se trabaja con señales senoidales la tensión del generador es el doble que en las otras formas de señal. Por ejemplo poniendo 5V en la ventana, la señal de salida es de 10V entre el pico positivo y el negativo (en adelante escribiremos “pap” de pico a pico). Esto es valido solo para el LW. Otros laboratorios virtuales pueden colocar una señal de 5V pap al escribir 5V en la ventanita.

La reactancia capacitiva y la Ley de Ohm para CA

Nosotros sabemos calcular que corriente circula por un resistor cuando lo conectamos a una batería. Ahora vamos a averiguar que corriente circula por un capacitor cuando lo conectamos a un generador de CA. En la figura 11 se puede observar el circuito con el agregado de un resistor shunt de 1 Ohms para poder medir la corriente circulante con un osciloscopio.

Fig.11 Corriente por un capacitor

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De aquí podemos observar que cuando a un capacitor de 1 uF se le aplica una tensión senoidal de 5V de pico y de una frecuencia de 50 Hz, por el circula una corriente de 1,57 mA de pico (en realidad se está aplicando una tensión algo menor a 5V de pico porque sobre el resistor shunt caen 1,6 mV que se desprecian).

Aplicando la ley de Ohm se puede decir que el capacitor presenta una oposición al paso de la corriente equivalente a un resistor de

5V / 1,57 mA = 3.183 Ohms

cosa que se puede comprobar con el LW sacando el capacitor, colocando un resistor de ese valor y observando que la corriente es la misma.

Pero a diferencia de lo resistores cuando se utilizan capacitores la resistencia a la circulación de la CA o “reactancia capacitiva” que se conoce como Xc depende del valor de la frecuencia. Realizando mediciones se observa que Xc es inversamente proporcional a la frecuencia y a la capacidad.

La formula completa es

Xc = 1/ 2π . F . C

y si Ud. reemplaza el valor de C por 1 uF y el de F por 50 Hz obtendrá el valor de Xc de 3.183 Ohms verificando nuestro ejemplo. El alumno modificará el valor de C y de F en el LW y realizará los correspondientes cálculos para verificar el resultado.

La reactancia inductiva

Ya sabemos calcular la corriente que circula por un resistor y por un capacitor. Ahora vamos a averiguar que corriente circula por un inductor cuando lo conectamos a un generador de CA. En la figura 12  se puede observar el circuito correspondiente con el agregado de un resistor shunt de 1 Ohms para poder medir la corriente circulante con un osciloscopio.

Fig. 12 Corriente por un inductor

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A diferencia del capacitor observaremos que el LW comienza a trazar la curva en el cuadrante positivo y luego de un tiempo y paulatinamente va descendiendo hasta dibujar la forma definitiva con ambos picos equidistantes del eje cero tal como se observa en la figura.

De aquí podemos deducir que cuando a un inductor de 1 Hy se le aplica una tensión senoidal de 5V de pico y de una frecuencia de 50 Hz por el circula una corriente de pico de 15,9 mA. Aplicando la ley de Ohm, se puede decir que el inductor presenta una oposición al paso de la corriente equivalente a un resistor de

5V / 15,9 mA = 314 Ohms

cosa que se puede comprobar con el LW sacando el inductor, colocando un resistor de ese valor y observando que la corriente es la misma.

Igual que con los capacitores cuando se utilizan inductores la resistencia a la circulación de la CA o “reactancia inductiva” que se conoce como XL depende del valor de la frecuencia. Realizando mediciones se observa que XL es directamente proporcional a la frecuencia y a la inductancia.

La formula completa es

XL = 2 π . F . L

y si Ud. reemplaza el valor de L por 1 Hy y el de F por 50 Hz obtendrá el valor de XL correspondiente de 314 Ohms, verificando nuestro ejemplo. El alumno modificará el valor de L y de F en el LW y realizará los correspondientes cálculos para verificar el resultado.

Circuito RLC serie y paralelo

Ya sabemos calcular la reactancia capacitiva e inductiva. Ahora vamos a estudiar que sucede cuando en un mismo circuito se combinan un resistor, un capacitor y un inductor. Primero vamos a estudiar el circuito serie y luego el paralelo. En la figura 13 podemos observar el circuito resonante RLC serie.

Fig.13 Circuito RLC serie

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Observe que un canal del osciloscopio se conecta sobre el resistor y el otro sobre el capacitor. Como ya sabemos, en el resistor, un aumento de tensión trae como consecuencia un aumento de corriente, tal como indica la ley de Ohm. Por lo tanto se puede asegurar que la corriente por el circuito esta representada por la tensión sobre el resistor dividida por la resistencia (1K en nuestro caso).

El haz azul por lo tanto nos indica que la corriente tiene un valor de pico de

1,63V / 1K = 1,63 mA

Cuando esa corriente senoidal pase por el capacitor, sobre el se va a producir una tensión. Esa tensión depende por supuesto del valor de la corriente y de la reactancia capacitiva del capacitor. Es decir que en CA senoidal se cumple una extensión de la ley de Ohm que dice que

I = E / Xc

o  en el caso del inductor

I = E / XL

Pero si Ud. observa atentamente el grafico va a notar que los máximos de tensión sobre el capacitor y los máximos de corriente (o de tensión sobre el resistor que es lo mismo) no coinciden. En efecto, el máximo del haz azul (resistor) coincide con el pasaje por cero de la tensión sobre el capacitor. Leyendo tiempos en el grafico, eso significa 5 mS (un cuarto de ciclo) y como un ciclo se cumple cuando la bobina del generador recorre los 360º significa un desfasaje de 90º.

La consecuencia es entonces la siguiente: en un capacitor, la corriente adelanta a la tensión en 90º confirmando el carácter reactivo del mismo. Esto es una consecuencia del concepto general de que a un capacitor no le gusta cambiar la tensión sobre sus armaduras y entonces la tensión aparece tarde, es decir 90º después. Cuando estamos trabajando a 50 Hz (o con un periodo de 20 mS) eso significa un retardo de 5 mS.

Olvidándose de la fase, se puede calcular que la tensión de pico será igual a la corriente multiplicada por la reactancia del capacitor a 50 Hz que ya conocemos y que es de 3.183 Ohms. Como la corriente pico es de 1,63 mA la tensión sobre el capacitor será

3.183 . 1,63.10-3 = 5,2 V

confirmando lo indicado por el LW en el gráfico.

Vamos ahora a modificar la conexión del osciloscopio para analizar la caída de tensión en el inductor.

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Fig.14 Caída de tensión sobre el inductor

Como podemos observar, sobre el inductor se produce una caída de 0,512 V de pico al circular la corriente de 1,63 mA indicando que la reactancia inductiva a 50 Hz es de

0,512 / 1,63.10-3 = 314 Ohm

Si observa atentamente la gráfica notará que el máximo de corriente en azul coincide con el pasaje por cero de la tensión en el inductor (rojo) pero que a diferencia con el caso anterior la tensión está adelantada a la corriente en 90º confirmando el carácter reactivo del inductor y su característica de oponerse al cambio de la corriente que lo atraviesa generando un retardo de 5 mS en la tensión.

¿Se cumple la segunda ley de Kirchof que indicaba que la suma de las caídas de tensión en el circuito eran iguales a la tensión de fuente? Aparentemente no se cumple, porque si sumamos las tensiones sobre el resistor (1,63V) mas la caída en el capacitor (5,2V) y la caída en el inductor (0,512V) se obtiene una caída total de 7,342 V. Sin embargo se cumple, si consideramos que la fase de la tensión sobre cada componente es diferente y no se puede sumar el pico de tensión sobre el inductor con el pico de tensión sobre el capacitor ya que ambos picos están invertidos como lo demuestra la figura15.

Fig.15 Comparación de la tensión sobre el capacitor y el inductor

Mirando la grafica no cabe duda que la tensiones debe restarse en lugar de sumarse lo cual confirma el echo de que el L y el C son antagónicos. Pero aun así, la cuentas no dan, porque la caída en el capacitor menos la caída en el inductor es de 5,2 – 0,512 = 4,68 V que sumados a la caída de tensión en el resistor de 1,63V hacen 6,38V. Lo que ocurre es que la caída de tensión sobre la suma del inductor y el capacitor tampoco están en fase con la caída de tensión en el resistor y por lo tanto no se debe hacer una suma directa,

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sino considerando que se forma un triangulo equilátero entre las caídas de tensión y la tensión de fuente.

Fig.16 Suma vectorial de tensiones

Para verificar matemáticamente esta suma vectorial debe utilizarse el teorema de Pitágoras que dice:

Vf = √ Vr2 + (Vc-VL)2

con Vf = tensión del generador

Ud. se estará preguntando si un técnico utiliza diariamente estos cálculos para reparar equipos y yo le voy a decir que no; y menos ahora que puede hacer todo utilizando un laboratorio virtual. Nosotros lo presentamos solo para que se entienda el próximo tema, que explica el fenómeno de la resonancia, que es algo muy empleado hasta en los equipos mas elementales como nuestro generador o una radio a galena.

Conclusiones

En esta entrega definimos la reactancia capacitiva e inductiva y explicamos como operan los capacitores e inductores cuando se los asocia entre si y cuando se los asocia con resistores. También explicamos cuales son las formas de señal mas importantes, realizando varios ejercicios con la mas importante de todas las señales que es la senoidal. Por último aclaramos el tema de la segunda ley de Kirchoff en circuitos de CA y explicamos la suma vectorial de tensiones.

En la próxima entrega vamos explicar el fenómeno de la resonancia y como aplicación vamos a completar el tema de nuestro generador de señales de RF.

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10/ Armado del generador de RFSabemos que las tensiones en nuestro circuito serie RLC no están en fase. La tensión en el resistor esta en fase con la corriente. La tensión en el inductor esta adelantada 90º con respecto a la corriente y la tensión en el capacitor esta atrasada 90º.

Como 90º mas 90º suman 180º concluimos que las tensiones en el capacitor y en el inductor se restan. Hasta allí todo está claro, pero seguramente existirá una frecuencia donde las tensiones sobre estos dos componentes serán iguales o lo que es lo mismo que las reactancias capacitiva e inductiva lo son, dando lugar a un efecto llamado de resonancia.

En la resonancia el circuito R L C serie tiene su mínima resistencia a la CA; a esta propiedad del circuito se la llama impedancia y se la representa con la letra Z. Si el circuito tiene resistencia, a la frecuencia de resonancia las reactancia capacitiva e inductiva se anulan y Z = R. Si el circuito no tiene resistencia (R=0) teóricamente la Z seria nula. Por supuesto que este es un caso hipotético porque tanto el capacitor como el inductor tienen perdidas que se representan por un resistor en serie con el inductor (representa la resistencia del alambre) y un resistor en paralelo con el capacitor (representa las fugas del dieléctrico).

En la práctica el capacitor está muy cerca de ser un componente ideal y por lo tanto la resistencia en paralelo es tan alta que se desprecia y solo se deja la resistencia en serie con el inductor que tiene valores considerables.

En la lección 7  presentamos el circuito de nuestro transmisor o generador de radio de AM. Alli indicamos que cuando se asocian un capacitor y un inductor se producen oscilaciones entretenidas cada ves que el circuito es excitado con el flanco de una onda cuadrada. Esas oscilaciones tienen una frecuencia muy bien determinada por una formula que lleva el nombre del científico que estudió el fenómeno de la resonancia eléctrica y que se llamaba Thomson. En la lección 7 usamos la fórmula de Thomson sin explicar como hizo para obtenerla; en esta vamos a deducirla.

Deducción de la fórmula de Thomson

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En nuestro curso tratamos de aplicar la menor cantidad posible de matemáticas, pero si Ud. se va a dedicar a la electrónica, no puede dejar de aplicarla a pesar de la enorme ayuda que prestan actualmente los laboratorios virtuales. Probablemente no deba hacer tediosos cálculos, pero debe conocer los principios de la electrónica y saber como hace el laboratorio virtual para realizar los cálculos por Ud.

Thomson analizó el circuito serie L y C y descubrió que existe una frecuencia (la de resonancia) en donde la reactancia capacitiva se iguala a la reactancia inductiva. Y lo expresó matemáticamente como:

Xl = Xc

y reemplazando

2.π.F.L = 1 / 2.π.F.C

De esta fórmula pretendemos extraer el valor de F en función de todos los demás que son conocidos y lo primero es pasar F del termino de la derecha, al termino de la izquierda. Como está dividiendo pasa multiplicando y entonces queda

2.π.F.F.L = 1 / 2.π.C

y ahora hay que pasar el resto de los términos de la izquierda a la derecha y resolver F.F como F2:

F2 = 1/ (2.π.)2.L.C

Si ahora se calcula la raíz cuadrada de ambos términos queda:

F = 1/ 2.π √L.C

que es la formula que estábamos buscando.

Realización práctica del generador de RF

En la lección 7 le mostramos como es una bobina industrial realizada con una cazoleta y un carretel de ferrite. ¿Pero dónde se compran esos componentes? La realidad es que no se venden por unidad. La solución es tomar una bobina de alguna radio desarmarla y bobinarla nuevamente a mano. Pero nosotros vamos a proponer otra solución que nos servirá para practicar y aprender. Construir una bobina con núcleo de aire. El único problema es que para que la bobina tenga un buen factor de merito (bajas perdidas) debe ser necesariamente grande. Y si la vamos a fabricar grande no nos quedemos a mitad de camino y hagámosla realmente grande para que sirva de irradiante. Esto significa que no necesita tener una antena para que sus transmisiones lleguen a hasta la radio a ajustar. Basta con estar a algunos metros de distancia para que nuestro generador irradie una señal similar a una emisora pero modulado con un tono de audio de 2 KHz.

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Las bobinas con núcleo de aire permiten predecir la inductancia en función de los parámetros físicos con una aceptable precisión. La formula para el calculo de la inductancia de una bobina con núcleo o sin núcleo es exactamente la misma y se puede escribir como

L = 1,257.10-8. μ.(N2.S/l)

en donde:

L = inductancia o coeficiente de autoinducción en Hy S = sección comprendida por una espira en cm2 N = número de espiras l = largo de la bobina en cm μ = permeabilidad relativa del núcleo (con núcleo de aire es 1)

Fig.1 Bobina con núcleo de ferrite o de aire

Las fórmulas hablan, pero hay que saberlas interpretar. Esta fórmula de la inductancia nos indica que ella es directamente proporcional a la sección de la espira lo cual es muy lógico porque en esa sección es donde se desarrolla el campo magnético cuando la bobina es recorrida por una corriente. También nos dice que la inductancia es inversamente proporcional al largo de la bobina y esto también es muy lógico porque si ponemos una espira cada metro las espiras no pueden interaccionar entre si; al acercarlas (reduciendo “l”) interaccionan y aumentan la inductancia. Por último la inductancia varía directamente con el cuadrado del numero de vueltas porque cada vuelta agregada esta circulada por la misma corriente y eso es como hacer pasar el doble de corriente por una misma espira: pero al agregar otra espira ella genera un campo magnético propio que se suma al campo de la espira vecina; por eso la relación es cuadrática.

Luego tenemos la permeabilidad de aire que es 1,257.10-8 y por ultima la permeabilidad relativa del núcleo con respecto al aire que se denomina μ .

Existen dos posibilidades para calcular la bobina:

por tanteo por trasposición de términos

Como forma de la bobina vamos a usar la parte inferior de un envase de gaseosa que tiene un diámetro de 88 mm. En principio tomamos una altura de la bobina de 100 mm.

Page 94: Electrónica Completa

El radio es de 44 mm y pretendemos obtener una inductancia de 320 uHy que al resonar con nuestro tandem totalmente cerrado (de 520 pF) generará una frecuencia de 400 KHz aproximadamente.

En principio vamos a calcular la inductancia de una bobina de 10 espiras y si no tiene el valor adecuado la vamos a aproximar.

L = 1,257.10-8. μ.(N2.S/l)

= 1,257.10-8.1.(100.3,14.r2/10)

= 1,257.10-8.1.(100.6079/10)

= 1,257. 10-8 60790

= 7641 . 10-8

= 76,41.10-6 Hy o 76,41 uHy

Ahora todo lo que queda es encontrar cuantas espiras se requieren para que esta inductancia aumente a 320 uHy cambiando la única variable de la formula que es la cantidad de espiras. Como la relación es cuadrática se puede decir que al aumentar N en un porcentaje determinado L aumenta el doble de ese porcentaje. Si fuera una relación cúbica aumentaría el triple etc. Como L debe aumentar 320/76,41 = 4,18 veces N debe aumentar 4,18/2 = 2,09 veces es decir prácticamente a 21 espiras.

Aquí detengo el cálculo y paso a realizar una prueba práctica. En mi caso es simple porque tengo un dispositivo de prueba de PICs que enciende y apaga leds. Simplemente cambio la frecuencia de salida a 2 KHz y puedo probar el circuito L C con un osciloscopio.

Vamos a realizar un paso a paso del cálculo porque todo depende del tandem que Ud. pueda conseguir. En general no hay mucho para elegir en los negocios de electrónica, compre lo que pueda y mida la capacidad con un tester digital que tenga medición de capacidad. En nuestro caso conseguimos un tandem para una radio de AM y FM es decir con cuatro secciones de las cuales solo vamos a usar las dos de AM que son de un valor nominal de 250 pF a máxima capacidad. La medición real dio un valor de 259 para una sección y de 261 para la otra. Las secciones de FM que son de mucha menor capacidad se dejan para el agregado de una banda de FM para completar nuestro generador en el futuro.

El tandem comprado tiene trimers, que se conectan exteriormente y que poseen una capacidad variable entre 1 y 8 pF. En la figura 2 se puede observar una infografía del tandem.

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Fig.2 Un tandem para AM/FM

Nuestro capacitor real tiene 520 pF si conectamos las dos secciones de AM en paralelo. Por esa razón realizamos el cálculo con este nuevo valor de capacidad. A continuación vamos a volver a realizar nuestra simulación con los valores máximo del tandem real y con los valores mínimos y vamos a observar cuales es el cubrimiento de banda real del generador. Esta simulación no la vamos a realizar en nuestro conocido LiveWire sino que vamos a utilizar otro laboratorio virtual, aun mas difundido que se llama Workbench Multisim en su versión 9.1.

Fig.3 Simulación en Worbech del circuito RLC

En la figura XFG1 representa a nuestro generador de onda cuadrada construido con un PIC. C1 es el paralelo de las dos secciones de AM del tandem. C2 es el paralelo de las dos trimers de AM y C3 es un capacitor fijo del tipo cerámico (puede ser también de 8,2 pF) para fijar la punta de banda superior. L1 es nuestro inductor de alto Q y R1 es un resistor de ajuste del amortiguamiento de la oscilación que además sirve para la toma de la señal de salida. R2 y R3 son los resitores de salida para que el oscilador tenga una impedancia de salida nominal de 50 Ohms. XSC1 es un osciloscopio de doble haz que está conectado sobre la salida del generador de onda cuadrada y sobre los resistores de salida. XBP1 es un instrumento que se llama generador de Bode. El nos permite explorar

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la respuesta en frecuencia del circuito para estar seguros de que nuestro generador cubrirá la banda requerida.

En la figura 4 se pueden observar oscilogramas y respuestas en frecuencia del generador en funcionamiento.

Fig.4 Oscilogramas del circuito

Arriba a la izquierda en rojo se observa la señal del generador de onda cuadrada de 2 KHz con su periodo de cinco cuadraditos de 100 uS cada uno es decir 500 uS que pueden ser leídos directamente con los cursores.

En el otro canal, en negro, se puede observar la señal de salida con la oscilación amortiguada.

A la derecha se observa un detalle de la oscilación que permite leer el periodo de la RF. Utilizando los cursores se observa que es de algo mas que 2,68 uS que equivale a 373 KHz y por lo tanto cubre perfectamente la banda.

Abajo a la izquierda, se puede observar la respuesta en frecuencia del circuito. Vemos que la salida es baja salvo a una frecuencia que es la de resonancia. El cursor nos permite leer que esta frecuencia que es de 384 KHz aproximadamente por lo que se confirma la medición anterior. Si ahora reducimos la capacidad del tandem a mínimo se obtiene la figura de abajo a la derecha en donde se puede medir una frecuencia de aproximadamente 1,96 MHz.

Un modo de armar nuestro generador

Un técnico debe tener imaginación además de conocimiento, llegado el momento de construir nuestro dispositivo real debemos encontrar el modo mas idóneo. Cuando un dispositivo contiene muchos componentes se diseña un circuito impreso, para construirlo en forma prolija. En el foro de laboratorios virtuales Ud. puede encontrar la forma de diseñar un circuito impreso en programas que se acoplan al LiveWire y al Workbench Multisim.

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Pero como nuestro diseño es muy simple, vamos a construirlo en forma cableada, con algo similar a un circuito impreso pero hecho a mano. Nuestro diseño contiene un inductor de elevado tamaño que no es fácil de ubicar en un gabinete que además debe ser forzosamente de plástico para que la bobina irradie. Como no es cosa de gastar en el gabinete lo que no quisimos gastar en el circuito, me decidí por utilizar una maceta con base rectangular que pudiera contener a nuestra bobina de 88 x 100 mm que con su base puede llegar a tener 150 mm de largo. La maceta costó 1,5 U$S y tiene el tamaño ideal de 30 x 12 cm con una profundidad de 12 cm. El frente de la maseta se completa con una lamina de plástico del tipo llamado “alto impacto” de 1,5 mm o 2 mm de espesor, que se puede cortar perfectamente con una tijera grande o una tijera de cortar lata.

En la figura 5 se puede observar una fotografía del gabinete y el frente. La idea es armar el instrumento completo sobre el frente y usar el gabinete solo para cubrir el dispositivo totalmente armado incluyendo su fuente independiente de 4 pilas.

Fig.5 Gabinete y frente

La bobina se monta sobre el frente con dos tornillos. Una ves montada la bobina como lo indica la figura 10.3.2 debemos montar el tandem que no tiene agujeros de anclaje. Por esa razón se agrega un armazón de alambre de cobre de 1,5 mm de diámetro que opera como soporte y permite montarlo en el frente.

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Fig.6 Montaje de la bobina

Fig.7 Armazón del tandem

Realicé dos agujeros en el frente para el montaje del tandem y uno para la salida del eje. Es muy difícil encontrar una perilla adecuada para este tipo de eje, que además tenga un diámetro suficientemente amplio como para hacer una escala de dial. Por lo tanto la tendremos que fabricar de algún modo.

Yo construí el dial con un disco CD en desuso. El centro del dial lo hice recuperando una polea de tandem de una radio vieja que pegue al disco con adhesivo para caños de PVC (también se puede usar cianocrilato que es el nombre técnico de la famosa gotita). El disco CD es ideal para dibujarle una escala con un marcador indeleble que se hace coincidir con un índice montado en el frente.

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Fig.8 Dial terminado sin escala

El microprocesador de 8 patas se monta siempre sobre un zócalo, para tener la posibilidad de sacarlo para una reprogramación. En nuestro caso como no tenemos circuito impreso, se lo monta sobre un trocito de plaqueta a la cual se le realizó un circuito impreso con una herramienta fabricada con una amoladora a partir de un trozo de cierra rota, tal como se observa en la figura 9.

Fig.9 Herramienta para fabricar circuitos impresos

Esta herramienta de corte se desplaza sobre el cobre del circuito impreso en el sentido indicado en la figura, haciéndole arrancar material con la punta de la derecha. Así se realiza un canal con ayuda de una regla metálica. El dibujo a realizar se puede observar en la figura 10.

Fig.10 Circuito impreso

Los puntos negros son las marcas donde caen la patitas del zócalo de 8 patas. Sobre este circuito impreso vamos a montar el zócalo con las patitas dobladas hacia afuera y soldadas sobres las islas rectangulares tal como lo indica la figura 10 o en la fotografía 11.

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Fig.11 Zócalo del Pic soldado

Fig.12 Fotografía del circuito impreso sobre el circuito impreso

Por último en la figura 13 se puede observar el frente completamente armado incluyendo la llave de encendido y el conector BNC de salida. En tanto que en la figura 14 se puede observar el dispositivo terminado como para dibujar el dial.

Fig.13 Cableado

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Fig.14 Frente terminado para marcar el dial

Marcación del dial

Para ajustar nuestro dispositivo solo se necesita un centro musical con sintonía digital. Sintonice la primer emisora de la banda y observe la indicación de display. Siga buscando emisoras hasta llegar a alguna muy cercana a 600 KHz. Encienda el generador cerca del centro musical y mueva el dial hasta que se produzca una interferencia y eventualmente un bloqueo de la emisora que queda reemplazada por el tono de 2 KHz; realice una marca en el dial. Luego haga lo mismo con alguna emisora cercana a 700 KHz y así sucesivamente para ajustar todo el dial hasta 1600 KHz.

Existen frecuencias fuera de banda que son muy importante en el ajuste y la reparación de una radio de AM. Cuando veamos el funcionamiento del receptor superheterodino observaremos que existe una frecuencia llamada de FI (frecuencia intermedia) de un valor de 455 KHz. Es muy importante marcar esa frecuencia en el dial. El circuito de antena del centro musical tiene un filtro que rechaza a esa frecuencia; pero nuestro generador tiene suficiente potencia como para ingresar por fuerza bruta a la FI e interferir cualquier emisora que se este escuchando. Si el rechazo fuera muy grande se puede realizar la marca en 455 KHz por extrapolación de las marcas de frecuencia superiores. Arriba de los 1650 KHz no existe ninguna posibilidad de ajustar alguna frecuencia característica, así que solo se puede operar por extrapolación o dejar la zona del dial libre.

Conclusiones

En esta lección terminamos de explicar como se puede fabricar un sencillo generador de señales de AM perfectamente apto para el ajuste de receptores de radio, Centros musicales, sintoamplificadores y todo dispositivo electrónico que posea un receptor de radio.

En la próxima lección vamos a conocer a nuestro primer componente activo que es el diodo y vamos a introducirnos en el mundo de los receptores de radio explicando como

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funciona una radio a galena y como el alumno puede construir una con pocos componentes de bajo costo.  El armado de nuestra radio a galena se realizará en un gabinete y con un tanden y una bobina muy similar al de nuestro generador de AM por lo tanto aconsejamos a nuestros alumnos que compren dichos elementos por duplicado.

Autoevaluación Autoevaluación de la lección 10

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11/ El diodoNo existe un modo de definir fácilmente el porque a algunos componentes se los llama pasivos y a otros activos, con absoluta precisión. Para definir perfectamente la cosa yo acostumbro a decir que los componentes pasivos son el resistor, el capacitor y el inductor con dos variantes que aun no conocemos llamadas transformador y autotransformador. Y los activos son los otros. Otros autores dicen que:

Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente que circula no es lineal como en un resistor, un capacitor o un inductor.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que nuestros alumnos ya conocen y que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad son circuitos que llevan en su interior millones de componentes.

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos que condicionaran el funcionamiento del circuito. Esto no sucede con los componentes

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pasivos. Dentro de los componentes activos mas importantes se pueden nombrar a los diodos en primer termino cuya función es rectificar y limitar las señales; luego los transistores cuya función es amplificar o controlar la corriente de un circuito; los amplificadores operacionales cuya función principal es amplificar pero que tienen otros usos como sumadores restadores, etc y por ultimo los circuitos integrados en general de los cuales existen versiones programables y no programables y que tienen un uso general.

Analicemos el componente activo más elemental que es el diodo. Esta palabra significa “que tiene dos terminales”. Los primeros diodos que se utilizaron fueron los diodos termoiónicos que ya pertenecen a la historia de la electrónica. En lo que sigue analizaremos el diodo semiconductor de silicio y lo aplicaremos a un rectificador primero y la construcción de una radio elemental en la próxima entrega.

Representaciones gráficas

En la ciencia electrónica todo se representa en gráficos del tipo X-Y (coordenadas cartesianas ortogonales). Un resistor puede ser representado en una gráfica en donde se indica la corriente que circula por él en función de la tensión que se le aplica. En la figura 1 se puede observar como ejemplo el gráfico correspondiente al resistor de 1Kohm.

Fig.1 Representación de un resistor de 1K

Observe que la recta representativa del comportamiento del resistor ocupa el primer y tercer cuadrante, que significa que a valores de tensión positivos (por ejemplo 2V) responde haciendo circular una corriente en el sentido positivo (2 mA); en cambio si se aplica una tensión negativa, el resistor cambia el sentido de circulación de la corriente pero mantiene su valor absoluto.

El gráfico correspondiente a un capacitor conectado a una fuente de tensión de C.A. de frecuencia fija sigue un gráfico similar. Por ejemplo el correspondiente a un capacitor de 1> F, a 1KHz se puede representar luego de calcular su reactancia capacitiva:

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Xc= 1/(2¶ x F x C) = 1/(6.28x103x10-6) = 103/6.28 = 1000/6.28 ≈ 159.23 Ω

Fig.2 Representación de la reactancia capacitiva de un C de 1 uF a 1KHz

Observe que no representamos el valor negativo de las tensiones porque en una C.A. la tensión está cambiando constantemente y lo que representamos en el eje Y es el valor de pico de la señal. Del mismo modo se podría representar la gráfica de la corriente por un inductor.

Representación gráfica de un diodo semiconductor

En nuestro curso básico de electrónica estudiamos a los componentes en función de sus características externas sin atender a cómo funcionan internamente. Considero que el alumno deberá entender el funcionamiento interno con posterioridad a la aplicación del componente en el circuito.

Considere al diodo como un resistor cuya resistencia interna depende del sentido de circulación de la corriente. En un sentido presenta un bajo valor de resistencia en tanto que en el sentido contrario presenta una resistencia muy elevada.

Un gráfico vale por mil palabras. El gráfico de un diodo semiconductor se puede observar en la figura 3.

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Fig.3 Curva de un diodo 1N4148)

Como se puede observar al incrementar la tensión directa sobre el diodo no circula corriente hasta que se llega a una tensión de 0.6V en donde la corriente comienza a circular aumentando bruscamente. Es decir que después de los 0.6V la curva corresponde a un resistor de bajo valor (unos 100 Ohm para el 1N4148). Por debajo de los 0.6V el diodo es casi un circuito abierto, es decir que posee una resistencia muy grande y muy variable diodo a diodo, llamada resistencia de fuga del diodo. A un valor muy alto de tensión inversa el diodo entra en la llamada tensión de ruptura; simplemente se produce un arco como el de la perforación de un dieléctrico y que para el diodo considerado es de aproximadamente 75V. Ese arco es destructivo y el diodo por lo general se transforma en un cortocircuito.

Este tipo de gráfico no es el único posible de realizar. La elección de los ejes es evidentemente informal. Podría realizarse la curva usando el eje Y para representar la corriente y el eje X para la tensión.

Cuando Ud. diseña un circuito con resistores, capacitores o inductores por lo general no necesita la especificación de los componentes. Pero cuando se utilizan componentes activos es necesario averiguar sus características a través de la correspondiente especificación (Data Sheet).

Especificación del diodo 1N4148

Como ejemplo vamos a estudiar la especificación del diodo de señal más común utilizado en electrónica.

Esta especificación que antiguamente se obtenía del manual del fabricante, actualmente se obtiene por Internet. Ingrese a cualquier buscador (por ejemplo el Google) y pida 1N4148.pdf, seguramente va a tener muchos links a diferentes fabricantes; yo seleccioné

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Fairchild y obtuve una especificación en formato pdf que comienza con una descripción general o features.

Lo primero que se indica es que se trata de un diodo encapsulado en vidrio, del cual se puede observar su versión clásica y tipo SMD en la figura 4.

Fig.4 Forma del diodo 1N4148

Observe que el diodo tiene una banda que marca el terminal negativo o cátodo para diferenciarla del positivo o ánodo. Junto al dibujo del diodo se puede observar que se trata de un diodo que puede conmutar a alta velocidad entre los estados de alta impedancia y baja impedancia (4ns).

A continuación se ven los dos valores más importantes de un diodo que son la máxima tensión inversa y la máxima corriente directa. En nuestro caso puede observar que nuestro diodo es de 200mA y 75V. Esto significa que cuando está en directa puede conducir permanentemente hasta 200mA sin calentarse excesivamente a una temperatura ambiente de 25ºC. Por otro lado cuando está en inversa admite una tensión máxima de 75V. Luego se puede producir la ruptura del chip por exceso de tensión.

Fig. 5 Curvas características del 1N4148

Con referencia a los gráficos Fairchild prefiere generar gráficos separados para cada parámetro como por ejemplo el gráfico 5 que contiene la curvas de tensión inversa, directa a 20ºC y directa en función de la temperatura. La primera curva observamos como

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la corriente inversa se mantiene casi constante en 20 nA hasta que comienza a crecer a unos 60V de modo que a 100V ya tiene 100 nA. Debajo se encuentra la curva de corriente directa a 25ºC.

Observe que a 500 mV circula una pequeña corriente de 100 uA que se transforma en una importante corriente de 700 mA al llegar a aplicar 700 mV. Esta curva parece recta solo porque la escala de corriente es logarítmica si fuera lineal se observaría un codo neto a unos 600 mV. Como trabajo práctico el lector deberá trazar esta curva en un grafico lineal en ambos ejes considerando que el primer punto a ubicar es 0V/0A.

Arriba a la derecha se puede observar como la tensión de barrera cambia con la temperatura. Si mantenemos la corriente circulante por el diodo en 10 mA (por ejemplo con una fuente de 12V y un resistor serie de 1,2 Kohms) podremos observar que la tensión variará entre 320 y 520 mV cuando la temperatura varíe de -40 a +65 ºC. Si el lector está pensando que un diodo se puede usar como termómetro le decimos que precisamente esa es una de sus funciones secundarias.

Por último se observa una curva que nos indica que tan rápidamente opera nuestro diodo cuando se lo usa como llave; el eje inferior representa a la “corriente de recuperación inversa” o Irr en función del tiempo de recuperación “Tr”. El concepto de esta medición es el siguiente: si Ud. aplica una tensión directa por el diodo circulará una corriente apreciable. Cuando invierta la tensión, el diodo debería abrirse de inmediato, pero en realidad demora un tiempo que depende de la corriente directa que se había establecido inicialmente. Si esta corriente es de 60 mA el diodo demorará 1,25 nS en abrirse. Este parámetro caracteriza la velocidad del diodo de modo que existirán diodos adecuados para la frecuencia de red y otros tan rápidos como para ser usados en la banda de microondas a frecuencias de 10 GHz.

Se considera a un diodo como ideal cuando tiene una resistencia nula en directa, una barrera nula y una resistencia infinita en inversa; es decir, un dispositivo que conduce perfectamente en un sentido y se abre en el otro. Y podríamos agregar: que no demora en abrirse.

Cicruitos con diodos

Los diodos de silicio (que son los más utilizados) se emplean como rectificadores (conversores de CA en CC), como limitadores de señal y como protectores de tensiones inversas.

Un sencillo circuito como el de la figura 11.5.1 es perfectamente capaz de evitar la circulación del semiciclo negativo de una señal de CA, transformándola en una CC pulsante tal como se puede observar con el osciloscopio del WB Multisim.

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Fig. 6 Conversor CA/CC

Este circuito tal como está no sirve de mucho, ya que la señal de salida no es una continua pura (tiene aplicaciones en electrónica industrial porque una señal pulsante puede alimentar a un motor de CC tan bien como una CC pura).

Para que el circuito se transforme en un verdadero conversor C.A./C.C., se debe agregar un componente que ya conocemos: el capacitor electrolítico. Tome el circuito anterior; agregue un electrolítico cada vez más grande y observe el resultado sobre la forma de señal de la carga.

Fig. 7 Circuito rectificador

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Fig.8 B C=47uF

Fig.9 D=470 uF

¿Cómo funciona el capacitor?

Consideramos primero un diodo ideal. El primer flanco ascendente carga al capacitor hasta el valor de pico ya que con el capacitor descargado el diodo siempre está en directa. Luego del primer pico el capacitor conserva la carga. Como la señal de entrada baja rápidamente, el diodo se abre y no se vuelve a cerrar hasta que aparece el siguiente pico positivo. Es decir que por el diodo circula un pulso de corriente muy corto cuya duración depende del valor del capacitor electrolítico.

Como trabajo práctico virtual el alumno analizará el pulso de corriente por el diodo a medida que cambia el valor de C.

Fig. 10 Pulsos de corriente con C1 de valor elevado

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Fig.11 Pulsos de corriente con C2 de valor reducido

El alumno observará que los pulsos de corriente tienen menor amplitud y mayor duración a medida que el capacitor se achica y que el ángulo de circulación de corriente es realmente muy pequeño (2,26 mS sobre 20 mS de periodo total en el primer caso).

También observará que el primer pulso de corriente es mucho mayor que los siguientes porque el capacitor está totalmente descargado. Luego el capacitor conserva una buena parte de la tensión de carga inicial y por lo tanto hay una doble contribución hacia el resistor de carga, a saber un pulso desde el generador y un valor uniforme desde el electrolítico.

¿Cuál es la aplicación real de los conversores C.A./C.C? Todos los dispositivos electrónicos, salvo los que tienen pilas no recargables, poseen una etapa llamada fuente de alimentación que convierte la tensión de la red domiciliaria de 220/110V C.A. en una tensión de C.C. adecuada al dispositivo.

Las fuentes de alimentación tendrán su capítulo especial dada su importancia en la electrónica. Aquí trataremos el uso primigenio de los diodos semiconductores que fue reemplazar a la galena en las primeras radios comerciales.

Otros diodos especiales

En realidad existen muchos tipos de diodos especiales para que cumplan con una función determinada. Aquí realizaremos una rápida recorrida por ellos en función de su uso común.

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Fig.12 Encapsulados de diodos

Diodos rápidos: existen dos tipos característicos; los diodos rápidos de potencia y los diodos rápidos de señal. Los de potencia se utilizan en las modernas fuentes de switching que trabajan a frecuencias de hasta 500 Khz. y pueden manejar corrientes de varios amperes y tensiones de varios cientos de bolas. Los mas rápidos llamados diodos pueden llegar a velocidades de conmutación similares a las de un 1N4148 pero conmutando varios amperes y a tensiones de algunos cientos de voltios.

Luego vienen los diodos rápidos de señal incluyendo los diodos Schottky que tienen tiempos de conmutación del orden de 1 nS o menos. El diodo Schottky llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1nS en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones de barrera.

Diodos Zener: los diodos zener son diodos especialmente construidos como para que su tensión de ruptura ocurra a un valor relativamente bajo (1 a 40V) y que sea un valor muy exacto. De este modo el diodo se transforma en un regulador de tensión o fuente regulada de tensión con una gran cantidad de aplicaciones.

Conclusiones

En esta entrega estudiamos a los diodos y sus características como un previo a su utilización en circuitos convertidores de CA en CC con su variante detectora utilizada en la radio que pensamos presentarle en la próxima entrega.

Este es el primer componente activo que le presentemos, el más simple de usar y aquel que se utilizó por primera ves en nuestra querida ciencia de la electrónica. Por supuesto que si Fleming volviera hoy a nuestro mundo y observara un pequeño diodo de silicio no podría reconocer su viejo dispositivo.

En realidad el que construyó el primer diodo no fue Fleming sino Tomas Alva Edison, solo que no supo reconocer su utilidad y simplemente anotó en sus famosos cuadernos de bitácora que había construido una lámpara incandescente pero que tenía el problema de

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que el vidrio se oscurecía y espejaba con el uso. La colocación de una pequeña plaquita metálica en su interior conectada al positivo de la batería solucionaba el problema y como Edison solucionó su problema simplemente anotó la solución y se olvidó. Fleming se encontró con ese cuaderno años mas tarde, sintió curiosidad y repitió la experiencia que resultó totalmente cierta.

El estudio de este hecho olvidado por Edison y la sagacidad de Fleming que lo aplicó a los receptores de radio, fue uno de los grandes pasos de nuestra ciencia electrónica sino el más grande de todos.

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12/ Radio de AMLa electrónica no tiene final pero tiene un principio claro. La radio; en efecto todo comenzó realmente en forma industrial y comercial cuando se fabricó la primer radio en el mundo y se realizó la primer transmisión comercial. Y aunque parezca increible si hoy fabricamos un receptor de radio idéntico a ese receptor del siglo pasado funciona y es el dispositivo mas didáctico que Ud. se pueda imaginar.

En una radio galena se aplican los principios mas importantes de la electrónica y de ella podemos comprender los conceptos mas importantes como el uso de la onda portadora y la modulación. Y como hacemos siempre en este curso el alumno no tiene que estudiar leyendo y memorizando solo requerimos de el que realice los trabajos prácticos virtuales y reales como este que ilustra la presente entrega.

No se conforme con leer nuestras entregas. Utilice su tiempo construyendo los dispositivos y realizando las prácticas virtuales que eso vale mas que estudiar la fría letra como si fuera una novela. Involúcrese si quiere aprender realmente.

La radio de AM

Las primeras transmisiones de radio fueron telegráficas. Los transmisores eran muy similares a nuestro generador de RF, aunque por supuesto no tenía un microprocesador. La señal de radiofrecuencia se generaba haciendo saltar un arco al circuito resonante por cierre de un manipulador telegráfico. Como se usaba un circuito resonante de muy alto Q (baja resistencia en el inductor) la señal no se atenuaba y se transmitía un pulso corto como el indicado en la figura 1 mientras se mantenía la chispa.

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Fig. 1 Transmisor a chispa

De este modo dos impulsos seguidos equivalen a un punto y dos separados a una raya. Luego en el receptor se sintonizaba la señal en otro circuito de alto Q y la señal captada operaba una bobina con un diafragma metálico o con limaduras metálicas que generaba un ruido tipo “clic” con cada impulso. El alumno debe realizar una práctica virtual construyendo el circuito de la figura 1 y operando la barra espaciadora del teclado.

Más adelante comenzaron a usarse circuitos que producían tonos similares al de nuestro generador de RF, de modo que podían generar un tono corto para el punto y uno largo para una raya. Si lo analizamos en profundidad, esto significa que la primer transmisión de radio que se concretó en el mundo fue una transmisión digital utilizando el código Morse, que además era un código de largo variable porque las letras más comunes tienen dos tonos y las menos comunes tres. A este tipo de transmisión se la llamo se llamó “de radio con modulación telegráfica” y tenía solo dos niveles: RF máxima y silencio. Como los máximos se repiten a ritmo de audio se escucha una señal cuadrada del tipo tono de audio.

El oído humano percibe oscilaciones de 20KHz como máximo. No existe modo, por lo tanto, de que el oído escuche la señal de RF de un transmisor de OL que como sabemos tiene una banda de 530 a 1650KHz.

Para que el oído humano pueda escuchar la información telegráfica se crea el concepto de la onda portadora y de la modulación.

Onda portadora y onda modulante

La onda portadora es la RF de la emisora o la frecuencia a la cual se transmite la onda de radio y la modulación es el agregado de la información modificando algún parámetro de la RF. En un principio sólo se modificó la amplitud de la RF dando lugar a la AM o Amplitud Modulada. Pero posteriormente se moduló la frecuencia dando lugar a las transmisiones de FM (Frecuencia Modulada).

El alumno debe captar perfectamente el concepto de onda portadora y onda modulante porque con ese concepto se realizan todas las comunicaciones modernas. La portadora es como el vehículo que transporta la información. Y así como en una ruta hay muchos

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vehículos, alrededor de nuestro receptor, hay muchas emisiones de AM. Los dos conceptos claves que el alumno debe entender son: ¿Cómo es que la señal del transmisor llega a nuestro receptor y cómo hace éste para seleccionar sólo la emisora deseada entre todas las demás de la banda de trabajo?

En un principio se consideraba que las señales de radio se transmitían por el aire pero luego se demostró que las ondas de radio se pueden transmitir en el vacío. Lo que se transmite entre el emisor y el receptor no son partículas como electrones o protones sino ondas electromagnéticas. Es decir, un campo de energía. Obsérvese que no es un campo eléctrico ni un campo magnético, sino electromagnético, es decir que en cierto momento se genera un vector magnético que luego se transforma en un vector eléctrico y luego vuelve a ser magnético, y así mientras se transforma avanza y transporta la información. Como el campo o el vector de campo se transforma constantemente de eléctrico en magnético, la antena de nuestro receptor puede ser un simple cable o varilla (captador de campo eléctrico) o una bobina (captación de campo magnético).

¿Cómo debe estar orientado el cable o la bobina receptora? Debe tener la misma orientación que el cable o la bobina transmisora. Si el cable o antena transmisora está vertical, la antena receptora también lo debe estar. Las antenas transmisoras de la banda de onda larga (OL) son torres metálicas verticales montadas con aisladores que muchas veces llegan a tener 100 o 150 mts. de altura. ¿Y por qué tan altas? Porque el largo de la antena guarda una relación con la frecuencia transmitida. Las ondas electromagnéticas se desplazan a la velocidad de la luz, es decir, aproximadamente a 300×106 m/seg.

Cálculo de la longitud de la antena

Considerando el caso de una emisora de 1MHz (centro de banda) el período correspondiente es T = 1/F = 1/106 = 10-6 seg. o 1µs. Para que una torre de antena tenga el máximo rendimiento, la señal la debe recorrer en un tiempo T/4, es decir 0.25µs. Para calcular la longitud de la antena debemos aplicar una regla de tres simple:

1seg. __________  300×106 mts0.25µseg. _______ 300 x 0.25 = 75 mts.

En forma genérica la longitud de onda es igual a la velocidad de la luz dividido la frecuencia de la emisora y la antena en torre debe tener un largo de ¼ de longitud de onda.

A otras frecuencias la antena debe recalcularse. Por ejemplo a la frecuencia mas baja de la banda 530 KHz prácticamente tendrá el doble de tamaño es decir 150 metros de altura.

Si la antena es más corta tiene menos eficiencia de radiación y de recepción, pero no deja de funcionar. Si recibimos el campo magnético, la eficiencia depende de la sección de la bobina y de su factor de mérito Q. Supongo que el alumno comprende ahora por qué la bobina de nuestro generador era tan grande.

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Trasmisión y detección de una portadora pura

Olvidémonos un poco del transmisor ya que de él sólo nos interesa que genera un campo electromagnético en donde se debe sumergir la antena de nuestro receptor. En la figura 2 se puede observar el circuito completo de nuestro sencillo receptor.

Fig. 2 Receptor elemental tipo a galena

Vamos a indicar para qué sirve cada uno de los componentes de nuestro receptor.

La antena recibe la señal electromagnética. Físicamente es un cable vertical que debe ser lo más largo posible. No pretendemos que tenga las dimensiones óptimas de 75 mts de altura para la mitad de la banda, pero cuanto más largo sea mejor. Debe ser un cable de cobre de una sección de 2.5 mm2 (puede ser menor también) o un alambre desnudo de 1mm de diámetro aproximadamente con aislación de plástico.

Recuerde que el recorrido del cable de antena es fundamental. Las secciones horizontales prácticamente no generan señal porque la antena transmisora esta colocada verticalmente sobre la tierra (polarización vertical de la onda). Las secciones verticales captan mas señal cuando están más altas y cuando están mas alejadas de objetos metálicos que operan como apantallamiento. ¿En qué punto de la bobina se conecta la antena? Observe que simplemente dibujamos una flecha que significa que debemos ajustar la altura de la derivación buscando la mayor salida de señal. En principio ubique la antena al 10% del total aproximadamente (en la tercer vuelta) utilizando una aguja con la cual pinchamos la aislación del cable de la bobina. El cable de antena se termina con un clip cocodrilo que se conecta sobre la aguja.

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Los componentes CV1 y L1 forman un circuito sintonizado paralelo. El circuito sintonizado serie presenta un valor mínimo a resonancia; el circuito sintonizado paralelo presenta un valor máximo que es igual a infinito si L y C son ideales.

Esto se entiende, si consideramos que inicialmente hacemos circular una corriente por el circuito a la frecuencia de resonancia. Esa corriente generará un campo magnético en la bobina; éste campo magnético generara una corriente que cargará el capacitor acumulando energía eléctrica. Un instante después el capacitor se descargará sobre el inductor y así sucesivamente sin que se pierda energía y por lo tanto sin tomar energía de la fuente (en tanto L y C sean ideales); y una carga que no toma energía es una impedancia infinita.

El equivalente físico a un circuito resonante paralelo es un péndulo formado con una bola pesada y un hilo muy liviano. Un péndulo tiene una frecuencia de resonancia que depende del largo del hilo (equivalente a la inductancia) y del peso de la bola (equivalente al capacitor). Aplique una fuerza lateral a la bola y suéltela, de inmediato el péndulo comienza a oscilar. Si Ud. quiere aumentar la elongación solo debe aplicar una pequeña fuerza en forma sincrónica con la propia oscilación. Intente aplicar la fuerza a una frecuencia diferente y observará que la bola le aplica energía a su dedo (equivalente al rechazo de una emisora).

En nuestra radio a otras frecuencias diferentes a la de resonancia el circuito resonante paralelo tiene una impedancia menor que carga la antena considerablemente atenuando las emisoras no sintonizadas. En una palabra que L1 y CV1 son los encargados de realzar las señales de la emisora sintonizada y atenuar las otras.

El diodo D1 toma la señal de la emisora sintonizada y la rectifica generando una tensión continua sobre la salida. Este circuito es similar al del rectificador visto en la lección 11, sólo que no podemos identificar la resistencia de carga.

En efecto esa resistencia no está porque forma parte del circuito de entrada siguiente, que para nuestro caso puede ser la resistencia del voltímetro que se colocará sobre C2 para realizar la medición de la intensidad del campo que genera la emisora sobre la antena.

Observe que hay dos cosas que van a afectar la medición. Por un lado la derivación donde se conecta el diodo, y por otro la posición del preset RV1.

Comencemos explicando cómo se ajusta RV1 porque el ajuste es independiente de la derivación para el diodo.

Como ya sabemos el diodo tiene una tensión de barrera de 600 mV; si el circuito sintonizado entrega una tensión de RF menor a 600 mV de pico sobre C2 no se generará ninguna tensión. Pero si el preset RV1 entrega una tensión continua de 600 mV sobre la derivación del diodo existirá una tensión continua generada por RV1.

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Sintéticamente estamos venciendo la barrera del diodo con tensión derivada de la pila, de modo que aún una pequeña señal de algunos milivoltios de RF, puede generar tensión en la salida.

Para empezar conecte el diodo sobre la misma derivación que la antena. Haga un cortocircuito sobre CV1 con un cable con un cocodrilo en cada punta (de este modo evitamos que el circuito sintonizado capte señal). Conecte un resistor de 1Kohm como carga de C2 a masa (más adelante veremos que este resistor se desconectará al conectar una verdadera carga).

Lleve el preset al mínimo. Conecte el tester sobre C2 usando la escala mas baja de tensión continua. Levante la tensión del preset, notará que al principio no hay ningún cambio y luego comienza a aumentar la tensión progresivamente. Deje el preset en el punto en que comienza a aumentar la tensión.

De este modo ya tiene ajustada la prepolarización y puede comenzar a realizar la prueba dinámica.

Trasmisión y detección de una portadora modulada

La señal portadora pura no transporta información. Como ya sabemos, para transmitir información se debe por lo menos interrumpir la portadora de acuerdo a un código predeterminado. Pero muchos autores consideran que la verdadera transmisión de radio comienza con la transmisión de señales de audio (voz, música y sonidos en general).

El sonido es captado con un micrófono; amplificado y enviado a una etapa que se llama moduladora, que cambia la amplitud de la RF en función de la amplitud instantánea de la señal de audio.

El WB posee un generador de AM que permite visualizar una RF modulada por un tono de audio. En la figura 12.4.1 se puede observar una señal de 1MHz modulada al 50% con un tono de 1KHz.

Fig. 3 Oscilograma de una portadora de AM

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Realmente la señal es una RF que cambia de amplitud al ritmo de 1 KHz. Si aumentamos la base de tiempo podremos observar el detalle de la RF.

Fig.4 Señal de AM a barrido horizontal de 2 uS por división

El alumno realizará una práctica visual cambiando la frecuencia portadora, la amplitud, el porcentaje de modulación y la frecuencia modulante, y observará con el osciloscopio con barrido lento o rápido la señal de RF y la modulación.

Ahora vamos a analizar qué ocurre al sintonizar una señal de este tipo con nuestro receptor debidamente ajustado.

Fig.5 Detector de una señal de AM con prepolarización

Aquí se puede observar que sobre la carga se ha recuperado la señal modulante y esta lista para ser amplificada y entregada a un parlante. El generador de AM reemplaza a nuestro circuito sintonizado y por supuesto nosotros estamos observando una señal con una solo tono de 1 KHz y no música o palabra pero en nuestro circuito podemos observar los conceptos de la detección y de la prepolarización del diodo.

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En este punto el alumno debe modificar el valor del capacitor C3 observando la forma de señal tomada sobre la carga. También deberá dejar el capacitor fijo y modificar la frecuencia de la señal de modulación observando que las frecuencias de 10 KHz aparecen levemente atenuadas y con una distorsión apreciable.

Si C2 se hace muy alto se cargará a la tensión de pico de la señal modulada y no se producirá la detección de la señal de audio. Si es muy chico quedará un resto de ripple de RF que puede producir problemas al ingresar en etapas posteriores del la radio.

En principio lo que importa es la constante de tiempo formada por el capacitor C2 y la resistencia de carga que presenta la impedancia de entrada de la etapa siguiente.Como la optimización de la constante de tiempo es algo que se realiza muy fácilmente con el WB Multisim, vamos a comenzar suponiendo que se trata de una carga de 10Kohm, y si luego no es así volveremos sobre nuestros pasos y realizaremos una nueva optimización.

Para comenzar es conveniente formar una constante de tiempo igual al período de la portadora de 1MHz (centro de banda). El período será por lo tanto:

T = 1/f = 1/106 = 10-6 seg. o 1µseg

La constante de tiempo será por lo tanto

Ct = RxC >  C = Ct / R

y reemplazando:

C = 1×10-6 / 5×103 > C = 0.2×10-9 F = 200 pF

Este valor será seguramente muy bajo (ver oscilograma de la Fig. 12.4.3) pero es un buen punto de partida. Con él observaremos sobre la salida un importante ripple de portadora. El alumno probará con capacitores de 2.2nF y 22nF, cuyos oscilogramas se observan el las figuras siguientes.

Fig.6 Oscilograma de salida con capacitor del detector muy bajo

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Fig.7 Oscilograma de salida con capacitor del detector muy alto

Como vemos si se sigue aumentando el valor del capacitor desaparece todo vestigio de RF, pero se comienza a observar una distorsión de la señal modulante tal como la observada en la figura anterior.

Cómo escuchar las señales

La amplitud de la señal sobre la carga suele ser de algunos pocos mV. No existe ningún parlante o auricular que pueda funcionar con una señal tan pequeña.

Nosotros vamos a tratar los amplificadores a su debido tiempo. Pero aquí los vamos a usar ya armados y listos para su uso. Los amplificadores más económicos son los que se utilizan en las PC y que se pueden conseguir por unos $20 el juego ya que son estereofónicos.

Lo primero que debemos hacer es medir con el tester la resistencia de entrada para asegurarnos que el valor elegido de 10Kohm es el correcto. Si no se puede obtener una medición de resistencia significa que la señal ingresa por un capacitor y entonces se debe desarmar el amplificador y medir el potenciómetro de control de volumen entre sus extremos. Reemplace la resistencia de carga de nuestro circuito si fuera necesario y vuelva a realizar la optimización.

¿Cuál es el límite superior de capacidad? Es evidente que a mayor capacidad menor ripple pero existe la posibilidad de provocar distorsión. Pero antes de producirse la distorsión se produce otro fenómeno que es la pérdida de agudos. Observe la amplitud de salida de la señal modulante y mida el valor pico a pico. Aumente la frecuencia de la señal de modulación a 10KHz y vuelva a medir la amplitud pico a pico.

Un capacitor demasiado grande atenúa los agudos ya que presenta una reactancia capacitiva baja (y que se reduce progresivamente con la frecuencia).

Recepción de señales

Ahora con las derivaciones de antena y del detector colocadas al 10% del total del bobinado y con el amplificador a máximo volumen trate de sintonizar una emisora fuerte.

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Como elegimos una derivación baja, lo más probable es que aún la emisora más fuerte aparezca débil. Aumente la derivación de antena utilizando otra aguja para lograr una mayor señal pero que no produzca mezcla de emisoras vecinas. Luego haga lo mismo con la derivación de salida buscando el mismo resultado.

Nuestro receptor es muy elemental y no podemos pretender de el una elevada sensibilidad (capacidad para recibir emisoras lejanas). Probablemente solo pueda recibir emisoras locales de mucha potencia. Las emisoras alejadas, o no se escuchan o se escuchan junto a un ruido de fondo similar al de una fritura.

Ruido Ese ruido existe en todos los receptores de radio con modulación analógica que se

puedan fabricar. Si el receptor es muy sofisticado el ruido se minimiza pero jamás desaparece ya

que ese ruido es una característica intrínseca de los circuitos electrónicos.

La corriente eléctrica que circula por un circuito nunca es absolutamente exacta. Si usamos un medidor suficientemente sensible observaremos una pequeña variación aleatoria debida a que la circulación de los electrones saltando de átomo en átomo no puede seguir siempre el mismo camino. En efecto los átomos no ocupan una posición fija se mueven dentro de una posición de equilibrio determinada de acuerdo a un movimiento llamado browniano debido a que fue descubierto por un científico llamado Brown. Esto hace que los electrones viajen como las bolillas de acero de un pingball siguiendo caminos que nunca son rectos.

Los electrones dentro de la antena no pueden abstraerse de esta ley general de la física y la antena genera la señal de la emisora junto con una señal de ruido. El ruido solo se puede reducir si se baja notablemente la temperatura hasta valores cercanos al cero absoluto de -273 ºC. A esa temperatura desaparece el movimiento browniano y por lo tanto el ruido. (en realidad se han desarrollado aleaciones superconductoras que prácticamente logran esta estabilidad a temperatura de alrededor de -100 ºC).

Como un principio fundamental de la electrónica el alumno debe recordar que donde hay una señal siempre hay un ruido. Como el ruido es difícil de eliminar toda la electrónica se dirige a maximizar las señales para que el ruido quede enmascarado dentro de una intensa señal.

En nuestra radio elemental el ruido se manifiesta en todos y en cada uno de sus componentes. Pero en algunos molesta y en otros no. Por ejemplo; el parlante tiene una resistencia interna en donde se genera ruido. Pero ese ruido no se escucha porque no existe ningún dispositivo que lo amplifique.

Tomemos ahora la antena. Ella esta al principio de nuestro receptor y todo el ruido que ella genere o capte será procesado por los dispositivos posteriores existentes entre ella y el parlante. Entre esos dispositivos están los bafles para PC que se encargan de amplificar las débiles señales de nuestro receptor. En la próxima entrega vamos a estudiar al

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transistor que es un componente amplificador por naturaleza. Los bafles tienen transistores que amplifican la señal pero no pueden dejar de amplificar el ruido de la antena.

Solo dos componente pueden ayudar a reducir el ruido de nuestro receptor:

la bobina el capacitor de sintonía

En efecto el ruido que induce la antena tiene todas las frecuencias del espectro. La bobina y el capacitor operan como un filtro que solo deja pasar las frecuencias correspondientes a su frecuencia de resonancia y algunas frecuencias cercanas. Cuando mayor sea la calidad de estos componentes mas selectivo es el filtro y menos ruido deja pasar. Ahora el alumno puede comprender aun mas porque construimos una bobina tan grande.

¿Qué podemos mejorar en nuestro receptor para obtener un menor ruido?

Nada, el ruido no se puede reducir. Todo lo que hagamos debe ser tendiente a aumentar la señal para enmascarar al ruido.

Como hacer una bobina de antena mas grande es prácticamente imposible lo único que nos queda es mejorar el rendimiento del detector con un buen ajuste de la prepolarización y luego dedicarse a la antena que es donde mayor señal podemos lograr. Si Ud. vive en un edificio haga la prueba en la terraza y no en un departamento bajo, pero recuerde que los tramos horizontales de antena prácticamente no generan señal; por eso puede ser efectivo tender la antena entre la terraza y su departamento para aumentar la longitud efectiva, tratando de separarla todo lo que pueda de la pared. No hay predicción posible aquí se debe trabajar a prueba y error.

Y no desprecie la solución mas simple que consiste en situarse a la mayor altura posible que no implique un peligro de caída y oriente la bobina buscando una mayor señal. La sección de la bobina fue realizada pensando en una gran concatenación de campo eléctrico.

Conclusiones

Así terminamos de ver nuestro primer receptor de radio. Por supuesto que posee una gran cantidad de deficiencias pero justamente allí esta su valor porque la solución de esas deficiencias es el mejor modo de aprender electrónica en forma práctica. Nosotros vamos a encarar un largo camino hasta llegar al receptor superheterodino en el cual se basan todos los receptores modernos. Por ejemplo, un receptor de TDT (televisión digital terrestre) con capacidad de recibir TV de alta definición, es un receptor superheterodino modificado en donde la modulación es digital.

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Autoevaluación Autoevaluación de las lecciones 11 y 12

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13/ El transformadorSi tomamos una bobina y la conectamos a una batería, haremos circular una corriente por ella que a su ves generará un campo magnético que sigue a las variaciones de corriente por el inductor. En realidad el comportamiento del inductor como tal se debe al fenómeno de la autoinducción; es decir que el propio campo magnético producido por el inductor, genera tensiones sobre el mismo, esas tensiones son precisamente las que se oponen a la circulación de la corriente por el mismo. En efecto si no existiese este fenómeno de la autoinducción y el alambre de la bobina no tuviera resistencia, la corriente circulante sería infinita. Sin embargo nosotros sabemos que la corriente se establece primero a nivel nulo y luego va creciendo paulatinamente.

Si al inductor le aplicamos una corriente variable (por ejemplo una señal senoidal) se producirá un campo magnético variable. Si dentro de ese campo colocamos otra bobina observaremos que sobre ella se produce una tensión que depende de varias cosas. De la orientación entre las bobinas; de la proximidad; de la cantidad de espiras de la bobina secundaria; de la intensidad del campo magnético y de que tan rápidamente varía.

Trabajo práctico

Ud. puede hacer un trabajo práctico muy simple que reforzará su aprendizaje.

1. Tome un imán de parlante con forma de anillo(cuando mas grande mejor) y colóquelo sobre la mesa.

2. Ahora debe tomar un carretel de plástico y bobinar todas las espiras posibles con alambre de 0,10 mm (es conveniente usar un carretel que permita bobinar por lo menos 500 espiras para lo cual le recomendamos utilizar una agujereadora y montar el carretel en el mandril con un trozo de madera y una varilla roscada). También se puede desarmar un transformador de 220V/12V de 0,5 o 1A (luego sabremos que significa esta descripción).

3. Sáquele la laminación y use el bobinado primario (el de mayor resistencia) como sensor de campo magnético.

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4. Conecte el bobinado a un tester de aguja en función voltímetro en la escala mas baja.

5. Acerque la bobina lentamente al borde externo del imán (donde tiene el mayor campo magnético) y observe que la aguja del voltímetro no se mueve.

6. Aléjela también con suavidad y verá que la aguja sigue sin moverse.7. Ahora repita la operación pero a la mayor velocidad posible y observará que la

aguja pega un salto.8. Pruebe con diferentes orientaciones y a diferentes velocidades y podrá sacar como

conclusión que la tensión depende sobre todo de la velocidad de la operación, y que hay orientaciones que no concatenan campo y no producen tensión. Otra conclusión indirecta es que alejado del campo magnético no hay tensión inducida.

El diseño de un transformador está relacionando con todas estas cualidades del campo magnético. Ya sabemos que un transformador se utiliza cuando deseamos aumentar una tensión. También se lo utiliza para cuando deseamos reducir una tensión.

¿Entonces el transformador es un equivalente al atenuador resistivo? No, son dos cosas diferente aunque sirven para lo mismo. La diferencia es que el atenuador resistivo hace caer la tensión por efecto Joule (es decir transformado energía eléctrica en calor) y el transformador lo hace teóricamente sin generar calor. Decimos teóricamente porque nunca se puede conseguir un rendimiento unitario; el trasformador se calienta y transforma algo de energía eléctrica en calor pero es por un efecto secundario y no por su principio de funcionamiento.

Intuitivamente nos damos cuenta que el máximo rendimiento de un trasformador ocurre cuando todo el campo magnético que genera el primario pasa por adentro del secundario y esto a su ves significa que lo mejor que se puede hacer es encauzar el campo magnético por un camino de baja reluctancia (equivalente magnético de la resistencia eléctrica) y hacerlo pasar por adentro del secundario. Un buen material magnético es el hierro dulce y uno mucho mejor es una aleación de hierro y silicio.

En cuanto a la forma de este material, llamado núcleo del transformador; por lo general es de sección cuadrada o rectangular pero laminado de modo tal que no circulen corrientes intensas por su interior, la superficie de la chapa queda aislada por la oxidación (de cualquier modo no se requiere una resistencia de aislación muy grande). Lo mas importante para el alumno es entonces que el primario genera un campo magnético que circula por el núcleo y atraviesa el/los secundarios.

Las chapas del núcleo se colocan en forma entrelazada 1 a 1 o 2 a 2 y tienen dos formas que se complementan entre si; es el dibujo de una E y de una I que cierra las tres ramas de la E. A nosotros nos interesa el transformador como componente terminado y por esos no vamos a insistir mas sobre la forma de construirlos.

Ecuaciones del transformador

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Ahora que ya conocemos la construcción del transformador vamos a conectar uno en nuestro laboratorio virtual y vamos a someterlo a algunas pruebas para entender su funcionamiento.

Fig.1 Tensiones y corrientes en un transformador

Si se aplica una tensión alterna en el bobinado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dentro del núcleo dependiendo de la amplitud y de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará por inducción una fuerza electromotriz en los extremos del bobinado secundario.

Los transformadores de potencia del WB Multisim son todos con un bobinado secundario que posee punto medio. Por razones didácticas en la figura 1 dejamos desconectado el punto inferior del secundario, ya que es preferible trabajar con un transformador de cuatro terminales.

Ya que el mismo campo magnético atraviesa ambos bobinados se puede asegurar que la relación entre la tensión aplicada al primario Ep, y la tensión inducida en el secundario Es, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario Np y secundario Ns. En forma de ecuación se puede escribir:

Ep/Es = Np/Ns (1)

Pero por el principio de conservación de la energía se puede asegurar que la potencia entregada al primario del trasformador y la que este le entrega a la carga deben ser iguales (en caso contrario estaríamos creando energía o estaría desapareciendo energía de algún tipo). Si consideramos el caso ideal de un transformador que no se calienta para nada, se podría decir que la potencia consumida por el primario es igual a la potencia disipada en la carga del secundario. En formulas, llamando Ip a la corriente del primario, e Is a la corriente del secundario:

Vp . Ip = Vs . Is > Vp/Vs = Is/Ip

que la (1) se transforma en

Vp/Vs = Is/Ip = Np/Ns

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Esta particularidad tiene su utilidad en el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte con altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario y aplicamos una tensión alterna de 110 Voltios en el primario, obtendremos 11.000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

En el ejemplo anterior, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la tensión por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 A, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Pero el mayor uso que se le da a los trasformadores de poder en electrónica es como reductores de tensión de elevado rendimiento. En la mayoría de los circuitos electrónicos de señal, los transistores funcionan con tensiones continuas bajas, del orden de los 12V.

En este caso si se el equipo se debe alimentar desde una red de 110V se utiliza un circuito con un transformador de 110V eficaces a 12V eficaces y luego un regulador de 12V tal como se indica en la figura 2.

Fig.2 Fuente de onda completa de 12 V con regulador

Como se puede observar la única diferencia con el rectificador que vimos cuando analizamos los diodos detectores, es que este posee dos diodos y por lo tanto se llama de onda completa. El transformador fue elegido para que los diodos generen una tensión continua punzante de unos 15V. Observe que el ripple u ondulación de fuente depende del valor de capacidad colocado en la entrada del circuito integrado U1. A mayor capacidad menor ripple. El alumno realizará un trabajo práctico colocando un capacitor de 470 uF y observando la salida de tensión con el osciloscopio.

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El regulador LM7812CT es un circuito integrado que contiene varios transistores diodos comunes, diodos zener y resistores y esta diseñado para generar una tensión de salida fija de 12V aun con grandes variaciones en la resistencia de carga o en la tensión de red; esto se llama regulación. Pero no puede regular si la tensión de entrada no supera en 0,5V a la tensión de salida.

Por eso cuando haga la experiencia con el capacitor de 470 uF va a observar que la salida del regulador tiene un ripple deformado en los valores mínimos de la tensión de entrada. el LM7812 disipará potencia y por lo tanto tiene un encapsulado compatible con un montaje en un disipador. Si al aire se lo notara demasiado caliente, se deberá agregar un disipador de aluminio de 2 mm de espesor con una superficie adecuada para evitar el calentamiento excesivo. Mas adelante en este mismo curso volveremos a tratar el tema.

¿De que frecuencia es el ripple? Observe que la sonda que colocamos en la entrada del CI indica 99,9 Hz (prácticamente 100Hz). ¿Cómo es posible si la red es de 50 Hz? Porque los bobinados de salida del transformador tienen sus señales invertidas 180º y por lo tanto uno tiene un pico positivo cuando el otro lo tiene negativo. Si el alumno conecta el osciloscopio sobre las dos salidas del transformador podrá observar este detalle.

¿Se puede lograr que la potencia de entrada al transformador sea menor que la potencia de salida¿ No, el transformador por su principio de funcionamiento, regula las corriente circulantes por su primario y secundario de modo tal a una tensión baja le corresponde una corriente alta y viceversa.

El amplificador activo

Existen muchos componentes que permite realizar una amplificación de tensión. El primero que se utilizó en el mundo fue el tríodo termoniónico y es tal ves el único que permite dar una explicación sencilla de su funcionamiento interno. Y como el tríodo es similar en algunos aspectos al transistor, es didáctico comenzar con uno y reemplazarlo luego con el otro. Por otro lado el WB Multisim posee válvulas electrónicas que nos permiten realizar adecuadas simulaciones.

En la figura 3  se puede observar el circuito de un amplificador a tríodo que nos va a ayudar a entender el proceso de la amplificación a válvulas.

Fig.3 Amplificador a válvula tríodo

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Una válvula tiene simetría cilíndrica. El cátodo (sobre la pata 8) es un cilindro metálico pleno de pequeño diámetro, cubierto de substancias emisoras de electrones. Alrededor de él y muy cerca, está la grilla de control (7) que es un cilindro abierto; en realidad un alambre conductor con forma helicoidal (como un resorte de espiras abiertas) montado sobre dos alambre verticales. Por último existe otro cilindro metálico pleno de mayor diámetro que oficia de placa (6). Dentro del cilindro del cátodo, existe un alambre que oficia de filamento calentando indirectamente al cátodo.

Cuando el cátodo se calienta, las orbitas de sus electrones se agrandan hasta que llegado a cierta temperatura, los electrones se desprenden del núcleo y son emitidos. Como la grilla de control es abierta esos electrones negativos la atraviesan y se dirigen a la placa que está conectada a una fuente de +200V. La corriente circulante hace que la tensión de placa se reduzca y atraiga menos electrones de modo que se consigue una cierta estabilidad dinámica.

Para polarizar el tríodo se agrega un resistor de alto valor entre la grilla y una fuente de tensión negativa de 1V que corta prácticamente la circulación de electrones, ya que los rechaza haciéndolos volver al cátodo en donde forman una nube electrónica.

Si ahora se superpone una señal de tensión de audio (en nuestro caso un tono de 1KHz) la tensión de reja deja pasar mas o menos electrones de acuerdo al valor instantáneo de la señal, Como la reja está muy cerca del cátodo, pequeñas variaciones en la reja, se transforman en grandes variaciones de corriente de electrones llegando a la placa que generan grandes variaciones de tensión en la placa.

¿Cuál es la amplificación de nuestro circuito? La tensión pap de placa es de 100V aproximadamente y la de reja de 2V. Realizando la operación 100/2 se obtiene un valor de 50 veces.

Eso es en cuanto a la operación de amplificación de tensión. ¿Pero nuestro dispositivo amplifica potencia eléctrica? Solo debemos hacer una operación matemática algo mas compleja, la potencia de salida dividida la potencia de entrada. Como la grilla prácticamente no toma corriente, la potencia de entrada es

V2/R1 = 4/4,7M = 0,9 uW

la potencia de salida es igual a la tensión de salida al cuadrado dividida la resistencia de placa es decir

1002/100K = 10.K/100K = 0,1 W o 100 mW

La amplificación de potencia es entonces de

0,1W/0,9.10-6W = 100.000 veces

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¿Y de donde sale la energía para obtener esa amplificación de potencia? Por supuesto que de la fuente de alimentación. En la figura 4 se puede observar el mismo circuito con el agregado de un watímetro en la fuente de placa que nos indica que la potencia tomada desde la fuente es de 152 mW es decir que el circuito completo consume mas que lo que genera en cumplimiento con la ley de conservación de la energía.

Fig.4 Medición de la potencia consumida desde la fuente

Ahora que ya tenemos explicado el funcionamiento de un amplificador con una válvula, vamos a hacer el intento de aplicar un transistor. En principio existen dos tipos de transistores de juntura los PNP y los NPN. Como el que mas se asemeja a la válvula es el NPN comenzaremos por él.

Fig.5 Amplificador a transistor

El transistor tiene dos junturas la de base emisor (el emisor es el electrodo conectado a masa y es equivalente al cátodo y la base es el electrodo que recibe la señal). Esta primer juntura se hace conducir suavemente en directa mediante R1. Y la juntura de base a colector que se debe conectar en inversa. El transistor no puede recibir señales superiores a 25 mV entre el emisor y la base; en caso contrario puede distorsionar la señal de salida.

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Igual que con la válvula, si la base no recibe polarización no se produce corriente de colector (y el colector queda al potencial de fuente debido a R2). Luego de colocar un resistor R1 para que el colector baje a aproximadamente la mitad de la tensión de fuente, se agrega la señal por la base y se observa que esta aparece amplificada en el colector.

El factor de amplificación es de

8V/25mV = 300 veces

En este caso la potencia de entrada no es tan fácil de calcular porque la base del transistor toma algo de corriente. Pero una sonda del WB Multisim nos permite medir una corriente de 2 uA (despreciamos la corriente de señal por R1 por ser de 127 nA) y calculamos la potencia de salida como de

82/10K = 6,4 mV

La potencia consumida de la fuente es en este caso de unos 8 mA.

Para que puede servir un amplificador a transistor a válvula o con cualquier otro tipo de semiconductor. Por ejemplo para amplificar la señal del circuito sintonizado de nuestro receptor de radio y darle a la misma un mayor alcance. También y debido a que los transistores amplifican potencia pueden servir para excitar un parlante en lugar de utilizar los bafles amplificados para PC.

Que otros semiconductores se pueden utilizar como amplificadores de señal. En principio el transistor de juntura complementario del NPN que es el transistor de juntura PNP; los transistores de efecto de campo de canal N y de canal P, los transistores de unijuntura, los transistores de efecto de campo con compuerta aislada que contabilizan cuatro versiones diferentes, etc. etc.. No tiene sentido enumerarlos aquí como al pasar, uno a uno lo iremos analizando, indicando siempre un posible circuito de aplicación y su análisis por medio de laboratorios virtuales. Y sobre todo vamos a analizar los CIs ya que en el momento actual es poco probable que un dispositivo tenga componentes discretos (un transistor, un diodo, un resistor) ya que la tendencia es utilizar conjuntos de semiconductores formando dispositivos específicos o microprocesadores programados para que puedan cumplir funciones muy diferentes entre si.

¿Y porque hay una variedad tan grande de semiconductores? Porque aunque todos amplifican, cada uno tiene una característica distintiva que lo califica para una tarea determinada. Los otros no quedan descalificados pero seguramente los dispositivos que podamos construir con ellos no tendrán tan buenas características.

Conclusiones

En esta entrega analizamos las diferentes posibilidades de amplificar una señal de tensión comenzando por un dispositivo pasivo, el transformador y analizando la válvula tríodo como apoyo para entender como amplifica un transistor de juntura. Presentamos todos los

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transistores posibles preparando el terreno para la próxima entrega, donde vamos a seleccionar un transistor adecuado para nuestro radio receptor básico.

Apéndice Historia de la electrónicaEl transistor

La electrónica moderna no existiría sin el invento del transistor. El primer uso que se le dio a un transistor fue como amplificador de señales en reemplazo de la ya obsoleta válvula electrónica. Aunque parezca increíble el transistor no generó nuevos circuitos que antes no existían. Todo estaba resuelto ya, utilizando válvulas electrónicas, los receptores de radio tenían una sensibilidad excepcional y una fidelidad extraordinaria: Incluso existía ya la TV de ByN y la informática estaba ya en sus primeros pasos por lo menos en el ámbito militar. En EEUU existían computadora a válvulas que ocupaban edificios enteros como la ENIAC que ya tenían la simiente de una computadora moderna con su CPU sus memorias, etc. etc.

En una palabra que la electrónica ya estaba desarrollada, pero había llegado a un callejón sin salida porque la válvula electrónica era voluminosa y requería grandes cantidades de energía para su funcionamiento. Tan es así, que se puede calcular que si todos los equipos electrónicos de una casa actual fueran a válvulas, la casa debería tener varias manzanas y consumiría tanto como un pueblo pequeño.

Una válvula posee un filamento que genera calor para que el cátodo emita electrones. Esa energía se desperdicia en su mayor parte y entonces no se pueden fabricar equipos caseros que posean mas de una decena de válvulas. En la época de los TVs a válvulas un TV de 20″ consumía unos 350W cuando en el momento actual consumen 75W. Una radio que tenía 5 válvulas consumía tanto que era prácticamente imposible realizar un equipo portátil aunque el autor trabajó en su juventud con las primeras radios portátiles a válvulas que se conocieron en la Argentina y que poseían una enorme Batería de 90V y una pila de 1,5V para el filamento.

Aunque por lo general no utilizamos mucho espacio para la historia de la electrónica, consideramos que debe reconocerse el invento del transistor, como un hito tan importante para nuestra especialidad, que se impone una mención: El transistor original de contacto puntual fue inventado por John Bardeen y William Brattain en 1948 y el transistor moderno o de juntura por William Shockley en 1951. Los tres fueron galardonados con el premio Nóbel de física en 1956 por su contribución a la electrónica.

A partir de esa fecha la electrónica se hizo viable tal como la conocemos hoy en día, en que está formando parte de todos los dispositivos que antiguamente eran mecánicos puros con un considerable ahorro de precio, de tamaño y además con un mejor desempeño.

Tal como acostumbramos en este curso, preferimos conocer a los dispositivos a través de sus características sin mencionar prácticamente como realizan su trabajo a nivel de detalles.

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Pero el invento del transistor, no cambió la tecnología de producción de equipos electrónicos. Los TV a válvulas ya utilizaban circuitos impresos idénticos a los actuales. Así que cuando surgieron los primeros transistores comerciales, simplemente las plaquetas de circuitos impresos se achicaron pero se siguieron armando en las mismas líneas de montaje manuales. Lo que algunos autores llaman “La segunda revolución industrial” se produjo con el desarrollo del circuito integrado, en donde se podían combinar componentes que realizaban funciones especificas tal por ejemplo como un radiorreceptor completo en un mismo chip.

El científico Jack S. Kilby desarrolla en la corporación Texas Instruments de los EEUU durante el año 1958 un circuito integrado de varios transistores en un mismo chip. La invención se concreta en un diseño comercial un año mas tarde, constituyendo un verdadero paso revolucionario que inicia una nueva etapa en el proceso de miniaturización de los dispositivos electrónicos. A comienzo de los 60, el standard de producción consiste en la integración de hasta 12 transistores en una pequeña placa de tan solo 25 x 10 mm aproximadamente, a fines de siglo el proceso parece no tener limites, ya que las nuevas tecnologías constructivas ha logrado incorporar en los chips millones de transistores y otros componentes. La invención por parte de Kilby de un nuevo tipo de transistor (“chip”) provoca una verdadera revolución en los circuitos electrónicos. El nuevo elemento es tan pequeño que en un circuito integrado de 8 x 16 mm cabían mas de 50.000 transistores chips y otros componentes construidos con variantes del transistor. En la figura 13.1.1 se puede observar una comparación entre una radio Philips AM a válvulas y una radio de AM/FM de la actualidad (y no de las mas pequeñas).

Fig.6 Comparación entre una radio de 1940 y del 2007

Si bien tenemos la tentación de hablar sobre el futuro, nos abstendremos de ello para comenzar a hablar de la función mas básica que puede realizarse con un transistor, que es la amplificación de señales. Sin embargo debemos recordar que aun nos queda por analizar un componente pasivo que es el transformador. Y un transformador puede en cierta forma comportarse como un amplificador. Por esos vamos en esta entrega a realizar el análisis de un amplificador a transistor parangonado con un transformador.

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14/ Diseño de un amplificador de RFEn lecciones anteriores armamos una radio a galena. Habrá observado que su funcionamiento no es precisamente óptimo. Ingresan pocas emisoras y con bajo nivel de señal. Es más que nada un juguete didáctico, pero tenga en cuenta que la humanidad no contaba con nada mejor en los comienzos de la radio mas o menos por el año 1920 y esos espantosos y enormes dispositivos eran la maravilla del publico que se pasaba horas pinchando en la galena para poder escuchar alguna emisora de la banda de onda media con unos auriculares telefónicos.

En el día de hoy una radio moderna se puede guardar en un bolsillo e inclusive hay modelos que caben en la misma oreja. Suelen poseer la banda de onda media, 5 bandas de OC (onda corta) y la banda de FM (ya le explicaremos a su debido tiempo que significan las siglas FM). Poseen un pequeño pero rendidor parlante y tienen salida para auriculares (de alta fidelidad). Se alimentan con 2 pilas tipo AA o con fuente externa.

Características de una radio moderna

En la Argentina y por solo 20 U$S se puede conseguir una radio marca WINCO de OM (OL), FM y 7 bandas de OC como la que se observa en la figura 1.

Fig.1 Radio moderna con un bolígrafo para comparar tamaños

Como se puede observar se trata de una radio con dial electrónico consistente en un frecuencímetro que mide la frecuencia de la emisora.

El sistema de sintonía emplea un capacitor variable o tamden como el que ya conocemos pero en lugar de marcar la frecuencia de las emisoras en la perilla o

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colocar un dial mecánico, actualmente es mas económico diseñar un frecuencímetro, con un display de cuarzo liquido como el de los relojes. Con esto se tiene una gran ventaja; cuando la radio está apagada el display puede mostrar la hora. Y una vez que se diseñó un reloj es muy fácil hacer que la radio se apague o encienda a una hora determinada. Por esa razón se observan una gran cantidad de pulsadores tipo sapito alrededor del display.

El volumen se sigue controlando con un potenciometro o en algunos modelos mas sofisticados con un atenuador electrónico comandado con un pulsador de vol- y otro de vol+. También existen radios en donde la sintonía es electrónica y muy similar a la de los TVs con sintonía automática de canales e idéntica a las de las autoradios.

Nuestro curso básico de electrónica, en su primera parte está diseñado en base a explicar el funcionamiento y la reparación de este tipo de radio; esa es nuestra meta actual y ahora vamos a ir al punto de partida que es una radio con un solo transistor amplificador de RF (radio frecuencia) y un diodo detector. Para escuchar las señales seguiremos usando por ahora nuestros bafles para PC pero en el desarrollo teórico de los amplificadores a transistor analizaremos un amplificador de audio para audífonos.

Amplificador de banda ancha a transistor

Un transistor bipolar es un componente amplificador de tensión de corriente o de potencia. Se lo puede considerar como una caja negra (en la ciencia se utiliza este termino para indicar que no se analiza lo que esta adentro sino el efecto que causa en el exterior) con cuatro terminales, dos de entrada y dos de salida. En el transistor esa caja negra es un amplificador de corriente. Es decir que ponemos una pequeña señal de corriente en la entrada y obtenemos una gran señal de corriente en la salida.

Fig.2 Cuadripolo transistor en emisor común

Como podemos observar la corriente de salida es igual a la corriente de entrada multiplicada por un factor característico del transistor llamado “ganancia de corriente” y que aquí representamos como “k”.

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El transistor real no tiene cuatro patas sino tres llamadas base (B), emisor (E) y colector (C) y tiene tres disposiciones de conexión llamadas: de emisor común; de colector común y de base común. El electrodo común es aquel que forma parte de la entrada y la salida y que puede ser el terminal de masa. La disposición amplificadora de tensión es la de emisor común y es la que mostramos en la figura.

A continuación veremos como es que un dispositivo amplificador de corriente por naturaleza se transforma en un amplificador de tensión similar a una válvula triodo. En la figura 3 se puede observar el circuito de polarización de un transistor del tipo NPN cuya representación gráfica se caracteriza por tener la flecha correspondiente al emisor (electrodo común) dirigida hacia fuera. La raya vertical corresponde a la base (electrodo de entrada) y la raya oblicua sin flecha (terminal de salida) al colector.

Fig.3 Polarización de un amplificador NPN en disposición emisor común

El transistor tiene dos junturas diódicas. La de base emisor y la de base colector. Cuando el transistor está polarizado como para amplificar la barrera base emisor debe estar suavemente en directa y la de base colector en inversa. Observemos que en nuestro circuito con un transistor NPN se cumple esta premisa porque el divisor R4/R3 genera una tensión de 1,2 V positivos aproximadamente, estando el emisor conectado a masa a través de R1.

La polarización de un transistor es sensible a la temperatura porque las barreras varían por un principio de física a razón de -2,5 mV/ºC. En nuestro circuito, el divisor de base fija la tensión de base y por lo tanto es la tensión de emisor la que varía en función de la temperatura. Para que esa variación sea porcentualmente pequeña se debe generar una tensión de emisor del orden de una barrera tal como ocurre en nuestro circuito y la resistencia de base a masa no debe ser mayor a 100 veces la resistencia de emisor. Todo esto puede demostrarse matemáticamente pero nosotros nos conformaremos con tomarlo como una norma de diseño.

Analicemos la circulación de corrientes por el circuito. Toda la corriente que ingresa por el colector termina saliendo por el emisor con destino a masa. En el circuito vemos que se

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trata de una corriente de 5,51 mA. Por el resistor R4 circula una corriente que se divide en dos a llegar la unión de R3 con la base. Como el transistor tiene una relativamente elevada resistencia de base solo toma una corriente de 8,14 uA.

Esta corriente también llega al emisor y sale de el con destino a masa, sumando se a la corriente de colector. Es decir que en esta disposición se cumple que

Ie = Ib + Ic

en nuestro caso 5,52 mA

¿Cual es en este caso el factor de amplificación de corriente del transistor BC548C? Fácilmente se puede calcular como

Ic/Ib = 5,51 10-3 / 8,14 10-6 = 680

El transistor BC548 es por mucho el transistor NPN mas conocido de plaza y se lo fabrica en tres categorías diferenciables por su factor de son los marcados conLos de mayor ß amplificación de corriente o ß  la letra C y los de menor ß con la letra A. En la figura 4 se pueden observar las tensiones de polarización reemplazando el transistor C por un A. Como se puede observar la tensión de colector solo se desplazó de 4,49V a 5,69V lo cual es perfectamente aceptable en un circuito con transistores. Si se desea una mayor estabilidad se debería dejar una tensión mayor sobre el emisor pero redunda en una perdida de tensión disponible de salida como veremos mas adelante. Lo mejor que se puede hacer si un transistor esta dividido por categorías de ß es comprar de la categoría intermedia B para toda la producción.

Fig.4 Variación de la polarización al usar un transistor categoría A

Ya tenemos al transistor polarizado. Vamos a probarlo como amplificador y vamos a medir sus características como tal es decir su factor de amplificación y su respuesta en frecuencia (hasta que frecuencia máxima puede amplificar el transistor elegido).

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Solo tenemos que agregar capacitores sobre la entrada y la salida que se encargue de transmitir la señal sin afectar la polarización tal como se observa en la figura 5.

Fig.5 Prueba del amplificador a transistor NPN

Como se puede observar comenzamos probando el amplificador a una frecuencia típica de 1 KHz con 200 mV de pico de señal de entrada y se obtiene prácticamente una señal de salida de 2V con lo cual se puede decir que la ganancia de la etapa es igual a 10 veces.

¿Por qué elegimos una señal de entrada de 200 mV de pico? Porque el transistor no tiene una capacidad infinita para absorber señales de entrada. En efecto suponga que Ud. aplica 1 V de entrada; si la ganancia es de 10 veces la salida debería ser de 10 V de pico es decir de 20 V pico a pico. Pero si solo tenemos 10V de fuente no podemos sacar mas que ese valor de pico a pico y en realidad ni siquiera ese porque el emisor está a 1V y el colector solo podría tener una excursión de 9V. Por otro lado cuando se trata de sacar señales de colector que lleguen desde la tensión de emisor a la de fuente se corre el riesgo de distorsionar las señales. Por eso solo aplicamos una tensión de 400 mV pap o 200 mV de pico.

Nos imaginamos que el lector observó que la señal de entrada y la de salida están invertidas o desfasadas 180º. Esta es una característica del circuito con emisor común y se debe al modo que las corrientes se transforman en tensiones sobre los resistores de emisor y colector. La señal de entrada y la de emisor están evidentemente en fase porque la corriente de entrada circula por el diodo emisor base y genera directamente tensión sobre el emisor, salvo una caída de 600 mV debida a la barrera del diodo. Es decir

Ve = Vb – 0,6V

La corriente de colector aumenta cuando aumenta la corriente de base. Pero el resistor de colector esta colgado de la fuente y su caída de tensión se resta de la misma. Es decir

Vc = VCC – VR2

Esto significa que mayor corriente de colector se produce una menor tensión de colector. De allí proviene la inversión de fase.

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Nosotros elegimos una señal de 1 KHz para hacer la prueba, pero hasta que frecuencia puede amplificar nuestro circuito. Probemos con 10KHz, 100 KHz, etc hasta que veamos que la señal de colector comienza a achicarse.

En la práctica observamos que recién a los 40 MHz se comienza a observar una caída en la tensión de salida. El BC548 es un transistor de propósitos generales que tiene un ancho de banda de unos 50 MHz.

En nuestro receptor solo necesitamos que amplifique menos de 2 MHz lo cual significa que es perfectamente apto para la función elegida. En realidad no se requiere hacer ninguna prueba por tanteo para encontrar la frecuencia de corte. En el laboratorio real se utiliza un instrumento llamado barredor, que permite determinar la respuesta a frecuencia en forma directa ya que es un generador de señal que varía rápidamente de una frecuencia mínima a una máxima. El WB tiene un instrumento similar llamado medidor de bode, que nosotros ya conocemos y cuya aplicación se observa en la figura 6.

Fig.6 Medición con el generador de bode

¿De que depende la ganancia de nuestro amplificador?. Observe que si dividimos la resistencia de colector por la de emisor obtenemos justamente una relación de 10 veces. Esto no es casual; como la corriente de base es despreciable comparada con la de colector, podemos decir que la corriente de colector y la de emisor son iguales y por lo tanto la caída de tensión en la resistencia de emisor y en la de colector son proporcionales a sus valores resistivos. Ahora solo falta decir que la señal sobre el resistor de emisor es aproximadamente igual a la de base para asegurar que la ganancia es igual a la relación entre la resistencia de colector y la de emisor. O aproximadamente igual, porque en realidad existe una resistencia intrínseca de emisor que queda conectada en serie con la física y que reduce levemente la ganancia.

¿Esto significa que se puede colocar un capacitor en paralelo con el resistor de emisor para aumentar la ganancia al máximo sin variar la polarización?. Se puede y es lo que hicimos en la figura 14.3.6, observando que ahora para obtener la misma señal de salida podemos bajar la tensión de entrada hasta 10 mV de pico es decir que la ganancia máxima que podemos obtener con un resistor de 1Kohms en colector es de 1,3V/10 10-3 = 0,13 1000 = 130 veces que no es una cifra enormemente grande.

¿Se sigue cumpliendo lo que antes dijimos con respecto a que la ganancia es igual a la resistencia de colector dividido la resistencia de emisor? Si pero debemos considerar que

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la resistencia de emisor no es solamente la que nosotros ponemos exteriormente sino que se le debe sumar la resistencia intrínseca de emisor (interna al mismo). Cuando colocamos un capacitor sobre la resistencia de emisor solo queda activa la resistencia intrínseca para el calculo de la ganancia. Una formula mas completa para calcular la ganancia sería

A = Rc / Re + Rie

cuando Re tiene un capacitor grande en paralelo Re se anula y

A = Rc / Rie

En nuestro caso en que el laboratorio virtual nos indica que la ganancia es de 130 veces podemos calcular la resistencia intrínseca de emisor como:

Rie = Rc/A

en nuestro caso

1K / 130 = 8 Ohms

Fig.7 Etapa con emisor a masa para la alterna

Esta solución tiene un grave problema: la respuesta en frecuencia. En efecto utilizando el analizador de Bode observamos que ahora la frecuencia máxima es de alrededor de 20 MHz y que también existe un perdida de bajos que solo se puede compensar aumentando aun mas el valor de C3.

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Fig.8 Respuesta en frecuencia con emisor a masa

Radio con un transistor

El amplificador visto hasta ahora ¿se puede usar en nuestra radio a galena?: Se puede, pero también se puede hacer una amplificador sintonizado que puede tener una ganancia muy superior a las 130 veces.

¿Y que es un amplificador sintonizado? El amplificador a transistor NPN con disposición a emisor común amplifica una banda de CC hasta la máxima frecuencia que pueda amplificar el transistor elegido. Mas allá las capacidades interelectrodicas parásitas que se generan al fabricarlo, hacen imposible la amplificación o por lo menos la reducen.

Al mismo tiempo en la electrónica existe un flagelo común a todos los circuitos que es el ruido térmico. Sintonice una radio entre dos emisoras y escuchará un soplido o mejor aun un ruido a granalla o a fritura muy intenso. Es el ruido radioeléctrico captado por la antena y amplificado por la radio. El ruido no se puede evitar; se debe a que la corriente eléctrica recorre los circuitos por caminos que siempre difieren levemente uno del otro porque deben ir saltando de átomo en átomo y esto implica que la resistencia de un dispositivo es en realidad un valor central con una variación aleatoria debida al ruido térmico. Pero el ruido térmico contiene a todas las frecuencias del espectro. Si un amplificador tiene un ancho de banda mayor que el que realmente necesita está generando mas ruido que el debido y requiere un acotamiento de la banda de frecuencias amplificadas.

Nuestro problema es recibir una emisora de radio modulada en AM que tiene un ancho de banda de 10 KHz otorgado por la secretaría de comunicaciones. Como al modular se producen dos bandas laterales, una a cada lado de la portadora separadas por la frecuencia de modulación, esto significa que una emisora de la banda de onda media (OM) solo puede transmitir hasta 5 KHz de modulación.

La idea es fabricar un amplificador que tenga un ancho de banda de 10 KHz; que solo amplifique la emisora deseada y rechace las otras y que puede cambiar su frecuencia central de modo de cubrir toda la banda de OM mediante el ajuste por un capacitor variable en tamden. En la figura 9 se puede observar el circuito correspondiente.

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Fig.9 Circuito básico de un amplificador de RF a transistor NPN

Observe que para empezar la polarización de base la estamos realizando con el mismo generador de funciones ya que el mismo permite generar una señal alterna superpuesta a una continua. Por eso ajustamos la continua a 1,2V para que aparezcan 0,6V aproximadamente en el emisor. Como la bobina tiene baja resistencia, prácticamente no se produce caída de tensión sobre ella y en el colector se pueden medir los 10V de fuente. Curiosamente la tensión de colector puede superar la tensión de fuente debido a los efectos reactivos de la bobina y el capacitor y la disponibilidad de tensión de salida, puede llegar a ser el doble de la tensión de fuente. Es decir que teóricamente es posible que la salida sea de 20V pap con 10 V de fuente. Por supuesto estos valores solo se podrían obtener en las cercanía de una planta transmisora.

Por el momento no vamos a analizar el circuito de base que es donde ubicaríamos el cable de antena. Vamos a comenzar analizando el circuito de colector con todo detenimiento. Es obvio que se trata de un circuito sintonizado paralelo o “circuito tapón” ya que a la frecuencia de resonancia no deja pasar señales. Si no fuera por las perdidas de la bobina y la resistencia de salida del colector que lo excita, sería una resistencia infinita a la frecuencia de resonancia porque la componente inductiva se anula con la componente capacitiva.

Ya sabemos que la ganancia de un amplificador es el cociente entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor (si la tuviera). En nuestro caso la resistencia de emisor esta cortocicuitada por C2 así que solo vale la resistencia intrínseca de emisor. Como ya sabemos que la resistencia intrínseca de emisor es de 8 Ohms la ganancia sería

A = α / 8 = α 

es decir infinito. En la práctica todo depende del Q de la bobina y de la resistencia de salida del transistor. En la figura 10 se pueden observar los instrumentos que nos permitirán realizar las mediciones el circuito.

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Fig.10 Amplificador de RF con el instrumental conectado

Observe que conectamos un medidor de Bode para obtener la respuesta en frecuencia del amplificador. Al correr la simulación, de inmediato aparece un pico de ganancia. Moviendo el cursor rojo observamos que ese pico estaba en unos 600 KHz, cuando el tanden estaba ajustado a mitad de recorrido. Como la bobina es ajustable la modificamos para obtener un pico de resonancia en 1 MHz que se puede considerar como el centro de la banda de OM.

El graficador de bode puede presentar directamente la ganancia del circuito, en tanto predispongamos las escalas horizontal y vertical en “Lin.” ya que por defecto aparecen en “Log.”, Debajo del grafico podemos leer que a la frecuencia de 1,002 MHz la ganancia es de 1.141 veces.

ApéndiceFunción de la radio

Hhoy en día debería explicarlo porque puedo tener lectores (los mas jóvenes) que nunca en su vida escucharon radio. En efecto en el momento actual si una persona quiere escuchar música portátil en alta fidelidad recurre a un reproductor de MP3.

Para los oyentes de MP3 le avisamos que las radios difunden música mezclada con propagandas y noticias que lo mantiene enterado de lo que pasa en el mundo. Pero esa no es la única utilidad. Una radio sirve para orientarse en el mar o en un bosque porque la antena de OM es direccional y como en la actualidad vienen equipadas con un display que marca la frecuencia de la emisora sintonizada, si uno conoce su posición la puede utilizar como un radio faro orientándola a mínima señal. Luego de acuerdo al nivel de señal captada puede tener una idea aproximada de la distancia a la emisora.

¿Y las ondas cortas para que sirven?

Para lo mismo que las ondas medias; allí se pueden recibir emisoras lejanas que rebotan en la ionosfera que rodea la tierra y llegan a cualquier lugar de la misma incluyendo aquellos lugares en donde no llegan las emisoras de OM. En realidad no es probable que

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existen tales lugares; con una radio que tenga una antena de ferrite de 30 cm se puede escuchar OM en cualquier lugar pero las radios actuales pueden medir 10 cm y el alcance en OM es bastante deficiente.

Las emisoras de FM sirven para recibir música estereofónica en alta fidelidad y para apreciar la cercanía a una emisora ya que solo poseen alcance visual es decir unos 100 Kms. Las emisoras tienen obligación de identificarse por lo menos una ves por hora indicando el nombre la frecuencia y la ciudad desde donde emiten o repiten la señal.

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15/ Circuito de entrada y antenaEn la entrega anterior comenzamos a describir un circuito muy interesante construido con un transistor NPN de uso general: el BC548. En esta entrega vamos a completar el proyecto para que nuestros lectores puedan armar el dispositivo y obtener así la práctica de la profesión.

Teorema de la máxima transferencia de energía

En cada entrega agregamos un poco de conocimiento teórico relacionado con la práctica que estamos realizando. En esta le llegó el momento a uno de los teoremas mas importantes de la electrónica. Como deben ser dos circuitos acoplados para que el circuito fuente le entregue la máxima energía al circuito de carga.

Todo circuito posee una resistencia o impedancia de salida. En muchos casos es claramente visible. En otros no, pero siempre se puede transformar el circuito mas complejo en uno elemental que posea un generador y una resistencia en serie. En la figura 1 podemos observar una simulación muy simple en donde conectamos una pila tipo AA a una carga resistiva.

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Fig.1 Circuito para comprobar la máxima transferencia de energía

Como podemos observar a la izquierda representamos la pila con su circuito interno consistente en una pila ideal sin resistencia interna y un resistor en serie de 1,1 Ohms obtenido de las especificaciones de la misma, entregada por uno de sus fabricantes. Sobre el circuito de la pila colocamos una carga variable consistente en un potenciómetro conectado como reóstato. A la derecha tenemos el mismo circuito pero le agregamos un vatímetro que nos indica en todo momento cual es la potencia que se desarrolla sobre la carga. También agregamos una llave que desconecta la carga de la pila para poder medir la resistencia de R2 sin alterar las mediciones.

1. Cierre la llave, encienda la simulación, y observe la indicación del vatímetro mientras va cambiando el valor del reóstato (no observe las indicaciones del tester predispuesto como óhmetro porque son indicaciones erróneas debidas al hecho de que para medir un resistor se debe desconectar primero la fuente).

2. Elija el valor del reóstato que entregue máxima potencia a la carga. Seguramente será de 511 mW (es decir aproximadamente medio vatio).

3. En ese momento abra la llave J1 y lea el valor del reóstato seguramente va a ser de 1,1 Ohms.

El teorema dice: un circuito transfiere a otro la máxima energía cuando la resistencia de entrada del circuito de carga es igual a la resistencia interna del circuito generador.

¿Por qué la palabra “energía” si en realidad nosotros medimos potencia? Porque la potencia es la capacidad de producir trabajo que tiene un circuito eléctrico y el trabajo en la unidad de tiempo es la energía. La energía se mide en un intervalo de tiempo determinado (por lo general horas) de modo que se puede calcular cuanto gastó realmente un dispositivo eléctrico. Por ejemplo una plancha de 500W conectada durante una hora gasta 0,5 KW/H (así está marcado en la factura de electricidad). Pero si la misma plancha se conecta solo por media hora su consumo indicado en la factura va a ser de 0,25 KW/H. Entonces por definición la potencia es la capacidad de consumir energía que tiene un dispositivo; si no se lo conecta, no consume nada, pero la capacidad de consumir la sigue teniendo.

En nuestro caso, si conectamos un resistor de 1,1 Ohms a la pila AA la misma se agotará mas rápidamente que con cualquier otro valor de resistencia (aunque hacemos notar que los generadores químicos presentan fenómenos particulares cuando se ponen en

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cortocircuito porque la generación de calor, produce gases que pueden producir explosiones peligrosas).

El teorema de la máxima transferencia de energía es absolutamente general y se cumple tanto con CC como con CA. En este último caso se habla de impedancia de salida e impedancia de carga en lugar de resistencia.

El circuito de antena

En la entrega anterior probamos nuestro amplificador sintonizado con un generador de señales aplicado a la base. Pero en el caso práctico debemos atacar la base con señales de radio. En nuestro primer receptor que llamamos cariñosamente “radio a galena” (aunque la Galena fue reemplazada con un diodo) construimos una bobina de grandes dimensiones para que ella misma sirviera de captor de señales de radio si necesidad de agregarle una antena exterior.

Si vuelve a observar el circuito utilizado verá que la bobina se sintonizaba con las dos secciones del tanden en paralelo. Pero nosotros necesitamos ahora una sección para el circuito de colector, así que deberemos construir una bobina distinta con mas vueltas que sintonice con la capacidad de una sola sección del tanden porque la otra se utilizará para sintonizar otro circuito.

En el receptor de un solo transistor elegimos trabajar de un modo mas convencional construyendo una bobina de antena con cazoleta y núcleo de ferrite que sea ajustable y que el mismo diseño sirva también como bobina de carga.

¿Y a que viene el haber incluido el teorema de la máxima transferencia de energía justo en esta entrega? Una antena es un generador de energía eléctrica y no se salva del teorema. Lo debe cumplir religiosamente. Pero cual es la resistencia interna del “generador antena”. Todo depende de sus dimensiones.

En la radio de AM comercial se utiliza polarización horizontal de las ondas. La antena irradiante suele ser una torre vertical de ¼ de longitud de onda. Recuerde que la longitud de onda se calcula como una función de la frecuencia transmitida de modo que a 1 MHz (centro de la banda de onda media) se puede decir que:

λc / F = 300.000.000 / 1.000.000 = 300 m

en donde c es una constate universal que representa a la velocidad de la luz con

c = 300.000.000 m/seg

ya que la frecuencia se mide en Hz o ciclos/seg. Operando con las unidades los seg se anulan entre si y la λ se mide en metros. Y un es entoncescuarto de λ 

300/4 = 75 m

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No vamos a demostrarlo pero una antena de un cuarto de lambda tiene una impedancia característica que es resistiva pura y de 50 Ohms.

Seguramente Ud. no va a poder hacer una antena de esas características y se tendrá que conformar tal ves con una antena de 15 m. En ese caso la antena al ser mas corta que lo debido se comporta como un capacitor con una reactancia que nosotros vamos a aproximar a 100 Ohms.

Ahora que definimos al generador vamos a diseñar la carga. La carga es un circuito sintonizado paralelo construido con una bobina y un capacitor variable de 260 pF (una sección de nuestro tanden). Como 1 MHz está aproximadamente en el centro de la banda de onda media que va de 520 a 1600 KHz se toma como capacidad a 130 pF. Lo primero es entonces determinar el inductor que sintoniza con esa capacidad en 1 MHz. Esto ya sabemos hacerlo mediante la formula de Thomson.

L = 1 / C (2ΠF)2

= 1 / 130.10-12(6,28.106)2

= 1 / 130 . 10-12 . 39,43 . 1012

= 1 / 130 . 39,43 = 1,95 . 10-4195 uHy aprox. 200 uHy

Si lo quiere confirmar utilice el laboratorio virtual excitando el circuito LC con un pequeño capacitor que no afecte la sintonía.

Fig. 2 Confirmación de cálculo correcto de la inductancia

El factor de mérito y la resistencia equivalente

¿Qué tan selectivo es el circuito resonante que acabamos de diseñar? El Workbench por defecto crea una bobina casi ideal. La intención es que el usuario la transforme en real agregando resistencia en serie con la bobina o en paralelo. Es decir agregando una perdida resistiva. ¿Pero cuanta resistencia agregar? Es imposible resolverlo a priori. Lo que podemos asegurar es que cuando mayor es el “factor de merito” o Q de la bobina, mayor será la señal que recoja y mejor será la selectividad (rechazo de emisoras de frecuencias cercanas). Es un problema de experiencia previa. Por lo general la bobinas de

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dimensiones normales que se logran construir tienen un Q de 100 a 150. Vamos a tomar 100 para facilitar los cálculos.

El Q de una bobina se calcula prácticamente por comparación de la reactancia inductiva de la bobina con la resistencia del alambre (hay otros factores que bajan el Q pero se los puede considerar despreciables). Es decir el Q nos indica que tan pura es una bobina. Por ejemplo en nuestro caso sabemos que nuestra bobina tiene 200 uHy y un Q de 100. Se puede decir entonces que

Q = Π.F.L / Rs

y que nosotros deseamos calcular el valor de

Rs. Rs = Π.F.L / Q = 1224 / 100 = 12,24 Ohms.

Ahora vamos a armar el circuito resonante paralelo considerando el valor de resistencia del alambre y agregando un generador para hacer mediciones de Q (Qmetro serie).

Fig.3 Disposición de Qmetro serie

Como se puede observar el generador introduce una tensión eficaz de 1V y sobre el capacitor se mide una tensión de 100V debido al efecto de resonancia. Es decir que la tensión se eleva Q veces. La selectividad también se relaciona con el Q de la bobina mediante la fórmula

Q = F / ΔF

en donde ΔF es la variación de la frecuencia que hace disminuir la tensión sobre el capacitor un 33%. En nuestro caso es

ΔF = F / Q = 1.000.000 / 100 = 10.000

Es decir que una emisora corrida 10 KHz generará una señal un 33% menor sobre el circuito resonante (seria una importante interferencia lo que nos indica que debemos hacer una bobina con un Q de por lo menos 200; sin embargo no debemos olvidarnos que la bobina de carga también tiene selectividad y colabora en tema).

¿Si tuviéramos que agregar el resistor en paralelo como lo podemos calcular? Se puede calcular por la formula

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Q = Rp / Π.F.L

y que

Rp = Q . Π.F.L

que en nuestro caso es aproximadamente de 220Kohms.

Que importancia tiene el calculo de la resistencia en paralelo. Mucho; ella es la resistencia de carga que debería tener nuestro circuito para que halla una máxima transferencia de energía entre la bobina de antena y la base del transistor. Ya que la bobina de antena es el generador y el transistor es la carga.

¿Y que resistencia de entrada tiene nuestro circuito a transistor? Como el emisor está a masa la resistencia de entrada es igual a la resistencia intrínseca de emisor multiplicada por el beta. Aproximadamente del orden de 1.000 ohms.

Esto significa que no se puede conectar la base directamente sobre la bobina de antena porque reduciríamos el Q a valores muy bajos que se pueden calcular como

Q = 1.000 / 1224 = 0,81

indicando que no hay sobreelevación de la señal de antena y mucho menos selectividad. La bobina debe tener una derivación en donde colgar la base transfiriendo el máximo de energía desde la antena al total de la bobina y desde el total de la bobina a la derivación de base. Y como estamos en el baile seguiremos bailando para calcular como hacer esas derivaciones y la bobina definitiva.

Resistencia equivalente en derivaciones o secundarios

Ya sabemos que una bobina real se puede fabricar con una bobina ideal y un resistor en paralelo o en serie, que le baje el Q al valor real. No sabemos como se transforma un resistor en serie en otro equivalente en paralelo. Pero el lector ya debe imaginarse que se debe realizar igualando las formulas del Q con resistor en serie y con resistor en paralelo. En efecto el Q de una bobina se define como

Q = Π.F.L / Rs

pero también es

Q = Rp / Π.F.L

esto significa

Π.F.L / Rs = Rp / Π.F.L

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y esto implica que:

Rp = (Π.F.L)2 / Rs

A su frecuencia de resonancia un circuito L C paralelo se comporta como su resistencia paralelo determinada por el Q de la bobina utilizada despreciando la perdida capacitiva que siempre es despreciable. Si se toman derivaciones de la bobina total esta resistencia máxima se puede reducir para cumplir con el teorema de la máxima transferencia de energía tanto cuando se utiliza la bobina como carga (antena por ejemplo) como cuando se la utiliza como generador (base de un transistor amplificador).

Con un poco mas de matemáticas podremos saber como se transmite la resistencia paralelo total a una derivación definiendo la llamada relación de transformación del autotransformador que se acaba de crear, porque acopla la CA del total de la bobina a la derivación.

Considere que uno de los extremos de la bobina (1) se pone a masa; desde ese punto hasta el tope se define a la cantidad de espiras como N1-3. A una determinada cantidad de espiras (2) se realiza una derivación que define la cantidad de espiras N1-2.

La relación de transformación se define como

n = N1-2 / N1-3

Si se inyecta señal entre el terminal 3 y el 1 y se toma del terminal 2 es un autotransformador reductor.

Si se conecta a la inversa es elevador. Si se conecta un resistor entre 1 y 3 entre 1 y 2 circulará una corriente equivalente

a conectar un resistor igual al resistor sobre el total, reflejado en la derivación.

Vamos a calcular el valor del resistor reflejado en función del resistor conectado sobre el total y la relación de transformación n.Una tensión V3-1 sobre el total se transmite a la derivación como

V2-1 = n . V3-1

menor y si por el total circula una corriente I 3-1 en la derivación circulará una corriente

I 2-1 = 1/n . I 3-2

mayor para cumplir con la ley de la conservación de la energía. La resistencia reflejada sobre el terminal 2 será entonces:

R2-1 = V2-1 / I2-1 = ( n . V3-1) / (1/n . I3-2) = n2 . V3-1 / I3-2 = n2 . R3-1

Es decir que los valores de resistencia se transfieren según la relación cuadrática de n.

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Ejercicio práctico

Un ejercicio práctico aplicada a nuestra radio nos permitirá fijar los conceptos teóricos vertidos aquí. Dijimos que nuestra antena práctica tendría una resistencia de 100 Ohms y debemos aplicarla a nuestra bobina práctica con un Q de 100. Ya calculamos que ese Q se debía a la resistencia del alambre que estimamos como de 12 Ohms. También calculamos que esa resistencia transformada como una resistencia paralelo era de 220 Kohms. Ahora debemos calcular a cuantas vueltas se debe realizar una derivación para que esa resistencia en paralelo con la bobina total se transforme en una resistencia de 100 Ohms. En realidad vamos a calcular la relación de espiras, la cantidad de vueltas la calcularemos después.

R2-1 = n2 . R3-1 es decir 100 = n2. 220.000 n = √ 100/220.000 = 0.021 al 2% del total.

Ahora debemos calcular la cantidad de espiras que debe tener nuestra bobina y hacerle una derivación al 2,1%. Pero tenemos oportunidad de hacer otra práctica porque la bobina de antena debe tener también un bobinado secundario para conectarle la base del transistor que estimamos en un valor de 1KOhms originalmente. Posteriormente una medición nos permitió ajustar este valor en aproximadamente 470 Ohms. La medición es muy simple y la indicamos en la figura siguiente.

Fig.4 Medición de la impedancia de entrada del amplificador de RF

Como podemos observar armamos solo medio receptor, a saber la sección de colector con el diodo detector y excitamos la base con un generador de RF conectado al resistor R2 encargado de excitar la base pero utilizando un resistor igual al que suponemos representa la impedancia de entrada del transistor Q1. Observe que además conectamos el osciloscopio antes y después del resistor agregado.

Si el resistor es igual a la resistencia de entrada del receptor el osciloscopio indicará que la tensión sobre la base es la mitad que la salida del generador. El generador se predispone en 1 MHz con una amplitud de 20 mV pap (nunca mas porque se puede saturar al transistor) y después del resistor de 330 Ohms obtenemos una señal de aproximadamente 10 mV. Es decir que nuestra estimación anterior no fue muy buena y para obtener una buena adaptación entre la bobina de antena y el transistor debemos crear un bobinado de base N4-5 con una resistencia de 330 Ohms. Usemos un procedimiento igual al anterior:

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R4-5 = ns2 . R3-1 es decir 330 = ns2. 220.000 ns = √ 330/220.000 = 0.038

Es decir que debemos realizar un bobinado secundario con una relación de espiras del 4% aproximadamente es decir el doble del anterior.

El receptor de 1 transistor

Ya estamos en condiciones de presentar el nuevo circuito de nuestro receptor de radio que además de aprender a construir un amplificador de RF nos permitirá aprender mucho sobre la construcción de bobinas ya que vamos a construirlas a mano explicando como se calcula su número de espiras del bobinado principal.

En la figura 5 se puede observar el circuito completo. Por ahora seguiremos usando un parlante para PC hasta que en futuras entregas tratemos el tema de los amplificadores de audio incluyendo las ultimas versiones de amplificadores de audio digitales.

Vamos a analizar para que sirve cada componente comenzando por la entrada de antena. C6 y R1 no pertenecen realmente al circuito; forman lo que técnicamente se llama “Antena fantasma” es decir que reemplaza a la antena real para poder utilizar un generador de AM en lugar de una antena real. La antena real debe colocarse directamente sobre la derivación de la bobina y como ya dijimos procure que tenga un tramo vertical de por lo menos 15 metros. Una antena mas corta no garantiza un buen funcionamiento salvo que Ud. esté cerca de las emisoras.

Fig.5 Circuito de la radio con 1 transistor

La bobina T1 se encarga de seleccionar la emisora deseada mediante la resonancia del primario del transformador con una sección del tanden representado en este caso por C1 (se usó un capacitor fijo para sintonizar una supuesta emisora de 1 MHz). C2 es el trimer del mismo tandem que servirá para ajustar la radio en las frecuencias mas altas de la banda. Las frecuencias mas bajas se ajustarán mediante el núcleo de la bobina. Con este doble ajuste se compensa las diferencias que siempre pueden existir entre una sección del tandem y la otra que se encargara de sintonizar la bobina de carga.

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En la realidad la derivación de antena se encuentra dispuesta sobre el primario pero el WB tiene la derivación sobre secundario así que lo dejamos así. La base del transistor se conecta en el tope superior del secundario y en el tope inferior se conecta el resistor de polarización de base. Observe que en este sencillo receptor utilizamos un método de polarización diferente a todo lo utilizado hasta aquí. El emisor esta directamente conectado a masa es decir que no existe el resistor de emisor que provee la estabilidad térmica del sistema. Es decir que la corriente de colector se va a modificar con la temperatura; pero como para la CC el colector está directamente conectado a fuente (la bobina de colector tiene una resistencia despreciable) la tensión continua de colector no puede variar y es siempre igual a 9V.

En nuestro caso podemos calcular que la corriente de base es de

(9 – 0,6) / 330K = 25 uA

y como usamos un transistor “C” cuyo beta es de 400 la corriente de colector será de

25 uA x 400 = 10 mA

que es un valor adecuado.

En el colector se conecta el circuito resonante de carga que también estará sintonizado en 1 MHz mediante otra bobina idéntica a la de base donde no se usa la derivación central. C5 es la otra sección del tandem y C4 y el núcleo de la bobina permiten realizar el ajuste en la parte alta (C4) y baja (núcleo) de la banda, para que los dos circuitos sintonizados tengan lo que se llama un adecuado “tracking” que significa que siempre estén ajustados a la misma frecuencia cualquiera sea la posición del tandem.

Por último en el secundario de T2 se ubica el diodo detector de AM con su correspondiente capacitor de filtro C7 y resistor de carga R3. El divisor R5 y R4 se encargar de prepolarizar el diodo detector de modo que pueda detectar las emisoras lejanas que no llegarían a producir suficiente señal para vencer su barrera. El capacitor C8 lleva el punto inferior de la bobina a masa para la CA.

Probando el receptor de 1 transistor

El WB posee un generador de AM que nos permite probar el receptor en las condiciones normales de funcionamiento. En principio vamos a analizar el funcionamiento solo como amplificador de RF con el osciloscopio conectado entre colector y el generador de AM ajustado para conseguir que el colector utilice toda la tensión posible de salida llegando prácticamente al punto de saturación (tensión de colectar a masa casi nula).

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Fig.6 Señal de AM amplificada por nuestra radio de 1 transistor

En la figura 7 se puede observar los oscilogramas en la salida de audio luego del detector comparada con la señal de entrada.

Fig.7 Oscilograma de la señal de salida de audio comparada con la entrada de AM

Por último vamos a colocar como señal de entrada tres generadores a diferentes frecuencias de RF con diferentes señales de modulación y vamos a observar que la radio selecciona solo el generador a la cual se encuentra sintonizado.

Fig.8 Radio excitada con tres emisoras de diferentes frecuencias

Conclusiones

En la próxima entrega vamos a sumergirnos en el mundo práctico ya que debemos construir nuestra radio incluyendo la fabricación de las bobinas.

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16/ Construcción de bobinas ajustables¿Tan importante es el tema de las bobinas ajustables? Si, y es muy importante que el reparador sepa como construirlas ya que es uno de los componentes que producen la llamadas reparaciones imposibles por falta de repuestos.

En efecto, si Ud. encuentra un dispositivo electrónico con un transistor quemado, o con un circuito integrado dañado, o un resistor o un capacitor en malas condiciones, va a una casa de electrónica y compra el repuesto original o algún reemplazo del mismo, lo coloca, confirma la falla, entrega y cobra. Pero si el componente dañado es una bobina o un transformador de RF, por lo general no tiene posibilidades de comprar el repuesto en los comercios especializados, porque no puede existir un repuesto genérico tan especifico como el que Ud. necesita. Piense en una bobina de antena como la que diseñamos en la entrega interior. Debe tener una determinada cantidad de espiras en el primario otra en la derivación de antena y otra en la derivación de base. Imposible, hay que fabricarla específicamente y si forma parte de un dispositivo comercial comprarla como repuesto en el servicio técnico oficial (si es que la tienen, si es que tiene un precio aceptable y si es que la venden).

Por lo tanto, una vez más, el técnico de nuestras regiones de América se debe disfrazar de ingeniero y de fabricante y encarar la construcción del repuesto adecuado o la reparación del dañado. No se si por España sucede algo parecido pero un estudio profundo de cómo fabricar una bobina no le viene mal a ningún técnico.

Nosotros vamos a encarar aquí el tema de las bobinas sintonizables en la gama de frecuencias que van de unos 200 KHz hasta uno 5 MHz. Es decir que contempla las radios de AM con ondas cortas y vamos a tratar tanto las bobinas de dos terminales como las bobinas con derivación y lo transformadores de RF con bobinados secundarios. Dejamos ex profesor de lado los transformadores de bajas frecuencia; por ejemplo los de alimentación de 50 Hz porque de ellos existen repuestos genéricos y los de audio porque su uso ya es obsoleto.

No son estas las únicas bobinas que existen en electrónica. Otro material se fabrica específicamente para cubrir frecuencias de 4 MHz a 60 MHz y será tratado oportunamente. Dejamos de lado las bobinas con núcleo de aire porque de ella tenemos

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ya experiencia y sabemos calcularlas, para dedicarnos a las bobinas ajustables con núcleo de ferrite.

¿Y los materiales para fabricar estas bobinas se consiguen por unidad? No, lamentablemente no se consiguen y entonces el reparador debe emplear su imaginación para transformar una bobina o transformador en otro. Pero la imaginación es un subproducto del conocimiento y si no conocemos los principio prácticos del diseño y la construcción de estos diminutos componentes, no podemos encarar la modificación de uno para adaptarlo a nuestro uso.

Sintéticamente vamos a tomar una bobina similar a la que necesitamos, la vamos a desarmar, a desbobinar y vamos a utilizar el material de base para construir las bobinas que requieren nuestro proyecto.

Y vamos a documentar todo el proceso con claras fotografías de aproximación ya que un foto vale mas que mil palabras.

¿Y si no tengo ninguna bobina de desarme en mi taller? Aun hoy se consiguen el juego de bobinas de una famosa radio llamada Spica. Su valor es muy bajo y su tecnología es exactamente la que mostramos en esta entrega.

Bobinas de baja frecuencia

Este personaje de nuestra historia se pueden observar en la fotografía de la figura 16.2.1 vistas desde diferentes ángulos de observación. Pero lo mas importante es su construcción interna.

Fig.1 Vistas de bobinas de baja frecuencia

Un inductor con núcleo de aire es simplemente un arreglo de espiras que no puedan ponerse en cortocircuito entre si.

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Su inductancia por lo general es baja, salvo que la bobina sea enorme debido a que el aire no tiene propiedades magnéticas. El flujo magnético de una espira es probable que no llegue a las otras con toda su intensidad y entonces el dispositivo pierde efectividad.

Existen materiales que concentran las líneas de campo magnético y permiten construir bobinas mucho mas pequeñas, por ejemplo las mostradas en la fotografía anterior tienen un perímetro de 10 x 10 mm y suplantan a la bobina de núcleo de aire de nuestro primer receptor.Los materiales utilizados son derivados del hierro llamados ferrites que son una combinación de hierro u óxidos de hierro y cerámicas o resinas epoxis que le confieren su forma. Como sea su permeabilidad magnética puede ser miles de veces mayor que el aire (o el vacío que tiene el mismo valor).

En la figura 2 se puede observar una bobina de baja frecuencia desarmada en explosión en donde se observan 5 piezas sin incluir el bobinado y el capacitor de sintonía. En efecto el transformador posee un lugar para colocar un capacitor de mica/plata de gran precisión y muy pequeña variación con la temperatura. Este capacitor sufre un elevado stress térmico durante la soldadura por inmersión de las bobinas de producción lo que con el tiempo produce corrosión y cortocircuito del capacitor. La solución es desoldar la bobina y romper el capacitor con un destornillador de relojero cambiándolo posteriormente por un capacitor cerámico NPO.

Fig.2 Despiece de una bobina de baja frecuencia

La base es la sección que permite que la bobina se comunique con el circuito por la soldadura de sus patas. La mayoría de las bases son de 5 patas para que no exista la posibilidad de un error de posición al montarlas en la plaqueta. El primario se suele construir del lado de 3 patas y el secundario del lado de dos patas.

En la infografía se observa que el carretel de ferrite se debe colocar sobre la base pegado con un adhesivo permanente, un adhesivo térmico o para nuestro caso en donde posiblemente tengamos que desarmar la bobina varias veces, con cera de una vela.

En una producción normal el carretel se pega ya bobinado, en nuestro caso se lo pega virgen y luego se toma la bobina por la base para bobinarlo. Sobre el carretel bobinado se coloca el blindaje metálico que en su interior tiene colocado la guía roscada y la cazoleta.

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Como ya explicáramos no existe la posibilidad de comprar material por unidad; por lo tanto vamos a explicar como se desarma una bobina. En principio observe que la traba del blindaje se encuentra sobre las patas del mismo. Vuelque la patas del blindaje hacia fuera como indica la fotografía de la figura 3.

Fig.3 Preparación para el desarme de una bobina de baja frecuencia

1. Ahora suba la tapa cazoleta desenroscándola y observará que luego de hacer tope en la parte superior del blindaje comenzará a sacar la base de adentro del blindaje. Sigua desatornillando y tendrá la bobina desarmada y el carretel bobinado con la bobina de desarme.

2. Estudie los bobinados porque debe encontrar el alambre de salida para proceder al desbobinado del carretel. Uno de los instrumentos ópticos que mas utiliza un reparador, es una lupa compuesta generalmente tomada de un camcorder viejo de esos con un pequeño tubo de rayos catódicos como visor. Y debe tener una mesa con iluminación cenital de tubos fluorescentes e iluminación dirigida con una lámpara de larga vida de buena potencia. Para esto es muy útil un iluminador para tablero de dibujo con brazo articulado.

3. Tome el alambre de salida; córtelo a ras de la pata y tire del alambre hasta desbobinar toda esa sección de bobina. Luego busque el alambre siguiente etc. etc. etc. Luego de vaciar el carretel saque el resto de alambre de las patas con un soldador de 30W.

4. Cuando tenga el carretel vacío ya puede armar una de las dos bobinas que necesitamos; pero antes debemos terminar de calcularlas ya que conocemos la inductancia del primario y la relación de espiras en la derivación y en el secundario pero no sabemos cuantas espiras debe tener el total del primario.

Cálculo del número de espiras

La permeabilidad de un núcleo es ferrite varía de acuerdo al fabricante y al modelo del mismo. En nuestro caso si recuperamos una bobina no tenemos ninguna posibilidad de conocer el correspondiente parámetro. Solo podemos trabajar en forma aproximada con un dato medio y luego modificar el proyecto de acuerdo al resultado práctico.

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Para realizar este trabajo con precisión se debe utilizar un instrumento electrónico llamado Qmetro que nos permite medir la bobina haciéndola resonar con un capacitor variable interno al instrumento ajustado a la capacidad de nuestro tánden.

El modo de trabajar es el siguiente. Se toma el carretel y se bobinan por ejemplo 50 espiras. Se arma la bobina y se mide la inductancia con la cazoleta cerrando el circuito magnético (hacia abajo) y luego totalmente con el circuito magnético abierto (hacia arriba). En nuestro caso los valores medidos fueron 40 uHy y 62 uHy lo que significa que debemos hacer los cálculos con el valor promedio de 51 uHy o aproximadamente 50 uHy.

Ahora podemos calcular la cantidad de espiras necesarias para obtener el valor calculado en la entrega anterior que era de 200 uHy. Comparado el valor obtenido para 50 espiras con el necesario podemos vemos que es exactamente cuatro veces mayor. Pero la inductancia varía con el cuadrado del número de vueltas es decir que se deben bobinar 2 veces la cantidad utilizada en la muestra de 50 espiras es decir 100 espiras. Para el que desee realizar el calculo matemáticamente le indicamos que la formula a utilizar es

L2/L1 = (N2/N1)2 = n2

en donde L1 es la inductancia para 50 espiras y L2 la inductancia incógnita. Esto significa que:

n =√L2/L1 = √4 = 2

Así obtenemos el valor mas importante que es la cantidad de vueltas del primario como de 100 espiras. También de la entrega anterior obtenemos la derivación de antena que era de 2% y la derivación de base que era del 4%. En nuestro caso las cuentas son redondas se requieren 2 espiras para la antena y 4 para la base pero en muchos casos el número no es entero y debe elegirse la pata de comienzo y la de derivación para realizar una aproximación mayor.

El primario de la bobina de colector es idéntico al de antena porque tienen el mismo capacitor de sintonía y el secundario elegido para la simulación fue de 10% de las espiras totales es decir 10 espiras.

En la figura 4 se puede observar un resumen de las bobinas con la cantidad de espiras en cada bobinado.

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Fig.4 Resumen de la cantidad de espiras de las bobinas T1 y T2

Le aconsejamos al lector, que no pueda realizar la medición de la bobina de 50 espiras, que tome los valores indicados, arme el receptor con las núcleos ajustados en la mitad del recorrido. Sintonice una emisora cercana a la mitad de recorrido del tandem y reajuste el núcleo de T2 a máxima señal. Luego analice las emisoras que ingresan para determinar si la banda es la correcta o si faltan emisoras de las frecuencias mas bajas (aumentar el numero de vueltas) o de las frecuencias mas altas (reducir el numero de vueltas).

Fabricación de las bobinas

Lo primero es conseguir el alambre esmaltado. Todas estas bobinas se construyen con alambre de cobre de 0,10 mm de diámetro, esmaltado sintético soldable, que no necesita una limpieza del esmalte previo a la soldadura.

Siempre se comienza con el bobinado secundario sobre el carretel para asegurar un mejor acoplamiento entre bobinados. Y Luego el terminal de masa del primario para que opere como pantalla de masa entre los dos bobinados.

La bobina T1 se comienza a bobinar entonces por la pata 5 donde se ancla el comienzo del alambre con una 10 vueltas aproximadamente. Luego se enrosca en el núcleo tomando la bobina por la base con dos dedos, se bobinan 4 espiras y se saca el alambre enganchándolo con otras 10 vueltas sobre la pata 4.

Fig.5 Secuencia de fotos del bobinado de T1

Ahora se vuelve a tomar el alambre y se ancla sobre la pata 1 (masa) se bobinan dos espiras y se saca una derivación en la pata 2 sin cortar el alambre, luego se bobinan las 98 espiras restantes terminando en la pata 3.

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Antes de soldar el alambre a las patas se deben acomodar las salidas del carretel para que cuando baje la cazoleta no corte los terminales. Para eso se dieron 10 vueltas en cada pata, lo que permite tener material de sobra para acomodar el alambre, retirándolo de las mismas. Suelde con un soldador de 30W y una punta bien limpia con soldadura 63/37 de Sn/Pb. Enderece el blindaje con una pinza de punta y arme la bobina. Pruebe con el óhmetro la existencia de continuidad entre las patas 1, 2 y 3. Luego pruebe la continuidad entre las patas 4 y 5. Por ultimo verifique que el primario y el secundario estén aislados entre si.

Para fabricar T2 se sigue un procedimiento similar con la única diferencia que el secundario que se bobina primero tiene 10 espiras y que el primario no tiene derivación hacia la pata 2. Realice la misma prueba con el óhmetro.

Construcción del receptor

En algún momento vamos a aprender a diseñar circuitos impresos con el laboratorio virtual LW que es uno de los mas simples de usar. Pero en esta entrega vamos a utilizar una plaqueta universal con forma de matriz de perforaciones con islas tal como se puede observar en la fotografía de la figura 6.

Fig.6 Fotografía de una plaqueta universal

Sobre esta plaqueta es muy fácil armar nuestro receptor de radio de un solo transistor; de modo que se observen claramente todos los componentes involucrados. Las perforaciones están adaptadas a las patas de las bobinas por lo cual lo mas aconsejable es comenzar colocando las dos bobinas y el capacitor variable en tandem. Posteriormente se debe colocar el transistor y por último los capacitores y resistores. Esta secuencia de armado no es la que se utiliza normalmente con las plaquetas diseñadas a medida, en donde se comienza a armar colocando los componentes mas pequeños primero. Si lo hacemos al revés es porque estamos diseñando el circuito impreso a medida que lo vamos armando.

Por lo general se colocan los componentes analizando el cruce de las conexiones y luego se unen los cuadraditos utilizando un fino alambre de cobre estañado soldado sobre cada cuadradito que atraviesa. Si en algún lugar se produce un cruce el mismo se realiza usando un puente de alambre del lado de los materiales.

El tandem puede montarse sobre la misma plaqueta o colocarse fuera de la misma con conexiones cortas.

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Tenga en cuenta al diseñar un circuito impreso que dentro de lo posible es siempre mejor realizar una plaqueta alargada (2 x 1 puede ser un valor adecuado) y que es conveniente llevar una línea de masa en el borde inferior y otra de fuente en el superior. Luego se debe tratar de tener el ingreso de señal por una punta de la plaqueta y la salida por la otra para evitar acoplamientos espúreos de entrada salida.

Prueba y ajuste de la radio

Es muy común que durante el armado de un dispositivo se cometan errores. Por eso no tiene mayor sentido armar circuitos de los cuales se desconoce su funcionamiento. En nuestro caso el simulador EWB no ayudará enormemente en la tarea de arrancar nuestro receptor. Si nuestra radio funciona inmediatamente escucharemos las emisoras mas potentes por el parlante en cuanto conectemos la batería y sintonicemos con el tandem.

Verificación de los valores de los resistores y tensiones continuas

Si no escucha nada deberá proceder a verificar el funcionamiento. Lo primero es siempre una verificación visual componente por componente prestando la mayor atención a los valores de los resistores (si tiene dudas verifíquelos con el óhmetro del tester digital sin desconectarlos del circuito) y recién después proceda a medir las tensiones continuas.

Para conocer las corrientes y las tensiones de nuestro circuito lo mejor es recurrir a la sonda medidora del EWB conectada en lugares muy bien seleccionados para detectar componentes dañados o errores de armado.

Fig.7 Tensiones y corriente continuas

Lo primero que debemos medir es la tensión sobre el capacitor C3. Recuerde siempre que en un circuito analógico tal como un amplificador la tensión continua entre la base y el emisor es siempre de aproximadamente 650 mV que corresponde con una barrera de silicio en directa. En nuestro caso como el emisor esta conectado a masa la tensión en la base del transistor es directamente la tensión entre la base y el emisor. Y como el bobinado secundario de T1 es prácticamente un cortocircuito para la CC; la tensión sobre C3 debe tener el mismo valor que en la base. Observamos que la sonda indica un valor de

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693 mV. Los otros valores indicados no son importantes porque o son iguales al medido o están midiendo el ruido del circuito como por ejemplo Vp-p de 165 pV (picovolt).

Si esta tensión es de 9V el transistor tiene la base abierta y si es de 0V tiene un cortocircuito entre la base y el emisor. La sonda también indica valores de corriente; en este caso de 25,2 uA que podría ser un parámetro interesante de medir pero que requiere abrir el circuito de base.La sonda de colector nos indica 9V con respecto a masa debido a que el colector está indicando directamente la tensión de batería. Esta medición no es muy significativa porque su valor sería el mismo aun con el transistor abierto en la juntura de colector. En este caso es imprescindible levantar el colector del circuito impreso y medir la corriente de colector si se desea conocer el estado del transistor.

Por ultimo tenemos la sonda de la prepolarización. Ud. podría suponer que aun sin prepolarización el diodo detector D1 funciona igual y puede ser cierto pero solo si está cerca de una emisora y solo se podría sintonizar dicha emisora. La prepolarización reduce la distorsión de las emisoras potentes pero ayuda a recibir las mas lejanas que de otro modo quedan enmascaradas debajo de la barrera del diodo.La tensión sobre C8 es la barrera del diodo y si se mide en el ánodo del mismo se encontrará el mismo valor de tensión.

Verificación de fallas de capacitores

La falla de un capacitor es mas difícil de encontrar.

Si un capacitor se pone en cortocircuito afectará la tensión presente sobre él. Pero los capacitores no electrolíticos suelen tener un escaso historial de fallas y

cuando fallan por lo general se abren. En ese caso el circuito quedará afectado en la ganancia, pero seguirá funcionando por lo menos con emisoras muy potentes.

Para encontrar un capacitor abierto simplemente conecte otro en paralelo con el sospechoso, si el circuito comienza a funcionar el capacitor está abierto o desvalorizado.

El capacitor variable también puede ponerse en cortocircuito pero si es la sección de colector pondría la fuente en cortocircuito y seguramente lo observaríamos de inmediato. Pero es muy difícil que el capacitor variable se ponga en corto en todo su recorrido, así que debe moverlo y si escucha chasquidos muy fuertes entonces desconéctelo y mídalo con el óhmetro. La sección de antena del tandem es algo mas difícil de detectar porque sobre ella no hay CC pero al girarla también se producirán chasquidos muy fuertes.

Si el receptor funciona seguramente lo hará con poca sensibilidad, debido a que aun no esta ajustado.

1. Sintonice la primer emisora de la banda de su lugar de residencia recordando que las ondas medias pueden tener un alcance de varios miles de Km.

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2. Escuche cuando emitan su característica y su frecuencia (es obligatorio que lo hagan por lo menos una ves por hora) y si esta muy dentro de la banda apriete la cazoleta de ambas bobinas y vuelva a sintonizarla hasta que caiga aproximadamente en el lugar correcto.

3. Si la primer emisora sintonizada es en realidad la segunda, tercera, etc significa que debe aflojar las cazoletas de las bobinas y volver a sintonizar.

4. Cuando la emisora cae en el lugar correcto debe ajustar la bobina T2 y resintonizar, hasta que la señal sea la máxima.

5. Ahora se debe ajustar la parte alta de la banda.6. Sintonice la emisora mas alta de su zona. Si esta muy dentro de la banda llévela al

lugar correcto reduciendo el valor de ajuste de los trimers. Si se encuentra fuera de banda aumente el valor de los trimers.

7. Cuando la emisora ya esté en posición debe dejar de ajustar el trimer de T1 y reajustar el trimer de T2 a máxima sensibilidad.

Este ajuste es iterativo. Luego de volver ajustar la parte baja de la banda debe ajustar nuevamente la parte alta hasta que no sea necesario ajustar mas las cazoletas o los trimers, dando así por terminada la prueba y el ajuste.

Conclusiones

Así terminamos de presentar el primer proyecto de una radio de un transistor. No es un dispositivo de grandes prestaciones pero la idea es que el alumno vaya analizando circuitos cada ves mas complicados y tenga oportunidad de realizar practicas cada ves mas completas. Por ejemplo en esta entrega no le brindamos el diseño del circuito impreso aunque le damos indicaciones sobre su diseño sobre una plaqueta universal. Inclusive no le indicamos como están dispuestas las patas del transistor porque pretendemos que lo busque en Internet o lo encuentre en algún manual.

En la entrega próxima vamos a comenzar a estudiar el receptor de radio de AM del tipo superheterodino que es la base de todos los dispositivos modernos de recepción. Un TV (a TRC, LCD o Plasma), un centro musical un sintonizador de radio, un receptor de radioaficionado, un teléfono celular; todos tienen un receptor superheterodino en su interior y Ud. debe saber el porque de su casi universalidad y conocer al detalle sus etapas una a una que son casi un resumen de la electrónica analógica moderna.

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17/ Amplificador de potencia de audio¿Qué es un parlante? ¿Cuáles son su requerimientos circuitales? ¿Qué potencia tiene un amplificador? ¿Qué sensibilidad tiene un amplificador? ¿Cuál es su distorsión y como se reduce? Son muchas preguntas y seguramente el lector tiene algunas respuestas difusas entre sus conocimientos.

Los amplificadores de potencia suelen ser el primer equipo que encara un reparador. Y es muy lógico porque la gama de frecuencias en las que funciona un amplificador de audio es la mas baja de la electrónica (20 Hz a 20KHz) y eso permite encarar experiencias practicas con cables largos sin que se produzcan problemas con la inductancias y capacidades parásitas.

Además la gama de frecuencias involucradas nos permiten construir nuestros propios instrumentos de medición y prueba sin mayores gastos de dinero y realizando una interesante práctica.

El parlante

Yo supongo que todos mis lectores tuvieron alguna ves un parlante en sus manos, así que no voy a perder tiempo en describirlos con mucho detalle. Un parlante esta compuesto de una campana metálica, un imán (generalmente cerámico) y un cono de papel o de plástico. El borde exterior del cono está sujeto a la campana con un montaje elástico de goma o con un ondulado del mismo material del cono que le confiere la posibilidad de moverse hacia adelante y hacia atrás alrededor de un punto de equilibrio mecánico.

Fig.1 Las diferentes partes de un parlante

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Desde el punto de vista técnico, un parlante es un transductor electroacústico. Recibe energía eléctrica y la transforma en energía mecánica que mueve el cono generando energía acústica por compresión y expansión del aire.

Ahora vamos a analizar como se realiza esa transferencia energética primaria de eléctrica en mecánica. Para entenderlo debemos introducirnos en el parlante y realizar un corte a nivel del imán.

Fig.2 Corte de un parlante

El imán cerámico anular tiene el polo sur en la cara superior y el norte en la inferior o viceversa.

La pieza polar inferior es en realidad un disco de hierro con un cilindro de hierro soldado en el medio que penetra en el carretel de papel de la bobina móvil, de modo que esta tenga un huelgo para que pueda deslizarse verticalmente.

La pieza polar interna, es una gran arandela de hierro que sierra el camino magnético de modo que solo quede un pequeño entrehierro que atraviesa la bobina móvil.

La araña es una pieza elástica que completa la suspensión del cono de modo que pueda entrar y salir del núcleo cilíndrico sin rozar en el mismo.

En la figura 3 se puede observar un detalle de la interacción entre el campo magnético de la bobina móvil y el del circuito magnético fijo.

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Fig.3 Detalle de la interacción entre el campo

El espacio existente entre el borde interno de la arandela que hace de pieza polar superior y el núcleo cilíndrico se llama entrehierro. Es un lugar abierto donde existe un enorme campo magnético radial que va desde la arandela hasta el núcleo y por dentro este hacia abajo y luego hacia fuera hasta completar un circuito magnético cerrado alimentado por el imán.

La bobina móvil esta recorrida por una corriente entregada por el amplificador de audio que genera otro campo magnético en el núcleo de hierro.

Los dos campos magnéticos paralelos dentro del núcleo interaccionan entre si generando una fuerza que mueve al cono en proporción a la corriente circulante por la bobina.

El rendimiento de un parlante se calcula como la potencia eléctrica entregada al mismo dividida por la potencia mecánica que sale del parlante. Y la potencia eléctrica entregada al parlante es igual a la tensión aplicada a la bobina móvil multiplicada por la corriente que circula por ella. Los parlantes tiene uniformada la resistencia de su bobina móvil en dos valores clásicos de 4 y de 8 Ohms (los parlantes muy antiguos pueden ser de 3,2 Ohms).

Esto implica que los amplificadores se pueden comparar de acuerdo a su resistencia de carga y a su tensión de fuente y a continuación vamos a realizar un análisis de ese tipo, que no permitirá desenmascarar a una gran cantidad de embaucadores que tiene esta especialidad de la electrónica que es el audio de potencia.

Potencias de los amplificadores de audio

Un amplificador de audio tiene que cumplir siempre con las leyes de la termodinámica. La potencia entregada al parlante no puede ser nunca mayor a la potencia que ingresa por

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la fuente. Y que quede claro que dije la potencia entregada al parlante y no la potencia entregada por el parlante, que depende del rendimiento del mismo y que no podemos medir fácilmente por tratarse de una unidad acústica (llamada presión sonora) muy difícil de medir.

Antes que nada vamos a explicar que los parlantes se caracterizan por su Impedancia y no por su resistencia. Si Ud. toma un parlante de 8 Ohms y lo mide con el tester predispuesto como óhmetro, encontrará que tiene alrededor de 6,5 Ohms. Esto suele desconcertar a los enconadores de parlante que terminan realizando un trabajo aproximado o muchas veces exacto pero sin saber el porque.

Si observa la construcción de un parlante puede ver que tiene una “bobina móvil” y no una “resistencia móvil”. En efecto si tomamos un alambre y los bobinamos sobre un núcleo de hierro debemos esperar un comportamiento inductivo. Pero el alambre utilizado tiene una resistencia considerable y por lo tanto el circuito equivalente de un parlante no es un componente puro sino un R L (en realidad debería ser un R L C pero el C se puede despreciar en prácticamente todos los casos).

Algo que casi nadie tiene en cuenta es que si se dice impedancia de parlante se debe aclarar a que frecuencia. Como todos los fabricantes dan la impedancia a 1KHz se da por descontado el hecho y solo se dice “Impedancia de 8 Ohms” o “Impedancia de 4 Ohms” cuando realmente se debería decir “Reactancia Inductiva de 8 Ohms a 1 KHz”.

Con ese dato ¿se puede saber cual es el circuito equivalente de un parlante, para tenerlo en cuenta en los diseños de amplificadores o en el cálculo de la potencia de salida del amplificador? Si, se puede hacer fácilmente utilizando el Multisim tal como lo indicamos en la figura 4.

Fig.4 Medición de las componentes inductivas y resistivas de un parlante

Hagamos un simple cálculo. ¿Si un parlante de 8 Ohms nominales se alimenta con un generador sinusoidal de 1V eficaz, cuanta corriente debe pasar por él? Como

I = E/R

podemos calcular

1/8 = 0,125 mA

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Luego variamos el inductor de 1 mHy para que la corriente sea igual a ese valor y obtenemos el circuito equivalente aproximado de un parlante de 8 OHms porque en realidad todo depende del parlante utilizado ya que no todos tienen una resistencia de 6,5 Ohms.

Y si se trata de un parlante de 4 Ohms todo se reduce a la mitad. Es decir que tiene una resistencia de 3,25 Ohms y una inductancia de 375 uHy en serie.

Ahora que sabemos cual es la resistencia de carga real equivalente a un parlante, vamos a calcular cual es la potencia máxima que se puede sacar de un amplificador con una tensión de fuente determinada:

Amplificadores con una sola tensión de fuente (por ejemplo 12V)

Debemos tener en cuenta que si la fuente es de 12V la tensión pico a pico de la salida será de 12V también y por lo tanto la tensión eficaz será de 6/1.41V como máximo es decir 4,25V y la potencia desarrollada sobre una carga de 4 Ohms será de

(4,25)2 /4 = 4,51 W

y con 8 Ohms de carga de 2,25W

Para los que gustan de las matemáticas les decimos que la fórmula de calculo para la potencia en función de la tensión de fuente es

P=(V/2 x1,41)2/ Z

en donde V = tensión de fuente y Z = impedancia del parlante

Amplificadores con tensión positivas y negativas (por ejemplo 24V)

Lla tensión total aplicada es de 48V y el valor de pico es de 24, con lo cual el valor eficaz será de

24/1,41 = 15V

En este caso la potencia desarrollada sobre una carga de 8 Ohms será de

152 /8 = 28W

y para una carga de 4 Ohms de 56W.

Estos son valores máximos absolutos que nos garantizan que no sale mas potencia que la que entra, pero son imposibles de conseguir porque los componentes que se encargan de controlar la corriente que circulará por el parlante no llegan a tener cero Ohms cuando están conduciendo ni un valor infinito cuando están abiertos.

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La fórmula es la misma que en el caso anterior pero considerando que

V = V1+V2

en donde V1 es la tensión positiva y V2 la tensión negativa.

La etapa de salida de audio genérica

¿Ud. sabe de donde proviene el nombre transistor? Según su inventor es una conjunción de trasmisión y resistor. El quería indicar que un transistor es un resistor variable conectado entre dos patas y que el valor de ese resistor depende de la corriente inyectada en la tercer pata del transistor.

Una etapa de excitación de un parlante en su modo mas sencillo puede ser la representada en la figura 5 en donde colocamos un potenciómetro (asimílelo a dos resistores en serie de valor variable) y una fuente de tensión continua.

Fig.5 Etapa de excitación de un parlante

Si el lector lleva el potenciómetro al máximo el cono se mueve y se va a su posición extrema hacia fuera o hacia adentro y si lo lleva a la posición mínima se va a la posición de reposo.

Nota: esto es algo simbólico para aclarar el tema pero no debe ser realizado en la realidad; porque la bobina móvil está recibiendo una energía eléctrica que no puede transformar en energía mecánica, ya que luego del cambio inicial de posición del cono, el aire se desplaza permanentemente y no hay presión sonora. Esto significa que entra energía pero no sale y esto implica la generación de calor que calienta la bobina móvil.

Ahora imagínese que Ud. realiza el movimiento del potenciómetro a tal velocidad que genera una señal de 1 KHz. Ahora si el cono presiona el aire 1.000 veces por segundo y Ud. escucha un sonido. ¿Y si mueve el potenciómetro siguiendo una ley sinusoidal se

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escucha una sinusoide? No, porque la sinusoide tiene un ciclo negativo y otro positivo y en nuestro caso solo podemos mover el cono en una sola dirección. A lo sumo generaríamos un semiciclo de una sinusoide.

El problema se puede resolver de dos modos diferentes. El primero es usando un capacitor electrolítico tal como lo indicamos en la figura 6.

Fig.6 Etapa de salida genérica con capacitor de acoplamiento

Comencemos el ejercicio con el potenciómetro en la mitad de su recorrido. Como se puede observar, allí la tensión es igual a 6V. Del otro lado del capacitor la tensión es nula porque el parlante está conectado a masa. Es decir que el capacitor está cargado con 6V. La capacidad del mismo tiene que ser suficientemente alta como para que siempre conserve ese valor de tensión aproximadamente; aunque como vamos a ver esta recorrido por una CA.

Cuando Ud. lleva el potenciómetro hacia arriba el parlante tiene aplicados 12 V de la fuente menos 6 V del capacitor es decir 6 V positivos. Cuando lo lleva a masa tiene aplicada la carga del capacitor solamente es decir -6V. Como vemos ahora tenemos la posibilidad de que el parlante tenga aplicados los dos semiciclos de los sinusoide. Cuando el potenciómetro está arriba el capacitor se carga, cuando esta abajo se descarga. Si es suficientemente grande su tensión no va a variar ni aun a la menor frecuencia que puede salir del amplificador que por lo general se estima en 25 Hz con lo cual el capacitor debe conservar la carga por 1/25 = 40 mS. Para comenzar hacemos un calculo aproximado por constante de tiempo, es decir que hacemos una constante de tiempo con la resistencia del parlante y el capacitor incógnita. Por ejemplo 50 mS o 0,05S para hacer número redondos. Es decir que

RC = 50 mS

de donde se deduce que con

R de 8 Ohms C = 0,05/8 = 0,0062 F o 6,2 mF o 6.000 uF

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es decir un valor bastante elevado que por lo general se reemplaza por 4700 uF.

En lugar de hacer un cálculo aproximado es mejor utilizar el Workbench Multisim para hacer un calculo exacto mediante el analizador de Bode. En la figura 7 se puede observar el circuito de un generador y un parlante representado por un resistor de 8 Ohms.

Fig.7 Respuesta en bajas frecuencias de un parlante excitado a capacitor

La respuesta en frecuencia se mide moviendo el cursos del analizador de Bode hasta que la señal caiga 3 dB aproximadamente. En nuestro caso eso ocurre cuando la frecuencia es de 4 Hz lo cual significa que se puede usar un capacitor mas chico por ejemplo de 470 uF y volver a probar con lo que se obtiene un corte de baja frecuencia de 40 Hz totalmente aceptable para nuestros requerimientos.

Ahora que desarrollado nuestro circuito de salida podemos prepararlo como para hacer todas las mediciones posible con osciloscopio, vatímetro y tester para observar las características completas de nuestro circuito con una fuente de 12V y una carga de 8 Ohms.

Mediciones sobre el circuito de salida

En la figura 8 se puede observar nuestro circuito de salida con los agregados de un osciloscopio, un tester y un vatimetro.

Fig.8 Mediciones completas sobre la salida de potencia

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Primero vamos a analizar los puntos donde se realizan las mediciones.

1. El osciloscopio lo conectamos sobre la salida de señal del amplificador, que en este caso está reemplazado con un generador de funciones.

2. Como estamos imitando un amplificador con una fuente de 12V de CC, la señal (de color naranja o gris claro en blanco y negro) la ajustamos para que cubra una tensión de 0V a 12V como se observa con los cursores azul y rojo adecuadamente ubicados.

3. Para lograrlo el generador de funciones debe ajustarse en 6Vpp (ya sabemos que el WB tiene un modo extraño de indicar la amplitud pico a pico).

4. El offset debe ajustarse para que la tensión de salida fluctúe entre 0V y 12V y esto ocurre con una tensión offset de 6V.

5. La frecuencia de medición se elige en 1 KHz que es el valor standard utilizado en audio.

6. El tester está midiendo la salida del amplificador y si lo abriéramos indicaría una CA de 4,24V que es el valor eficaz de una señal senoidal con un valor de pico de 6V.

Nota: un tester digital común no llega a medir una frecuencia de 1 KHz porque solo están preparados para realizar mediciones de 50 Hz. Le aconsejamos al lector que descargue la Sonda de RF de picerno.com.ar. Esta sonda indicará directamente el valor de pico de la salida es decir 12V, en cambio si Ud trabaja con un milivoltímetro de CA por ejemplo obtendrá el valor eficaz de la CA de salida es decir 6/1,41 = 4,24V.

El vatímetro tiene cuatro cables de conexión. Dos para medir la tensión sobre la carga y otros dos para medir la corriente por la carga. La potencia de nuestro amplificador es de 2,24W.

El medidor de Bode se conecta en la salida del amplificador y sobre la carga y la grafica nos permite observar la respuesta con una caída de -3 dB a una frecuencia de 40 Hz.

Con todo lo visto hasta aquí podemos desenmascarar a muchos fabricantes de amplificadores de audio que pueden realizar el milagro de obtener valores de potencia mayores a los indicados como máximos por medición de la tensión de fuente y observando la impedancia del parlante. Recuerde que la tensión de fuente se debe medir a pleno consumo y nunca con el sonido cortado y si el amplificador es estereofónico deben estar consumiendo ambos canales. Excite al amplificador con una señal senoidal de 1 KHz y levante el volumen lentamente hasta que escuche una distorsión causada por la saturación del amplificador; baje el volumen hasta que desaparezca la distorsión y mida la salida del amplificador con la sonda y el tester. Calule la potencia y verá como adelgazan los vatios prometidos.

Ahora vamos a hacer un comentario práctico. Si Ud. no tiene osciloscopio, ni vatímetro deberá arreglarse solo con el tester digital y la sonda agregada para transformarlo en un medidor de pico de CA conectado sobre la salida del amplificador. ¿Y el generador de

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funciones? Si no tiene un generador de audio le aconsejamos que utilice la PC como generador de funciones según indicamos a continuación.

La PC como generador de funciones

Internet le ofrece varios generadores de funciones. Si ingresa a un buscador general como el Google y pide por la palabra clave “Generador de audio para PC” tiene varios disponibles.

Si Ud. conoce algún otro generador que funcione realmente por favor deje un comentario para que lo publiquemos en beneficio de nuestro lectores pero primero pruébelo exhaustivamente; no lo de por bueno solo porque tenga una bonita presentación.

Fig.9 Generador de funciones por PC

Ud puede elegir entre 5 forma de señal (arriba a la izquierda debajo del botón de STOP) senoidal, cuadrada, triangular, diente de sierra y salva de senoides. Para elegir el nivel debe pulsar el ultimo icono de la misma paleta de herramientas que tiene el símbolo de un amplificador cruzado con una flecha roja. En la parte activa de la pantalla aparece dos renglones. El primero sirve para cambiar la frecuencia. Pulse sobre el renglón y verá que se activan las teclas + y – que le permiten cambiar la frecuencia de 2Hz a 20 KHz. Si pulsa dos veces sobre el renglón aparecerá un cuadro de dialogo que lo invita a escribir la frecuencia deseada.

Si pulsa sobre el segundo renglón puede cambiar la amplitud indicada en dB. La salida máxima es de 0 dB es decir 640 mV eficaces sobre la salida para los amplificadores de PC. Si desea una mayor señal de salida puede tomar el cable que conecta un bafle con el otro que corresponde a la conexión del parlante del bafle que no posee amplificador.

Circuitos con doble fuente

Como vimos en el punto anterior, cuando se alimenta un amplificador con una fuente única, la salida en reposo (sin señal de audio en la entrada) queda en la mitad de la tensión de fuente (por ejemplo 6V en los amplificadores para automóviles con batería de

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12V). Esto implica el uso de un capacitor electrolítico relativamente grande y caro o una importante perdida de señal en bajas frecuencias. La solución es una complejidad mayor de la fuente pero una simplificación de la etapa de salida: el uso de una doble fuente positiva y negativa para que la corriente por el parlante tenga posibilidad de invertirse.

En la figura 10 se puede observar un circuito elemental con un potenciómetro que cumple con este criterio.

Fig.10 Circuito de salida elemental con fuente doble

En este caso la condición de reposo de salida es con tensión nula (potenciómetro en el medio) y esto significa que el parlante no necesita tener un capacitor de acoplamiento; puede estar conectado directamente a la salida, mientras la salida garantice que va a estar en cero. Por lo general dada la peligrosidad de esta disposición los amplificadores siempre tienen una protección contra el desbalance de la salida.

En este circuito cuando el potenciómetro está en el extremo superior la corriente circula hacia abajo por la resistencia de carga y cuando esta en el extremo inferior circula para arriba ya que se adopta el sentido convencional de la circulación de corriente como del positivo al negativo.En la figura 11 mostramos los oscilogramas correspondientes a esta disposición considerando que las fuentes son de 12V y que la resistencia de carga es de 8 Ohms.

Nota: no conectamos el medidor de Bode porque la respuesta se extiende hasta 0 Hz es decir CC.

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Fig.11 Oscilogramas correspondientes a una salida con doble fuente

Ahora podemos observar que la señal de salida tiene una posibilidad de excursionar desde -12V hasta +12V es decir una tensión pico a pico de 24V. Esto implica un valor de pico de 12V y un valor eficaz de 8,48V tal como lo indica el tester.

La potencia no es el doble, sino cuatro veces la original ya que en la formula de la potencia la tensión esta elevada al cuadrado. Intuitivamente podemos decir que al aumentar la tensión al doble sin cambiar la resistencia de carga se duplican en ella tanto la tensión como la corriente y esto implica un incremento doble de la potencia que para nuestro ejemplo llega a 8,96W aprox. 9W.

Conclusiones

En esta lección nos introducimos en el mundo de los amplificadores de audio. El amplificador de audio es lo primero que arma un estudiante de electrónica. Es por lo general su proyecto de tesis del ultimo año de la secundaria. Pero está tan trillado, que por lo general los profesores lo consideran como algo hecho por cumplir y que no aporta nada nuevo.

Nosotros vamos a redescubrir el audio con proyectos tan novedosos que sus profesores van a quedar sorprendidos al observar que un tema clásico puede ser muy novedoso. Vamos a aplicar soluciones diferente al tema del audio como por ejemplo el tema de los amplificadores que dieron en llamarse amplificadores digitales de 1bit. Y no le decimos nada mas, para crear el gancho hasta la próxima entrega. Solo le pedimos a aquellos que aun no tiene instalados el Workbench Multisim 9, lo instalen ya, antes de recibir la próxima entrega porque en caso contrario se van a perder lo mas didáctico de nuestro curso.

Como complemento de nuestro estudio aprendimos a transformar nuestro tester en un voltímetro de CA de audio.

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ApéndiceEvolución de los amplificadores de audio

Los amplificadores de audio están cambiando muy rápidamente, así que aun los técnicos que hace muchos años que trabajan en el tema, no conocen que los amplificadores de audio ahora son digitales.

Inclusive los parlantes están cambiando. El viejo y conocido parlante analógico de 2 terminales (masa y vivo) está siendo reemplazado por parlantes digitales multifilares de 8 a 16 salidas, una masa y un bobinado de realimentación. Si, los parlantes ya son digitales y nosotros vamos a explicarles a los enconadores de parlantes, a modificar un parlante analógico y convertirlo en un parlante digital.

El último grito de la moda son los bafles digitales provistos de 8 parlantes en donde el medio ambiente, el aire, realiza la transformación digital analógica en el mismo oído de usuario.

Es decir que el viejo concepto de procesar la señal digitalmente y luego convertirla en una señal analógica antes de enviarla al amplificador de audio que es analógico ya perdió validez. Se puede amplificar digitalmente y luego transformar la señal analógica en digital en el mismo parlante. O inclusive llegar hasta el último bastión analógico que es el propio oído humano y realizar la conversión dentro de él.

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18/ Amplificador Push – PullVamos a analizar los amplificadores de audio desde lo más simple a lo más complejo. El audio es un tema muy especial porque es el primer circuito complejo con el que suele experimentar un estudiante. Por complejo nos referimos a que tiene mas de 5 transistores o un circuito integrado.

Y lo mas simple que vamos a analizar en esta entrega es una etapa de salida push-pull (literalmente: tira y afloja) a transistores bipolares. Vamos a dejar de lado los amplificadores a transformador (técnicamente Clase A) porque ya no se utilizan en ningún equipo dado su bajo rendimiento.

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La generación de calor en los transistores de salida

En la lección anterior comparamos los transistores de salida con un potenciómetro y dijimos que el problema de los transistores es que nunca se llegan a cerrar o a abrir del todo y entonces cuando circula la corriente que opera al parlante se calientan debido a que cuando circula una corriente por un resistor se genera potencia eléctrica y por lo tanto calor. Y donde hay calor hay perdida de rendimiento.

La potencia de la fuente de poder no se transforma solo en energía sonora; parte se transforma en calor. Los rendimientos clásicos de una etapa de salida están tan solo en el 60% aproximadamente. Esto no solo significa que la fuente debe entregar mas energía, sobre todo implica que los elementos que desperdician esa energía transformándola en calor son precisamente los mas caros de un amplificador: los transistores de salida y que el único modo de protegerlos es montándolos sobre disipadores de aluminio que son caros y voluminosos.

Pero para que un transistor se pueda montar sobre un disipador debe ser un transistor especial. Debe tener una superficie de montaje plana que haga un buen contacto mecánico con el disipador y entonces pasan a llamarse transistores de potencia. En la figura 1 se pueden observar los dos tipos mas comunes de transistores de potencia que existen en el momento actual.

Fig. 1 Encapsulados clásicos de transistores de potencia

Observe que en ambos casos los transistores tienen una o dos perforaciones que permiten montarlos sobre un disipador de aluminio.

La superficie de montaje suele estar conectada al colector (por lo menos en los dos tipos de encapsulados que mostramos) de modo que si el disipador esta conectado a tierra, o vamos a usar el mismo disipador para montar dos componentes se debe realizar un montaje que los aísle eléctricamente y los acople térmicamente al disipador.

Por lo general se utilizan aisladores de mica o de plástico conductor del calor y niples de plástico para los tornillos de modo que los colectores que están conectados a la carcaza en el TO3 o a la chapita de montaje del TO220 queden eléctricamente aislados y disponibles para el circuito.

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Nota1: la carcaza del encapsulado TO3 no posee pata de conexión por lo tanto la misma se debe efectuar a través de uno de los tornillos de anclaje o de un terminal semilla montado en la cabeza del tornillo y conectado con un cable.

Nota2: ya sea que se use o no se use aislador de mica, o de plástico, para que el transistor este térmicamente conectado al disipador, se debe utilizar grasa siliconada entre las superficies de apoyo de los transistores y el disipador.

Circuito de la etapa de salida push – pull

En la figura 2 mostramos el circuito mas básico posible de una etapa de salida de audio con fuente positiva solamente conectada a un generador de funciones lista para excitar un parlante.

Fig.2 Amplificador de potencia básico excitado por un generador de funciones

Analizando el circuito se observa que consta de dos transistores de potencia complementarios: Q1 que es un NPN y Q2 que es un PNP. Q1 se encarga de hacer circular corriente desde la fuente al parlante cargando además a C1 y Q2 se encarga de hacer circular corriente desde el parlante a masa descargando al capacitor C1.

La palabra cargar y descargar es aquí prácticamente metafórica; porque realmente C1 se carga y descarga muy poco durante cada ciclo (la tensión sobre él prácticamente no varía) aun a la frecuencia mas baja que puede reproducir el circuito y que se estima en unos 25Hz. Pero el concepto debe quedar bien claro: C1 se carga desde la fuente y se descarga a masa aunque solo sea unos mV.

El encargado de excitar a estos transistores es el llamado transistor driver Q3 (la traducción literal de driver es conductor o chofer, es decir el que maneja algo pero preferimos dejar el término en Ingles).

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En la entrega anterior llegamos a la conclusión que cuando un amplificador se alimentaba desde una sola fuente positiva (en nuestro caso 12V) la tensión de reposo de la salida debía ser exactamente igual a la mitad de la tensión de fuente (en nuestro caso 6V) para que cuando recortara los dos semiciclos de la salida lo hiciera parejo.

En nuestro circuito inicial la fuente de polarización es el mismo generador de funciones, que tiene la posibilidad de variar tanto la alterna como la continua de salida. Para comenzar colocamos una señal muy pequeña de entrada (1 mV o menos) y medimos la tensión de salida ajustándola en 6V por modificación de la tensión de offset del generador.

Luego podemos levantar la señal alterna lentamente y observar con un osciloscopio sobre la salida que la misma se genera sobre un eje de continua de 6V. Ver la figura 3 en donde se puede observar que con 100 mV de señal de entrada se obtiene una señal de salida que oscila entre 2,68 y 9,14V. es decir unos 3,2V de pico lo cual implica una ganancia de unas 32 veces en tensión. Pero lo mas importante es que la impedancia de salida del amplificador es suficientemente baja como para alimentar a un parlante de 8 Ohms.

Fig.3 Oscilograma de salida del amplificador elemental

Aquí podemos observar que la señal de salida es aceptablemente senoidal sin embargo tiene una distorsión cerca del punto donde la salida se cruza con los 6V de polarización que vamos a analizar y corregir en el apartado siguiente.

La distorsión por cruce

La distorsión por cruce se puede apreciar mejor si reducimos la señal de entrada y además acoplamos el osciloscopio a la alterna para poder aumentar la sensibilidad. Al mismo tiempo y para entender porque se produce vamos a conectar el otro haz del osciloscopio en las bases de los transistores de salida.

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Fig.4 Oscilograma detallado de la distorsión por cruce

En verde se puede observar la señal en las base en tanto que en rojo se puede observar la señal de salida (emisores). Observe que el cursor de lectura rojo del osciloscopio se ajustó a un valor de tensión de entrada de unos 530 mV positivos y que recién en ese valor comienza a aparecer tensión en los emisores de la salida debido a la barrera base emisor del transistor Q1. Algo similar ocurre en el semiciclo negativo en donde el cursor de lectura azul se ajustó en el punto en que la tensión de las bases es -530 mV.

En síntesis podríamos decir que la distorsión por cruce se produce porque en cierto momento no conduce ni Q1 ni Q2.

Y ese momento es precisamente cuando la señal de entrada pasa por cero. Esta es una falla de todos los amplificadores a transistores bipolares y se podría solucionar colocando una batería entre las bases en lugar de un puente. El oscilograma nos indica que si colocamos una batería de 530 + 537 mV entre las bases, apenas deja de conducir un transistor comienza a conducir el otro y desaparece la distorsión por cruce.

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Fig.5 Circuito con la distorsión por cruce corregida con una pila

En la figura 6 se pueden observar los oscilogramas de base de Q1 y de emisores en donde la distorsión desapareció por completo.

Fig.6 Corrección de la distorsión por cruce usando una batería

Sin embargo es evidente que se trata de una solución poco práctica por dos razones. La batería es un componente que debe reponerse y además la compensación es dependiente de la temperatura porque como ya sabemos las barreras de los transistores varía a razón de -2,5 mV/ºC. La solución debe ser práctica y debe estar compensada en temperatura. Existe mas de una solución pero la mas completa consta de un preset y un transistor BC548 conectado según el circuito de la figura 7.

Fig.7 Corrección de la distorsión por cruce utilizando un transistor y un preset

La idea es generar una tensión entre colector y emisor de Q4 que reemplace a la batería. Pero como esa tensión ahora es ajustable se realiza la medición de corriente de colector de Q1 (que en realidad es prácticamente igual a la corriente por Q2) con el miliamperímetro del tester, a un valor de unos pocos miliamperes, para asegurarse que

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cuando la señal de entrada este dentro de la faja de 0 a 550 mV los dos transistores conduzcan una pequeña corriente.

Revisando el oscilograma de salida y de base de Q1 encontramos que es igual al de la figura 7. Este circuito está además compensado en temperatura porque cuando baja la barrera de los transistores de salida también baja la barrera de Q4 y este conduce una mayor corriente de colector achicando la tensión entre las bases. Solo hay que tener la precaución de poner a Q4 en contacto térmico con el disipador de los transistores de salida para que los tres transistores estén a la misma temperatura.

La máxima excursión de salida

Para obtener el mejor rendimiento de un amplificador es necesario que pueda sacar una salida pico a pico igual a la tensión de fuente con la cual se alimenta. Pero ese es un máximo teórico inalcanzable. Si observamos el circuito básico de la fig. 5 podremos notar que la salida podrá llegar hasta el valor de fuente. Solo podrá llegar hasta donde lo permita la resistencia interna del transistor.

Cuando la salida llega al máximo circula la máxima corriente por la carga y se produce una caída de tensión en Q1 igual a la resistencia de saturación del transistor multiplicada por la corriente que circula. La tensión de fuente menos esa caída es el máximo valor al cual puede llegar la tensión de salida del amplificador.

La salida mínima está aun en peor condición porque a la resistencia interna de Q2 se le suma otro problema. La base de Q2 solo puede llegar a cero volt cuando Q3 esta saturado y por lo tanto el emisor de Q2 quedará 600 mV por arriba de ese valor.

Vamos a realizar ahora una simulación aumentando la señal de entrada para ver a que niveles reales llega la salida (máximo y mínimo) pero vamos a dejar el osciloscopio conectado también en la base de Q1 para entender cual es el problema que limita la tensión de salida.

Fig.8 Tensión de salida máxima del amplificador

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Como podemos observar la tensión de salida en rojo llega hacia abajo hasta alrededor de 1V, que es el valor teorizado, pero hacia arriba no llega a superar los 9,5V (señal roja o gris oscura en ByN). Pero también observamos que la señal de base no supera los 10,2V y por lo tanto no se puede esperar que la de emisor crezca mas. El limite la base de Q1 podría llegar a 12V si la base del Q1 no tomara corriente. Pero la base de un transistor de potencia toma bastante corriente porque son transistores que difícilmente tengan un beta mayor a 30 y por lo tanto requieren una buena corriente de excitación.

El capacitor de bostrap

El problema se solucionaría conectando el resistor R1 a una tensión mayor (de unos 15V por ejemplo) para que la base de Q1 pudiera subir hasta los valores deseados. Pero generalmente esa tensión no existe y por lo tanto se recurre a generarla en el mismo circuito utilizando la misma tensión de salida.

El circuito se completa con un resistor y un capacitor que tiene nombre propio: el capacitor de bostrap (literalmente “atraparse los propios pies”).  Apenas se conecta el circuito a la fuente, aun sin señal la tensión en la unión de los resistores de colector de Q3 se genera una tensión de 9V (6V en la pata inferior de R1, 12V en la pata superior de R4 y por lo tanto 9V en la unión de los resistores). El capacitor se carga con 3V porque la salida tiene 6V y el punto de unión de los resistores 9; y como es suficientemente grande para no descargarse en todo el ciclo de trabajo mantiene a la unión de los resistores en Vs+3 (tensión de salida mas 3 voltios). Cuando la tensión de salida es la máxima llega a los 15V y asegura la saturación de Q1.

Fig.9 Agregado del circuito de bostrap

Como se puede observar ahora la tensión puede subir hasta prácticamente 12V y bajar hasta 1V, porque los dos resistores partidos de colector R1 y R4 y el capacitor de bostrap, generan una tensión en la unión de los resistores que tiene un pico máximo de unos 15V y por lo tanto Q1 se puede saturar sin inconvenientes. Note que al aumentar la tensión de fuente de R1 nos vimos obligados a bajar el valor de R2 para que el driver Q3 pudiera llegar a la saturación aumentando su corriente de base.

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En este punto parecería que el circuito ya está funcionando correctamente pero aun tiene varios problemas. El primero es que se polariza desde una fuente externa (el generador de funciones) y el segundo es que la señal parece bastante deformada. Inclusive hay un tercer problema que es la inestabilidad de la tensión de salida sin señal. La tensión de salida (6V en nuestro caso) no debe variar con la temperatura y nuestro circuito no tiene nada que la estabilice (y los transistores se calientan bastante mas que la temperatura ambiente).

Todas estas calamidades se resuelven con un proceso llamado de realimentación negativa que requiere un estudio muy profundo porque se lo utiliza en incontables circuitos electrónicos y posee inclusive mas virtudes que las enumeradas.

La realimentación negativa de  CC y de CA

La fuente de alimentación de la base de Q3 podría colgarse desde la fuente de 12V. Quizás serviría un simple resistor que ponga la salida en 6V. Pero también podría tomarse desde la salida misma si se tiene la precaución de filtrar la tensión alterna que esta tiene.

Esto asegura la estabilidad de corriente continua del sistema contra variaciones de temperatura. En una palabra se forma lo que se llama un lazo de realimentación negativa. Imagínese que por cualquier razón, al calentar al dispositivo, la tensión continua de salida baje de 6 a 5 V. El resistor de polarización, al tener menos tensión hace circular menos corriente por la base del primer transistor. Esto implica menos corriente por el colector del mismo y por lo tanto una suba de la tensión de colector. Al subir la tensión de colector sube también la tensión de salida y compensa la reducción original.

Fig.10 Autopolarización con realimentación negativa

El ajuste de la tensión de salida en 6V se realizó aquí por modificación de la resistencia R5. Observe que primero se bajó la señal de entrada para que la tensión de salida sea

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prácticamente una continua. Si simplemente agregamos el resistor R5 el circuito tiene resuelto el problema de la estabilidad de CC pero sigue persistiendo la distorsión que marcamos en el circuito original.

La distorsión se debe a la característica alineal de los transistores; el fabricante trata de fabricarlos lo mas lineales que pueda, pero hay consideraciones físicas imposible de salvar lo cual nos obliga a utilizar alguna solución similar a la utilizada para estabilizar el circuito contra las variaciones de temperatura. ¿Se puede diseñar una realimentación negativa que mejore la distorsión? Se puede y está agregada al circuito en paralelo con el resistor R5. Observe que se agregó R6, pero para no alterar la autopolarización con este agregado se colocó C4 que bloquea la CC de la salida, de modo que no pase por R6. Por R6 solo pasará la CA con destino a la base de Q3 y si lo analizamos con detalle estamos agregando una señal que se opone a la señal de entrada.

En efecto cuando la señal de entrada sube, la señal de colector de Q1 baja y por lo tanto baja la salida. La salida se renvía a la entrada formándose un divisor de tensión entre R5 y R2 que a los efectos de la realimentación de CA es como si estuviera conectado a masa debido a que C3 tiene un valor de capacidad elevado y el generador tiene una resistencia interna casi nula. Una consecuencia de esta realimentación negativa es la reducción de sensibilidad del amplificador, pero el efecto de la realimentación reduce enormemente la distorsión como se puede observar en el oscilograma de la figura 11.

Fig.11 Introducción de la realimentación negativa

Aquí podemos observar que ahora debemos aumentar la señal de entrada de 60 mV a 660 mV es decir casi 10 veces para compensar la realimentación negativa de R6. Pero la señal de salida es perfectamente sinusoidal (salvo los recortes de los picos que desaparecen si bajamos un poco la señal de entrada). La consecuencia (reducir la distorsión) es la buscada pero en realidad aun no sabemos porque se produce.Se produce por una sencilla razón. La señal de entrada colocada en el extremo izquierdo de R2 es perfectamente sinusoidal. La señal de salida colocada en el extremo derecho de R5 también sería sinusoidal si el amplificador fuera perfecto. En este caso en la base de Q3 tendríamos una resta de señales

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Vb = Ve – K . Vs

en donde K representa el proceso de amplificación en los transistores y de atenuación en R5 y R2. La atenuación en R5 y R2 no tiene distorsiones pero la amplificación de los transistores si. En la práctica sabemos que el semiciclo negativo esta comprimido (ver el oscilograma 9). Esto significa que hay menos tensión de salida en el pico negativo que en el positivo y por lo tanto hay menos realimentación negativa y un aumento proporcionalmente mayor de este semiciclo que del positivo.

Conclusiones

En esta lección analizamos un amplificador de potencia básico. Tan básico que me animo a decir que es el amplificador mas económico que se puede fabricar. No lo hicimos con la intención de indicarlo como producto industrial (ya indicaremos circuitos que el lector puede fabricar y vender) pero nuestro amplificador elemental posee todos los órganos que tiene uno mucho mas complejo. Es un dispositivo didáctico y estamos seguros que muchos técnicos que fabricaron amplificadores de audio mas completos, recién hoy entendieron los conceptos básicos de la amplificación de potencia.

En la próxima lección vamos a aprender a medirle las características a los amplificadores. Sabemos que nuestro amplificador es capaz de entregarle una tensión de 1 KHz con una amplitud pico a pico de 11V, a un parlante de 8 Ohms cuando le colocamos una señal de entrada de 660 mV (valor normalizado de señal de entrada de un amplificador o de 0dBm). Pero no podemos evaluar correctamente las características del mismo sin someterlo a una serie completa de mediciones que el armador debería realizar en todos sus amplificadores.Vamos a someter a nuestro sencillo amplificador a todas las pruebas posibles y vamos a obtener algunos datos prácticos imprescindibles para armar amplificadores. Vamos a medirle la potencia máxima que puede entregar; el consumo sobre la fuente; el rendimiento; la posibilidad de conectarle un parlante de 4 Ohms (o dos en paralelo de 8); como agregarle un control de volumen; cual es su respuesta en frecuencia; cual es su distorsión armónica total; como se modifica la respuesta en bajos y en agudos; cual es su resistencia interna de salida y todo lo que a Ud. se le pueda ocurrir.

Además vamos a aprender a repararlo siguiendo un método de trabajo que luego pueda servirnos para reparar amplificadores mas complejos. Y lo vamos a hacer siguiendo el criterio del reparador. Eso le va a servir posteriormente para reparar cualquier otro equipo incluyendo un TV a LCD o plasma, porque el criterio es siempre el mismo. Yo lo llamo dividir para reparar y lo aplico desde que di mis primeros pasos en la electrónica hace medio siglo.

Mi ayudante, que corrige lo que escribo, es aficionado a los amplificadores de audio y armó desde quipos valvulares (Willansom) hasta los digitales de última generación y me confesó que recién hoy, después de leer este artículo entendió intuitivamente algunos conceptos que siempre aplicó pero que el fondo no comprendía totalmente.

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ApéndiceMetodología de trabajo con laboratorios virtuales

Todo lo vamos a hacer utilizando el laboratorio virtual Workbench Multisim tal como lo hicimos en la presente lección. Por si el lector no se dio cuenta, le aclaro que para diseñar nuestro amplificador elemental yo no use nada mas que el laboratorio virtual, mi conocimiento del tema y el criterio. No realice una sola cuenta con la calculadora; solo puse los componentes y ajusté sus valores por tanteo.

En otra época sin el WB tal ves tendría que haber estado un par de días calculando y armando el prototipo para asegurarme que no me había equivocado. Hoy demoré un par de horas en diseñarlo por tanteo, sin considerar el tiempo que me llevó escribir todo el procedimiento, de un modo que creo que no puede ser mas didáctico.

Y en la próxima lección vamos a inaugurar un método didáctico nunca empleado hasta ahora. En lugar del clásico interrogatorio, le vamos a entregar junto con el artículo varios archivos de WB. Estos archivos tienen nuestro circuito amplificador con un material dañado (sin que se lo note el dibujo). Ud deberá correr el archivo y utilizando los instrumentos del WB, repararlo cambiar el componente que considera dañado y probarlo para estar seguro que funciona.

Póngase en campaña para conseguir un WB si es que no lo tiene ya, porque no existe ninguna razón para no tenerlo en su PC. Para mi es la herramienta mas poderosa que puede tener un reparador y Ud. no se puede perder esta experiencia didáctica única. La respuesta con los materiales dañados no va a salir publicada. Si no puede reparar el amplificador póngase a estudiarlo nuevamente y vuélvalo a intentar hasta que funcione. No vale cambiar todos los materiales; debe hallar la falla por deducción.

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19/ Reparación de amplificadores de audioTodo dispositivo electrónico de entretenimiento tiene un amplificador de audio. En efecto, radios, TVs, centros musicales, Home teather etc. y mucho dispositivos de comunicaciones también como. El teléfono celular, el teléfono electrónico con o sin

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hilos, los equipos de BLU etc. Por lo tanto un reparador debe conocer los circuitos amplificadores a la perfección. Ud. estará pensando que en la actualidad los amplificadores están integrados y no se necesita saber como funciona internamente un CI. Y yo le voy a responder que está equivocado. Si bien es cierto que no se puede reparar un CI por dentro, es necesario saber como funciona para entender conceptualmente la electrónica. Y en este caso particular de los push pull está doblemente equivocado porque los amplificadores de mayor potencia están fabricados con componentes discretos debido a que son componentes que disipan mucho calor. Así que dejemos esta discusión y pongámonos a trabajar en forma concreta. En la lección anterior yo aseguré que el proyecto entregado no era algo práctico y que luego indicaríamos algún circuito mas adecuado para realizar un trabajo práctico. Mi revisor ortográfico me escribió indicándome que mi circuito esta formando parte de su viejo Citroen 3CV al que no le puede poner radio ya que “Los amigos de lo ajeno” le cortan la lona y se la roban. Ahora usa una radio de mano y la salida de parlante se la conecta a nuestro amplificador con excelentes resultados y con la satisfacción que da el hágalo Ud. mismo.

En esta lección vamos a comenzar a utilizar un método de evaluación diferente al habitual. Le vamos a entregar archivos de WB con nuestro circuito del amplificador pero con componentes dañados. Ud. lo tiene que correr en su computadora, verificar la falla y repararlo utilizando todos los instrumentos virtuales del WB y los conocimientos adquiridos en este curso.

El único dato que le vamos a dar además del archivo es lo que podría decir el usuario al traer su amplificador a reparar. Esto es lo que se dice una verdadera práctica de reparación y hasta donde sabemos es la primera ves que se emplea en todo el mundo. Espero que me copien la idea para que se difunda de una buena vez todo lo relacionado con los laboratorios virtuales y especialmente el uso del WB.

Medición de la potencia de salida de un amplificador

Para medir la potencia de salida de un amplificador se necesitan tres cosas que por lo general no tiene ningún reparador. Sin embargo las tres se pueden reemplazar con un poco de ingenio y muchas ganas de trabajar bien. El ingenio corre por mi cuenta. las ganas de trabajar las tiene que poner Ud. Vamos a suponer que Ud. quiere trabajar reparando equipos electrónicos o dedicarse a la electrónica como hobbista pero de los buenos; gastando poco pero realizando todos los pasos conducentes a armar y probar amplificadores de buena potencia. Va a necesitar:

una carga estereofónica un generador de señales un osciloscopio o algo que lo reemplace

Carga estereofónica 8 Ohms 200 W

Y lo primero es realizar una resistencia de carga de 8 ohms 200W. El modo mas rápido de realizarla es utilizando resistores de alambre de 25W. Como seguramente no va a

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conseguir resistores de 1 Ohms 25W para ponerlos en serie, lo único que le queda por hacer es utilizar 8 resistores en paralelo de 68 Ohms 25W que dan un valor de 8,5 Ohms que se encuentra dentro de una tolerancia aceptable aunque no es lo ideal. Como seguramente estos resistores no van a ser fáciles de encontrar recomendamos otro método muy simple que es utilizar alambre de cobre esmaltado de un diámetro de 0,30 mm aproximadamente. En general la fuente de este alambre es un taller de bobinado de motores. Pregunte por su barrio a ver si consigue algún rollo con restos de alambre.

1. Tome 10 metros y mídalos con el tester digital bien ajustado y sin utilizar las puntas del tester.

2. Simplemente estañe la punta del alambre de 10 metros colóquelas en los bornes del tester y apriételas con alguna cuña de madera redondeada.

3. Luego debe realizar una regla de tres simple del tipo: si 10 metros de alambre tienen una resistencia de x Ohms una resistencia de 8 Ohms deberá tener z metros de alambre.

4. La formula de calculo sería z = 10 . (8/x)5. Luego tome una tabla de madera de unos 20 cm de ancho y bobine el alambre a

espiras separadas (aproximadamente 1mm) para que disipe mejor.6. Luego coloque dos chapas de aluminio anodizado negro (o natural), algo mayores

que la madera apretando el bobinado y utilizando grasa siliconada entre el bobinado y el aluminio (no se dibujaron los tornillos para mayor claridad).

Fig.1 Resistencia de carga simuladora del parlante

Nota: Como valor de referencia le indicamos que 10 metros de alambre de 0,20 mm de diámetro tienen una resistencia de 6,6 Ohms. En el momento actual todos los equipos son estereofónicos. Esto significa que Ud. debe encarar la resistencia de carga por duplicado ya que una medición exacta implica medir los dos canales al mismo tiempo para tener en cuenta la caída de tensión en la fuente de alimentación que no es regulada. Por lo general los equipos actuales son de 8 o de 4 Ohms; esto significa que si quiere tener un laboratorio bien equipado necesita 4 resistores iguales para ponerlos en paralelo de a dos y formar 4 Ohms. Ud. estará pensando que lo que le pido es muy complejo pero no tiene otra solución mas simple o mas económica. También estará pensando que nunca vio semejante artefacto en una “Laboratorio” de audio y es verdad. Por lo general los vatios de los amplificadores de fabricación artesanal, son mas imaginarios que reales y los

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fabricantes no saben bien que potencia tiene lo que fabrican; de ese modo puede mentir mas alegremente sin tener cargos de conciencia. Ni piense en utilizar los parlantes del equipo para hacer la medición, primero porque si Ud. es capaz de soportar 400W reales dentro de su laboratorio debe estar sordo o lo va a estar en poco tiempo y segundo porque es probable que los parlantes no soporten una potencia continua de 200W y devolverle los parlantes quemados al usuario no va a resultar muy fácil. Este no es un comentario gratuito; el autor sabe que en los comercios de Argentina se venden parlantes de procedencia ignota con nombres de fantasía, que tienen un imán tan deficiente que su potencia de salida de audio es muy baja. Y si la potencia entra pero no sale, la bobina móvil se calienta y se quema en pocos minutos. Con música aguantan un poco mas pero la prueba real con un tono de audio no la soportan.

Generador de señales de audio

El segundo instrumento que Ud. necesita es un generador de audio. En la entrega anterior le indicamos una solución que implicaba el uso de la computadora y un programa gratuito bajado de Internet, pero también tiene otra solución que es un disco CD grabado con tonos de audio y que se reproduce en un centro musical o en un DVD. No es lo mismo utilizar un equipo u otro. El centro musical es lo mas adecuado porque ya tiene baja impedancia de salida, debido a que posee sus propios amplificadores de audio. El problema es que la tensión de salida para el parlante es muy alta y puede quemar al circuito de entrada del amplificador bajo medición. Debe usarlo a través de un control de nivel realizado según la figura siguiente.

Fig.2 Atenuador para centro musical

Observe que representamos al centro musical con un generador de funciones al que le asignamos una tensión de salida de 30V de pico que es un valor muy común como tensión máxima. Al agregarle un divisor por 34 veces llevamos esa salida a aproximadamente 1V que es doble de lo que necesita un amplificador como señal de entrada por su entrada auxiliar. El agregado del diodo D1 y el capacitor C1 nos permite medir la salida con un tester analógico o digital. Recuerde que la señal de entrada de los amplificadores se suele dar en tensión eficaz así que deberá dividir por 1,41 primero y luego por 34 para obtener el valor eficaz de entrada.

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En una palabra que debe tomar lo que indica el tester y dividirlo por 50 para saber cual es la tensión de salida de nuestro generador casero. Es obvio que para obtener señales menores se debe operar el control de volumen del centro musical.

El problema cuando se usa un DVD es totalmente diferente ya que el mismo no tiene amplificador interno y solo genera 660 mV con una carga de 75 Ohms aplicada en su salida izquierda o derecha. Esta tensión por lo general es suficiente porque se va a 1,32 V si se carga a alta impedancia (por lo general las entradas de los amplificadores son de 1KOhms).

Otro problema es que el DVD no tiene control de nivel de salida por lo tanto se debe colocar un potenciómetro de 1 KOhms entre la salida y masa y tomar señal del cursor.

Otro problema es determinar fácilmente el nivel de salida. El único recurso que podemos aconsejar es utilizar la Sonda de RF que transforma el tester digital en un milivoltimetro y conectarla entre el cursor y masa.

Osciloscopio ó método alternativo con un diodo 1N4148 y un capacitor

Por último debemos medir la salida del amplificador bajo prueba y detectar el momento en que se recorta la señal de salida. El instrumento idóneo es un osciloscopio pero vamos a suponer que el lector no lo tiene. La medición se puede realizar con un diodo 1N4148 y un capacitor tal como lo indicamos en la figura 3.

Fig.3 Medición de tensión de recorte positiva

La idea es bajar la señal de entrada y comenzar a aumentarla gradualmente. Se observará que la tensión de salida aumenta proporcionalmente a la tensión de entrada hasta que llega a cierto valor y que luego no aumenta mas. Ese valor es la tensión de recorte positiva que en este caso es de 5,3V aproximadamente. Luego se debe invertir el diodo D1 con el fin de poder medir el pico negativo de la salida. Si el tester es de aguja se deben invertir sus puntas. Ahora se debe comenzar un procedimiento idéntico al anterior hasta que la indicación del tester no aumente más, esa es la tensión de corte negativa que en nuestro caso es también de 5,3V indicando que el amplificador tiene el recorte muy parejo. Ahora solo hay que realizar el calculo de la potencia de salida que ya sabemos

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realizar de entregas anteriores: la tensión de pico es la menor de las dos tensiones medidas en caso de que fueran diferentes; en nuestro caso es de 5,3V. El valor eficaz de esta tensión es Vef = 5,3V/1,41 = 3,76V y esa tensión aplicada a un resistor de 8 Ohms desarrolla una potencia Pmax = (3,76)2/8 = 1,76W Para los que no son muy duchos en matemáticas calcule el valor eficaz de la salida dividendo el valor indicado por el tester por 1,41. Luego tome el valor eficaz, multiplíquelo por si mismo y divídalo por la resistencia del parlante para obtener la verdadera potencia de salida. Parece un valor muy pequeño pero no es posible aumentar la potencia de salida si no se aumenta la tensión de fuente o se reduce el valor de la resistencia de carga o se cambia de circuito, porque este circuito está optimizado y su potencia máxima si los transistores fueran ideales sería: (6/1,41)2/8 = 2,26W que es muy cercana a la anterior.

Medición de la sensibilidad a nivel de recorte

Un amplificador es un bloque intermedio entre la fuente de señal (en nuestro caso la señal de salida de la radio) y el parlante. La sensibilidad es la tensión de entrada que se requiere para llevar al amplificador al nivel de recorte. La misma medición anterior nos da la respuesta. El amplificador tiene una sensibilidad de 640 mV de pico o de 640/1,41 = 453 mV eficaces. Para nuestro caso alcanza perfectamente pero podría no alcanzar o ser excesivamente grande. ¿Cómo se puede ajustar el nivel de sensibilidad de nuestro amplificador? El modo idóneo es por variación del resistor de realimentación negativa para la CA que en nuestro caso es R6. Le pedimos al lector que modifique el valor de R6 a 4,7 Kohms y pruebe el nuevo valor de sensibilidad a recorte. Observará que la misma será ahora de 430 mV de pico o de 305 mV eficaces. Pero ¿no se pierde nada al reducir la realimentación negativa? Se pierden varias cosas muy importantes. En principio podemos asegurar que aumenta la distorsión ya que la realimentación negativa fue agregada para reducirla y se pierde respuesta en frecuencias bajas y altas. Mas adelante vamos a ver que la realimentación influye también sobre otros factores.

Rendimiento del amplificador

El alumno debe entender el concepto del rendimiento generalizado para cualquier máquina como: la energía que entrega la máquina divida la energía que consume.

Este no es un concepto electrónico sino que es un concepto mecánico que los dispositivos electrónicos deben cumplir a ultranza porque corresponde a lo que podríamos llamar una ley superior. Y el rendimiento debe ser siempre inferior a la unidad porque en caso contrario habríamos inventado el movimiento continuo. Muchas veces el autor observa los centros musicales procedentes de oriente que claramente indica el consumo sobre la red como de 200W y mágicamente tiene especificada una potencia de salida de audio de 250W+250W (estereo). Esto significa que entregan 500W y consumen 200W. Si con un rendimiento normal menor a 1 el equipo se calienta con ese rendimiento de 500/200 = 2,5 el equipo debería enfriar. Si, busque bien porque seguramente encontrará una cubetera de hielo por algún lado. Volvamos a la realidad; nuestro equipo pertenece al mundo físico y por lo tanto se calentará indicando que tiene un rendimiento menor a uno. ¿Cuánto

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menor? Es lo que vamos a medir. Desde que ajustamos la corriente de vacío para reducir la distorsión por cruce nuestro amplificador quedó con un amperímetro en serie con la fuente. Lo dejamos colocado porque el nos va a indicar cual es el consumo y por lo tanto el rendimiento de nuestro amplificador. En nuestro circuito simulado utilizamos una fuente regulada de 12V. Por lo tanto no necesitamos medir la tensión de fuente para realizar el calculo de la potencia máxima de salida sabemos que siempre va a ser de 12V. En el caso real la fuente de energía no es regulada y cuando consumimos mucho cae. En ese caso se debe medir tensión de fuente y corriente de fuente. Y como seguramente el amplificador será estereofónico y usará una sola fuente común no solo debe estar funcionando el amplificador bajo medición sino también el del otro canal y deben tener ambos la carga nominal que en nuestro caso es de 8 Ohms. Si observa la figura 3 verá que el amperímetro indica 0,25 mA aproximadamente cuando sale la potencia máxima de 1,76W. La potencia entregada por la fuente será de 12Vx0,25A = 3W El rendimiento es entonces bastante bajo ya que solo es de 1,76/3 = 0,6 o del 60% Es decir que el 40 % de la potencia de fuente se transforma en calor en los dos transistores de potencia porque 3W x 0,2 = 0,6W en cada transistor. ¿Este rendimiento de potencia es el mínimo del amplificador en cualquier condición? No; cuando el amplificador trabaja a menor salida tiene menor rendimiento. Así que se debe realizar la medición de rendimiento a diferentes potencias de salida para graficarlo o tabularlo. El WB nos evita el problema porque posee un watímetro que puede realizar el trabajo por nosotros si conectamos uno sobre la salida y otro sobre la fuente.

Fig.4 Medición de rendimiento con vatímetros

Observe que el vatímetro es un instrumento de cuatro terminales, dos de corriente y dos de tensión. La sección de corriente se conecta en serie con la carga y la sección de tensión en paralelo. En la tabla siguiente se puede observar el rendimiento a diferentes señales de entrada y salida.

Pot. Salida [W] Pot. de fuente [W]] Tensión de ent. [mV] Redimiento [%]

1,93 2,74 630 64

1,78 2,64 600 67

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1,25 2,21 500 56

0,81 1,77 400 45

0,95 1,32 300 34

0,19 0,865 200 22

0,01 0,19 50 5

Tabla de rendimiento de un amplificador push pull bipolar Observe que los resistores de colector del driver R1 y R4 no están conectados al vatímetro, es decir que el rendimiento real considerando la potencia de excitación es aun menor que el considerado porque el driver maneja una potencia considerable para poder excitar a los transistores de salida que tienen un beta relativamente bajo. El rendimiento de un amplificador real considerando la salida y el driver es del orden del 50%. ¿Cuanto combustible fósil desaparece por hora en todo el mundo debido a semejante desperdicio?

Medición de distorsión

Si en un laboratorio casero de fabricación de amplificadores, no se realizan ni las mediciones mas elementales, el lector puede imaginarse que la distorsión es un parámetro imposible de medir porque requiere instrumental especifico. En efecto la medición requiere un instrumento llamado medidor de distorsión armónica total que difícilmente se encuentre en un taller de reparaciones. Nosotros solo vamos a analizar la influencia de la realimentación en la distorsión y dejaremos el problema de construir un medidor de distorsión para mas adelante ya que realmente no es imposible fabricarlo en forma casera, con amplificadores operacionales y ayudado por la sección de cálculos de filtros del WB. En la figura siguiente se puede observar la conexión del instrumental para medir la distorsión y el ajuste del nivel de entrada que como vemos fue realizado a media potencia que es lo especificado internacionalmente.

Fig.5 Medición de la distorsión armónica total

El medidor de distorsión ya está ajustado por defecto para realizar una medición de audio a una frecuencia de 1 KHz con una resolución de 100 Hz y con un display que indica

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directamente porcentaje de distorsión. Como podemos observar nuestro amplificador tiene una DTH (Distortion Total Harmonic = distorsión armónica total) del 0,33% lo cual indica un comportamiento muy adecuado del amplificador. La distorsión es función de la realimentación negativa del amplificador. Recuerde que fue agregada para evitar un apreciable apartamento de la forma de señal senoidal de entrada. El mejor modo de verificar el funcionamiento de la realimentación negativa es reducirla a la mitad llevando el valor de R6 a 6.8Kohms, reajustando la señal de entrada al valor nominal de señal de salida y midiendo nuevamente la distorsión. Al realizar este cambio observamos que la sensibilidad del amplificador es ahora doble de la anterior y que la TDH se incremento a 0,63% que es lo que realmente indica un análisis teórico del problema: si la realimentación negativa se reduce a la mitad la distorsión y la sensibilidad se duplican.

La medición de respuesta en frecuencia

Es común que los alumnos se refieran a una distorsión cuando la señal de salida no es proporcional a la de entrada (distorsión de forma). Pero si el amplificador tiene una respuesta en frecuencia inadecuada tiene otra forma de distorsión pero no dude que se trata de una distorsión que es este caso se llama distorsión por corte de la respuesta en frecuencia. El oído humano tiene un rango de respuesta de 10Hz a 20 KHz aproximadamente dependiendo de la edad y la educación del oído. Por debajo de 10 Hz el oído percibe los ciclos senoidales como golpes separados del cono del parlante y por arriba de 20 KHz no tiene sensación auditiva. Como el oído es incapaz de distinguir dos señales cuya amplitud difiera en menos del 33% (3 dB) la respuesta en frecuencia se mide considerando una caída de ese valor en frecuencias altas y bajas.

1. Ud. solo debe medir la tensión de salida con nuestro diodo y capacitor a 1 KHz, subir la frecuencia y observar la caída de tensión en el tester en un 33%.

2. Esa es la frecuencia de corte superior.3. Luego hacer lo mismo hacia las bajas frecuencia y determinar el corte de

frecuencia inferior.

El WB nos facilita la medición con el medidor de Bode que ya utilizamos en este curso para medir la respuesta de las bobinas a las RF. Como el medidor llega a frecuencias de audio nos permite medir automáticamente la curva de respuesta en frecuencia y modificarla si fuera necesario. En la figura 6 se puede observar el modo de conexión del medidor de Bode y la curva de nuestro amplificador.

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Fig.6 Conexión del trazador de Bode

Como se puede observar el trazador nos indica que la respuesta en alta frecuencia es excesivamente alta ya que llega a mas de 1 MHz. Por supuesto esto no puede perjudicar la audición de los agudos pero una respuesta anormalmente alta puede generar oscilaciones espurias cuando se coloca un parlante real, con inductancia, además de la resistencia. En bajas frecuencias el corte está cerca de los 80 Hz lo cual se considera adecuado en principio ya que el amplificador debe tener poca respuesta a la frecuencia de resonancia del parlante y del gabinete acústico para evitar que genere un sonido a tonel en baja frecuencias. El modo idóneo de cortar los agudos es mediante una realimentación negativa capacitiva agregada a la red existente.

Fig.7 Agregado del capacitor de corte de agudos

Como se puede observar ahora el corte se produce alrededor de los 50 KHz para que no exista ninguna perdida de agudos pero evitando la mismo tiempo la posibilidad de oscilaciones.

Reparaciones virtuales

Para cerrar esta entrega vamos a presentar algunos archivos de WB con nuestro circuito amplificador que tiene un material dañado. El lector debe correr los archivos y encontrar el material dañado haciendo mediciones con los instrumentos virtuales. Cuando esté seguro de cual es el material dañado deberá cambiarlo y verificar si la falla quedó reparada.

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Descargas Descarga gratis del demo de Multisim Archivo BUD1971.ms9 No funciona BUD1972.ms9 Distorsiona a máximo volumen BUD1973.ms9 Tiene muchos bajos pero deformados BUD1974.ms9 No funciona BUD1975.ms9 Distorsiona a bajo volumen

Nota: tenga en cuenta alguna características del WB. Cada vez que se comienza una simulación los preset se ponen automáticamente a mitad de valor. En nuestro caso antes de correr la simulación lleve el preset a 80%. El generador de funciones arranca en 1 Hz con 10V de amplitud. Utilice los parámetros correctos. Toda reparación debe comenzar con la medición de tensión de fuente; luego se deben medir las tensiones continuas del circuito que se pueden obtener de correr el archivo sin fallas que es el BUD1923.ms9 (con el agregado del capacitor de core de agudos) si tiene dudas utilice este circuito como si fuera el manual de service del equipo real (no se olvide de llevar el generador a 1mV o menos cuando mide tensiones continuas).

Método del lazo abierto

Un circuito realimentado es muy difícil de reparar midiendo tensiones continuas porque una tensión modifica a las otras. Para medir tensiones continuas debe abrir el lazo de realimentación negativa. Desconecte el resistor R5 de la salida y conectándolo a una fuente de aproximadamente 6V. Mida la salida y varíe la tensión de la fuente unos mV para arriba y para abajo hasta que la salida esté justo en la mitad de la tensión de fuente del amplificador. Si la salida no varía es porque el equipo tiene una falla, deje la fuente en 6V y trate de seguir las tensiones desde la entrada a la salida hasta encontrar el componente dañado. En la figura 8 se puede observar como se abre el lazo de realimentación.

Fig.8 Método del lazo abierto

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El tester digital en su función óhmetro puede utilizarse si necesidad de desoldar los componentes, prácticamente en todos los casos. La razón es que el óhmetro funciona con una batería virtual de 0,5V. Con este valor de tensión los diodos y los transistores bipolares no operan porque esa tensión está por debajo de la barrera de las junturas de silicio. En los modernos equipos con componentes de montaje SMD (montaje superficial o que no tienen terminales de alambre) es imprescindible el uso de técnicas no invasivas. Es imposible soldar y desoldar un resistor o un capacitor sin alterarlo de algún modo. Los únicos casos que requieren desconexión del componente es cuando el mismo se encuentra en paralelo con un componente bobinado o de muy baja resistencia. El WB puede realizar una perfecta simulación de un tester analógico pero debe tener en cuenta que para que funcione debe estar operando la simulación. Desconecte la fuente de 12V del amplificador, active la simulación y mida con el tester tal como lo haría en el mundo real. Recuerde que para que un cambio en el circuito sea reconocido por el WB (por ejemplo cambiar el valor de tensión de la fuente de lazo abierto) se debe apagar y volver a encender la simulación.

“Dividir para reparar” es una máxima que Ud. debe recordar en todo momento.

Siempre hay que buscar el punto central de un equipo basto y realizar una medición que permita determinar si la falla se encuentra antes o después de ese punto. En nuestro caso, por ejemplo, Luego de abrir el lazo se pueden desconectar las bases de los transistores de salida y medir en el colector del driver. La tensión no cambia demasiado con o sin las bases conectadas. Si el problema se resuelve el daño está en alguno de los transistores de salida que tira abajo o arriba la tensión de colector.

Conclusiones

Así realizamos un análisis de los principales parámetros de un amplificador y explicamos como se miden en forma virtual y real. Si Ud. aplica las técnicas aprendidas aquí puede estar seguro que tiene un conocimiento mas profundo del tema que muchos que se dedican profesionalmente al audio y que repararan cambiando componentes al azar. En la próxima lección vamos a seguir realizando mediciones sobre el amplificador y sobre todo vamos a explicar como se le puede aumentar la potencia de salida realizando una conexión de dos amplificadores en puente.

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20/ DisipadoresEn la entrega anterior aprendimos a medir las características mas importantes de nuestro amplificador:

Tensión de recorte Sensibilidad a tensión de recorte Potencia de salida Rendimiento Distorsión Respuesta en frecuencia.

Parece que está todo bien medido pero aun falta algo importantísimo; los parámetros térmicos.

Sabemos que los transistores de salida deben montarse sobre un disipador con un aislador de mica y grasa siliconada pero no sabemos cual debe ser la superficie del disipador y su espesor. Inclusive no sabemos cual debe ser su color.

Los parámetros térmicos de los componentes son tan importantes o más que los eléctricos. Inclusive tienen leyes equivalentes a las eléctricas que nos permiten realizar cálculos precisos. Pero luego del cálculo vienen las mediciones y allí fallan hasta los ingenieros mas fogueados. Basta con decir que la temperatura mas importante es la del chip de los transistores de salida y aunque parezca imposible en esta lecciónle vamos a enseñar a medirla sin ningún otro instrumento mas que un simple tester de aguja, los propios transistores de salida y mucho ingenio.

¿Y porque la temperatura del chip es tan importante? Porque los transistores están fabricados con cristal de silicio y este elemento químico pierde su porpiadad como cristal a unos 200ºC destruyéndose el transistor. Pero aun antes de llegar a esas temperaturas la vida de los transistores de potencia depende de la temperatura del chip. En efecto el chip está pegado sobre una lamina de cobre para transferirle su temperatura; y esta lámina se la transfiere al disipador externo. Si el chip llega a temperaturas muy altas se dilata mucho; lo mismo ocurre con la lámina de cobre; pero el coeficiente de dilatación de ambos materiales es muy diferente y se produce un fenómeno de dilatación diferencial que termina despegando progresivamente el chip del cobre con cada calentamiento y enfriamiento. Finalmente el chip se despega por completo y su calor no puede transferirse al exterior; se calienta por arriba de 200ºC y el transistor se destruye.

Por eso la primer premisa es mejorar el rendimiento del amplificador y la segunda es disiparlo adecuadamente. Lo primero implica una medición eléctrica que ya sabemos hacer y lo segundo una medición térmica.

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Los disipadores de calor

Un disipador es un componente metálico generalmente de aluminio que se utilizan para evitar que algunos dispositivos electrónicos como, transistores bipolares, reguladores, circuitos integrados etc. se calienten y se dañen.

El calor que produce un dispositivo electrónico no se transfiere con facilidad al exterior del mismo. En incontables ocasiones esto produce daños en el propio componente y sus accesorios deteriorando incluso la plaqueta donde esta montado el transistor. Por ese motivo es necesario dotar al transistor de algún dispositivo que extraiga el calor producido.

Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la juntura (chip) por debajo del máximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente eléctrica por un semiconductor, produce un aumento de la temperatura del chip que llamaremos Tj. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, deberemos evacuar al exterior la energía calorífica generada en el chip. Para que se produzca un flujo de energía calorífica de un punto a otro, debe existir una diferencia de temperatura. El calor pasará del punto más caliente al más frío, pero diferentes factores dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias térmicas para asimilarlas a las resistencias eléctricas.

Algunos transistores son de plástico y otros son metálicos. La juntura es el lugar donde se genera el calor y se encuentra localizada en la propia pastilla o “chip”. Se trata de una zona muy pequeña que puede alcanzar fácilmente los 150ºC, lo que suele llevar al transistor a su destrucción. De modo que es muy importante mantener la unión mecánica entre el “chip” y la cápsula (caja o carcasa del transistor) por debajo del máximo y en lo posible con un muy buen margen. La resistencia térmica entre el chip y la cápsula la suministra el fabricante y dependerá del tipo de cápsula del dispositivo.

Cuando un circuito integrado o un transistor funcionan con una corriente apreciable, su temperatura de unión es elevada. Es importante cuantificar sus límites térmicos, para alcanzar un funcionamiento aceptable en cuanto a confiabilidad. Este límite es determinado por la suma de las partes individuales que consisten en una serie de subidas de temperatura de la unión del semiconductor con relación a la temperatura ambiente. La figura 1 muestra la arquitectura de un circuito integrado y sus componentes resistivos térmicos descritos.

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Fig.1 Transistor o CI con encapsulado plástico para montaje superficial

Los componentes que son metálicos, transfieren con más facilidad el calor que genera el chip, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por convección dicho calor se transfiere al aire que los rodea (Convección: enfriamiento debido al movimiento ascendente del aire caliente y la reposición de aire frio). Al mismo tiempo estos dispositivos nos permiten realizar un mejor acoplamiento con otros elementos metálicos que a su vez absorben calor y además permiten una mayor superficie de contacto con el aire que es el modo más económico de disipar calor.

Los hay muy sofisticados y hasta existen algunos refrigerados por efecto Peltier (enfriamiento por celdas alimentadas por corriente) o por circulación de agua, aceite u otros líquidos.

La ley de Ohm térmica

Se puede afirmar que, extrapolando los términos, estamos ante una revisión de la Ley de Ohm para parámetros térmicos. En este caso la similitud son los términos como temperaturas por tensiones, resistencias térmicas por resistencias óhmicas y flujo de calor por corriente eléctrica. La ley de Ohm térmica puede expresarse como sigue:

Tj – Ta = Pd x Rja [1]

Que significa que la diferencia entre la temperatura de la juntura y la temperatura ambiente es igual a la potencia disipada en el dispositivo multiplicada por la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente. En la formula [1] Rja corresponde a la suma aritmética

Rja = Rjc + Rcd + Rda

es decir que la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente es igual a la resistencia térmica entre la juntura y la carcaza mas la resistencia térmica entre la carcaza y el disipador, mas la resistencia térmica entre el disipador y el ambiente.

En realidad nos interesa saber cual es la potencia máxima que puede disipar el dispositivo: por lo tanto despejamos el valor de la potencia disipada.

Pd = (Tj – Ta) / Rja = (Tj – Ta) / (Rjc + Rcd + Rda) [2]

Esta fórmula nos indica que la potencia que puede disipar un dispositivo electrónico es función directa de la temperatura máxima adoptada para la juntura (150ºC como máximo) y de la máxima temperatura ambiente e inversa de la resistencia térmica desde la juntura al ambiente (recordando que la resistencia juntura ambiente está fijada por las tres resistencias indicadas anteriormente).

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En la figura 2 se muestra el llamado “grafico de reducción de potencia” que como ya se ha mencionado lo suministra el fabricante, además de las características térmicas.

Fig.2 Curva de reducción de potencia

Este grafico nos indica que si utilizamos un disipador infinito y la temperatura ambiente es de 25ºC la potencia que se puede disipar en este dispositivo en particular es de 115ºC. A medida que el disipador va tornándose mas pequeño comienza a sobrecalentarse con respecto a la temperatura ambiente. Por ejemplo si con un determinado tamaño de disipador la temperatura del mismo llega a 100ºC entonces solo se pueden disipar 55W.

¿Y que importancia tiene esto, por ejemplo para el técnico o el diseñador de un amplificador de potencia de audio? Que simulando el amplificador y midiendo la potencia desarrollada en el/los transistor/es de salida y la temperatura del disipador del dispositivo real, puede determinar si este es apropiado o si debe agrandarlo. Y esto tiene una importancia vital en el costo del amplificador porque el aluminio tiene un precio elevado.

Las características de un disipador no solo dependen de su tamaño:

Un determinado perfil de estrucción puede generar bajas resistencias térmicas “disipador ambiente” sin utilizar mucho aluminio. La resistencia térmica es en realidad función de la superficie del disipador y no de la masa de aluminio. Y la forma afecta enormemente a la relación entre la masa y la superficie exterior. De allí que los disipadores tengan aletas.

Pero no es el único factor a tener en cuenta ya que un disipador disipa no solo por convección. También existe la radiación térmica (ya que el calor puede considerarse como una onda electromagnética infrarroja) y el color de la superficie afecta la radiación. De allí que los disipadores siempre son de aluminio anodizado negro.

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¿Cuándo se debe usar disipador?

Utilizando la formula [2] se puede conocer cual es la potencia máxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador. Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es igual o mayor a ésta, entonces es preciso utilizar un disipador. Por supuesto todo depende de la temperatura ambiente máxima que se puede esperar en la zona donde esta instalado el transistor.

Para entender el problema lo mejor es dar un ejemplo. Empezaremos por buscar algunos datos en la hoja de características o especificación del semiconductor. Por ejemplo:

La temperatura máxima de la unión que, depende del dispositivo Tj máxima, Pero recuerde que conviene trabajar con un margen de seguridad importante para alargar la vida del dispositivo, un margen de seguridad adecuado puede ser del 50%.

La resistencia térmica entre la unión y el aire ambiente Rjc, que también depende del dispositivo.

La resistencia térmica entre la cápsula y el disipador Rcd. Recordando que si se usa aislador de mica o plástico se debe incrementar en un 20% aun usando grasa siliconada.

La incógnita del problema es hallar el coeficiente térmico entre el disipador y el aire Rda. Si el dispositivo de nuestro ejemplo debe disipar 25W, los datos que hemos obtenido son:

Pd = 25W TJ = 100 °C TA = 25 °C RJC = 1,52 °c/w RCD = 0,12°c/w

Usaremos la formula [2] de la cual se despeja Rda :

Rda = [(Tj-Ta)/Pd] -Rjc -Rcd

Aplicado a nuestro dispositivo el resultado es:

Rth = 1,36 ºC/W

A continuación solo basta con buscar en catálogos de fabricantes de disipadores algún disipador que tenga una resistencia térmica con el valor que acabamos de calcular. No se debe elegir nunca un disipador que tenga una resistencia térmica mayor, ya que esto implicaría aumentar gravemente la temperatura de trabajo de la juntura, con consecuencias perjudiciales. Según todo lo aprendido hasta ahora la simple medición de la temperatura del disipador en el caso real es suficiente para calcular la temperatura de juntura.

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En el siguiente ejemplo, conociendo Rja, podemos calcular la temperatura aproximada que alcanzará la unión del componente Tj ; despejaremos Tj en la formula [1] de la siguiente forma:

Tj = (Pd x Rja)+ Ta

De aquí deducimos que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con más seguridad debe ponerse un disipador mas grande o con mejor geometría. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.

La especificación proporcionara Rjc, también proporciona la Pd o potencia máxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25ºC. La Rja resistencia unión ambiente se puede calcular como:

Rja = Rjc + Rca

En definitiva, lo que se pretende hallar es la Rda resistencia del disipador ambiente (en las hojas de datos se suele indicar como Rth). El resto de los parámetros se conoce por el tipo de dispositivo y el cálculo de la potencia que deberá disipar dicho componente; o mas modernamente una simulación del circuito. Así, despejando en la Ley de Ohm térmica, el valor de Rda tendremos que:

Rda = Tj-Ta/Pda – (Rjc + Rcd)

El valor de Rcd suele estar entre 0,5 y 1,0 ºC/W, considerando que la cápsula está unida al disipador con una capa de silicona térmica y no con mica aislante, lo que aumentaría la resistencia alrededor de 2 ºC/W.

Resolvamos el siguiente ejercicio para fijar conceptos: considerando un dispositivo con cápsula TO-3, que disipe 30W en una temperatura ambiente máxima de 35 ºC. Cual sería la resistencia Rth que debe tener su disipador.

La especificación como la mostrada arriba, nos dice que la Rjc es de 1,52 ºC/W, con una Tc máxima de 200 ºC que por seguridad reduciremos a 150 ºC y una Rcd directa con grasa siliconada en 1 ºC/W. Por lo tanto ya podemos hacer el cálculo pedido.

Rda = (150-35)/30 – (1,52 + 1) = 1,3 ºC/W [ºC/W] = [ºC]/[W] – [ºC/W] – [ºC/W]

Ahora podemos calcular la caída de temperatura Tjc (unión carcaza), la Tcd cápsula disipador, la Tc cápsula y el Td disipador.

La diferencia de temperatura Tjc juntura carcaza:

Tj – Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1,52 ºC/W = 45,6 ºC

La temperatura Tcd cápsula disipador, por deducción será:

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Tc – Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 ºC/W = 30 ºC

La temperatura Tc de la carcaza del dispositivo:

Tc = Tj – 45 ºC = 105 ºC

Y la temperatura Td del disipador:

Td = Tc – 30 ºC = 105 ºC – 30 ºC = 75 ºC

Disipadores térmicos comerciales

En el mercado se presentan diferentes tipo de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth en las especificaciones), algunos para grandes potencias de 0,5 ºC/W. Uno de los fabricantes de disipadores mas grandes se llama Burr Brown y resume los diferentes tipos en su nota de aplicación: sboa021.pdf que puede bajarse con un buscador como el Google. De este lugar se extrajo la tabla de la figura 3.

Fig.3 Tabla de resistencias térmicas

En la tabla tenemos un ejemplo para una capsula TO-3 montada de dos modos diferentes (1) para usos de alta potencia y (2) para usos de baja potencia. El valor para RJC de 0.8°C/W es para el disipador OPA512 que funciona en condiciones de señal de corriente alterna. Para condiciones de señal de corriente continua, RJC es de 1.4°C/W.

El circuito térmico, permite estimar con cálculos simples la temperatura de juntura. La subida de temperaturas a través de cada interfaz es igual a la potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia térmica. Una estimación de la temperatura de unión puede ser calculada usando el fórmula siguiente:

TJ = TA + PD * RJA

en donde PD es la potencia disipada y

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RJA = RJC + RCD + RDA

En cuanto a los términos de la tabla las explicaciones son las siguientes:

TJ (°C)  Temperatura máxima en la “Unión” (dato suministrado por el fabricante). TC (°C)  Temperatura en la carcasa que depende de la potencia que vaya a disipar

el dispositivo, el tamaño del disipador y la temperatura ambiente. TD (°C) Temperatura del Disipador, depende de la temperatura ambiente y el

valor de RDA (RD) TA (°C)  Temperatura ambiente PD (Watts)  Potencia Disipada en semiconductor. RJC (°C/Watt)  Resistencia térmica entre la Unión y la carcasa RCD (°C/Watt) Resistencia térmica entre Carcasa y Disipador (incluye el efecto

de la mica y la grasa siliconada, si es que se utiliza). RDA (°C/Watt)  Resistencia térmica entre el Disipador y el Aire (Resistencia

térmica del disipador RD) RJA (°C/Watt)  Resistencia térmica entre la Unión y el aire.

Los cálculos asumen una temperatura ambiente de 25°C en estos ejemplos. Cada componente de resistencia térmica produce una subida de temperaturas igual al producto de la potencia disipada y la resistencia térmica. La temperatura de la unión es igual al producto de potencia disipada y la resistencia térmica

T = PD * θJA

Disipadores especiales

Un disipador clásico es una pieza de estrucción de aluminio o una chapa doblada de aluminio con las perforaciones de montaje para el transistor o circuito integrado. Pero actualmente el costo del aluminio invita a resolver el problema de la disipación de calor por métodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando mas económicos que los disipadores clásicos cuando se trata de disipar grandes potencias.

Una fuente inagotable de disipadores son los cooler para PC. Allí se pueden encontrar disipadores de menos de 0,5 ºC/W a precios realmente bajos debido a la enorme escala de fabricación. Por supuesto que se debe realizar un circuito adecuado para evitar que una turbina rota queme un amplificador. Pero los motores de estas turbinas no tienen carbones ya que funcionan de un modo similar a los motores de impulsión directa de los videograbadores o de algunos DVD de marca. Además tienen tres cables: masa 12V y salida del generador de frecuencia que se puede utilizar para reconocer que la turbina esta funcionando. Si esos pulsos desaparecen el amplificador debe apagarse porque se quedó sin refrigeración por aire forzado. En este curso veremos este tipo de detector cuando analicemos los servomecanismos de protección de un equipo.

Todos sabemos que cuando circula una corriente eléctrica por un circuito real se genera calor. Pero ¿sabia que existen dispositivos que generan frío cuando son circulados por

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una corriente eléctrica? Se llaman celdas de efecto Peltier y pueden trabajar perfectamente como disipadores de calor aunque su bajo rendimiento agranda excesivamente las fuentes de alimentación.

Peltier utilizó el efecto inverso descubierto por un físico Alemán llamado Seebek: Tome dos alambres de distintos metales, de por ejemplo 1 metro de largo. Realice una soldadura de punto en cada punta del par. Ponga una de las puntas en una mezcla de agua y hielo para garantizar una temperatura de 0ºC. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 ºC). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que están sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrónica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termómetro.

Ahora saque los alambres de las fuentes de frío y de calor y haga circular una corriente eléctrica por el par. Una de las soldaduras se calentará y la otra se enfriará creando lo que se llama una bomba de calor. En la figura 4 se puede observar una celda comercial.

Fig.4 Celda Peltier

Poco después, el francés Jean Charles Peltier descubrió en 1834 el fenómeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a través de un circuito de dos metales soldados, una de las soldaduras se enfría mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una “bomba de calor”.

Medición de la temperatura de juntura

Suponga que tiene que medir la temperatura del chip de un transistor de potencia de un amplificador de simetría complementaria. No hay una forma directa de hacerlo porque el chip no es accesible. Pero si hay una indirecta.

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Una barrera de silicio tiene unos 600 mV a una temperatura de 20 ºC. Pero esa barrera no es fija; varía a razón de -2,5 mV/ºC aproximadamente. Si Ud. conmuta el circuito de base de y emisor de un transistor con dos llaves de modo de conectarlo en la disposición normal o de conectarlo a un tester de aguja como para medir una barrera, podrá medir la barrera en frío y luego en caliente y de la diferencia obtener la temperatura del cristal aplicando el coeficiente de -2,5 mV/ºC.

Fig.5 Circuito del amplificador modificado para medir sobrecalentamiento

Si analiza el circuito verá que es el mismo de siempre pero con el agregado de una llave inversora de dos vías que desconecta el transistor a medir y lo conecta como para medir la tensión de barrera o como está originalmente en el circuito.

1. La idea es medir la tensión de barrera en frío (llaves hacia arriba).2. Luego llevar las llaves hacia abajo y llevar el amplificador a máxima potencia,

dejarlo un par de horas funcionando con un tono de 1KHz de entrada al limite del recorte y volver a mover la llave para medir la tensión de barrera.

Es decir que tenemos dos valores de tensión de barrera (tómelos en mV) el correspondiente a temperatura ambiente y el correspondiente a transistor a máxima potencia de salida. Haciendo la diferencia de ambos valores y dividiendo por 2,5 obtenemos la sobreelevación de temperatura entre el cristal del transistor y la temperatura ambiente en ºC.

Por ejemplo si la primer medición es de 700 mV y la segunda es de 600 mV obtenemos 100 mV de diferencia que divididos por 2,5 da 40 ºC. Esto significa que cuando la temperatura ambiente en el lugar donde esta el disipador llegue por ejemplo a 60ºC (caso clásico en un automóvil por ejemplo) la temperatura del cristal estará a 100ºC y el disipador es adecuado. Si diera un valor peligroso habría que colocar un disipador de menor resistencia térmica.

Suponemos que el alumno tendrá varias preguntas para hacer. La primera es la razón por la cual se agregaron los resistores R8, R7 y el diodo D1. R8 es el resistor que hace circular corriente por la juntura para medir la barrera. R7 y el diodo D1 están para que el

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tester analógico no indique 6V al poner las llaves hacia abajo. ¿Y porque un tester analógico y no el digital que es mas preciso? Porque no hay que darle tiempo a que se enfríe el cristal y en los primeros instantes se enfría muy rápidamente, generando un error de medición. Un tester analógico es mas rápido que uno digital que requiere un segundo por lo menos para hacer la medición.

¿Este método es preciso? Tal como lo aplicamos no es muy preciso. Para que sea preciso se debe calibrar el transistor bajo medición para conocer exactamente cual es su coeficiente de variación de la barrera con la temperatura. Si desea mas precisión calibre el transistor del siguiente modo:

1. Coloque hielo granizado en un vaso hasta la mitad y agregue agua hasta llenarlo. Revuelva la mezcla espere unos minutos y mientras exista hielo en el vaso sumerja el transistor y mida la tensión de juntura con las llaves del circuito hacia arriba. Este valor es la juntura a cero grado.

2. Luego caliente agua en una pava y cuando comience a hervir sumerja el transistor a medir y mida la tensión de juntura. Esta será la tensión de barrera a 100 ºC. No se preocupe por el contacto de los terminales del transistor y el agua porque el circuito trabaja con bajas resistencias.

3. El coeficiente preciso de ese transistor será el valor de la tensión a 100 ºC menos el valor de la tensión a 0ºC dividido por 100, medido en mV/ºC. Ahora la medición es muy precisa si se toma la precaución de medir rápidamente.

Este sistema no se limita a los amplificadores de audio en donde es bastante simple determinar la potencia disipada en el transistor y por lo tanto fácil de determinar la resistencia térmica del disipador en función de la temperatura del mismo. Pero en muchos circuitos digitales en donde la potencia disipada depende de la velocidad de conmutación (por ejemplo un transistor de salida horizontal) el cálculo o simulación es difícil de realizar. Allí esta medición puede ser el única posible.

¿Que se recomienda para el caso de nuestro amplificador elemental como disipador? Aun es muy pronto para realizar un proyecto preciso porque los niveles de potencia que logramos hasta ahora son muy bajos de modo que es preferible que lleguemos a un amplificador mas adecuado antes de diseñar el disipador.

Caso práctico: amplificador para un auto y un parlante de 8 Ohms

¿En nuestro amplificador básico para un auto y un parlante de 8 Ohms se requiere el uso de un disipador? Nuestro amplificador posee una potencia de 2,3W y un rendimiento del 60%; en el articulo anterior calculamos que cada transistor disipa 0,6W. En la especificación del TIP41 o TIP42 se observa que tienen una resistencia térmica juntura ambiente de 62,5 ºC/W es decir que para 0,6W la sobreelevación será:

Sobreelevación = 62,5 x 0,6 = 37,5ºC

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Como podemos observar si la temperatura ambiente máxima llega a 60ºC la juntura solo llegará a 60 + 37,5 = 97,5 ºC que puede considerarse aceptablemente buena.

De cualquier modo no consideramos que nuestro amplificador elemental tenga suficiente potencia así que le aconsejamos esperar hasta la próxima entrega para realizar un nuevo cálculo de temperatura de juntura.

Conclusiones

En esta lección nos dedicamos a las características térmicas de los semiconductores y a los dispositivos (disipadores) usados para modificarlas. Un transistor de potencia de audio como los que usamos en nuestro amplificador es prácticamente inservible si no se le agrega un disipador adecuado.

En la próxima lección vamos a potenciar nuestro amplificador para hacerlo mas compatible con las circunstancias actuales. Vamos a construir un amplificador de 10 + 10W y otro de 20 + 20W que como siempre decimos son los mas baratos del mundo y sobre todo vamos a dar los datos prácticos para los disipadores. La idea es muy simple; queremos armar un amplificador estereofónico que se conecte a un “personal player MP3″ o un reproductor MP3 para que Ud. pueda escuchar música en su auto sin infringir la ley utilizando los audífonos.

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21/ Amplificadores en puenteEn los tiempos actuales las costumbres para escuchar sonido en un vehículo llegan hasta un limite extremo. Si Ud. esta en la calle primero se escucha el sonido y luego se observa el vehículo. Esos amplificadores de potencia y esos bafles cuestan muchos dólares. Nosotros no pretendemos tanto; pero si queremos algo mas que los 2,3 W que puede dar nuestro amplificador elemental como limite máximo teórico (en la práctica si llegamos a 2W deberemos considerarnos conformes).

¿Y cómo funcionan esos amplificadores especiales para autos que poseen tanta potencia? El auto tiene un limite práctico con respecto a la tensión de fuente que no puede ser superado fácilmente. Son los 12V de la batería (los vehículos mas grandes como

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colectivos y camiones pueden tener una tensión de 24V y entonces el problema es menor).

¿Y en los autos como se supera la potencia que permite la batería? Esos equipos especiales poseen un oscilador inversor que aumenta la tensión de batería y que también permite generar tensión positiva y negativa. Por lo general trabajan a +24V o a +-24V los de mayor potencia.

Nosotros no vamos a hacer nada parecido. Se puede decir que vamos a utilizar al propio amplificador para invertir la tensión de fuente.

Para entender el funcionamiento del amplificador en puente se requiere que el alumno repase el funcionamiento del amplificador elemental ya que un amplificador en puente esta construido con dos amplificadores en push-pull exactamente iguales. Lo único que cambia es la conexión del generador de señal y del parlante. Por favor repase el capitulo 19 realice los ejercicios prácticos de reparaciones si aun no lo hizo y vuelva aquí con todo el conocimiento fresco.

Amplificadores en puente

Nuestro amplificador elemental tiene más de un problema práctico:

El primer problema es su baja potencia. El segundo es el uso de un capacitor de acoplamiento al parlante que tiene

considerables dimensiones y por supuesto un costo proporcional a esas dimensiones.

Nuestro amplificador tiene un punto de estabilidad de continua en su salida que es exactamente la mitad de la tensión de fuente. Si lo usamos en un auto con batería de 12V estabiliza en 6V.

Si conectamos dos amplificadores a la salida inversora y directa de un generador de funciones como en la figura 1 los dos amplificadores va a funcionar perfectamente bien como dos amplificadores separados.

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Fig.1 Dos amplificadores push pull separados pero excitados con señales inversas

Conectando un osciloscopio sobre los emisores de salida se pueden observar los oscilogramas de la figura 2.

Fig.2 Oscilograma de las dos salidas antes del capacitor de acoplamiento a los parlantes

Nota: en todas las experiencias elegimos una señal de entrada que saturara mínimamente al amplificador para poder medir la potencia de salida.

Esta figura debe ser analizada con todo detalle. Lo primero es ¿observar donde se cruzan los oscilogramas? Como el eje de cero volt fue llevado a la parte inferior de la pantalla del osciloscopio, podemos observar que los oscilogramas se cruzan exactamente en 6V.

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Esto equivale a decir que si sacamos la señal de entrada ambas salidas se encontraran a la mitad de la tensión de fuente; cosa que por supuesto ya esperábamos.

Otro punto muy importante que debemos analizar es cuando estamos en el pico negativo de la señal roja. Aquí podemos observar que la salida roja está en -5V y la verde en 5V aproximadamente. La diferencia entre esta dos tensiones es:

-5- (+5) = -10V

Luego analicemos cuando la señal roja esta en el pico positivo. En este caso el calculo sería

+5V – (-5V ) = +10V

Es decir que entre las dos salidas tenemos el doble de la señal que tendríamos entre una salida y masa.

El lector debería hacer este mismo calculo para varios puntos de las señales de la figura 2 y luego unirlos para observar el resultado. La misma operación se puede realizar automáticamente conectando un osciloscopio entre las dos salidas.

Si además del osciloscopio se conecta el parlante entre las dos salidas nos encontramos que ahora el parlante tiene aplicada una tensión que varia entre -10V y +10V es decir 20V de pico a pico aproximadamente. Exactamente el doble que lo que teníamos originalmente.

El circuito se llama amplificador en puente porque el parlante forma un puente entre las dos salidas de los amplificadores. Para no cambiar las características del circuito comenzamos colocando un parlante de 16 Ohms.

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Fig.3 Circuito de amplificadores en puente con un parlante de 16 Ohms

La observación correcta del oscilograma de salida tiene algunos detalles que deben tenerse en cuenta. La solución mas sencilla parecería ser la conexión del osciloscopio sobre el parlante con la masa en el amplificador de abajo y el vivo en el amplificador de arriba. Pero esta solución no es viable porque el amplificador inferior debería mover al parlante y además al gabinete del osciloscopio con todo lo que esto significa (una gran capacidad entre el osciloscopio y la red de energía domiciliaria y en algunos casos una conexión a la jabalina de puesta a tierra si la clavija central del enchufe esta conectada al gabinete). El osciloscopio virtual no tiene este problema y nos permite observar la forma de señal sin inconvenientes.

Fig.4 Oscilograma de la salida con la masa del osciloscopio en el amplificador inferior

Pero en un caso real no se puede conectar la masa del osciloscopio alegremente sobre la salida inferior. La solución es utilizar una característica muy interesante de los osciloscopios modernos que es la entrada diferencial y que el osciloscopio del Workbench posee.

Las entradas de señal al osciloscopio pueden seleccionarse:

en el modo habitual de una entrada en cada canal (A y B) o en el modo suma que implica sumar la señal del canal A al la señal del canal B

(A+B) pero también existe la posibilidad de invertir el canal B con lo cual la

representación de la pantalla sería la diferencia entre ambos canales (A – B).

Por supuesto que en el modo A+B y A-B solo existe un oscilograma en la pantalla. En la figura 5 se puede observar el modo en que debe predisponerse un osciloscopio real o e osciloscopio de un simulador para ver la señal de salida.

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Fig.5 Señal de salida puente con osciloscopio real

Observe que la predisposición del osciloscopio es diferente en las dos figuras en tanto que los oscilogramas son idénticos. En la figura 5 esta seleccionada la tecla Add (adicionar, abajo a la izquierda) y la tecla – abajo en la sección del canal B.

El problema de la excitación

Hasta ahora ¿conseguimos mas potencia? Hagamos el calculo para una amplificador teórico que saque 24V pap sobre un resistor de 16 Ohms. La tensión de pico es la mitad es decir solo 12V y la tensión eficaz será

12/1,41 = 8,51V

la potencia es el cuadrado de la tensión eficaz dividido la resistencia del parlante es decir

8,512 / 16 = 4,52W

que es prácticamente el doble de la potencia teórica original de 2,26W. Pero podemos ganar mas potencia colocando un parlante común de 8 Ohms. En este caso la potencia será de

(12/1,41)2/8 = 9W teóricos (y 7,6 W en la realidad)

En la practica obtenemos un oscilograma como el de la figura 6 en donde se puede observar que la salida de tensión máxima es de solo 8V y no de 12 porque siempre hay dos amplificadores generando una perdida de tensión de saturación del orden de 1,5V. De cualquier modo la potencia de salida será de

(8/1,41)2/8 = 4W

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Fig.6 Salida máxima con parlante de 8 Ohms

Disposición Darlington

Como vemos bajar la impedancia de parlante fue contraproducente porque la potencia es menor que con 8 Ohms debido a la falta de excitación de los transistores de salida. Esto implica un cambio en el circuito. En lugar de usar un solo transistor de salida se utilizan dos en una disposición que se llama Darligton por el científico que la estudió. En la figura 7 podemos observar un verdadero circuito de transistor Darlinton.

Fig.7 Verdadera disposición Darlington

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Observe que hay dos transistores BC558 conectados entre si, de modo que los colectores forman un solo punto de conexión formando un colector simulado. La corriente que ingresa por la base de Q1 se amplifica en su emisor y se aplica a la base de Q2 (y una parte se deriva por R2). La corriente que ingresa por la base de Q2 es amplificada por este y sale por su emisor. Si lo analiza bien el conjunto de dos transistores se comporta como si fuera un solo transistor con un beta igual producto de los beta de ambos transistores. En este caso si tomamos un beta de 300 para el BC558 podemos asegurar que el beta del circuito es de 300 x 300 = 90.000 en realidad las corrientes derivadas por R1 y R2 llevan el beta a valores menores del orden de 3.000. Por esta razón estos circuitos llevan también el nombre de superbeta.

En nuestro caso el circuito no tiene los colectores perfectamente unidos por lo que en realidad no es un verdadero Darlington pero se aproxima mucho. Lo importante es que toma muy poca corriente del driver y tiene una caída de tensión de saturación muy pequeña lo que permite obtener una tensión de salida lo mas alta posible. Piense que en le circuito puente hay dos caídas de tensión de la etapa de salida y no una como en amplificador push pull común (en el transistor superior para el semiciclo positivo y en el inferior para el negativo). En efecto cuando sale el semiciclo positivo existe una caída en el transistor superior del amplificador superior y otra caída en el transistor inferior del amplificador inferior.

Dada que existe el doble de caída de tensión es importante investigarla y minimizarla. Los transistores tiene algo llamado caída de tensión de saturación que es la mínima tensión que cae sobre ellos cuando están plenamentes excitados y otra caída debida a la resistencia de las zonas de colector y emisor. Sobre esta ultima todo lo que se puede hacer es cambiar de transistor eligiendo uno con menos resistencia interna o trabajar el amplificador a mayor tensión de fuente.

Donde podemos hacer mucho es en la excitación de la etapa de salida. Porque un transistor mal saturado reduce la tensión máxima de salida independientemente de la resistencia interna. Por esta razón se debe recurrir a transistores Darlington de buena calidad o a fabricarlos con dos transistores bipolares. Nosotros recurrimos a esta ultima solución por un problema de consecución de materiales y porque podemos elegir una conexión de colector mas beneficiosa para el circuito.

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Fig.8 Circuito de audio con Darlingtons

Los oscilogramas de salida de este circuito con 8 y 4 Ohms de parlante se puede observar en la figura 9.

Fig.9 Oscilogramas de salida con 8 y 4 Ohms

Nuestro amplificador mejorado tendrá potencias de

(10,34/1,41)2/8 = 6,72W

para 8 ohms y

(10/1,41)2/4 = 12,57W

con lo cual nos damos por satisfechos ya que consideramos que 12W+12W dentro de un vehículo es una potencia mas que suficiente para el uso que nosotros queremos darle.

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Inclusive estamos seguros que la potencia será mayor porque la tensión de batería de un auto no es precisamente 12V. Cuando la batería se esta cargando desde el alternador, la tensión llega a 13V si la batería es nueva y a 13,5 si esta llegando al final de su vida util. Y ese pequeño incremento de tensión significa que la potencia será de

(11,41/1,41)2/4 = 16,36W

Para hacer cifras redondas podríamos decir que nuestro amplificador es de:

PARLANTE 4 Ohms 8 Ohms POTENCIA 15W 8W

El inversor de entrada con control de volumen

Existen muchos modos de conseguir una señal invertida para la entrada de los dos amplificadores del puente de amplificadores pero de todos los modos el mas simple es utilizar un transistor inversor, lo cual nos permite estudiar un clásico circuito que tiene muchas utilizaciones. Además en el mismo circuito ubicamos un potenciómetro que operará como control de volumen. En la figura 10 se puede observar el circuito completo.

Es muy poco lo que se puede decir del circuito agregado que el alumno aun no conozca. Lo primero es que el inversor de entrada y los circuitos que vamos a agregar para el control de tono y la alimentación de la grabadora con radio USB necesitan una fuente de alimentación limpia separada de la salida con un regulador de 9V. Luego el circuito del inversor es el clásico de un amplificador pero que al tener el mismo valor de resistencia en emisor y colector amplifica por uno e invierte que es lo que estamos buscando.

Fig.10 Amplificador para automóvil con inversor y control de volumen

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Conclusiones

Así terminamos de diseñar nuestro amplificador de audio apto para conectar a la salida de una grabadora USB de esas que están tan de moda en la actualidad. Grabe su música preferida desde la PC y luego reprodúzcala en alta fidelidad dentro de su automóvil. Dos parlantes coaxial para auto que soporten 15W y unos buenos bafles le permitirán sentir los bajos en el estómago y si los parlantes están bien ubicados podrá escuchar unos hermosos agudos, ya que nuestro amplificador reproduce con toda fidelidad la banda de audio completa.

¿Y el circuito impreso? De eso nos encargaremos en la próxima lección. Pero no solo le vamos a dar el circuito impreso sino que según nuestra costumbre le vamos a explicar como se diseña un impreso con un programa para PC, el dibujador del Live Wire que se llama PCB Wizard que es muy simple de utilizar.

Un impreso debe ser bonito y ordenado pero no basta con eso. El diseño del impreso debe tener en cuenta cosas como la distribución de masas y de fuentes. Y algo mas importante, las entradas y las salidas debe estar separadas para evitar efectos de realimentación que puedan provocar oscilaciones. Y como si esto fuera poco un buen impreso puede tener dibujados resistores de muy bajo valor con la misma pista, ya que muchas veces son difíciles de conseguir (y caros).

¿Y como fabrico el circuito impreso? ¿Debo pintarlo a mano? No, nosotros le vamos explicar como hacerlo con una fotocopia láser, una plancha para ropa, un poco de ácido (Percloruro de hierro) y agua tibia. Y le puedo asegurar que probablemente tenga mas calidad que un circuito impreso de producción.

Nuestro curso es un curso de formación para técnicos y nos tomamos el trabajo de enseñarle todo lo que un técnico debe saber en la actualidad; no solo la teoría; le enseñamos también a construir con ejemplos y fabricar un amplificador de audio, que es uno de los trabajos que todo reparador debe realizar alguna vez en su vida.

Y nuestra plaqueta va a ser tan profesional que hasta va a tener layout de materiales para simplificar el trabajo de armado. Y por ultimo va a tener una fotografía de la plaqueta terminada entregada directamente por el PCB Wizard apenas se termina el trabajo de diseño, tan natural que los resistores tienen los colores pintados.

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22/ Circuitos impresosExisten muchos dibujadores de circuitos impresos. Quizás tantos como simuladores. Yo elegí el PCB Wizard que es el dibujador del Live Wire por su sencillez.

Hay que hacer dos circuitos; uno bien claro para el técnico donde pueda seguir las señales con facilidad y otro que este bien claro para el dibujador para que sepa por donde pasar las pistas sin que se produzcan cruces. Doble trabajo dirá Ud. No lo creo, sígame hasta el final y va a ver que fácil es dibujar un circuito impreso cuando todo comienza bien aunque al principio parece que se demora más.

¿Y cuál es el criterio para evaluar un buen circuito impreso? ¿la prolijidad? No, si bien la prolijidad es importante, es mucho más importante

un buen diseño de las conexiones de masa y de fuente separar bien las entradas y las salidas darle a la plaqueta el tamaño y la forma justas

El circuito dibujado en Live Wire

En su momento le enseñamos a utilizar el LW y realizamos algunos ejercicios con él. Es tan simple de usar que creo que no vale la pena repasar su utilización. Directamente vamos a tomar el último circuito de nuestro amplificador en puente y vamos a redibujarlo teniendo en cuenta que no se deben usar símbolos de masa o de fuente sino unir las masas con una pista y las fuentes con otra. Por simple convención elegimos pasar las masas por la parte inferior del circuito y las fuentes por la parte superior mirando el circuito por el lado del cobre y teniendo (también por convención) las entradas a la izquierda y las salidas a la derecha.

Mirando el circuito observamos una evidente repetición. En efecto se trata de dos amplificadores exactamente iguales conectados en puente, que solo comparten el transistor inversor y el control de volumen. Desde todo punto de vista conviene dividir el proyecto en un canal amplificador simple con inversor y luego utilizando dos plaquetas armar la disposición en puente. De este modo tenemos un amplificador de 2W con parlante de 8 Ohms y otro de 4W con parlante de 4 Ohms usando una sola plaqueta. Un amplificador de 8W con parlante de 8 Ohms y otro de 16W con parlante de 4 Ohms usando dos plaquetas en puente. Con la misma plaqueta podemos armar 4 dispositivos y lo podemos hacer gradualmente para no realizar toda la inversión de golpe.

En la figura 1 se puede observar el circuito en WB del amplificador simple.

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Fig.1 Amplificador de múltiple uso

Como se puede observar el circuito esta preparado para ser usado solitariamente ya que se le agregó el capacitor de salida para parlante C6 (con posibilidad de puentearlo) y se le dio la posibilidad de armar el inversor y el control de volumen, o entrar directamente a C3. en la figura 2se puede observar el circuito en LW listo para diseñar el circuito impreso en PCB Wizard.

Observe que el potenciómetro de control de volumen se reemplazó por un conector ya que el mismo debe ser accesible al usuario y no puede estar sobre la plaqueta.

Para armar una salida en puente la idea es armar una plaqueta con el transistor inversor y la otra sin el transistor inversor. Luego, de la bornera de entrada, sacar una señal invertida para enviarla a la entrada de la plaqueta que no tiene transistor inversor. En esta plaqueta se debe realizar el puente de entrada sobre el potenciómetro. En la sección de salida solo hay que dejar sin colocar el capacitor electrolítico C6, reemplazarlo con un puente de alambre y conectar el parlante entre las dos salidas de parlantes.

Para armar un amplificador de salida simple solo hay que armar una plaqueta con el capacitor C6 y no poner el puente de entrada.Cuando tengamos el impreso terminado vamos a realizar un layout que va aclarar mas el tema. Antes de realizar el circuito impreso es conveniente realizar una prueba ligera de la plaqueta múltiple para estar seguro de no haber cometido ningún error.

Nota: el LW no tiene regulador de 9V por lo tanto se colocó un transistor que tuviera el mismo encapsulado en su reemplazo.

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Fig.2 Circuito para diseñar el impreso

Pasando al dibujador PCB Wizard

Abra el PCB Wizard y luego vuelva al LW. Ingrese en la solapa tools (herramientas) como lo indica la figura 3.

Fig.3 Comienzo de la migración al PCB Wizard

Si Ud. pulsa en “Design to Printed Circuit Board” aparece una pantalla como la indicada en la figura 3 que está preguntando si desea que el PCB Wizard resuelva el circuito preseteado por defecto o si desea modificar los parámetros de diseño. Probemos lo que nos propone el programa sin que debamos realizar ningún trabajo. Antes de entrar al PCB Wizard el programa nos vuelve a preguntar si deseamos ingresar. Conteste que si y observe:

1. El programa genera un rectángulo

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2. Luego coloca todos los componentes en un borde unidos por líneas verdes que representan la red de pistas y se llaman “tiras de goma”.

3. Luego comienza a montar las borneras guiándose por circuito y coloca los transistores en lugares similares al circuito.

4. Por último cuando todos los materiales están montados comienza a probar el trazado de las pistas e intenta una solución con la menor cantidad posible de puentes de alambre. Observe que el programa no gira los componentes porque eso requiere una inteligencia que no tiene.

La solución propuesta mostrada en la figura  no es una maravilla pero debemos reconocer que nos llevó muy poco trabajo y el programa solo demoró 35 segundos en resolver el circuito impreso. Cuando Ud. quita el aviso de que se pudieron unir exitosamente el 100% de los componentes se llena con cobre la superficie de la plaqueta que no fue usada. Ingrese en Edit >Undo cooper area para que desaparezca ese cobre. Observamos que el programa utilizó dos puentes de cobre para resolver el impreso; nosotros intentaremos resolverlo sin puentes.

Fig.4 Layout propuesto

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Fig.5 Layout propuesto

Existen dos modos de trabajo:

Uno consiste en tratar de corregir el trabajo automático volviendo al punto en que todos los materiales están montados con tiras de goma haciendo tools>autorute>unroute all nets y comenzando a girar los materiales para evitar los cruces.

Yo prefiero realizar el circuito impreso bajo un control directo poniendo los componentes uno por uno en la posición deseada y dándole a la plaqueta el tamaño mas adecuado ya que este puede cambiarse en cualquier momento. Además de ese modo podemos darle diferente ancho a las pistas de acuerdo con su función. Vamos a trabajar mas pero tendremos un trabajo mas profesional.

Cuando queremos pasar del LW al PCBW el programa nos preguntaba si queríamos el diseño automático.

1. Antes le respondimos afirmativamente, ahora le vamos a responder negativamente, para poder influenciar el desarrollo del trabajo.

2. La siguiente ventana nos pregunta si queremos decidir el tamaño de la plaqueta y que dimensiones deseamos. Yo le voy a poner un formato rectangular de 100 x 60 mm. y pulsar next.

3. Aparece un listado de materiales con las dimensiones físicas de los componentes y con la posibilidad de eliminar alguno que no se necesite.

4. Esta tabla es de fundamental utilización para realizar un diseño realista. Por ejemplo: todos los resistores que usamos en nuestro amplificador son de 1/8 de W así que de todos los tamaños propuesto en la lista (picando dos veces) elegimos el segundo que es de 7,6 mm de largo entre terminales (nota: en el primer renglo aparece el mismo resistor pero en montaje vertical).

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5. Luego usamos cuatro electrolíticos de 10uF x 16V que realmente tienen 5mm de diámetro así que elegimos ese valor y así con todos los componentes picando luego en next.

6. La siguiente pantalla nos pregunta si nuestro circuito tiene alguna fuente o masa oculta (cuando se trabaja con compuertas las fuentes y las masas no salen en el circuito) contestamos que no y pulsamos next.

7. La siguiente pantalla nos pregunta varias cosas como por ejemplo si queremos que los componentes se sitúen automáticamente; al contestarle que no, desaparecen las otras preguntas relacionadas con el automatismo; otro next mas y aparece la pantalla final que pregunta si realmente se quiere hacer la conversión al PCB W.

8. Conteste “converter” y aparecerá en el PCB W observando el contorno elegido de la plaqueta y todos los materiales unidos por bandas de goma en la parte inferior de la misma.

El programa se queda esperando que Ud. tome, arrastre y suelte un componente en el lugar mas adecuado. Es decir que vamos a hacer lo mismo que hizo el PCB W en forma automática con la diferencia de que nosotros vamos a rotar los componentes para que no se produzcan cruces. Créame que no es algo difícil si Ud. ya tiene un circuito donde todo eso fue pensado con anterioridad.

1. Vamos a comenzar montando las borneras de entrada (gírela hasta que la pata marcada esté hacia abajo) y salida y luego los transistores, el regulador y el conector para el potenciómetro. Observe que sobre la pantalla existe una retícula de 2,5 mm que es la clásica de los fabricantes de circuito impresos para programar la perforación automática.

2. Monte todas las patas de los componentes sobre la retícula.3. No se preocupe por tratar de ver si las bandas de goma se cruzan. Ud. trate de

colocar los componentes de un modo similar al del circuito eléctrico preparado con anterioridad. Si en ese circuito no se cruzan cuando posteriormente le pida al PCB W que trace las pistas definitivas, el va a encontrar el camino adecuado. Recuerde que la vista que presenta el programa es desde el lado de componentes; esto implica que la masa esta en la parte superior del dibujo y la fuente en la parte inferior.

4. Cuando tenga la plaqueta armada y la mire desde el lado del cobre la masa va a estar del modo típico es decir abajo y las pistas de fuente arriba.

5. Cuando tenga todos los componentes colocados y orientados puede hacer una prueba de dibujo de las pistas.

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Fig.6 Indicaciones para generar el autoruteo

Va a observar que en unos segundos se produce un dibujo sin cruces de pistas que por supuesto debe mejorarse hasta lograr una versión definitiva.

No vamos a mostrarle todo el proceso, pero vamos a contarle como se llega a la versión definitiva. El primer impreso demostró que el tamaño de la plaqueta era demasiado grande así que la reducimos juntando los componentes. Ud. va a observar que cuando pica en un componente se desarma las pistas de circuito impreso y se vuelve a las bandas de gomas de la sección relacionada con el componente movido. En nuestro caso poco a poco volvimos al dibujo completo con bandas de gomas con los componentes mas concentrados. En realidad se puede pedir el redibujo de las pistas cada ves que se mueve un componente o moverlos todos y luego pedir el redibujo completo.

Para medir las dimensiones de la plaqueta se debe entrar en las solapas tal como lo indica la figura 7.

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Fig.7 Medición de las dimensiones de la plaqueta

Con esto se genera una cruz que ubicada en el ángulo inferior izquierdo permite realizar las mediciones con el cursor de los bordes derecho e inferior o de cualquier otro punto de la plaqueta. En nuestro caso llegamos a una dimensiones de 90 x 72 mm tal como puede observarse en la figura 8 en el modo normal o en la figura 9 en el modo “real world”.

Fig.8 Circuito normal con la pistas corregidas a mano

Fig.9 Layout de armado o "mundo real"

El alumno puede observar dos extrañas pistas en zigzag en la salida del amplificador. Normalmente en este lugar los amplificadores utilizan dos resistores de muy bajo valor. Nosotros los integramos al diseño del circuito impreso para abaratar costos.

Los disipadores

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Los transistores Q1 y Q2 deben estar provistos de disipadores de aluminio que pueden comprarse en el comercio ya doblados o debe fabricarlos Ud. con chapa de aluminio de 2 mm de espesor. El tamaño del disipador depende de la potencia disipada en cada transistor. Y esta potencia puede ser estimada de acuerdo a la potencia de salida de nuestro amplificador. Recuerde que tenemos 4 posibles diseños de 2, 4, 8 y 16W. Piense que el rendimiento de estos amplificadores es de aproximadamente el 65% es decir que el 35% de la potencia de salida se transforma en calor y que cada transistor maneja el 17% de la potencia de salida. El amplificador de 2W no requiere disipador porque los transistores tienen una resistencia térmica de 62,5 ºC/W y si disipan el 17% de 2W. Por lo tanto están disipando 0,34W y producen una sobreelevación de

62,5 x 0,34 = 21,5 ºC

con su disipador incluido de fábrica.

El amplificador de 4W va a sobreelevar exactamente al doble, es decir 42ºC y tampoco necesita disipadores externos porque a una temperatura ambiente de 40ºC el chip va a llegar a

40ºC + 42ºC = 82 ºC

Los amplificadores de 8W y de 16W si requieren un disipador del tipo en U que se estima de una altura de 4 cm en el primer caso y de 8 cm en el segundo. Si no los puede comprar ya construidos deberá construirlos con chapa de alumnio de 2 mm en lo posible anodizada negra.

Fig.10 Amplificador con disipadores

Nota: recuerde que los amplificadores para usar en puente son de dos modelos diferentes. En la figura mostramos el que posee el inversor y el control de volumen. El otro modelo posee disipadores similares.

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Fabricación de las plaquetas de circuito impreso

Todos los materiales de nuestro amplificador se pueden conseguir en cualquier negocio de electrónica ya que son los componentes mas comunes de plaza. Quizás pueda tener alguna dificultad en conseguir el disipador pero tiene la alternativa de construirlo Ud. mismo.

Pero la plaqueta de circuito impreso es un componente especial que deberá fabricar a medida. Nosotros le vamos a dar el dibujo del circuito impreso y las dimensiones del mismo con este artículo. Ud. deberá asegurarse que la impresión de su maquina tenga las dimensiones adecuadas o deberá corregirlas hasta lograr la medida exacta.

De cualquier modo le aclaramos que una impresora de chorro de tinta no sirve para transferir el dibujo directamente a la plaqueta virgen de material fenólico cobreado. Se necesita una impresión láser de buena calidad sobre papel “ilustración” que es el utilizado para arte (no sirve el papel brillante con gelatina, del tipo fotográfico para maquinas de chorro de tinta).

Suponemos que la mayoría de los lectores van a sacar una copia en una impresora de chorro de tinta y luego la llevaran a un centro de copiado para que le hagan una copia en papel ilustración en una máquina láser con las dimensiones exactas de 90 mm de ancho por 72,4 de altura.

Fig.11 Arte para la fabricación del circuito impreso

Recuerde que si va a armar el amplificador en puente necesita por lo menos dos plaquetas y por lo tanto dos copias. Nuestro consejo es que imprima por lo menos 10 dibujos ya que en el proceso que sigue puede tener dificultades cuando se lo realiza por primera vez.

1. Compre plaqueta virgen de material fenólico cobreado (es el material mas común) corte un trozo dos centímetros mas grande que las dimensiones de la copia

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2. Hágale un fino pulido con lana de acero (en la Argentina se conoce como Virulana) agua y jabón en polvo.

3. Seque bien y apoye la cara activa de la copia (la que tiene el tonner) sobre el cobre brillante pegándola con cinta de papel.

4. Tome una plancha para ropa bien caliente y apóyela sobre la copia interponiendo un trapo húmedo.

5. Observará que el papel se pegará a la plaqueta y con un poco de práctica transferirá el dibujo.

6. Ahora debe sacar el papel utilizando agua jabón y un cepillo, sin sacar el dibujo transferido sobre el cobre. Si en el primer intento no obtiene buenos resultados insista que todo es cuestión de práctica.

7. Ahora se debe realizar el ataque del cobre expuesto sin afectar el cobre de la zona impresa. Para esto se debe colocar la plaqueta en un baño de cloruro férrico tibio que se compra en las casas de electrónica (pregunte si ya está diluido, o se lo debe diluir en agua) y mantener la solución reductora en continuo movimiento mientras se observa como desaparece el cobre.

8. Cuando el cobre está totalmente comido, se retira la plaqueta y se lava enérgicamente con agua y jabón.

9. Posteriormente se vuelve a pasar la viruta de acero para pulir las pistas.10. Si deja la plaqueta sin protegerla con flux, en pocos días el cobre está atacado por

el medio ambiente y no será soldable. Compre flux para plaquetas de circuito impreso o fabríquelo con polvo de piedras de resina colofónica (se compra en las buenas ferreterías) y alcohol isopropílico, comprado en una droguería.

11. Pinte la plaqueta con un pincel para arte y las pistas de cobre quedarán perfectamente protegidas y con muy buena soldabilidad.

12. Por último deberá agujerear la plaqueta con una mecha de 1 mm. Si no tiene un taladro de pequeñas dimensiones puede utilizar un motor giradiscos de CD o DVD. El eje es de 1,5 mm y su mecha es de 1 mm. Debe conseguir alambre de cobre desnudo (no esmaltado) de 0,8 a 1 mm aproximadamente y enroscarlo en la parte lisa de la mecha.

13. Luego debe retirar el tubito de alambre hacia atrás y agrandarle el diámetro hasta que entre en el eje del motor.

14. Cuando la mecha esté bien centrada tome el soldador y estañe el adaptador de diámetro que acaba de fabricar. Una fuente regulada y ajustable con la polaridad adecuada es lo único que necesita ahora para comenzar a perforar su plaqueta.

Conclusiones

Con todo lo indicado seguramente estará entretenido hasta el próximo mes. Creemos que ya puede ir armando las plaquetas aunque aun debemos explicar el detalle de cómo conectarlas en puente.

Pero puede armar un amplificador de 2W o de 4W e ir probándolo por su cuenta. Este curso se diferencia de otros en que no solo le enseñamos a armar equipos sino que le enseñamos a pensar y entender lo que está armando. Por eso lo animamos a seguir solo.

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El único consejo que le damos es que deje el colector de uno de los transistores de salida desconectado y conecte un tester como mA para conectarlo. Conecte la fuente de 12V y ajuste la corriente a unos 10 mA aproximadamente con el preset VR3 sin ninguna señal de entrada. Ahora puede trabajar tranquilo que los transistores de salida no se van a recalentar.

Como fuente de señales puede usar la salida de audífono de una radio y como carga un parlante de 4 o de 8 Ohms; recordando que el amplificador simple necesita el capacitor electrolítico C6.

En la próxima lección vamos a completar nuestro proyecto del amplificador en puente y le vamos a enseñar a repararlo en caso de que se dañe. Su bajo costo es ideal como para que Ud. pueda practicar sin preocuparse de quemar algún costoso integrado o algún transistor especial. Recuerde que yo aseguro que nuestro amplificador es el mas barato del mundo, pero aun así nos va a brindar excelentes enseñanzas y el orgullo de decir a todo el que sube a su auto: “Este sistema de audio lo hice yo mismo con lo que aprendí gratis en Internet, en ElectronicaCompleta.com donde escribe el Ing. Picerno que es toda una autoridad en la materia”.

Descargas PCB Wizard 3.6 Education Demo

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23/ Armado de un amplificador para automóvil

Generador de tonos de audio

Descargue Audacity según el Windows que tenga instalado y cuando baje completa realice una instalación siguiendo las indicaciones del programa de instalación: es todo muy simple y no tendrá problemas de ningún tipo inclusive se puede seleccionar el idioma de la pantalla. Pique sobre el icono y obtendrá una pantalla como la indicada en la figura 1.

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Fig.1 Pantalla del Audacity

Este programa tiene un uso general como grabador y conversor de sonido a archivos mp3, pero nosotros vamos a emplear sus funciones como generador de tonos de audio. Ingrese en el menú desplegable Generar>Tono y luego seleccione Forma de onda, Frecuencia, Amplitud y Longitud. Aclaremos cada item en particular:

La forma de onda (realmente forma de señal) puede seleccionarse entre tres formas diferentes y las tres tienen una gran importancia en nuestras pruebas del amplificador: senoidal,  diente de sierra ó cuadrada.

La frecuencia es una opción obvia pero debemos aclarar que la frecuencia máxima que se puede generar es de 20 KHz que resulta adecuado para la prueba de nuestro amplificador: si Ud. coloca una frecuencia mayor automáticamente queda colocada la frecuencia de 20 KHz. Nota: la frecuencia máxima depende de la velocidad de muestreo de la señal digital de salida, que es un concepto que aun no dominamos. Variando la frecuencia de muestreo se pueden lograr frecuencias mas altas.

La amplitud puede ser modificada entre 0 y 1 correspondiendo el valor 1 al 0 dBm o 0,775V eficaces saliendo de la plaqueta de audio de la PC, simplemente coloque un valor de .5 si desea obtener la mitad de la señal del generador. Durante la generación del tono se puede variar la amplitud ajustando el potenciómetro deslizante simulado de la izquierda indicado con el dibujo de un parlante. Como la PC tiene diferentes formas de ajustar el volumen de salida se recomienda siempre verificar el nivel con un medidor adecuado que puede ser la Sonda de RF para audio.

La longitud se refiere al tiempo que debe durar el tono generado y su valor puede variar desde 1 segundo hasta un valor superior a 1 Hora.

Ejemplo de generación de señales de audio y su uso

El uso mas común del generador de audio es la medición de la potencia de salida de un amplificador.

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Esta medición está estandarizada, pero como es una de las mediciones más reveladoras de un amplificador existe una gran cantidad de errores cometidos al realizarla. Algunos son verdaderos errores, otros son cometidos sabiendo que ese pequeño error va a generar una supuesta potencia de salida mayor a la real. Nos referimos a la carga del amplificador y a su medición con los dos canales al mismo tiempo o uno por uno.

En este mismo curso le explicamos como construir una carga resistiva para probar amplificadores. En la lección  19 se explica como se puede construir una carga resistiva genérica de 8 Ohms que soporta tranquilamente 100W. Si no la construyó aun, constrúyala aunque quizás pueda ahorrarse los disipadores de aluminio si solo quiere medir la potencia de nuestro amplificador de 12+12W. Además puede construir solo dos cargas resistivas de 8 Ohms si va a fabricar el amplificador de 8+8W en caso contrario deberá construir 4 y poner dos en paralelo para lograr los 4 Ohms.

El primer paso para tecnificar su taller ya está dado. Ud. tiene cargas resistivas de prueba. El segundo paso es armar dos amplificadores. Como medida de control puede armar uno y probarlo pero la medición definitiva debe realizarse con los dos amplificadores funcionando y la propia fuente que va utilizar realmente con el cable del largo y la sección adecuados.

En nuestro caso en que estamos construyendo un amplificador para un automóvil esto puede resultar complicado e incomodo porque presupone quitar la batería del coche y llevarla al taller pero no hay otra posibilidad, si realmente quiere medir la potencia real de su equipo, porque la potencia varía el doble que la tensión de fuente. Si la fuente entrega 12V -10% la potencia será un 20% menor.

Si el amplificador funcionará con una fuente común Ud. debe utilizar esa fuente para realizar la medición de potencia porque las fuentes para amplificadores no son reguladas y la carga hace variar la tensión de salida. Recuerde que la fuente utilizada debe ser de 12V a 3,5A (es decir 42VA) para poder alimentar a ambos amplificadores considerados con un rendimiento del 60%.

¿Se puede utilizar una fuente de PC como fuente de un amplificador de audio? Eso depende de la fuente porque en la PC el consumo sobre los 12V es casi fijo y en un amplificador de audio es muy variable. Algunas fuentes lo soportan y otras no. En todo caso no puede dejar de agregar un capacitor de 10.000 uF por 25V en paralelo con la fuente de 12V para compensar la variación de carga.

Ahora le llega el turno al truco de magia que hacen los que fabrican amplificadores y que consiste en medir primero un amplificador y luego el otro. Al no medirlos la mismo tiempo la fuente tiene la mitad de consumo y una fuente no regulada de mala calidad puede tener quizás una variación del 20% de su tensión nominal al probarla a plena carga. Y este 20% implica un 40% de variación de la potencia.

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Medición de potencia de audio

Ahora que conocemos todas las trampas vamos a realizar una medición de potencia de audio como corresponde. Con las dos plaquetas amplificadoras cargadas resistivamente con 4 u 8 Ohms. Las dos entradas excitadas en estereo (o en paralelo) con una señal de 1 KHz y un adecuado medidor de potencia sobre las salidas. Lo mejor sería un osciloscopio pero a falta de osciloscopio basta con la sonda de audio que el lector ya debe haber armado; y mejor aun serían dos sondas para no tener que cambiarla de salida constantemente. El amplificador debe tener su propia fuente o la batería del auto y el largo y tipo de cable que será utilizado luego definitivamente.

1. La medición consiste en levantar las entradas de señal hasta que se recorte uno de los picos y allí realizar la medición de la tensión de pico a pico.

2. Si esta utilizando un osciloscopio no tendrá inconvenientes en saber cuando se recortan los picos. Si no tiene osciloscopio es un poco mas difícil pero no es imposible. Debe aumentar la señal lentamente y observar que el tester incrementa la indicación hasta que un incremento de la señal de entrada ya no aumente la salida. La indicación del tester será la máxima salida posible del amplificador. Sin osciloscopio existe un método alternativo que consiste en monitorear las salidas con un amplificador de PC y detener el aumento de la entrada en cuanto se comience a escuchar una mínima distorsión.

Nosotros tenemos construidas 4 plaquetas amplificadoras de audio, a saber 2 por canal. Dos de ellas armadas con inversor y las otras dos como simples amplificadores. Podríamos armar todo el conjunto y probarlo completo. Pero así sería difícil ubicar una falla. Es preferible probar las cuatro plaquetas primero y luego de un estricto control probar el conjunto armado en doble puente, uno para el canal izquierdo y el otro para el derecho.

Vamos a probar primero las plaquetas amplificadoras sin inversor y luego con inversor.

En la figura 2  se puede observar el circuito correspondiente sin el transistor inversor y sin capacitor de salida. Y en la figura3 el armado de la plaqueta lista para probar. Por supuesto para armar un amplificador en puente se debe armar dos.

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Fig.2 Circuito de la plaqueta sin inversor; sin capacitor de salida y sin regulador de tensión

Fig.3 Plano de armado de la plaqueta sin inversor y sin capacitor de salida (por claridad no se colocó el disipador)

Nota1: Q1 = TIP41C ; Q2 = TIP42C Q9 = TIP29C o TIP31C Q10 = TIP30 o TIP32 ; Q4 = BC548C y Q5 = BC548C

En la figura 4 se puede observar el circuito de la plaqueta completa con transistor inversor, control de volumen regulador y sin capacitor de salida que completa el conjunto si se fabrican dos iguales. Y en la figura 5 se observa el plano de armado correspondiente.

Fig.4 Circuito completo con inversor, control de volumen regulador y sin capacitor de salida

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Fig.5 Plano de armado de la plaqueta con inversor, control de volumen, regulador y sin capacitor de salida (por claridad no se colocó el disipador)

1. Comience conectando solamente la fuente de 12V y el tester digital en función amperímetro en serie con el colector de Q1. Le conviene dejar el colector doblado hacia arriba para conectar el tester y luego de hacer el ajuste pasar un alambre fino que además sirve de fusible.

2. La medición consiste en ajustar el preset R3 o RV3 de modo que el miliamperímetro indique 10 mA aproximadamente. No se preocupe si observa que la corriente varía levemente eso se llama deriva térmica y solo puede variar unos pocos miliamperes.

3. Desconecte el amperímetro y haga el puente correspondiente.4. Desconecte la fuente y conecte la resistencia de carga de 4 Ohms con un capacitor

electrolítico de 2200 uF en serie sobre la salida de parlante. Si no coloca el capacitor en serie la resistencia de carga hace un cortocircuito sobre la tensión continua de salida y probablemente queme los transistores de salida.

5. Conecte el generador de audio o la salida de la plaqueta de audio de la PC, a la entrada del amplificador pero utilizando un capacitor electrolítico de 100 uF y un resistor de 1K conectado a la fuente de +12V. Este detalle nos asegura que el capacitor de entrada C3 quede polarizado adecuadamente. Nota: para otros usos en donde la entrada deba ir conectado a otro equipo, por ejemplo un control de tono y volumen, se deberá estudiar en cada caso particular la posición de C3.

6. Conecte un osciloscopio o la sonda de RF de valor pap en su versión para audio sobre la salida y comience a levantar el nivel hasta lograr el recorte. Ya que le enviamos el archivo de WB yo le aconsejo realizar las mediciones en el simulador primero y en la realidad después para comprobar la potencia de simulación del WB.

Recordemos como se calcula la potencia de salida

1. La sonda le da el valor pap.2. Divida por dos y obtendrá el valor de pico.

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3. Luego multiplique por 0,707 y obtendrá el valor eficaz. Multiplique el valor eficaz por si mismo para obtener el cuadrado y divídalo por la resistencia de carga.

En nuestro caso obtenemos una tensión pap de 10,5V, dividida por 2 es 5,25V. Multiplicada por 0,7 es 3,71 V eficaces que multiplicadas por si mismo da 13,77 y dividido por la resistencia de 4 Ohms da un valor final de 3,44W.

Al hacer la medición de potencia es conveniente medir la corriente consumida de la fuente.

1. Desconecte el positivo del tester y conecte el tester en serie predispuesto como amperímetro. La indicación será de aproximadamente 700 mA.

2. Luego lleve la frecuencia de entrada a 100 Hz y observe que no cambie la indicación de la sonda de audio de salida.

3. Posteriormente cambie la frecuencia a 20 Khz y vuelva a controlar que no cambie la indicación de la salida.De este modo sabemos que el amplificador tiene la potencia correcta, la amplificación correcta y la respuesta a frecuencia es adecuada y por lo tanto podemos darla por aprobada.

4. Ahora tome una plaqueta armada con inversor y potenciómetro de control de volumen. Ponga el volumen al máximo y conéctela a la carga resistiva con capacitor en serie. Luego conecte el osciloscopio y/o la sonda detectora de valor pap. La salida del generador de audio o de la plaqueta de audio de la PC en este caso se conecta directamente a la pata de entrada de J1 (el vivo del potenciómetro de volumen).

Las pruebas a realizar son las mismas que las de la otra plaqueta pero en este caso hay que verificar con el osciloscopio o la sonda que en la pata marcada INVERS exista la misma amplitud de señal que en la entrada. Esto indica que el inversor funciona correctamente.

Conexión del amplificador en doble puente

Ya estamos llegando a la prueba final. Ahora vamos a conectar las cuatro plaquetas la carga resistiva y el generador de señal o la PC para realizar una prueba de potencia y de respuesta en frecuencia de todo el dispositivo completo.

En la figura mostramos un parlante como carga del sistema. Si nos animamos a usar el parlante es porque las plaquetas ya fueron probadas por separado. Pero Ud. puede probar primero con la carga resistiva y luego colocar el parlante.

Una de las mediciones que vamos a realizar es la de respuesta en baja frecuencia. En realidad es una prueba aproximada porque la prueba definitiva depende del montaje de los parlantes y debe realizarse a oído con música o cargando el reproductor de MP3 con señales de prueba de diferentes frecuencias generadas con el audacity. Lo primero es analizar en que frecuencia resuenan los parlantes en su posición definitiva. Esto se

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comprueba con la sonda y el tester conectada sobre los parlantes y variando la frecuencia aplicada. A la frecuencia, donde la sonda marca un máximo, está la frecuencia de resonancia del sistema.

Si esa frecuencia está por ejemplo de 80 Hz debe reducir los valores de C3 y C7 para que el amplificador corte (tenga una caída de la salida al 70% del máximo a 1 KHz). Esto evita lo que se llama efecto tonel (o barril) que es un refuerzo muy grande los bajos a la frecuencia de resonancia del parlante y el gabinete acústico.

Esto reduce los bajos pero los hace mucho mas limpios (sin distorsión) y clarifica la voz de locutores y cantantes.

Si quiere mas bajos sin efecto tonel debe usar parlantes mas grandes que tiene una respuesta en frecuencia de valor mas bajo (quizás 40 Hz) y permite dejar los capacitores originales.

La otra es construir otro amplificador y conectarle un Buffer para obtener esos bajos que se escuchan con el estomago (hacen vibrar el diafragma del cuerpo humano que existe ente los pulmones y el estomago).

Fig.6 Conexión del amplificador estereofónico completo

En figura 7 se puede observación la conexión de un canal listo para la prueba. No dibujamos los dos canales por problemas de espacio y porque no tiene mayor sentido debido a que nuestra fuente de tensión no cambia con el consumo.

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Fig.7 Circuito completo de un canal con el instrumental conectado

Vamos a suponer que no tenemos osciloscopio

1. Colocamos la sonda de audio sobre el parlante y ponemos 0 dBm de señal de entrada es decir 660 mV.

2. Llevamos el control de volumen a mínimo, encendemos la llave y medimos tensión continua con el tester sobre el parlante directamente (sin sonda) . El valor leído debería ser de cero volt pero nunca se puede conseguir que los dos amplificadores tengan la misma tensión continua de salida igual a la mitad de fuente. Unos 100 a 200 mV de diferencia pueden ser aceptables. Si el valor es superior se aconseja variar levemente el valor de R5 o de R12 para igualar la tensión de salida.

3. Ahora conectamos el tester a la sonda y comenzamos a aumentar el volumen mientras observamos el tester digital. La salida aumentará linealmente hasta que llega a un punto donde no aumenta mas. Si está monitoreando la salida de audio o está haciendo la medición con el parlante directamente observaremos que se comienza a oír una señal armónica de distorsión de 3 KHz y otras armónicas impares. Este producto de distorsión como sabemos se produce por el recorte del amplificador. El valor que indique la sonda nos permitirá calcular la potencia de salida.

En nuestro caso fue de exactamente 20V pap. Es decir 10V de pico o 7,07 V eficaces que multiplicados por si mismo da un valor de prácticamente 50 V2. Dividiendo por la resistencia del parlante de 4 Ohms nos da el valor esperado de 50/4= 12,5W.

Pruebe el funcionamiento a 50Hz y a 10 KHz cambiando la frecuencia del audacity y observe que la sonda no varíe mayormente la indicación de tensión pap.

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Instalación del amplificador y parlantes

No queda mucho mas por hacer que no sea la instalación de nuestro amplificador y nuestros parlantes en el automóvil. Pero primero vamos a escuchar algo de música con nuestro reproductor de MP3.

Comencemos con algún tema grabado que tenga buenos bajos y buenos agudos. Luego le indicaremos como crear sonidos de prueba en el audacity. El reproductor de MP3 posee una salida para un plug estereofónico.

Fig.8 El miniplug de un reproductor de MP3

Sáquele la carcaza de plástico al miniplug y observará las tres conexiones que prolongan la masa, el anillo y la punta. Compre cable blindado estereofónico y cablee el plug con el largo justo de acuerdo a donde va a colocar el amplificador y los parlantes. Mi consejo es que coloque los parlantes detrás del asiento trasero sobre la repisa que separa la cabina del baúl y los amplificadores al lado de los parlantes. Esa repisa por lo general es de cartón Hardboard tapizado. Pegue del lado de abajo un panel de aglomerado del mismo tamaño de 10 mm de espesor y luego perfore los agujeros de los parlantes uno a cada lado del panel. Compre unas buenas rejillas a medidas para tapar el cono y luego debe colocar las plaquetas y cablearlas con cable de 1,5 mm2 de sección.

Tome la conexión de fuente directamente desde la batería colocando el interruptor cerca de lugar del conductor. El grabador de MP3 debe estar a mano del conductor y queda la pregunta de cómo realizar la conexión a las plaquetas.

Si usa un MP3 no tiene sentido usar el potenciómetro de volumen porque ya está incluido en el MP3. Puentee en el circuito impreso el tope del potenciometro con el cursor y tire un cable blindado estereofónico hasta el panel de instrumentos donde seguramente va a montar el MP3 y conecte el miniplug al cable blindado.

Si el MP3 tiene radio recuerde que la antena es la propia malla de blindaje del cable estereofónico de audio y quizás deba pasarla sintonizando una radio lejana y buscando el lugar de mejor recepción.

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El autor pegó el cable blindado al parabrisas a unos 3 cm por debajo del borde superior del mismo atravesándolo de izquierda a derecha y luego lo llevó a las plaquetas.

Con los parlantes horizontales sobre la repisa trasera hay dos problemas. No se escuchan los agudos y los parlantes se llenan de tierra. Una solución es agregar dos tweeters de bocina conectados sobre los parlantes con capacitores en serie de 1 uF a 2,2 uF (pruebe con música o utilizando el audacity para establecer el corte en 5 KHz) no polarizados (en el comercio se conocen como de polyester metalizado).

Otra que considero mas adecuada es construir dos gabinetes para los parlantes algo mayores que el diámetro del mismo, pero sin el piso y perforar la repisa del tamaño de piso abierto del bafle. De ese modo el volumen del gabinete acústico es todo el baúl del coche y como los parlantes están verticales no se llenan de tierra y no requieren tweeter respetando de este modo el concepto del diseño que indica que debe ser el sistema mas barato posible de realizar.

Conclusiones

Yo no soy un autor fácil. De esos que le dice hagan “esto o aquello” y no le dan ninguna explicación de los “porque o los como”. Un buen vaqueano explica como se encuentra el camino sin perderse en el bosque. Y la electrónica actual es muy compleja y requiere mucho tiempo para aprenderla; y mucha experiencia práctica. Hay que armar equipos probarlos, modificarlos, preguntar, y sobre todo estudiar y pensar. Si no tiene tiempo dedíquese a otra cosa porque no va aprender electrónica sin mucha dedicación.

Hoy terminamos el tema del audio analógico.  Nos queda el tema de completar el receptor de radio explicando como es una radio moderna del tipo superheterodino pero no dijimos una sola palabra de los nuevos amplificadores de audio que son digitales. Mas aun no hablamos de los circuitos digitales; solo tratamos la rama analógica salvo una pequeña incursión por los microprocesadores programables.

Por ahora vaya poniendo el cartelito “Se reparan amplificadores de audio” porque seguramente de ese tema ya sabe y está mejor equipado que muchos que se dedican al tema y viven de él y no saben lo que es la potencia y como se mide.

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 Funcionamiento de un termómetro digital »

24/ Electrónica DigitalDurante muchos años los electrónicos funcionaron en un solo mundo; el mundo analógico, el mundo continuo, el mundo donde las tensiones son realmente acumulación de electrones en un dispositivo y las corrientes son realmente electrones que circulan por un punto de un circuito. Pero filosóficamente el mundo analógico, el de la variación continua de los parámetros de un circuito (tensión, corriente, potencia, energía etc.) no existe. En efecto;  por un cable pueden circular 15 electrones o 16 electrones por segundo. No pueden circular 15,5 electrones porque el electrón en la mínima parte de cantidad de electricidad que se conoce y no puede existir medio electrón.

Pongámonos de acuerdo entonces en que la continuidad absoluta de la materia no existe porque la materia es discontinua por naturaleza. Pero en la electrónica analógica jamás podemos controlar los circuitos de modo que por ejemplo sobre un capacitor tengamos la posibilidad de generar una carga de 11.894.525 o de 11.894.526 electrones. Tal vez podamos conseguir que un capacitor este cargado con 1 Coulomb (Es alrededor de 6,24150962915265×1018 veces la carga de un electrón) o con 1,001 C pero muy difícilmente logremos una precisión mayor al 1 por 1.000.

La electrónica digital opera de un modo totalmente distinto. En cada punto de un circuito existen solo dos estados: alto o bajo pudiendo asignarse diferentes potenciales a cada estado, pero una ves establecidos esos potenciales ya no se pueden cambiar. Aunque el parámetro eléctrico puede tener una amplia variación. Por ejemplo se puede decir que en el colector de un transistor habrá un estado alto si hay mas de 2,5V y un estado bajo si hay menos de 2,5V aunque habitualmente existirá prácticamente 0V para bajo y 5 V para un estado alto (o 3,3V en los nuevos componentes).

Es decir que un circuito analógico toma la señal y opera con los infinitos valores que ella puede tomar, ignoremos el hecho que no existe un potencial menor a la carga de un electrón, porque es un valor tan chico que se lo puede considerar nulo.

En cambio en un circuito digital se trata de que las señales tenga un estado bajo cercano a cero por ejemplo y un estado alto cercano a 5V que es el valor clásico para los circuitos lógicos mas comunes. A todos los estados intermedios se los considera como bajos o altos de acuerdo a cual se parezcan más.

Solución analógica y soluciones digitales

Resolvamos un problema simple como ejemplo de los dos tipos de circuitos con los conocimientos adquiridos hasta aquí. Generar iluminación variable de cero a un valor máximo utilizando diodos leds. Es decir una linterna de leds pero que como novedad tiene un potenciómetroo una llave que ajusta el nivel de luz.

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Ya sabemos que los leds requieren una fuente de corriente para su excitación. Y además sabemos que el colector de un transistor es una fuente de corriente ya que la corriente de colector es beta veces la corriente de base del transistor. Es decir que podemos proponer el siguiente circuito para solucionar el problema de la iluminación variable.

Fig.1 Circuito de una linterna de brillo ajustable

Nuestro circuito es un simple transistor excitado por base a través de R3 que limita la corriente de base e indirectamente la de colector a través del beta.

Las dificultades de este circuito son:

Los leds deben conectarse en serie y por lo tanto se requiere una batería de 6V es decir que se requiere una linterna de 4 elementos por lo menos (los led de alta luminosidad tienen una barrera de 1,8V.

El otro problema es que no es muy estable con la temperatura porque depende del beta y el beta varía con la temperatura.

Tampoco es fácil determinar el nivel de brillo por lo que habría que realizar una escala en el potenciómetro en función de la corriente de colector marcada del 0 al 100%.

Uno de los circuitos digitales podría ser el mostrado en la figura 2 construido básicamente con los tres leds pero conectado en una disposición totalmente diferente.

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Fig.2 Linterna a led digital

Observe que esta linterna se alimenta con una batería de 3V es decir que es una linterna de 2 elementos. Posee 3 diodos blancos de alta eficiencia (como la linterna analógica) pero en este caso conectados a una llave J1 de las llamadas dip-swich (llave de predisposición) de muy pequeñas dimensiones, compatible con una linterna.

Observe que cada led se puede encender con un resistor de 180 Ohms en serie (7 mA) o de 100 Ohms en serie (14 mA) o los dos en paralelo generando el máximo brillo de 21 mA. Y si se desea más luz se enciende el segundo led en las mismas condiciones o el tercero también en las mismas condiciones.

Es decir que se obtienen tres posibilidades de iluminación por led por 3 leds son 9 posibles brillos y el apagado completo que es el décimo con todos los cursores hacia abajo.

Esto es un sistema digital. No hay brillos intermedios pero los brillos que se consiguen tienen una elevada estabilidad y es fácil determinar el nivel de brillo deseado entre los 10 niveles propuestos.

El único problema es que hay que pensar en que llave pulsar (en el WB Multisim que numero apretar entre el 1 y el 6) para mover las llaves a la posición correcta. Por supuesto esto es complejo para un humano pero muy sencillo para un microprocesador de los mas baratos que reemplazaría a las llaves de ajuste manual por dos botones, uno para aumentar el brillo y otro para bajarlo.

Pero este sistema tiene un problema oculto. La corriente por los leds se ajusta con resistores y en ellos se transforma energía en calor cuando solo deseamos transformar energía en luz. Pero esto tiene solución en el mundo digital y una solución muy ingeniosa que arrastra una multitud de soluciones para la iluminación, el audio, el video, y la radio, se llama modulación PWM.

La modulación PWM

Como siempre no hay mejor modo de entender un problema electrónico que con un ejemplo hidráulico. Para mantener un tanque lleno de agua se puede recurrir a dos sistemas.

Uno es totalmente analógico. Un flotante cierra o abre una válvula en función del nivel de agua del tanque. Todos sabemos que una válvula semicerrada reduce el caudal pero suele producir calentamiento en el lugar donde la cañería se achica para reducir el caudal y esa perdida es una reducción indeseada del rendimiento.

Otro método es realizar un control del nivel cada minuto y de acuerdo al nivel dejar la entrada totalmente abierta por un tiempo largo o corto. Es decir que el agua entra en un chorro de 1 segundo y permanece sin entrar 59 o puede entrar 59 segundos y estar cerrada uno o algún caso intermedio. Este ultimo modo tiene un

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mejor rendimiento porque la válvula nunca esta abierta a medias. Está totalmente abierta o totalmente cerrada. Es un sistema llamado PWM o modulación por ancho de pulso (Power Wide Modulation).

En electrónica solo cambian los tiempos pero el sistema es el mismo. Si quiero cargar un capacitor para que tenga una tensión determinada solo debo armar un circuito muy simple.

Fig.3 Carga PWM manual de un capacitor

El circuito es simplemente un resistor de 10K que carga a un capacitor de 1 uF desde una fuente de 12V o lo descarga a masa. El comando lo realiza Ud. con la tecla espaciadora luego de picar sobre el tablero de dibujo por una ves con el boton de la izquierda del mouse. Recuerde que si cambia algo en el osciloscopio el control queda sobre él y debe volver a picar en el tablero para recobrar el control del pulsador.

Vamos a jugar un juego llamado control PWM. Mirando el osciloscopio Ud. debe conseguir que la tensión sobre el capacitor sea de 1 V la mayor parte posible del tiempo.

Ahora vamos a automatizar el sistema para que Ud. no tenga que estar manejando el pulsador. El circuito se modifica según la figura 4.

Fig.4 Sistema automatizado de control de tensión

Por ahora el sistema automatizado no es realimentado simplemente Ud. ajusta el periodo de actividad del generador observando el osciloscopio para ajustar la tensión en 1V. En nuestro caso esto se consigue con un periodo de actividad del 6%.

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Observe que hay dos resistores cuando la tensión del generador de funciones esta alta (12V) en realidad aplicando nuestros conocimiento de teoría de los circuitos podemos asegurar que todo ocurre como si el capacitor se cargara desde una fuente Norton de 8,16V a través de un resistor de 3,2 Kohms. En cambio cuando el generador está a potencial bajo el circuito es simplemente un capacitor cargado descargándose sobre un resistor de 10K.

Linterna digital de alto rendimiento

Vamos a analizar el rendimiento de una sola sección de led de nuestra linterna digital cuando está trabajando a brillo bajo es decir con el circuito indicado en la figura 5.

Fig.5 Potencia consumida de fuente en el máximo de brillo por led

Ahora vamos a tratar lograr un mayor brillo del led pero trabajando con un pulso que dure el 10% del tiempo de una señal rectangular de 1 KHz.

Fig.6 Led excitado por pulsos

Como se puede observar durante el 10% del tiempo se produce una corriente por el led de 200 mA lo cual involucra una potencia instantánea de 200 mA x 3V es decir 600 mW pero que al durar solo el 10% del tiempo significa un consumo de energía de la pila de solo 60 mW es decir prácticamente lo mismo que antes pero con una sensación de brillo 10 veces mayor. Si se requiere el mismo brillo se puede lograr un consumo 10 veces menor. Nota: existe un efecto de saturación luminosa que hace que el incremento de brillo no llegue a los valores calculados linealmente.

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Este efecto se utiliza en los controles remotos de TV para lograr alcances superiores a los 10 metros utilizando dos diodos infrarrojos.

Circuitos analógicos y digitales

Conocemos la diferencia entre un circuido digital y un circuito analógico pero no sabemos como encarar el problema matemáticamente y el porque debemos entender como se opera matemáticamente con números binarios.

Construcción de un termométro analógico para automóvil

Suponga que Ud. debe construir un control de temperatura para indicar si un motor sobrepasa un valor peligroso. Puede resolver el problema tanto con circuitos binarios como decimales. Veamos el primer caso en forma práctica.

Necesitamos un sensor adecuado que puede ser una termocupla, un termistor o algunos componentes especiales para medir temperatura. Pero como siempre nosotros queremos usar componentes clásicos tales como un diodo 1N4148 o un transistor BC548. Ud. puede pensar que estoy totalmente loco y que un transistor amplifica y un diodo rectifica y no son usables como medidores de temperatura. Y sin embargo no es así: un transistor o un diodo, si se lo sabe usar, es un excelente medidor de temperatura ya que la variación de tensión de juntura con la temperatura de un semiconductor es una constante para cada material. En la figura 7 se puede observar el circuito básico del medidor de temperatura de un motor.

Fig.7 Circuito básico del control de temperatura de motor

Q1 es el sensor; y el amplificador es decir que es todo al mismo tiempo y por supuesto debe ir montado en la tapa o el block del motor con grasa siliconada. La indicación del tester es justamente la tensión de colector a 27 ºC de temperatura; pero si queremos ver como cambia la tensión de colector con la temperatura debemos activar otro tipo de simulación del Worbench que es el barrido en temperatura.

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Haciendo Simulate > analyses > temperature sweeps aparece una pantalla como la indicada en la fig. 7 en donde se llena con la temperatura de partida (start) del análisis (0ºC en nuestro caso) y final (stop) del análisis (100ºC en nuestro caso). Luego hay que ir a la solapa output para que aparezca la pantalla que mostramos en la figura 8.

Fig.8 Pantalla de elección de parámetros

En el espacio de la izquierda están todos los puntos del circuito que pueden se elegidos como variable de salida (el que queremos representar en función de la variación de temperatura). Los marcados como $1, $2, $3 y $4 son los nodos del circuito de los cuales seleccionamos el $3 que corresponde al colector (esto se averigua dando doble pulso con el botón de la izquierda del mouse sobre el circuito). Luego se pulsa add (adicionar) y la variable queda marcada en zona derecha como variable de salida. Luego se presiona en “simulate” y aparece la pantalla que indicamos en la figura 9.

Fig.9 Variación de la tensión de colector con la temperatura

En principio el gráfico parece algo confuso porque tiene sobre los ejes al tiempo y a la tensión de colector. Pero es así porque en algunos circuito además de variar la continua puede haber un cambio a medida que trascurre el tiempo. La línea roja marcada con los triángulos es la temperatura de partida de 0ºC y la línea negra la temperatura final de 100 ºC. A la derecha se puede observar la tensión de colector con un triangulito rojo marcando la tensión a 2.

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Nos queda la resolución practica del circuito ya que lo que presentamos es solo la idea básica. En principio la tensión de colector no puede se de 12V porque nos obliga a usar directamente la tensión de batería del auto y no hay nada mas variable y peligroso que la tensión de batería de un vehículo porque trae pulsos, ruido y cambia de 12V a 13,5V, según el estado de carga de la batería. Por lo tanto elegimos 9 volt porque esa tensión corresponde a un regulador fijo.

Luego está el problema de la variación de tensión de colector entre cero y 100 ºC que varía muy poco, solo 1,2V. Esto se soluciona dándole mas ganancia al transistor de modo que entre 0 y 100 ºC se genere una diferencia de 3V. En la figura 10  se puede observar el circuito modificado.

Fig.10 Circuito modificado completo

Como se puede observar la base se alimenta desde un divisor de baja impedancia conectado al regulador de 9V. Esto garantiza que toda la variación de la tensión de base emisor (diodo en directa) queda aplicada al resistor de emisor y es amplificada en el colector según la relación Rc/Re en este caso 1000/33 = 30 veces sin considerar la resistencia intrínseca de emisor.

Hay que asegurarse que la resistencia de entrada por base del transistor es mucho más alta que la resistencia interna del divisor de tensión R5-R4. Esto significa que debe utilizarse un transistor BC548 de categoría C que tiene un beta promedio de 600. Así la resistencia de entrada por base, es beta veces la resistencia de emisor que se puede estimar en 33 Ohms y da un valor de 600 x 33 = 19.800 Ohms, despreciable frente a los 140 Ohms del divisor.

La ganancia del transistor se ajusta cambiando el valor de la resistencia de emisor por intermedio del resistor R8+R9. Podemos asegurar que la resistencia promedio de emisor es de unos 33 Ohms que debe sumarse a la resistencia intrínseca de emisor que puede estimarse en unos 50 Ohms. El valor total de intrínseca mas extrínseca es de unos 83 Ohms. La ganancia del transistor será 1000/83 = 12 y la variación de tensión de colector será igual a la de emisor 250 mV x 12 = 3V que es el valor deseado.

Un simple tester colocado en colector no podría indicar la temperatura del transistor según el grafico de la figura 11.

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Fig. 11 Tabla definitiva de variación con la temperatura

Lo primero que notamos es que la tensión alta corresponde a una temperatura baja y además para saber a que temperatura se encuentra el transistor se debe buscar el valor en la tabla.

1. Agregando R3+R7+R6 como retorno del tester y conectándolo adecuadamente se puede lograr que la indicción sea directa predisponiéndolo en la escala de 3V (clásica de los tester de aguja) pero leyendo en la escala de 0 a 10 como si fuera de 0ºC a 100 ºC.

2. Para el ajuste solo se necesita una mezcla de agua y hielo granizado en partes iguales aproximadamente que debe agitarse para que la temperatura se establezca en cero grado cuando el granizado casi desaparece. Allí se sumerge el transistor sonda de temperatura y se ajusta R7 para que el tester indique 0V en la escala de 0-3V.

3. Luego debe llevar el transistor a un recipiente con agua hirviendo y ajustar R8 para que indique plena escala (3V). Volver a realizar el ajuste de 0 y otra ves el de 100 ºC y el termómetro está terminado. Y podemos decir sin temor a equivocarnos que es el mas barato del mundo ya que el único componente con algún valor es el tester que puede costar unos 3 U$S. Digamos un costo total de 5 U$S para un instrumento muy útil, que puede salvar el motor de su auto, o ayudarlo en su taller para medir la temperatura de los disipadores.

¿Y la digitalización? Para digitalizar este instrumento se agregó el conector J2. De allí se debe tomar tensión y enviarla a la sección digital del sistema. En este caso R3+R6+R7 no se utilizan porque el sistema digital se encargará de optimizar la lectura.

En la próxima lección vamos a explicar paso a paso como es el sistema digital que nos permite mostrar el valor de la temperatura en un display de cuarzo liquido.

Conclusiones

En esta lección comenzamos a explorar el campo de los circuitos digitales que son el futuro de la electrónica y el mayor escollo para los reparadores de todo tipo de equipo.

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Yo considero que es así porque los reparadores no entienden realmente como funciona un sistema digital. Tratan de reparar un sistema digital como si fuera analógico y eso es lo peor que pueden hacer. Vayamos a algo tan elemental como reparar un falso contacto. En un sistema analógico se golpean los componentes del equipo uno por uno tratando de encontrar el componente sensible al golpe o movimiento; ya que la consecuencia del golpe es una distorsión en la imagen del TV o un ruido en el parlante. En un sistema digital lo que se escucha o se ve puede tener una demora de unos mS y no hay acción y reacción. Además los equipos digitales suelen tener circuitos de corrección de errores que pueden esconder falsos contactos momentáneos hasta cierto limite de tiempo. Los equipos digitales se reparan (incluyendo los falsos contactos) con un conocimiento profundo de su funcionamiento y eso pretendemos de Ud. que aprenda a reparar equipos digitales como lo que son y no por similitud con un equipo analógico.

Autoevaluación Autoevaluación de las lecciones 17 a la 23

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 Termómetro digital »

25/ Funcionamiento de un termómetro digitalEl autor piensa que no hay mejor modo de aprender que por el ejercicio práctico real. Esperamos que los lectores ya hayan construido su termómetro analógico y tengan el motor de su auto protegido. Si es así piensen como mejorar el proyecto para aprender una técnica nueva. Para Ud. va esta entrega que es un ejemplo de digitalización en donde explicamos la técnica de los medidores digitales a LED.

El instrumento digital mas simple es un termómetro digital a LEDS de uso general que puede reemplazar al termómetro analógico de la anterior entrega o hacerle cumplir otra función.

Si bien el instrumento se basa en un circuito integrado muy fácil de utilizar vamos a explicar como funcionan sus componentes internos para que el lector tenga una idea concreta de un circuito integrado muy utilizado en la electrónica “el comparador de tensión”. El comparador no es realmente un componente enteramente digital pero

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tampoco podemos considerarlo enteramente analógico. Realmente se lo encuentra casi siempre en la interfaz entre un circuito analógico y un digital. Por ejemplo los microprocesadores PIC tienen modelos donde todas las patas de entrada son comparadores programables que pueden leer diferentes ventanas de tensión de entrada.

En cada pata de entrada se incluye un comparador del que podríamos decir que su entrada es analógica y su salida es digital, si le ponemos el circuito correcto en cada una de sus 5 patas. Se puede considerar que un comparador es como una celda de un convertidor analógico digital.

Circuito comparador de tensión

Como se puede observar en la entrada inversora se conecta un divisor por 2 que genera una tensión continua de 2,5V. Ahora podemos decir que el circuito divide el campo de las tensiones de entrada en menores y mayores a 2,5V. Si la tensión de entrada es mayor que 2,5V la salida pasa a un estado alto y si es menor se queda en un estado bajo.

De algún modo, es un conversor analógico digital de un bit porque reconoce que el bit colocado en la entrada por la pata 7 esté alto o bajo. Como la capsula del comparador LM393 posee 4 comparadores se pueden realizar combinaciones que permitan detectar mas de un bit.

Fig.1 Comparador de tensión o circuito de decisión

Sintetizando, nuestro circuito integrado posee 5 patas. Masa y fuente (en nuestro caso de 5 V) una entrada directa, una entrada inversora y una salida y cumple con una función matemática que podemos indicar del siguiente modo:

Ve > 2,5V -> Vs = 5V (1 lógico) Ve < 2,5V -> Vs = 0V (0 lógico)

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Es importante que el lector no se asuste con todos estos símbolos, ya que su comprensión es muy simple.

La entrada “Ve” puede tener todos los valores teóricamente comprendidos entre menos infinito y más infinito voltios (por supuesto que en el caso real existe un límite más pequeño). La salida Vs depende del valor de entrada.

Si la entrada Ve supera los 2,5V la salida toma el estado lógico alto (1 que en este caso es igual al valor de fuente de 5V). Si la entrada Vs es menor a 2,5V la salida Vs se hace igual al cero lógico que en este caso coincide con el cero real.

Para probar el circuito se utiliza un potenciómetro en la entrada y una sonda medidora de estados (punta lógica) en la salida, que se enciende con un estado alto y se apaga con un bajo.

El valor de comparación se puede modificar cambiando los valores de R1 y R2. Observe que en nuestro caso el divisor de tensión está ajustado en 2,5V pero puede ser ajustado en cualquier valor comprendido entre la tensión más baja de fuente (0V o un valor negativo) y el valor de la tensión más alta de fuente (5V u otro valor mayor generalmente limitado a 18V dependiendo de cada integrado).

El resistor R3 se utiliza porque la salida del integrado es el colector de un transistor (en Ingles “open colector”) y el resistor agregado opera como carga de colector. El circuito lógico determina que este transistor se sature o se corte generando de este modo un alto o un bajo.

En la figura 2 se puede observar que ocurre con la salida Vs cuando la entrada Ve se conecta una señal de ruido blanco.

Fig.2 Salida lógica a una señal de ruido

Como se puede observar se produce una aleatoriedad en el estado de la salida que genera un encendido y apagado al azar de la sonda lógica. El oscilograma en rojo debería llegar de 5V a masa sin pendiente apreciable pero como la velocidad del comparador no es infinita lo hace con una pendiente considerable.

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Voltímetro pasa – no pasa o medidores de ventana

En mecánica se utilizan calibres pasa/no pasa que simplemente miden espesores máximos. El técnico no mide la dimensión de la pieza sino que controla que entre en un calibre fijo. El resultado de la prueba es un si o un no. No hay casos intermedios; es una salida logica o toma de decisión.

En electrónica se usan equivalentes a los calibres pasa no pasa, los voltímetros y amperímetros pasa/no pasa que detectan cuando la señal se encuentra dentro de una determinada ventana. En la figura 2 se puede observar un medidor de 2,5V que enciende un LED cuando la tensión se encuentra entre 2,47 y 2,53V.

Queremos aclarar que existen otros circuitos con comparadores que cumplen una función similar y que también se puede utilizar un amplificador operacional para realizar una función de comparación.

Fig.3 Voltímetro pasa/no pasa

En este caso las ecuaciones que definen el circuito son las siguientes:

Ve > 2,49V pero < 2,51 -> D1 encendido Ve < 2,49V -> D1 apagado Ve > 2,51V -> D1 apagado

Cuando “Ve” es menor a 2,49V, el comparador inferior y el superior tienen su transistor de salida al corte y por lo tanto el diodo LED está apagado. Cuando la tensión llega a 2,49V el comparador inferior tiene el transistor de salida saturado y el superior al corte, de modo que el diodo LED conduce. Cuando la tensión de entrada supera los 2,51V ambos comparadores tienen el transistor saturado y no hay tensión aplicada al LED.

Por lo general estos voltímetros se utilizan en el procedimiento de prueba en fábrica de equipos electrónicos.

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Con este mismo principio de funcionamiento, agregando más comparadores y más LEDs se pueden fabricar instrumentos más elaborados que pueden cumplir una función realmente útil.

Voltímetro a leds de 1V a fondo de escala

En la figura 4 se puede observar un voltímetro práctico construido con un comparador cuádruple LM339 y cuatro LEDS. El dispositivo tiene una pantalla formada por una barra de 4 LEDs y esta diseñado para encender el LED inferior para toda tensión comprendida entre 0,25 y 0,5V, luego de 0,5V a 0,75V enciende el segundo LED, de 0,750 a 1V el tercero y por último de 1V a infinito el cuarto y último.

El funcionamiento es muy simple. En las entradas (-) de los inversores se aplican tensiones de 250 mV, 500mV, 750 mV y 1V, a medida que la tensión de entrada va superando esos niveles los transistores internos se abren y encienden las barras de LED en orden ascendente. Le aconsejamos al lector que pruebe el circuito simulado llevando la tensión de entrada de 0 a 1V y observe el resultado.

Esta aplicación suele utilizarse como VUmetro de amplificadores de audio ya que debido a que solo tiene 4 indicadores de escala no tiene suficiente precisión como voltímetro. Recuerde que la precisión se mide de acuerdo a la cantidad de posibilidades de formación de números. Si solo podemos formar 4 divisiones para indicar la salida significa que la precisión es del 25%. Para realizar un VUmetro electrónico de mayor precisión se deben emplear circuitos integrados especialmente diseñados que pueden excitar hasta 10 LEDs e inclusive pueden utilizarse mas de un integrado en serie es decir que se pueden realizar 10 divisiones virtuales de la escala y lograr una precisión del 10% o 20 divisiones y lograr una precisión del 5% que ya es compatible inclusive con la fabricación de un voltímetro de panel.

Lo importante de todo esto es que alumno comience a entender el concepto de los instrumentos que utilizan técnicas digitales y el concepto de que un sistema digital se puede hacer tan preciso como uno quiera siempre que utilice un display adecuado con la consiguiente complicación del circuito que excita a esos LEDs.

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Fig.4 Voltímetro clase 25%

Este instrumento se diseña para que vaya encendiendo los LEDS del D1 al D4 a medida que va aumentando la tensión de entrada Ve. En el circuito se puede observar una serie de resistores que son los generan los puntos de inflexión de las salidas. Si vamos a realizar una medición entre 0 y 1 V en cuatro pasos la serie de resistores debe proveer tensiones de 0,25V; 0,5V; 0,75V y 1V. El alumno deberá simular el circuito y conectar la entrada a una fuente de tensión variable y observar el cumplimiento de las ecuaciones que son las siguientes:

Ve < 0,25V -> Todos los LEDS apagados Ve > 0,25V -> D1 encendido Ve > 0,5V -> D1 y D2 encendidos Ve > 0,75V -> D1, D2 y D3 encendidos Ve > 1 V -> D1, D2, D3 y D4 encendidos

Una función práctica de este circuito puede ser aplicarlo como medidor de nivel de salida en nuestro amplificador analógico. Le aconsejamos colocar un potenciómetro de 1K sobre el parlante con su punto medio conectado a Ve con un resistor de 1K como separador y diodos D1 y D2 como protección.

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Fig.5 VUmetro a LEDs

Nota: este VUmetro sirve solo para amplificadores que tienen una pata del parlante conectada a masa. No se puede utilizar para amplificadores en puente.

Circuitos integrados voltímetos de 10 o más leds

Cuando se usa un circuito integrado específico como el LM3914 se puede ajustar el valor mínimo Vmin y Vmax para los cuales se encienden el primer y ultimo LED indicador. Este ajuste se realiza con mucha facilidad y además se pueden unir más de un circuito integrado para aumentar la precisión de la medición.

El LM3914 es un circuito integrado de 18 patas. Las patas 3 y 2 son respectivamente fuente (6,8 a 18V) y masa. Las patas 1 y de la 10 a la 18 están reservadas para los LEDS indicadores, en donde el 18 es el LED superior.

El resto de las patas tienen funciones especiales que adaptan el funcionamiento según las necesidades. Para comenzar mencionaremos que el circuito integrado posee una fuente interna de referencia ajustable con resistores externos que se utiliza para ajustar uno de los valores de la escala o los dos. La salida de esa fuente se encuentra sobre la pata 7 y el ajuste se realiza con un divisor de tensión conectado entre esta salida y masa con el punto central conectado a la pata 8. En la figur siguiente se puede observar una parte de la especificación.

Fig.6 Circuito simplificado de un voltímetro clase 10% de 0 a 5V

En la parte inferior se observan las ecuaciones de cálculo que son muy simples. Abajo se indica que el valor R1 modifica la corriente circulante por los LEDs además de ajustar la tensión de referencia que sale por la pata 7. En nuestro caso los LEDs toman corriente de una fuente independiente de la que alimenta al integrado. Esta fuente puede tener cualquier valor comprendido entre 5 y 18V ya que la corriente que pasa por los LEDs no se modifica, debido a que las patas de salida son una fuente de corriente constante ajustable por R1. Si R1 es de 1,21K la corriente es de 12,5/1,21=Si R1 es de 1,21K la

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corriente es de 12,5/1210 = 10,5 mA. En general el problema es inverso se sabe el valor de corriente deseada por el led y se necesita calcular el valor de R1 que es 12,5V/10,5mA = 1210 Ohms.

Ahora hay que determinar el resistor R2 del divisor de tensión según la formula superior. Para nuestro caso en que deseamos un valor de plena escala de 5V debemos reemplazar el valor Ref Out por 5V:

5V = 1,25 + 1,25.R2/R1

(5-1,25) = 1,25 (R2/R1)

3,75/1,25 = 1210/R1

3 = 1210/R1

R1 = 1210/3

R1 = 403 Ohms*

* aproximadamente ya que el valor real se debe determinar por ajuste

La tensión regulada de 5 volt se aplicará al terminal 6 RHI que ajusta el máximo de la escala y el mínimo se obtiene por la tensión aplicada a la pata 4 RLO que en este caso es de 0V. Si se requiere un valor mayor a cero pero menor a Vref se debe agregar un circuito reductor construido con un transistor en conexión repetidora de tensión por emisor que se puede observar en la figura 7.

Fig.7 Repetidor de tensión para generar VLO

En el circuito se observa el resistor R1 que es realmente la resistencia interna de la pata 4.

Cuando se cierra la llave J1 se puede observar que no hay variación en el valor de la tensión del emisor (de 1,84 a 1,85) por lo que se lo puede considerar como una fuente regulada no afectada por la carga.

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Si se conecta R1 a 5V se conserva también el valor de la tensión de emisor.

Este circuito puede emplearse en nuestro termómetro analógico en lugar del medidor de aguja conectando el colector del transistor sonda de temperatura a la entrada por la pata 5 (SIG de signal). Luego hay que modificar el circuito para que lea una tensión máxima de 8,8V y una minima de 7,6V con el voltímetro a LEDs conectado entre el colector de transistor sonda y masa.

Dejamos la modificación de este circuito como un ejercicio para nuestros lectores.

Voltímetro con mayor precisión y otras predisposiciones

El 3914 tiene dos posibilidades de trabajo cuando se usa en una sola sección. La pata 9 determina el modo de trabajo entre barra (se encienden todos los LEDs inferiores al de marcación) y punto volante (solo se enciende un LED a la ves). Esa predisposición se consigue según se conecte la pata 9 (mode) a fuente (barra) o se deje desconectada (punto volante).

En cambio cuando se desea trabajar con una mayor precisión y se usa más de un CI la pata 9 sirve para habilitar al integrado superior según podemos observar en la figura 8.

Nota: en este caso utilizamos el simulador Live Wire porque el BW no tiene al 3914 en la librería.

Fig.8 Voltimetro de 0 a 1V clase 5%

Aquí podemos observar que el terminal mode (pata 9 del IC1) se conecta al LED de valor mínimo de IC2 para que el integrado superior se entere que el inferior ya terminó de leer.

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Además se debe agregar un resistor R3 de 22K porque en caso contrario el último LED de IC1 se queda siempre apagado.

El lector observará que este circuito se prueba con un generador de señal triangular de muy baja frecuencia para que se pueda observar el barrido sobre los LEDs. Este generador está conectado a la entrada de los dos CIs.

Por último se debe observar la disposición de fuentes de referencia alta y baja. El integrado inferior conecta la referencia baja (RL) a masa y la referencia alta (RH) la conecta a RL del integrado superior. Por último la tensión regulada se conecta a RH del CI superior. De este modo la tensión de 1V se divide en dos y aparece medio voltio sobre cada integrado.

En este circuito existen 20 LEDs y por lo tanto es como si la señal triangular de entrada se convirtiera en una escalerita de 20 escalones. Cambiamos una señal con variaciones continuas de valor por otra que varía a saltos discretos.

El medidor analógico posee errores debido a rozamiento y otros, el medidor digital solo posee un error que se llama de cuantización y que podemos hacer tan pequeño como se desee aumentando la cantidad de CIs y de LEDs. Para el medidor digital da lo mismo que la tensión de entrada sea de 0,5V o de 0,51Vya que recién va encender el siguiente LED a los 0,55V.

En la figura 9 se puede observar el diagrama interno del CI para una aplicación de 1,2V a fondo de escala.

Fig.9 Diagrama en bloques interno

Conclusiones

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En esta entrega comenzamos a digitalizar nuestro termómetro. En la próxima vamos a analizar un verdadero termómetro digital con display inteligente.

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26/ Termómetro digital¿No será muy complejo entender como funciona un termómetro digital? No, y creo que estamos en el momento indicado como para hacerlo.

Todos los dispositivos electrónicos actuales están diseñados de acuerdo a la topología de circuito mostrada en la figura1 desde el mas grande hasta el mas pequeño. La idea de que un micro es demasiado caro debe ser desterrada por completo de su mente. Los micros mas económicos pueden costar menos de U$S 1  y eso si tienen encapsulado. Los equipos mas económicos como algunos videojuegos clásicos tienen los micros soldados sobre las plaquetas y en ese caso el costo es prácticamente inexistente al extremo que una conocida casa de comidas rápidas regala un cuenta pasos a sus clientes que hacen un consumo mayor a U$S 10.

Fig.1 Topología de un circuito con microcontrolador

Los medidores 1 y 2 (pueden existir más) son los componentes encargados de leer los parámetros a mostrar; en nuestro caso la temperatura del block y tal vez la tensión de batería. Observe que están conectados a los bloques siguientes solo por un cable (y el obvio retorno por masa).

Luego se observan dos bloques indicados como conversores A/D.

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Observe que su salida es una conexión mas gruesa de lo habitual llamada “bus“. Significa que no esta formada por un solo cable sino por varios; tantos como lo indique el numero que la acompaña en nuestro ejemplo 8. Esos 8 cables por cada medidor significa que el microcontrolador debe tener por lo menos 16 patas de entrada. Como son muchas patas el micro se encarece; por eso los fabricantes suelen integrar los bloques conversores dentro del micro.

El micro procesa la información y la coloca en un bus de salida de 8 patas o menos.

Por último es posible tener más de un dispositivo de salida, por ejemplo se puede reservar una pata para excitar un parlante que emita un tono cuando la temperatura supere los 90ºC o la tensión de bateria sea inferior a 11,5V o superior a 13,5.

¿Cuántas patas debe tener el micro? Todo depende del dispositivo de observación o display:

pueden ser simples LEDs como en el medidor que fabricamos en la lección anterior

un display de 8 segmentos que contiene 8 LEDs formando un número y su punto decimal se pueden usar 2 y entonces leer la temperatura del 1 al 99 es decir de 1º en 1º o usar uno y leer de 10º en 10º. En este caso se medirá por 3 segundos la temperatura y luego por otros 3 la tensión de batería.

un display LCD que suele llamarse display inteligente. Por lo general son de dos renglones de 32 dígitos lo que permite algunos lujos como hacer que el dispositivo mande un mensaje de saludo cuando se enciende el motor y luego mida la temperatura en un renglón y la tensión de batería en otro. El mensaje puede ser mas largo que el display porque puede caminar por la pantalla.

un display de matriz de punto que puede presentar una imagen en la pantalla junto con un texto

Funcionamiento del sistema

El bloque de entrada medidor de temperatura puede ser perfectamente el transistor indicado en la entrega anterior. La tensión de batería no requiere medidor. Estos dos primeros dispositivos pueden llamarse genéricamente transductores. Uno será el transductor T/V o temperatura en tensión y el otro podríamos indicarlo como V/V porque no convierte nada.

1. El conversor toma la señal analógica de entrada (en este caso es una tensión pero podría ser una corriente, una potencia, etc.)

2. la transforma en un número binario que en este caso es de 8 bits3. ese número sale del conversor por ocho patas en donde puede haber un cero (cero

volt) o un uno (5 V en el caso clásico)

El lector debe hacer un esfuerzo mental para fijar la idea abstracta de un número binario como el estado eléctrico de las 8 patas de salida del conversor (en nuestro particular

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tomamos 8 pero pueden ser cualquier número). Con 8 patas se pueden representar 256 estados posibles de ese conjunto de patas obteniendo este número como el resultado de 28 perfectamente calculable en una calculadora científica. El conversor puede predisponerse para que genere un cero para cierta tensión de entrada y el número 100 para tal otra con adecuados preset sobre sus patas de ajuste. Si los conversores son internos se admite el ajuste de tensión con preset sobre algunas patas o el ajuste por programa.

Con los números binarios ya en el medidor comienza el tratamiento de los mismos que en este caso es la conversión de los binarios de entrada en estados alos o bajos en las patas de salida que representen el número digital correspondiente al binario codificado según el medidor que se utilice.

A continuación vamos a analizar el detalle de los bloques comenzando de atrás hacia delante.

Indicadores de salida o displays

Si el medidor es un display de leds el código debe ser adecuado para encender la barra adecuada del digito adecuado. Como en todos los proyectos que usan este tipo de display se repetiría el mismo circuito tiene una gran logica usar un programa que nos ayude a programar y a diseñar dispositivos con PIC.  En el Niple cuando se selecciona “display de LEDs” el programa arma automáticamente el circuito de la figura siguiente.

Fig.2 Conexión directa de un display de LEDs a un PIC

Observe que se trata de un dibujo genérico que sirve desde 1 a 6 dígitos que se conmutan con los transistores inferiores que operan como llaves comunes a todos los segmentos. Cada transistor utiliza una pata de salida del micro para que el digito tenga la posibilidad de encender uno, dos, etc. o todos sus dígitos de acuerdo a la información enviada por las patas dato(0) a dato(6). Este proceso se llama multiplexación y consiste en encender una barra determinada, en una fase determinada de las señales que excitan a los transistores.

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Por ejemplo para encender el numero 71 debemos llevar al estado alto (5V) las señales Display Nº 1; Dato(1) y Dato(2) y todas las otras a cero. Así encendemos el numero 1 en el digito menos significativo (nota: aunque Dato(1) y dato(2) estén altos los segmentos b y c del digito mas significativo permanecen apagado porque falta Display Nº 6. Un instante después se cambian las señales llevando al estado alto Display Nº 6; dato (0); dato (1) y dato (2) con todos los demás en bajo y así sucesivamente y a un ritmo tal que no se note el parpadeo. ¿No es difícil programar toda esta secuencia? No, con el NIPLE es instantáneo porque esa parte del programa ya esta generada y solo se la debe llamar.

Como el micro utilizado en este caso es de 18 patas solo tiene 13 patas destinadas a puertos de entrada o salida (se declaran como de entrada o salida en el mismo programa del micro) y estamos usando 9, no quedan muchas patas disponibles. Otra pata se destina a la alarma sonora y solo quedan 2 patas. Esto significa que se debe usar otro modelo de PIC en donde esas entradas son analógicas.

Hay otros recursos para ahorrar patas de salida. Es un integrado llamado expansor de puerto o conversor de BCD a 7 segmentos cuyo circuito se puede observar en la figura 3.

Fig.3 Excitador de display de LEDs con expansor de puerto

Observe que economizamos 3 patas porque el CD4511 convierte el código de 7 segmentos en otro llamado BCD que solo requiere 4 patas. El NIPLE simplemente tiene las dos opciones de circuito y Ud. elige la que desea generándose el sector del programa correspondiente en forma automática.

Los display de LEDs ya están considerados una antigüedad. Actualmente se utilizan los llamados pomposamente “Display inteligentes”. Se trata de dispositivos que funcionan con un display LCD pero que poseen una plaqueta con un microcontrolador.

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Fig.4 Display inteligente

El display tiene un conector que se debe conectar al PIC según la figura 26.2.4 en donde observamos como ejemplo un contador de eventos.

Fig.5 Circuito con un display inteligente

Este display posee 2 renglones de 32 caracteres alfanuméricos lo que permite una fluida comunicación con el usuario a palabras completas y sin multiplexado de funciones. En efecto en el display de LEDs solo tenemos un display de dos dígitos que se turnan para indicar la temperatura y la tensión de batería. Esto puede ser confuso y es posible confundir las lecturas, en el display LCD tenemos suficiente lugar para escribir:

TEMPERATURA: 84 ºC TENSIÓN DE BATERIA 12,3 V

Y hasta podemos darnos el lujo de que el auto nos salude con nuestro propio nombre cuando lo ponemos en marcha, o que nos indique alguna sucesión de acciones de seguridad por ejemplo.

HOLA ALBERTO COLOCATE EL CINTURON DE SEG. ENCIENDE LAS LUCES CONTROLA EL FRENO DE MANO

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Y cuando termina la secuencia de ordenes recién comienza a medir la temperatura y la tensión de batería indicando de que parámetro se trata y agregando la unidad correspondiente. Esto se puede hacer con o sin el NIPLE, pero sin el NIPLE requiere mucho tiempo de programación. En cambio utilizando el NIPLE se escribe simplemente el texto tipeando en la PC.

Es muy fácil también lograr que un renglón que esta cerca de un limite peligroso, pero aun aceptable, genere el texto titilando para llamar la atención. Por último se podría utilizar un display de matriz de puntos que puede generar letras; números y graficar el cambio de temperatura desde que el motor arrancó.

Conversores analógicos a digitales

El proceso de extraer la información digital de la analógica es la denominada conversión analógico/digital. Y como va a ser una información digitalizada vendrá expresada con 0s y 1s, ya que el encargado de tratarla será el micro del dispositivo.

La conversión analógico/digital viene ya de tiempos remotos, aunque no se entendía como lo hacemos actualmente. Todos usamos salidas digitales en la vida corriente; por ejemplo, cuando un amigo nos pregunta ¿como estás? las posibles respuestas pueden ser dos: bien o mal. Pero realmente podemos sentir muchos estados intermedios: excelente, malísimamente mal, regular, etc. etc. Es una escala completa de variaciones analógicas de nuestros sentimientos. Al dar la respuesta estamos realizando dos procesos conocidos como cuantización o cuantificación, un muestreo y una codificación.

El muestreo, significa que nos analizamos en un determinado instante, el presente y la cuantización implica que podemos responder: bien o mal, bien, mal o regular; muy bien, bien regular y mal etc. etc. y la codificación es que transformamos el estado en una palabra entendible por nuestro interlocutor.

Trasladando este sencillo ejemplo a la electrónica, podemos definir el valor de una variable X (nuestro estado en ese instante) el cual, dentro de nuestro esquema de convertidor analógico/digital , se denominará “muestreo” o toma de una muestra del valor a medir. Por último la señal digital que ingresa al siguiente dispositivo debe tener ciertas características y por lo tanto la señal digital se debe codificar antes de enviarla a la salida/salidas digitales. Este proceso se llama codificación.

El funcionamiento de la conversión analógico/digital estriba en que la información analógica no es directamente manipulable, ni procesable por un micro (por supuesto sin conversor interno). La ventaja enorme de los procesos digitales es que pueden almacenarse indefinidamente sin degradarse y pueden inclusive reproducir la señal analógica sin un error apreciable.

El ejemplo mas destacable en la actualidad, es la técnica de grabación digital, donde la señal analógica que es una representación eléctrica de la voz o el sonido de un instrumento, será sometida a muestreo y transformada en lenguaje binario. Los unos y

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ceros que se obtienen en esta acción serán los que, posteriormente, se grabaran sobre un disco compacto (CD). Estos discos gracias a la tecnología láser, podrán ser reproducidos con una calidad de sonido increíblemente igual a la original.

Aunque existe gran diversidad de conversores analógicos/digitales, todos ellos han de cumplir los tres procesos citados anteriormente:

Muestreo Cuantificación Codificación

Los conversores analogico/digital se pueden La conversión analógico/digital se pueden dividir en dos grandes grupos :

De bucle abierto De realimentación

Los conversores de bucle abierto generan un código digital directamente bajo la aplicación de una tensión en la entrada. Dentro de esta familia, se pueden distinguir los siguientes tipos :

Analógico a frecuencia Analógico a anchura de impulso Conversión en cascada

El conversor de realimentación, sin embargo, genera una secuencia de números digitales, los convierte en un valor analógico y los compara con la entrada. La salida digital resultante será el valor más cercano al hacer la comparación. En este grupo, los tipos más importantes son:

Rampa en diente de sierra Rampa binaria Conteo continuo Aproximaciones sucesivas Conversión no lineal Doble rampa

No tiene mayor sentido para el alumno conocer la totalidad de estos conversores. Por lo tanto vamos a analizar solo algunos. Inclusive vamos a simplificar la teoría indicando que en EEUU se conoce a estos circuitos simplemente como de hold and sampling que traducido literalmente quiere de decir de “medir y mantener”.

Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia muy bien estabilizada.

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La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación. Una clasificación de los conversores A/D simplificada, es la siguiente:

Conversores de transformación directa Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar Circuitos de captura y mantenimiento (S/H: Sample and Hold)

Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un corto intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor durante un tiempo mucho mayor. Generalmente el mantenimiento se realiza sobre un condensador durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha. El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada, se ofrece en la figura 6.

Fig.6 Sistema de muestreo y retención

El conversor A/D manda un impulso de pequeño ancho por la línea de control, que activa el interruptor electrónico. El capacitor C, se carga durante este corto tiempo de muestra. En el caso ideal, la tensión en el capacitor es igual al valor instantáneo de la tensión de entrada. Posteriormente cuando se abre la llave el capacitor debe mantener la tensión adquirida. En la figura 7se observa las señales para una entrada de tensión triangular (roja). En verde se puede observar la salida y en azul la señal de control del interruptor.

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Fig.7 Oscilogramas de muestreo y retención

Observemos que aun no se produjo la digitalización de la salida;  solo se modifico la señal para proceder posteriormente a digitalizarla. En una palabra le damos al valor a medir un estado fijo para realizar la codificación sobre algo que no varía durante el tiempo necesario para que el codificador pueda obtener un resultado.

Uno de los conversores A/D que podemos entender con mayor facilidad es conversor a comparadores porque se parece al medidor con LEDs que vimos en la entrega anterior.Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados y el ejemplo nos aclara la teoría.

1. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica a medir junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos.  Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación.

2. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital con forma de número binario. Si el alumno no entendió muy bien la teoría le recomendamos que sigua el ejercicio prático y luego vuelva a leerla.

Recuerde nuestro voltímetro de LEDs. Si hacemos un voltímetro de 0 a 1 V con diez LEDs, el estado de la salida se mantiene constante de 0 a 100 mV (todo apagado) luego cambia y se mantiene constante entre 100 y 200 mV y así sucesivamente hasta los 1000 mV. Es decir que si se conecta una fuente variable a la entrada y se sube su valor linealmente, el sistema transforma la rampa de entrada en una escalera de salida sin necesidad de usar un capacitor para memorizar. Esto es una ventaja del sistema porque el capacitor lentifica el proceso.

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Fig.8 Conversor A/D completo del tipo por comparadores

Este conversor es entonces de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2.N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta.

Ya sabemos como funciona la sección de entrada del conversor por comparadores. Pero para que sirve el codificador. Como ejemplo dibujamos un sistema de 2 bits. Es decir que si usamos una Vref de 1V tendremos tensiones de inflexión de 0,25; 0,5; 0,75 y 1V. Con tensiones de 0 a 0,25V todas las entradas están bajas. Con tensiones de 0,25 a 0,5V se pone alta la entrada A1 y así sucesivamente hasta que con tensiones de 0,75 a 1V se ponen altas las cuatro entradas al codificador.

El conversor se debe comportar entonces según la siguiente tabla.

Tension de entrada en V A1 VA2V

A3V

B0V

B1V

0 – 0,25 0 0 0 0 00,25 – 0,5 5,6 0 0 1 00,5 – 0,75 5,6 5,6 0 0 10,75 – 1 5,6 5,6 5,6 1 1

Tabla de verdad del conversor por comparadores de 2 bits

¿Qué hay adentro del comparador? en la fig.8 se puede observar el circuito completo de nuestro conversor de 2 bits. Comienza con un circuito conocido que es el medidor de ventana analizado en la entrega anterior. En este caso tenemos 4 ventanas y tres comparadores. La salida del circuito de entrada se puede observar mediante tres indicadores de estado X1, X2 y X3 ajustando el potenciómetro R11 que no forma parte del circuito (es la fuente de señal de prueba).

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Trabajo práctico

Como trabajo práctico aconsejamos al alumno que realice la simulación y observe como se van encendiendo los medidores paulatinamente pero sin que se apague el anterior. El circuito cumple su función como medidor y el técnico entiende claramente cual es la tensión de entrada. Pero un micro no podría entender esa información directamente porque no se trata del equivalente eléctrico de un código binario. El micro debería tener un programa especial que transforme esa información en un código binario, para luego establecer el procesamiento matemático debido, o la operación de encendido de pantallas de cualquier tipo.

Pero para que el codificador sea sencillo es conveniente que el medidor sea del tipo de punto volante. Es decir que se encienda un led y que se apaguen todos los inferiores. Recuerde que los CI integrados “voltímetro de leds” tenían un terminal de predisposición que modificaba el funcionamiento como barra o punto volante. En nuestro circuito se agregan los transistores Q1 y Q2 para realizar esa función. Q1 se encarga de apagar A1 cuando se enciende A2, o cuando se enciende A3 mediante los diodos D1 y D3 y los resistores R10 y R8. En realidad D1 y D3 no se necesitarían si el estado bajo de los comparadores fuera cero; pero en realidad es de unos 800 mV y alcanza para saturar a los transistores llave.

Aun agregando los transistores no tenemos un código binario. En efecto si queremos un medidor de dos bits no podemos tener la información sobre tres salidas A1, A2 y A3. Se requiere un codificador que se realiza con un sumador a diodos sobre las salidas B0 y B1.

Ahora cuando la tensión es menor a 0,25V las dos salidas están en cero porque las tres entradas lo están.

Cuando la tensión de entrada supera los 0,25V pero es menor a 5V A1 se va a 5,6V, B0 pasa a 5V por la caída en D4. Q1 está cortado porque las otras salidas A2 y A3 son nulas.

Cuando llevamos la entrada entre 0,5 y 0,75 V, A2 pasa al estado alto y B1 también por el diodo D5. B0 pasa al estado bajo porque Q1 conduce una tensión debido a D3 R8.

Por último cuando la tensión de entrada supera los 0,75V, A3 pasa al estado alto y levanta las dos salidas mediante los diodos D6 y D7 sin importar el estado de los transistores.

Ahora si tenemos una salida binaria que puede interpretar cualquier micro y anotarla en el display con todos los números, pero no espere que el display escriba otra cosa más que 0,0; 0,25; 0,5; 0,75V es decir que fabricamos un instrumento clase 25%.

Pero podemos usar un CI voltímetro de LEDs con 8 comparadores obteniendo una medición de 2.N-1 bits es decir 16-1 = 15 bits con lo cual se obtienen 32768 valores posibles de la salida lo cual significa un voltímetro clase 100/32768 = 0,003% que es una precisión asombrosa. ¿El lector debe estar pensando donde esta la trampa? No hay tal trampa pero el circuito del codificador será realmente complejo y probablemente

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debamos utilizar algo mas que diodos y transistores, Por otro lado la precisión depende de la tensión de referencia y de la estabilidad de los divisores, que seguramente reducirán la precisión a niveles mucho más modestos. Pero esto nos deja una enseñanza. El sector digital del instrumento se puede hacer tan preciso como se desee pero siempre existen errores de la sección analógica indispensable para el funcionamiento del dispositivo.

Conclusiones

Probablemente el alumno se debe haber quedado con dudas respecto de esta lección. Es que el mundo digital siempre parece más difícil que el analógico. Inclusive algún profesor de electrónica de estilo clásico que se nutre de nuestro curso debe esta pensando que estamos haciendo una mezcla explosiva de circuitos analógicos y digitales que no es didáctica.

Ya avisé yo al comenzar el curso que no era un curso clásico. Mi método es llevar al alumno por los dos mundos al mismo tiempo.

En dos años seguramente todos los amplificadores de audio serán digitales e inclusive comenzaran a aparecer los parlantes y los bafles digitales. El sueño del ingeniero, de un equipo que lea un dispositivo digital (el CD) y llegue hasta el oído del usuario en forma digital ya se cumplió. Solo se requiere algo de tiempo para reemplazar los viejos amplificadores analógicos a medida que se van quemando. Y ese sueño, equivale a un planeta verde, con menos polución porque el rendimiento de los amplificadores digitales es superior al 90% (casi el ideal del 100%).

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27/ Circuitos digitalesEn la entrega anterior analizamos algunos conversores A/D que nos permitían pasar del mundo analógico al digital. En el mundo digital procesábamos las señales hasta lograr la señal de salida deseada. Pero los órganos del ser humano son analógicos, no pueden entender el símil eléctrico de un número binario con sus ocho o mas líneas en estado alto o bajo. En efecto, en algún punto de nuestro equipo debemos intercalar un circuito conversor D/A que nos devuelva al mundo analógico que entienden nuestros ojos y nuestros oídos.

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Conversores D/A

Como con los conversores A/D solo vamos a ver un conversor D/A porque por lo general son circuitos totalmente internos a un CI al que no podemos acceder. Es decir que solo veremos los conversores mas simples que son los llamados R/2R porque funcionan con resistores que son siempre del doble del valor del que lo precede. Y para simplificar la tarea solo vamos a analizar un conversor de 4 bits.

¿Qué tiene que hacer nuestro conversor?

Debe recibir 4 líneas de señal con estados alto o bajo que son la representación eléctrica (bits) de un número binario de 4 bits. Y debe generar una salida analógica por un solo conductor, que represente todos los números posibles de formar con esos 4 bits, que son precisamente 24=16. Esa representación ocurre en forma de una tensión analógica, aunque por el principio de la conversión, de los infinitos números posible de la salida analógica solo se pueden formar 16.

En la figura  se puede observar un posible circuito pero que no es el real sino un circuito didáctico.

Fig.1 Conversor D/A tipo R/2R

XWG1 es nuestro generador digital que fue programado para generar el equivalente eléctrico a los números binarios correspondientes a un diente de sierra descendente. Debajo del mismo se puede observar el programa del mismo que comienza con todas las salidas en alto para luego apagar el bit menos significativo y así sucesivamente hasta que en el paso de programa 16 todos los bits están en cero.

Cada paso de programa se mantiene por 1/16 de mS de modo que todo el ciclo dure 1 mS lo que corresponde a una frecuencia de repetición de 1 KHz para el diente de sierra completo.

Por supuesto que los bits se pueden programar para generar cualquier forma de señal. Nosotros elegimos esta simplemente porque existe memorizada en el generador de palabras y porque permite visualizar simplemente la linealidad del sistema.

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En la misma figura se puede observar el frente ampliado del generador de palabras con la predisposición adecuada para nuestro caso. En la sección “Controls” (controles) se predispone en el modo ciclo que significa que las salidas van a pasar por los 16 estados posibles y a volver a empezar por 1111. En el modo burst pasa por los 16 estados posible y se detiene. En el modo step se avanza paso por paso cada ves que se pulsa el botón izquierdo del Mouse. Esto nos permite investigar el circuito con todo detalle y medir las corrientes por el resistor R5 en cada uno de los 16 casos.

En es sector frecuencia colocamos la frecuencia del bit menos significativo. La frecuencia de todo el ciclo será igual a este valor dividido 2n. En nuestro caso n=16 y frecuency deberá colocarse en 16 KHz para obtener un diente de sierra de 1KHz. Este generador se puede enganchar desde el exterior por el terminal de Trigger que en nuestro caso dejamos sin conectar.

Analicemos como se produce la conversión D/A. Realmente es muy simple; observe que el resistor R1 es la mitad del R2 y el R2 la mitad del R3 y el R3 la mitad del R4. Y que R4 está conectado al bit menos significativo generando el salto más pequeño posible sobre R5. Y que R1 esta conectado al bit mas significativo. Abriendo el osciloscopio de 4 canales XSC1 se pueden observar las formas de señales de los 4 bits perfectamente correlacionados entre si y con la forma de señal de tensión sobre R5 y la salida sobre R10.

Fig.2 Salidas binarias y analógica

Teniendo la simulación lista podemos provocar algunas fallas en la sección del conversor para que el técnico reparador pueda observar la influencia de los diferentes bits sobre la salida. En la figura 3 observamos como se ven los oscilogramas si abrimos el resistor R4 (bit menos significativo).

Fig.3 Oscilograma sin el bit menos significativo

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Observe que realmente no hay una distorsión importante de la señal solo se nota que los escalones son mas largos. Si se trabaja a 8 o 16 bit le podemos asegurar que hay que tener un excelente oído para darse cuenta de la diferencia. Si se trata de video se observará una minima diferencia de definición de la imagen.

En la figura 4 se observan los oscilogramas con el bit mas significativo cortado.

Fig.4 Oscilogramas con el bit mas significativo dañado

Aquí si notamos un evidente error. En principio en este caso especial la forma de señal se mantiene pero se produce un cambio de frecuencia que ahora es de 2 KHz. Además se reduce la amplitud a la mitad. Con otras señales se podrían producir distorsiones de otro tipo sin cambio de frecuencia.

¿Por qué este conversor no se emplea con mas frecuencia?

Porque su construcción es absolutamente analógica con la distorsión altamente dependiente de la precisión de los resistores R/2R. La diferencia entre este conversor y el realmente utilizado se encuentra a nivel del amplificador de salida y el sumador de entrada que se basan en realidad en la utilización de amplificadores operacionales que no utilizan los capacitores C1 y C2 muy difíciles de integrar. Pero nosotros utilizamos amplificadores a transistor y sumadores resistivos porque no conocemos aun los amplificadores operacionales.

La distorsión de cuantificación

En la figura 1 se puede observar que la señal de salida tiene una clara distorsión aun con todos los componentes funcionando perfectamente bien. En efecto la intensión era generar una rampa y el resultado es evidentemente la generación de una escalera. Esta es la conocida distorsión de cuantificación.

La solución obvia es hacer los escalones mas pequeños y usar mayor cantidad de escalones. Pero esta solución implica transmitir una mayor cantidad de datos por segundo (reducir el tiempo de muestreo) y eso es el equivalente a aumentar el ancho de banda de la transmisión o el tamaño del disco de una grabación.

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Pero existe una solución ampliamente utilizada que es la realización de un filtro llamado filtro de cuantificación o de muestreo. El mas simple es un capacitor agregado sobre el colector de Q1 de un valor tal que una los cantos de los escalones formando la rampa que estamos buscando.

Fig.5 Filtro de muestreo de una celda

Aquí podemos observar que el simple filtro capacitivo soluciona el problema de los escalones pero genera un problema en el flanco más alto. Por otro lado no sabemos realmente mucho con observar una escalera de 1 KHz. Lo más conveniente, es levantar la curva de respuesta en frecuencia del amplificador y comprobar cuanto se pierde a 20 KHz.

Fig.6 Caída de la respuesta en 20 KHz por el filtro de muestreo

Como podemos observar resolvimos un problema generando otro. Si nuestro equipo es de audio no debería tener una caída tan grande a 20 KHz. Nuestro capacitor debería diseñarse al revés. Es decir que solo podemos colocar un capacitor que no produzca una caída apreciable en la respuesta a altas frecuencias. Esto ocurre con un capacitor de unos 820 pF. Tal como se observa en la figura siguiente.

Fig.7 Capacitor de filtro elegido para que no corte en 20 KHz

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Como podemos observar el corte en 20 KHz es muy pequeño pero ahora debemos observar si este capacitor corrige los escalones de la señal de 1 KHz. En la figura siguiente podemos observar el funcionamiento con 820 pF.

Fig.8 Corrección con el filtro capacitivo de 820 pF

Como podemos observar la acción correctiva es muy pequeña así que debemos encontrar un filtro de mejor calidad. El Worbench posee una sección de cálculo de filtros que nos permite calcular un filtro LC cuya respuesta se puede observar en la figura siguiente.

Fig.9 Filtro de muestreo compuesto

Como se puede observar este tipo de filtro mejora la pendiente pero no se puede evitar que generen algunas oscilaciones después de las transiciones. Por esa razón la solución empleada en la mayoría de los equipos modernos es utilizar un conversor D/A basado en un microprocesador que realiza sus funciones con una enorme precisión y hasta parece generar datos que realmente no fueron transmitidos.

Filtros de sobremuestreo

No existen más datos que los que están guardados en el disco o los que son transmitidos por una emisora. Si el tiempo entre muestras original duraba 60 uS no hay modo de obtener nuevos datos entre dos datos transmitidos. Pero el sonido en general no suele tener cambios bruscos de amplitud. Si una muestra es de 0,8V y la siguiente es de 1,2V podemos decir, sin temor a equivocarnos demasiado, que la muestra intermedia que no se transmitió es de 1V.

Diseñar un microprocesador que lea los estados (para nuestro ejemplo) de 4 líneas de entrada y los guarde en la posición 1 de una memoria es algo muy sencillo (guardamos el

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dato 1). Conseguir que el microprocesador vuelva a leer el dato 2 y lo guarde en la posición 3 tiene la misma complejidad. Lograr que la unidad aritmética y lógica (ALU) realice el promedio de esos dos números y guarde el resultado en la posición de memoria 2 también es muy simple. Por ultimo solo basta con leer esos valores guardados en orden para obtener un falso dato que probablemente se aproxime a la realidad.

Con todo esto repetido constantemente disminuimos la duración de los escalones y generamos datos intermedios a los 16 valores de rigor. Esto se llama sobremuestrear una señal y no solo se trabaja con el promedio entre dos datos sino que se llegan a calcular muchas posiciones intermedias. A veces tantas como 256 o más aun en un centro musical moderno.

Esto hace que prácticamente desaparezca la escalera y que un pequeño capacitor realice un filtrado perfecto evitando los filtros compuestos mencionados anteriormente. Con toda seguridad el alumno debe estar pensando como hace un microprocesador para realizar una cantidad tan grande de operaciones en un tiempo tan corto.

El microprocesador más conocido, el PIC16F84 que nosotros utilizamos en uno de los primeros capítulos de este curso puede procesar una sentencia cada 250 nS. La velocidad de muestreo en los CD es de unos 24 uS es decir 24.000 nS. Si dividimos ambos valores llegamos a que entre dato y dato un PIC puede realizar una 100 operaciones. Los microprocesadores utilizados en los conversores D/A modernos pueden trabajar aun a mayor velocidad porque no necesitan adaptarse a diferentes trabajos. Solo realizan el trabajo para el que fueron creados: “convertir”

Conclusiones

Con esta entrega terminamos nuestra primera incursión por los circuitos digitales. Evidentemente queda mucho por analizar aun pero nuestro criterio de apoyarse sobre conceptos claros fue cumplido.

En la próxima entrega entraremos de lleno en el receptor superheterodino comenzando por explicar el funcionamiento de una radio de AM clásica con tándem para luego explicar el concepto moderno con microprocesador.

Posteriormente encararemos el tema de las transmisiones de FM estereofónicas y por ultimo el de los receptores de TV. Es un largo camino pero que estamos recorriendo paso a paso para evitar vicisitudes. Si el lector desea obtener mayor conocimiento sobre el tema de las nuevas normas de TDT le recomendamos que lea los TIPs gratuitos sobre LCD y Plasma.

Apéndice: Reflexiones sobre la electrónica digital

Cuando digo que los equipos se digitalizan cada vez más muchos alumnos piensan que la electrónica dejará de usar los circuitos analógicos y que no tiene mayor sentido

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estudiarlos. De ningún modo es así. Otra creencia equivocada es considerar que los circuitos digitales son rápidos.

La realidad es que los circuitos analógicos son miles de veces más rápidos que los digitales. Para entender esto voy a dar un ejemplo de un dispositivo sobre el cual trabajé. Este dispositivo era el TANQ; el tanque de guerra Argentino. En un tanque se aprecia mucho la posibilidad de mantener la puntería con el tanque en movimiento. Todos los tanques producidos en el mundo basaban su capacidad de seguir un blanco utilizando una computadora digital muy rápida, que movía los motores de la torreta en función de los parámetros cinemáticos del movimiento del tanque y del blanco. El TANQ hacia lo mismo, pero con una computadora analógica inspirada en un tanque Ruso 100 veces más rápida que la digital. Y así es como el TANQ ganaba todas las competencias militares en terrenos desparejos, acertando al blanco inclusive mientras el tanque pasaba una zanja. ¿Por qué no se usan entonces las computadoras analógicas con mayor asiduidad? Porque no son versátiles, debido a que no son programables. Se diseñan para una función y no sirven para otras.

En el momento actual las compuertas lógicas más rápidas solo llegan a los 100 MHz y con dificultades. Pero entonces para que sirven los microprocesadores que forman parte de todos los equipos modernos. TVs, radios, DVDs, etc. etc. sabemos que contienen por lo menos un microprocesador. Ya lo dijimos anteriormente; el microprocesador coordina y controla el funcionamiento de los circuitos analógicos que lo rodean. Uno de los primeros libros que escribí se llama “El Rey Micro” y es una descripción del funcionamiento de un microprocesador en los dispositivos de electrónica de entretenimiento modernos, escrito en forma de novela. En ese libro aseguro que el microprocesador opera como un rey de su comarca (el equipo). El no realiza ningún trabajo físico con las señales; solo ordena y controla que los dispositivos analógicos cumplan con su función.

Yendo a un ejemplo conocido. Antes, el usuario debía mover el tándem de la radio para sintonizar una emisora. Ahora oprime un pulsador (que inclusive puede ser remoto) y la radio sintoniza la emisora siguiente sin la menor ayuda; o el usuario teclea la frecuencia de una emisora y el centro musical la sintoniza con toda precisión.

Apéndice: Emisoras de radio y TV – pasado, presente y futuro

En la próxima entrega vamos a comenzar a explicar el funcionamiento del receptor superheterodino. Pero algunos alumnos me preguntan que sentido tiene estudiarlo si en poco tiempo mas comienzan las transmisiones digitales de TV llamadas TDT (televisión digital terrestre) que involucran también a las transmisiones de radio. Es tal la confusión generada que considero oportuno explicarle a mis alumnos que es la TDT y cuando y como, se desarrollará en las diferentes regiones del mundo.

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Los canales de TV que Ud. acostumbra a ver están transmitidos básicamente por una portadora modulada en amplitud como la que nosotros estudiamos al construir nuestro radio receptor. Este sistema de transmisión adolece de grandes dificultades y requiere un elevado ancho de banda aun para transmisiones de definición normal. En America se asignan 6 MHz para cada canal de TV. Con este sistema una transmisión de TV de alta definición (HDTV) requeriría tres canales comunes de TV. Las dificultades mencionadas son que las ondas solo se propagan en línea recta (alcance limitado por el horizonte) y que se reflejan en edificios y montañas generando molestos fantasmas.

Las transmisiones de radio se pueden dividir entre las viejas emisiones de amplitud modulada que abarcan la banda comercial de 530 a 1650 KHz con una asignación de 10 KHz para cada emisora (lo que implica que pueden transmitir solo hasta 5 KHz de audio). Las bandas de OC tienen características similares y las transmisiones estereofónicas de FM en la banda de 88 a 108 MHz moduladas en frecuencia.

Digitalizando las transmisiones se logra un mayor aprovechamiento de la banda electromagnética, un mayor alcance (algo más del horizonte) y la ausencia de fantasmas. Pero sobre todo se logra una extraordinaria flexibilidad de servicio. En efecto tanto audio como video lo que se transmites son datos, léase números generalmente binarios. Y el dato de audio no se diferencia del dato de video, se pueden tratar del mismo modo y por un canal de 6 MHz se puede propagar dos emisiones de TV de definición normal y unas 30 radios estereofónicas o un canal de HDTV. Y también se puede dar servicio combinado de TV y radio etc. etc.

El mejor aprovechamiento del espectro es un tema de enorme interés económico para los gobiernos de todo el mundo, porque el espacio radioeléctrico es pago y cuanto mas información se puede transmitir mayor es la recaudación.

Silencio Analógico

Todos los países del mundo decretaron o van a decretar un día en que se producirá el “Silencio Analógico”. Ese día cesan todas las transmisiones analógicas y solo se transmiten señales digitales. Por lo general todos los canales de aire de la banda baja y alta de VHF (50 a 220 MHz) que se suele denominar TV abierta pasan a transmitir en la banda de UHF con un servicio de dos o tres canales de definición mejorada (tipo DVD) durante todo el día y con algunas transmisiones de HDTV en horarios centrales.

Los viejos receptores analógicos de TV y radio quedan obsoletos salvo que se les agregue un sintonizador digital que esté preparado para las nuevas emisiones. De cualquier modo aun con el sintonizador especial no es posible observar las transmisiones de HDTV que requieren por lo menos una pantalla boba (sin sintonizador) que tenga la definición y el formato de pantalla alargado (16/9). Es evidente que si el receptor de HDTV tiene sintonizador digital no requiere el receptor externo.

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EEUU es el único país que posee una fecha cercana para el silencio analógico (mayo del 2009) aunque vale decir que esa fecha ya fue prorrogada tres veces. Para ayudar a los habitantes de menores recursos repartieron sintonizadores a la tercera parte de su valor real aunque en el momento actual los mismos están agotados.

Los diferentes países de Europa tienen fechas que parten de fines del 2009 hasta el 2013 pero nadie sabe a ciencia cierta como pueden ser afectadas estas fechas por la actual crisis económica mundial. En America latina son pocos los países que ya pusieron una fecha concreta como Brasil y Chile.

Hasta el momento existen tres normas de TDT que por supuesto involucran a la norma de HDTV. La Americana, la Europea y la Japonesa. Expliquemos las características particulares de cada una como una información general a nuestros alumnos antes de introducirnos en el tema de los receptores comerciales de radio y TV.

¿Qué es la televisión digital terrestre TDT?

Es una tecnología que permite redefinir el uso del espacio readioelectrico para transmitir señales de televisión y radio mediante el reemplazo de una señal analógica por una digital y así enviar más información por el mismo ancho de banda. Hasta 6 canales donde hoy solo es posible enviar uno.

Las transmisiones contemplan 3 alternativas de calidad: definición estandar SDTV, definición mejorada EDTV y alta definición HDTV.

La SDTV es equivalente a la actual pero con mejor recepción ya que la transmisión digital soporta mejor las condiciones de ruido del medio (aire).

La EDTV es equivalente a la definición de un DVD. HDTV o alta definición, que tiene una definición de calidad superior ya que

aumenta la resolución de la imagen de las 625 originales a 720 líneas o 1080 de acuerdo al TV. Al hacer el cambio siempre será necesario tener un sintonizador que reciba la nueva señal digital, la programación transmitida puede ser decodificada por un receptor y ser convertida a analógica para ser vista en un televisor actual.

Cada canal puede ser utilizado para otro tipo de transmisiones como de radio o información tipo Internet.

¿Qué alternativas existen para las transmisiones de TDT?

Existen 3 Normas de TDT; la ATSC o norma americana la DVB-T o norma europea y la ISDB-T o norma japonesa. No podría haber un acuerdo para que exista una sola norma. Por supuesto pero ya hay millones de TV fabricados en esas tres normas y las mismas no son compatibles. Europa y Japón deberían pagar regalías a EEUU si pretendieran usar su norma y por eso es que en realidad generaron normas nuevas; claro que al hacerlo

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incorporaron mejoras sobre todo de compatibilidad con otros servicios y de versatilidad de las transmisiones.

La señal ATSC se adapta pobremente a los cambios del tipo de transmisiones futuras como ser el servicio de radiodifusión. Incorpora poca protección contra la piratería de los contenidos. Requiere mayor potencia para transmitir en áreas de malas condiciones de propagación. Inicialmente no contemplaba la encriptación pero fue modificada y las nuevas versiones la contemplan dando lugar a la TDT paga codificada (en Argentina lo explota Antina TV). Contempla la transmisión a receptores móviles pero no está optimizada para ello, lo que resulta un exceso de consumo de batería de los mismos.

Las ventajas de esta norma es que requiere menos potencia de transmisión que las otras en áreas cercanas. Es el estándar más adoptado a nivel mundial y obtiene la misma calidad de recepción que la DVB-T o la ISDV-T. Por supuesto que soporta las transmisiones de alta definición y ofrece una excelente recepción en zonas difíciles tanto urbanas como a dispositivos móviles que no tengan mayor problema con su fuente de energía como el transporte urbano de pasajeros (omnibus).

La norma DVB-T y la ISDV-T son variantes de la ATSC y muy similares entre si. Solo se diferencian en su adaptabilidad a los servicios móviles y a la incorporación de nuevos servicios. Pero fueron cambiados algunos parámetros fundamentales para que puedan considerarse normas diferentes y evitar de este modo el pago de regalías.

Lo importante para nosotros es que en las tres normas la información de datos se envía como modulación de una portadora que fue dejada en las mismas frecuencias actuales. Eso significa que los receptores funcionan de un modo similar hasta que se llega al demodulador en donde si comienza la diferencia. Es decir que nuestra próxima etapa de estudio; el receptor superheterodino que tiene vigencia desde hace 100 años seguirá vigente por mucho tiempo más y se impone su estudio como si fuera la más moderna innovación tecnológica.

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28/ Receptor SuperheterodinoEl receptor superheterodino es un diseño de amplificador de RF utilizado casi universalmente en todo equipo receptor, que deba comunicarse por aire o por cable con un conjunto de transmisores, o inclusive para la comunicación con un transmisor único.

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Entre otros, tienen forma de receptor superheterodino las radios de AM de FM los TVs de todo tipo, los receptores de comunicaciones etc. etc. El lector debe recordar que comenzamos nuestras experiencias practicas con una radio a galena y que con ese sencillo dispositivo podíamos seleccionar una radio en particular de las muchas que llegan por el aire a nuestro receptor.

Recuerde que cada radio posee una frecuencia característica por la cual se comunica con sus radioescuchas y que debíamos variar la capacidad de nuestro tándem de sintonía para seleccionar una radio particular y rechazar las otras. Seguramente el alumno realizo las prácticas y debe haber observado:

Muchas veces se mezclaban las emisoras adyacentes sobre todo si una ingresaba a la antena con mucha energía y la otra lo hacia débilmente.

Solo se escuchaban las emisoras más potentes y más cercanas. Las lejanas ingresaban muy débilmente. Por esa razón agregamos un transistor amplificador con el que se podían recibir algunas emisoras más.

Este circuito de un transistor utilizaba dos circuitos resonantes. Uno en la bobina de antena y otro como carga de colector del transistor. Y cada circuito tenía su propio capacitor de sintonía; es decir dos capacitores montados sobre un mismo eje que se llamaba Tandem.

El lector se debe imaginar que esos capacitores deben variar en forma muy pareja para lograr que los dos circuitos sintonizados resuenen a la misma frecuencia. Por lo general esto es imposible de conseguir y hay que utilizar algún circuito que nos permita realizar un ajuste de las diferencias entre los capacitores en tándem.

Pero un receptor con un solo transistor amplificador no alcanza para obtener la sensibilidad que posee un receptor moderno. En los comienzos de las radios a válvulas  llegaron a utilizarse tándenes de hasta 5 secciones; si consideramos como vamos a ver después que cada sección posee dos ajustes entonces la calibración total posee 10 ajustes que es una imposibilidad desde el punto de vista económico para las producciones del tipo Asiático que buscan minimizar la cantidad de operarios.

A continuación vamos a analizar como se realiza el ajuste de una radio de dos transistores y tres secciones para luego ingresar directamente al mundo de un superheterodino.

Ajuste del receptor de 2 transistores

En la figura 1 se puede observar un circuito simulado con un transistor que nos permitirá comprender la complejidad de la calibración del equipo.

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Fig.1 Radio de AM de 1 transistor

Como opera la sintonía de esta radio; en principio hay dos circuitos sintonizados con el primario de T1 y T2 que fueron modificados para llevar su inductancia de magnetización a un valor de aproximadamente 200 uHy. En Multisim,  picando sobre el símbolo con el botón de la izquierda del mouse y luego seleccionando “edit mode” para que salga el programa del transformador TS_RF. Dentro del programa se debe entrar en Lm y modificar la última columna a 200e-006H. Esta inductancia de primario resuena con C1 o con C5 con C2 o C4 en paralelo.

Ambos son capacitores variables; C1 y C5 se mueven en tándem cuando el usuario desea sintonizar una emisora. C2 y C4 son ajustables con un destornillador perillero por el reparador. Los transformadores y los capacitores variables del Multisim tiene el valor exacto que uno les asigna, pero eso no ocurre en la realidad. Por eso para ajustar esta radio se debe realizar una operación iterativa que lleva varios minutos de trabajo.

Comencemos explicando que la banda de OM (Onda Media, más conocida en la Argentina como de OL u onda larga) va desde 530 a 1600 KHz.

1. Siempre se debe comenzar el ajuste colocando los capacitores C2 y C4 en su posición central (al 50%). Y los capacitores C1 y C5 a máximo valor.

2. Luego debe medir con un tester digital la prepolarización generada por R5 y R4 sobre C7 que es del orden de los 0,9V.

3. Luego debe conectar un generador de RF sin modular sobre la entrada de antena o irradiar con una bobina irradiante una señal de 530 KHz de una amplitud tal que la tensión continua sobre C7 suba unos 100 mV.

En el mundo real T1 y T2 tienen un núcleo ajustable de ferrite. En la simulación los transformadores no tienen esa posibilidad y entonces se deben agregar inductores variables, en serie con otros fijos y ambos en paralelo con los primarios, para simular un transformador que tenga una inductancia de magnetización variable. En la figura 2 se puede observar el circuito modificado con el agregado de LV1 y LF1 sobre T1 y LV2 y LF2 sobre T2.

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Fig. 2 Circuito con la inductancia de primario variable

1. Lo primero que hay que hacer es modificar la inductancia de magnetización de los dos transformadores a un valor de 2 mHy (en la nomenclatura del Worbench sería 2e-3H) para que no influya sobre el circuito. Ahora todo se maneja con LV1 y LV2.

2. Ahora si se puede realizar el primer ajuste que consiste en modificar ambos inductores buscando la máxima salida de continua. Si la tensión sobre C7 aumenta mucho reduzca la salida del generador de RF y vuelva a justar LV1 y LV2.

3. Ahora lleve el tanden a mínima capacidad; cambie la frecuencia del oscilador a 1600 KHz y ajuste los capacitores C2 y C4 que se llaman “trimers”  (literalmente: enroscado) siempre a máxima tensión continua de salida.

4. Si ahora vuelve a realizar el primer ajuste se encontrara que está corrido porque C2 y C4 modifican levemente al ajuste en 530 KHz. Ajuste nuevamente los inductores LV1 y LV2. Luego vuelva a ajustar los trimers y así sucesivamente hasta lograr que no haga falta reajustar los inductores. Ahora se puede dar por ajustado el sistema.

En este caso el ajuste es relativamente sencillo pero el receptor solo posee la ganancia de una sola etapa amplificadora. Al agregar más transistores y transformadores de RF el problema se complica. Lo típico es utilizar 4 transistores y entonces nos encontramos con 8 ajustes.

Además la ganancia depende del factor de calidad de las bobinas y es imposible adecuarlo a toda la banda de frecuencias. Esto significa que las emisoras que están en las puntas de banda siempre tienen menos salida que las que están en el centro.

Los osciladores de radiofrecuencia

Un bloque oscilador es una etapa que entrega una señal de salida de RF sin necesitar el ingreso de otra. Es decir que es un circuito electrónico que permite generar una señal de frecuencia y amplitud relativamente constante.

Un oscilador es un amplificador realimentado.

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Cuando analizamos los amplificadores de audio utilizamos la realimentación negativa sobre un amplificador para estabilizar sus características. La realimentación positiva realiza una operación inversa a la negativa.

Un amplificador con realimentación negativa tenía menos ganancia que uno sin realimentación

Un amplificador con realimentación positiva tiene más ganancia que el amplificador sin realimentar

En la figura 3 se puede observar un oscilador clásico llamado Hartley por el científico que trabajó con el.

Fig.3 Oscilador Hartley

Un oscilador comienza a oscilar por el pulso de polarización del circuito o por algún pulso de ruido que aparezca en la base del transistor. Cuando se aplica la tensión de fuente VCC, el capacitor C2 se encuentra descargado y por lo tanto la base conectada a través del primario de T1 y R2 no tiene tensión. En ese estado Q1 esta cortado y no circula corriente por el bobinado secundario de T1.

Un instante después C2 tiene suficiente carga para que T1 conduzca y al hacerlo comienza a circular corriente de colector generando un pulso hacia abajo de la tensión de colector. Dado que el bobinado de base se encuentra invertido esto significa que la base tiene un pulso positivo que refuerza la conducción del transistor. Estos pulsos de energía excitan al circuito oscilante formado por el primario de T1 y C1 y las variaciones de corriente de colector comienzan a tomar una forma senoidal característica de un circulito LC. La señal sigue una forma senoidal creciente hasta que se satura la base de Q1 y deja de crecer.

Dada la acción del circuito resonante podemos observar que se obtiene una senoide prácticamente pura en el colector, de 5V de pico (el potencial de fuente) apta para excitar a otros circuitos. Con la derivación del bobinado de colector o agregando u pequeño resistor en emisor se puede conseguir una tensión de salida mas pequeña.

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Condiciones de oscilación

Un científico llamado Barkhausen analizó las condiciones para que un circuito se comporte como un oscilador enunciando lo que llamó “Condiciones de oscilación”. Para entenderlas vamos a aplicarlas a nuestro oscilador Hartley.

La primera es la condición es la de ganancia; ella implica cortar el lazo de realimentación en algún punto sin afectar la polarización y agregar un generador de RF.

Fig.4 Medición de las condiciones de Barkhausen

Observe que para cortar el circuito fue levantado el resistor R2 y conectado a un generador con la misma frecuencia a la que se producía la oscilación. Para mantener la polarización al generador se le ajustó la tensión de bias en el mismo valor que tenia el capacitor C2 del circuito original. Los oscilogramas se toman sobre el generador agregado y el lugar donde antes estaba conectado R2 y se observa que el valor realimentado sea superior al del generador. En este caso se realimentan 20V de pico y se aplica 1V de pico. Esto indica que sobra energía para mantener la oscilación cumpliéndose la condición de amplitud.

La segunda condición es la de fase y a pesar de que existe un pequeño desfasaje entre las señales, se observa que las dos señales tienen prácticamente un desfasaje de 0º  lo que asegura que la realimentación es positiva.

Los conversores de frecuencia

Cualquier dispositivo alineal al que se le inyecten dos señales senoidales genera múltiples componentes de salida que incluyen a cada una de las dos señales, la suma de las dos señales, la diferencia y todas las armónicas de las mencionadas señales.

Este dispositivo alineal con un adecuado filtro de salida que seleccione una de las componentes generadas se transforma en un conversor de frecuencias. El dispositivo

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alineal más simple es el diodo que deberá ser explorado en la parte mas curva de sus características. En la figura 5 se puede observar un circuito de demostración.

Fig.5 Conversor de frecuencia a diodo

Aquí podemos observar el resultado de modular la característica curva del  diodo D1 con una señal de 1,5 MHz mediante un resistor de 100K y un generador de funciones y agregar una señal para ser convertida en frecuencia con una elevada resistencia de 1 MOhms. El diodo puede ser considerado como una resistencia que esta variando desde un valor mínimo a uno máximo, al ritmo de la corriente de la señal de 1,5 MHz. Aunque la resistencia no sea constante siempre se cumple la ley de Ohms que indica que

V = R x I  V

es la tensión sobre el diodo e I es en este caso la corriente producida por la señal a convertir (la que circula por R2). Si R fuera fijo (reemplazar al diodo por un resistor) el producto solo tendría una componente de 1 MHz. Pero cuando R varia a un ritmo de 1,5 MHz la tensión V es el producto de dos números que varían en forma senoidales y matemáticamente se puede demostrar que aparecen componentes suma, diferencia y armónicos.

A la señal V se la llama poliarmónica y en el circuito se la filtra con el circuito resonante L1 C1 que resuena a 500 KHz, anulando el resto de la poliarmónica como puede apreciarse en el oscilograma correspondiente y en el frecuencímetro. Es cierto que la señal de 500 KHz aparece distorsionada pero eso se debe a que el filtro LC tiene algo de respuesta a la componente fundamental de 1,5 MHz. En los circuitos reales el filtro está formado por varias etapas amplificadoras sintonizada que eliminan todas las componentes espurias.

Antes de dejar de lado al conversor es interesante mostrar el oscilograma de tensión sobre el diodo para comprobar como se modula su característica curva.

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Fig.6 Oscilograma de modulación de resistencia sobre el diodo

El proceso de heterodinaje

Con los conocimientos adquiridos sobre el oscilador y el conversor de frecuencia vamos a analizar el funcionamiento de receptor superheterodino. La frecuencia de la emisora deseada más todas las demás frecuencia de la banda son captadas por la antena; de todas ellas el circuito resonante de antena selecciona la emisora deseada por medio de una sección del tanden doble y atenúa a las demás. Esta señal se envía al circuito conversor como señal de antena.

Por separado se construye un oscilador con la otra sección del tanden, que oscila a una frecuencia 455 KHz mas alta que la señal de antena. Esta señal se envía al conversor como señal de modulación de resistencia o mas comúnmente del “oscilador local”. El conversor realiza el producto de modulación de ambas señales, generando una poliarmónica. De ella se extrae la señal diferencia con un filtro de 455 KHz de varias etapas. A esta señal se la llama señal de FI (Frecuencia Intermedia).

En la figura 7 se puede observar el diagrama en bloques de este receptor.

Fig.7 Diagrama en bloques de un receptor superheterodino

Solo nos faltan por conocer algunos bloques que hasta este momento no fueron necesarios aplicar. El receptor supeheterodino puede tener una sensibilidad muy alta debido a la enorme amplificación que proveen las tres etapas amplificadoras de FI y el

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amplificador de antena. Considere que las amplificaciones calculadas en veces se multiplican y en promedio podemos calcular que una amplificación de 100 veces es algo común para un amplificador sintonizado. Con tres etapas tenemos una amplificación total de 100 x 100 x 100 = 1.000.000 lo que significa que para una salida del diodo detector de 2 o 3 V, la sensibilidad de la radio es de 2 o 3 uV. En realidad el conversor tiene una perdida de conversión por lo que lo normal son las sensibilidades del orden de los 10 uV.

Esto significa que se podrán escuchar emisoras muy lejanas o de poca potencia pero también significa que las emisoras cercanas pueden saturar a los amplificadores de FI y la radio funcionaría con distorsión.

Control automático de ganancia (AGC)

Para evitar este problema se utiliza una etapa llamada “Control Automatico de Ganancia” o sus iniciales “CAG”; en ingles se indica como AGC (Automatic Ganance Control). Esta etapa basa su funcionamiento en la tensión continua que detecta el diodo detector, que se utiliza rectificando el semiciclo negativo. Es decir que a mayor ingreso de señal por la antena le corresponde una tensión continua negativa rectificada mayor.

La polarización de los transistores amplificadores de FI se realiza de modo que esta tensión continua participe de la misma, esto significa que cuando ingresa una señal intensa la polarización de los transistores es baja y las etapas de FI amplifican muy poco. Por lo contrario cuando se genera poca tensión negativa los amplificadores de FI funcionan a plena ganancia.

Funcionamiento a nivel de diagrama en bloque

El circuito de antena es un amplificador sintonizado a la frecuencia de la emisora a recibir. Por lo tanto debe ser posible ajustarlo entre 530 y 1600 KHz y debe estar controlado por el “CAG”. No todas las radios poseen este amplificador. En realidad solo lo poseen los receptores del tipo profesional como el Zenith Transocianic y otros similares; de estos receptores se dice que posee “etapa de alta” (refiriendose a alta frecuencia, como que es superior a la FI). En todos los casos las viejas antenas del tipo chicote o las antenas de cuadro pasaron a la historia junto con las válvulas.

Los receptores a transistores poseen una antena interna llamada antena de ferrite. Se trata de una bobina enrollada sobre un cilindro de ferrite de 8 a 12 mm de diámetro y entre 10 y 25 cm de largo. Cuando mayor es el volumen de la antena mayor es el campo electromagnético capturado por la misma. El problema es que esta antena es direccional y muchas veces se debe girar un poco el receptor cuando la emisora cae justo en los dos puntos ciegos de la antena. Pero si se trata de un centro musical no hay posibilidades de girarlo y entonces se vuelve a la vieja antena de cuadro que se conecta en forma externa al equipo, montada sobre una pared o apoyada en un pedestal de plástico.

En realidad el nombre de bobina de antena está mal utilizado, porque se trata de un transformador sintonizado en el primario con un secundario para conectar a la base del

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transistor amplificador de la etapa de alta o directamente a la base del conversor en caso de que no posea dicha etapa.

El circuito de antena debe estar correctamente sintonizado a dos frecuencias de la banda; una baja (680 KHz) y otra alta (1250 KHz). En el resto de las frecuencias se acepta un mínimo desajuste.

El circuito oscilador debe oscilar a una frecuencia 455 KHz por arriba de la de antena. Se puede demostrar matemáticamente que si las dos secciones del tanden son iguales no se puede lograr que se produzca una diferencia de frecuencia fija. Es decir que si el tanden es de dos secciones de 310 pF y se utilizan diferentes bobinas para lograr que cuando la antena este en 530 KHz la osciladora esté en 985 KHz  (530+455); luego cuando se abra por completo el tanden las frecuencias no van a ser 1600 y 2055 (1600 + 455) sino un valor menor a este.

El error va aumentando a medida que aumenta la frecuencia de la emisora. Para evitar este problema hay dos alternativas:

la primera es utilizar lo que se llama un tanden recortado que tiene las chapas de la sección osciladora mas pequeñas y con una forma que compensa el error

la otra es utilizando un tanden de secciones iguales, con un capacitor en serie con una de las secciones para compensar la falla y utilizar esta serie como capacitor del oscilador

El capacitor en serie se llama “Padder”. Esta segunda solución presenta errores acotados en la sintonía que se consideran aceptables. Estos errores se llaman errores de “Traking” (literalmente “arrastre”).

En la figura 8 resumimos esta parte del circuito con los nombres típicos de los componentes.

Fig.8 Circuitos de entrada de una radio superheterodino

Conclusiones

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En esta entrega presentamos lo que podríamos llamar el primer receptor comercial de la era moderna. Antes del supeheterodino casi en cada casa había una radio de las llamadas  “Capillita” con tandem de 4 o 5 secciones que tenían mas aluminio que un motor de moto. A partir del supeheterodino las radios funcionaban bien y eran mucho más chicas.

Dejando el punto de vista histórico el superheterodino es la base de todo equipo de comunicaciones moderno, analógico o digital y yo les insisto a mis alumnos que si desconocen su funcionamiento se dediquen a otra cosa. En la próxima entrega vamos a presentar un circuito comercial de una radio a transistores moderna que nos va servir para repasar el funcionamiento y para aprender a reparar con método. La mayoría de los reparadores trabaja “cambiando y probando”; es decir que juegan a la lotería sin pensar en lo que hacen. Si aciertan de entrada con el componente dañado trabajan poco y si no, trabajan mucho y probablemente rompan lo que está sano, con tanto cambio.

Este curso es la antitesis de ese criterio y me siento orgulloso de decir que dada la cantidad de gente que ingresa a la página estoy logrando cambiar lentamente la realidad y logrando que los reparadores vuelvan a estudiar los principios de la electrónica aplicando un método de reparación.

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29/ Análisis de la radio Spica ST600En los años 70 quien no tenía una Spica. Asi simplemente porque la marca superaba al objeto y al decir Spica todos sabían que era una radio a transistores de pequeño tamaño. Como no existía la FM no hace falta decir que esta radio solo captaba señales que en ese tiempo decíamos de “onda larga” o OL porque existían emisoras de onda corta u OC que rebotaban en la ionosfera y permitían las comunicaciones a grandes distancias. Pero la Spica no conocía esos lujos, era una radio económica; tal vez el primer producto Japonés que competía en el mundo entero por la primacía del mercado.

La Spica estaba fabricada por la Sanritsu Electronic Co. Ltd. del Japón que hoy es una empresa dedicada a la electrónica industrial y los videojuegos. La Spica funcionaba con 4 pilas 915 cubriendo la banda de 535 a 1605 KHz. Tenia 6 transistores 5 bobinas y 2 transformadores y venia provista de audífono y funda de cuero.

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¿Qué importancia tiene aprender a arreglar una radio fabricada hace 40 años?

No tiene una importancia económica (salvo que Ud. se dedique a la electrónica antigua) pero tiene una enorme importancia desde el punto de vista didáctico. Y les aclaro que hay muchos ingenieros en electrónica, que jamás realizaron la experiencia de reparar una radio a transistores ni aun los provenientes de las escuelas industriales de electrónica porque ninguna de los programas de estudio (por lo menos de la Argentina) considera suficientemente importante el hecho de reparar un superheterodino.

Yo considero que un técnico tiene que reparar con un método práctico una radio de estas características porque caso contrario no puede entender como funciona ningún equipo que establezca una comunicación entre un transmisor y un receptor. Y lo debe hacer sin más instrumento que un tester digital y un oscilador casero; además debe saber ajustarlo y entender para que sirve cada uno de sus componentes y como actúan en caso de cambiarles su valor.

En lo que sigue vamos a tratar a este equipo con tanto respeto como al más moderno TV a LCD para irnos acostumbrando a crear un “método”.

La Spica por fuera y por dentro

En la figura 1 se puede observar esta radio en su gabinete de plástico con aplicaciones de aluminio anodizado brillante y dial de plástico transparente. En la parte superior se puede observar una perilla embutida que es el control de volumen. Este además oficia de interruptor cuando se lleva el volumen mínimo. En el frente a la derecha se observa un perilla transparente de grandes dimensiones que opera como dial indicador de frecuencia. Su centro, con el logo de la marca, es en realidad la cabeza de un tornillo que sujeta el dial y al sacarlo se observan dos tornillos de cabeza frezada que sujetan la plaqueta al gabinete.

Fig.1 Frente de la Spica ST 600 (El logo de esta foto no es el original)

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En la figura 2 se puede observar el estuche de cuero con correa de transporte y el estuche del audifono.

Fig.2 Presentación final de la radio (con el logo original)

Pero lo que mas nos interesa es su interior que podemos observar en la figura 3.

Fig.3 Aspecto del interior de la radio

Siguiendo el camino de la señal podemos decir que las emisoras ingresan por la antena de ferrite ubicada en el lado inferior y son sintonizadas por el tándem que se encuentra a la derecha al centro.

La bobina roja es del oscilador local y a su lado se encuentra un transistor de Germanio con encapsulado metálico que oficia de oscilador y conversor al mismo tiempo.

La bobina amarilla es la primer bobina de FI que opera como carga sintonizada del conversor.

El transistor siguiente es el primer amplificador de FI y transistor del control automático de volumen, cuya carga de colector es la bobina blanca.

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El siguiente es el último transistor de FI que tiene como carga a la bobina azul en cuyo secundario se encuentra el diodo detector de Germanio.

El potenciómetro de control de volumen no se ve porque esta tapado por la bobina de ferrite pero si se puede observar unos de sus tornillos de anclaje a la plaqueta, a la derecha del transistor preamplificador que está sobre la antena.

El transformador driver es el de abajo a la izquierda y el de salida esta arriba a la izquierda.

En el medio de los transformadores se encuentra los dos transistores de salida de audio.

Y el rectángulo plateado es el circuito magnético del parlante.

El ciruito de la Spica SC 600

En la figura 4 se puede observar el circuito original de esta radio. Posiblemente muchos de mis lectores se extrañaran de que el circuito este dibujado a mano pero es que esa época no existían los laboratorios virtuales como el Multisim.

Fig.4 Circuito de la radio Spica ST 600

Observe que los transistores son todos PNP y que por esta razón el fabricante conectó el positivo de las pilas a masa. Los transistores NPN de germanio son difíciles de fabricar porque el material que agrega las impurezas es exótico y muy caro. Hasta que se fabricaron transistores de silicio se prefería usar materiales de germanio tipo P.

El lector no se debe preocupar por estas circunstancias ya que conectando el positivo del tester a masa las tensiones son equivalentes a las de un equipo con transistores NPN. También se debe considerar que la barrera del Germanio es solo de 150 mV.

En realidad el equipo puede separarse en tres grandes bloques que son:

el bloque de audio a la derecha del control de volumen el bloque de FI entre la primer bobina de FI y el control de volumen el bloque conversor desde el transistor T1 hacia la izquierda

A continuación vamos a explicar el funcionamiento de cada uno de los bloques.

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El bloque conversor

En el diagrama en bloques de la lección anterior el transistor oscilador y el conversor estaban separados y existía una etapa amplificadora de antena; pero en los receptores económicos se anula el transistor amplificador de antena y el oscilador y el conversor se juntan en un solo transistor en este caso T1.

Comencemos analizando al transistor T1 en su función osciladora. Como podemos ver la realimentación positiva se logra con un método equivalente al que ya conocemos que es la realimentación de colector a base. Aquí se utiliza una realimentación de colector a emisor.

En efecto el lector debe en principio suponer que el bobinado de colector esta conectado directamente a la fuente negativa de 6V. En realidad no es así, pero como la primer bobina de FI esta sintonizada a 455 KHz y el oscilador va de 520 + 455 = 975 a 1600 + 455 = 2055 (prácticamente de 1 a 2 MHz) la bobina de FI es como un cortocircuito porque esta fuera de banda. Este bobinado ahora conectado de fuente a colector induce tensión en el circuito resonante que posee una derivación de muy pocas vueltas, conectada al emisor para la corriente alterna, por el capacitor de .005 uF.

Ahora debemos hacerle suponer que la base está conectada a masa para la corriente alterna. En realidad no es así, pero el circuito resonante de antena varía de 530 a 1600 KHz es decir siempre 455 KHz mas abajo que la frecuencia del oscilador y a esas frecuencias tan alejadas de la resonancia el bobinado de base esta prácticamente conectado a masa y la reactancia capacitiva del capacitor de .05 uF es casi nula.

En lo que respecta a la CC, T1 esta conectado a un divisor formado por 20K a los 6V y 5K a masa. En otras circunstancias utilizaríamos el simulador Multisim para calcular las tensiones de base, emisor y colector, pero en la librería no encontramos transistores de germanio y entonces vamos a realizar un calculo con la calculadora. Por otro lado no viene mal repasar algo de divisores de tensión.

Vb = -6V . 5K/ (20K + 5K) = -1,2 V

Ve = Vb + 0,3 = -0,9V

Vc = -6V + (Ie . Rc) = -6V + (0,9/2K) . 0 = -6V + (0,45 mA) . 0 = -6V

Con estas tres formulas, podemos calcular la polarización para todo transistor que tenga un beta superior a 100 con un 1% de precisión; harto suficiente para nuestro caso. Ya sabemos como resolver el circuito y cual es su polarización pero no cómo oscila.

1. Cuando encendemos la llave el capacitor de .05 uF esta descargado y T1 no tiene corriente.

2. Un instante después el capacitor se habrá cargado a 300 mV y comenzara a producirse una corriente de colector que va en aumento. Esta corriente genera un

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campo magnético en el interior de la bobina que genera una tensión negativa en la derivación para el emisor (por supuesto si los bobinados tienen el sentido correcto).

3. Bajar el emisor con la base fija, incrementa la corriente de colector y así se produce la realimentación positiva.

4. El bobinado sintonizado hace que esta realimentación se produzca a la frecuencia de sintonía de la bobina osciladora, con el tándem, que es del tipo recortado, porque no observamos la existencia de un padder.

5. El trimer en paralelo con el tándem se encarga de ajustar el extremo superior de la banda en 2055 KHz cuando el tándem está a mínimo y el mismo tándem con la bobina, en 975 KHz cuando está a máxima capacidad (se ajusta con el núcleo de la bobina).

6. Podemos decir que la disposición de T1 no tiene mayor importancia mientras se cumplan las reglas de Barkhausen. Si levantamos el capacitor de .005 uF y lo conectamos a un generador de 1,5 MHz con 10 mV de señal y sintonizamos el tándem a máximo nivel sobre la derivación, la señal medida debe ser superior a 10 mV y la fase debe ser la misma.

Podemos agregar que un exceso de realimentación positiva es nocivo para el circuito porque se deforma la señal del oscilador local y eso implica que se generan armónicas de orden superior. Esas armónicas se baten también con la señal de antena y puede generar frecuencias de FI que se suman a la de la emisora deseada.

El funcionamiento como amplificador de RF es realmente muy simple.

1. Cuando la bobina de antena está debidamente orientada y sintonizada en el bobinado de base aparece la señal de la emisora deseada con bastante más amplitud que las emisoras no deseadas.

2. Esa señal se aplica a la base de T1 que ya está debidamente polarizado y es amplificada por éste generando una componente de corriente de colector.

Para casos en que la radio se encuentre en un lugar con baja señal (por ejemplo un galpón metálico) se agrega una conexión para una antena exterior de cable, como la que utilizábamos en la radio a galena.

Esta bobina del transformador de antena se llama bobina de antena externa y puede resultar muy útil para usar la radio como instrumento de prueba. Por ejemplo para detectar si un tubo fluorescente de un TV a LCD se encuentra encendido acercando el cable de antena externa al cable del tubo. Si el tubo esta encendido genera una fuerte interferencia sobre las emisoras y si esta apagado la interferencia es mucho menor.  Nota: en muchos TV los tubos están blindados y no se los puede observar en forma directa.

La componente de corriente del oscilador local es siempre mucho mas importante que la corriente de la emisora y por lo tanto en el colector se genera una poliarmónica con múltiples frecuencias que son filtradas por la primer bobina de FI que de todas las componentes separa la de 455 KHz, completando el funcionamiento del conversor.

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El bloque de FI

La primer bobina de FI selecciona la señal de FI de la poliarmónica y la envía a la base de T2 por un bobinado secundario adaptador de impedancias. En efecto sobre el primario sintonizado a la frecuencia de resonancia existe una impedancia muy alta (en esta bobina se agrega un resistor de 100K o de 250K en paralelo para reducirla a un valor aceptable). Si sobre esa impedancia se conecta directamente la base de T2 que es del orden de los KOhms se carga demasiado al circuito resonante; tanto que deja de presentar un efecto selectivo sobre la poliarmónica. Un bobinado secundario de pocas vueltas mantiene la selectividad y aporta suficiente señal a la base del transistor.

Y junto con la señal llega la tensión continua para polarizar la base mediante el resistor de 250K a los -6V. El resistor que debería formar el divisor es en este caso el propio potenciómetro de control de volumen. Es decir que tendríamos una tensión de base calculada como en el caso anterior de – 0,23V.

Con esta tensión el transistor T2 apenas esta conduciendo y se encuentra a máxima ganancia. Si la emisora que ingresa es de muy baja potencia la FI amplifica al máximo. Pero si es una emisora cercana, genera mucha tensión positiva sobre el capacitor del diodo detector que se opone a la provista por el resistor de 250K a -6V y T2 se corta por completo reduciendo la ganancia de la FI. Este sistema fue mencionado como control automático de ganancia o CAG.

En este caso la tensión de emisor y la de base no son fijas; pueden variar de emisora en emisora y como el transistor apenas esta conduciendo la tensión de emisor varía desde 0V a -100 mV aproximadamente. La tensión de colector no cambia, siempre es de -6V porque no existe una resistencia apreciable entre el colector y la fuente.

El capacitor de .04 uF sobre el emisor, conecta el emisor a masa para la CA y garantiza que el transistor tenga su ganancia máxima. El capacitor de 15 pF desde la base al vivo del circuito sintonizado se llama capacitor de neutralización. Si analizamos bien la fase, nos encontramos que el vivo del circuito sintonizado tiene un desfasaje de 180º con respecto al colector porque ambos puntos están opuestos por la fuente conectada a la derivación.

Como el transistor también invierte 180º entre la base y el colector se cumplen los 360º indicados por Barkhausen para producir una oscilación. Pero la idea no es precisamente esa; lo que se pretende es neutralizar la perdida de señal que se produce por el capacitor interno de T2 existente entre el colector y la base y que por ser una realimentación negativa reduce la amplificación. De esta forma el transistor funciona al máximo de amplificación porque las realimentaciones negativa y positiva se neutralizan entre si.

Finalmente la tercer etapa de FI es en todo similar a la segunda, salvo por el hecho de no esta controlada por el CAG y porque esta polarizado con una considerable corriente de colector, que pasamos a calcular. La tensión de base se calcula resolviendo el divisor formado por el resistor de 20K junto con el de 3K a masa que da -0,78V. El emisor tendrá

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una tensión 300 mV menor es decir 0,48V lo que genera una corriente de colector de aproximadamente 0,5 mA. En este caso hay una resistencia de colector a fuente para la CC que es de 300 Ohms y sobre el caerán 300 . 0,5 mA = 150 mV es decir que la tensión de colector es de 5,85V.

Si Ud. recuerda el receptor de un solo transistor, se debe estar preguntando si el diodo del superheterodino también necesita una prepolarización para vencer su barrera; y la respuesta es que si. La prepolarización es al mismo tiempo la tensión de polarización de base de T2 que como recordará era de – 0,23 V.

Los capacitores de .04 uF de emisor y de 5 pF de neutralización no requieren explicación alguna. El capacitor de .04 desde el resistor de 300 Ohms a masa sirve para derivar la señal de FI a masa existente en la derivación de la bobina de FI.

Y por ultimo nos queda por explicar para que sirve el capacitor electrolítico de 30 uF conectado sobre la tensión de CAG. Ocurre que las señales de RF están moduladas en amplitud por el audio, pero no podemos permitir que la tensión de polarización de T2 varíe con la modulación. El capacitor por lo tanto evita que la tensión de base tenga variaciones rápidas; solo permite que la tensión cambie lentamente al cambiar de emisora.

La etapa amplificadora de audio

La industria electrónica se caracteriza por sufrir rápidos cambios en lo que respecta a la economía de producción. En el momento actual las enormes escalas de producción requieren la menor cantidad posible de mano de obra humana. Todo lo que se pueda robotizar será bienvenido. En la época del 70 el caso era totalmente distinto. La mano de obra era abundante y económica y las escalas de producción eran enormemente más pequeñas porque cada país tenía su industria electrónica local que competía en precio y calidad con la industria Japonesa (única en el oriente en ese momento).

Los componentes bobinados estaban a la orden del día, porque se fabricaban localmente (con materiales importados). Si Ud. observa el circuito con detenimiento, verá que tiene más bobinas y transformadores que transistores. En efecto esta radio solo tiene 6 transistores pero tiene 7 componentes bobinados. Y esto no es casual; los transistores eran muy caros comparados con una bobina de FI (caigo en la cuenta que en todo este capitulo escribí “bobina” donde debiera haber escrito “transformadores” pero en aquella época a los transformadores de FI se los llamaba bobinas de FI).

El amplificador de audio está compuesto por 3 transistores T4, T5 y T6 y dos transformadores, el driver y el de salida. Analicemos el transistor driver T4.

Para comenzar imagínese que la resistencia y el capacitor de emisor están conectados a masa. Por el mismo método empleado hasta ahora podemos calcular las tres tensiones características y la corriente de colector de T4.

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La tensión de base es de -1,71V y la de emisor 300 mV menos es decir 1,41V. Esto significa que la corriente de emisor es de 0,7 mA. Lo que no podemos saber con seguridad es la tensión de colector porque no sabemos cual es la resistencia del bobinado de colector a la CC. Si la estimamos en 200 Ohms podemos decir que la tensión de colector es de 5,85V aproximadamente. En un caso real Ud. puede medirla con el tester usado como óhmetro

El emisor no esta realmente conectado a masa; en efecto está conectado al secundario del transformador de salida (sobre el parlante o el audífono) mediante un divisor de tensión por 100 formado por un resistor de 1K y otro a masa de 10 Ohms.

Los bobinados están devanados de tal modo que este divisor genera una realimentación negativa. Como la ganancia del amplificador es mucho mayor que 100 se puede demostrar que la ganancia total con realimentación incluida es igual a la inversa del atenuación de realimentación es decir “A” o “G” es igual a aproximadamente 100 veces.

Solo nos queda por explicar el funcionamiento de la etapa de salida con los transistores T5 y T6.

1. La corriente del transistor driver al circular por el primario genera un campo magnético continuo para la polarización; mas otro variable para la señal.

2. El campo continuo no concatena tensión en el secundario pero el de la señal si, al que se le suma una polarización continua provista por el divisor de 5KOhms y 200 Ohms que nos permiten calcular que las tensiones de base son de 0,24V con lo cual T5 y T6 están a punto de conducir o conduciendo levemente.

3. Cuando la señal es positiva en una de las bases, es negativa en la otra y viceversa. Esto implica que los transistores conducen por turno dando lugar al nombre de push-pull (tira y afloja). El resistor de 30 Ohms ayuda a estabilizar la corriente por los transistores contra las variaciones de temperatura.

Nuestros lectores saben que la tensión de base de un transistor varía a razón de -2,5 mV/ºC. Esto implica que la corriente de colector de los transistores puede aumentar con la temperatura. Si aumenta también lo hace la tensión de emisor y de ese modo se obtiene una realimentación negativa que estabiliza el funcionamiento.

El transformador de salida aplica a la carga la corriente que circula por la mitad correspondiente del transformador. ¿Para que sirve esta disposición tan particular de circuito? Para varias cosas:

La circulación de corriente por ambos bobinados del transformador de salida significa que no hay un campo magnético resultante porque ambos campos se restan. Esto significa que el transformador puede ser mas chico porque no requiere entrehierro.

Por la misma razón las componentes armónicas productos de la distorsión se anulan entre si y el amplificador es mas lineal.

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Al usar dos transistores se puede sacar el doble de la potencia de salida sin que estos se recalienten.

Se simplifica el circuito de realimentación porque los componentes bobinados permiten elegir la fase negativa fácilmente.

El capacitor de .04 uF conectado entre los dos colectores es un corte de agudos del amplificador. Su función principal es limitar el ancho de banda solo al audio ya que su ausencia genera emisión de armónicos (sobre todo cuando el amplificador recorta) que se pueden inducir en la antena generando una interferencia que se llama audio/radio y que genera como un campanilleo que acompaña al sonido.

El último componente que aun no explicamos es el Jack para el auricular; es una construcción con un interruptor mecánico. Al ingresar la clavija esta levanta el contacto hacia el parlante y conecta el transformador al audífono.

La tabla de tensiones

Con todos los datos obtenidos nosotros podemos construir una tabla de tensiones y corrientes muy útil para realizar la reparación de nuestro receptor

Transistor V emisor V base V colector I colectorT1 -0,9V 0,05V -6V 0,45 mAT2 0 a -0,1V -0,23 a -0,33V -6V 0 a 0,2 mAT3 -0,3V -0,78V 5,85V 0,5 mAT4 -1,41V -1,71V 5,85V 0,7 mAT5 0,05V -0,24V -6V 50 uAT6 0,05V -0,24V -6V 50 uA

Tabla de tensiones y corrientes continuas de polarización

Nota: en la tabla se indica la verdadera polaridad de las tensiones: pero si Ud. usa un tester de aguja debe conectar el negativo del tester a masa para observar la deflexión de la aguja.

Reparando la Spica  ST-600

Reparar es un arte; y hay que tener condiciones muy especiales para desarrollarlo. Conozco muchos técnicos con un bagaje muy grande de conocimientos teóricos pero totalmente incapaces de reparar una radio clásica. En nuestro curso nos aplicamos en enseñarle a reparar; el conocimiento teórico es muy importante pero no enseñarle sus aplicaciones es un pecado que no voy a cometer.

¿Por qué es un arte? Porque cuando Ud. esta frente a un equipo dañado está solo con su conocimientos y su instrumental y debe realizar un diagnostico preciso empleando el menor tiempo posible.

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Un ejemplo vale más que mil palabras. Imaginemos que su Spica no tiene sonido por el parlante. El método de reparación estaría muy claro.

Tome el oscilador de audio aplíquelo al potenciómetro y determine si el amplificador de audio funciona. De acuerdo al resultado Ud. se dirige a la sección de FI o al amplificador de audio.

Supongamos que el problema está en la FI.

Ud. debe tomar el generador de RF y aplicarlo a la base de T3 a través de un capacitor de .1 uF. De acuerdo al resultado deberá dirigir sus mediciones a T2/T1 o a T4 y así sucesivamente hasta lograr ubicar la etapa dañada.

Es decir que el método de diagnostico utilizado en electrónica es el método del descarte o la comprobación de que etapas funcionan bien, para dirigir nuestra atención a aquellas que funcionan mal.

Sin embargo una falla como la planteada no es resuelta de ese modo por un reparador con experiencia; sobre todo si posee una tabla de tensiones continuas como la que nosotros generamos.

El reparador con experiencia toma el tester y mide todas las tensiones de colector primero; luego las de base y luego las de colector. Porque inconcientemente sabe que lo más probable es encontrar un transistor quemado o una bobina cortada y esa rápida medición le permite juntar una cantidad increíble de datos usando solo el tester. Inclusive si no tiene la tabla, el sabe aproximadamente que tensión debe encontrar en cada punto y si tiene una duda, entonces si recurre a la tabla o la calcula mentalmente.

Esta operación es prácticamente similar a la que realiza un médico como primer acción de su diagnóstico, cuando toma los signos vitales al paciente. Temperatura presión arterial, verificación pulmonar y cardiaca. Recién cuando verifique que el estado general del paciente es satisfactorio comienza a considerar los síntomas y concentrase en el órgano afectado.

¿Pero esto de no usar el método lógico no va en detrimento del aprendizaje? desde luego nosotros le recomendamos para empezar que use el método del descarte si con el se siente cómodo pero no podemos dejar de explicarle como opera un reparador con experiencia.

Amplificador de audio

Ahora volvamos al método. Lo primero es determinar el buen funcionamiento del amplificador de audio. Y lo que Ud. necesita es lo mismo que necesitaba cuando armamos el “amplificador de audio más barato del mundo” un generador de audio o sus sustitutos. Pero allí le ofrecíamos soluciones alternativas al empleo un verdadero oscilador de audio comprado.

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¿Que amplitud de señal se debe aplicar para probar realmente el funcionamiento del amplificador?

Aquí hay que hacer una estimación de la potencia que soporta el parlante y de su impedancia. La impedancia puede ser medida en forma aproximada con el tester porque es del orden de un 20% mayor que la resistencia. En nuestro caso la resistencia es del orden de los 2,5 Ohms y como sabemos que los parlantes son de 3,2 Ohms; 4 Ohms y 8 Ohms la elección es obvia: es de 3,2 Ohms. La potencia puede estimarse en función del tamaño del parlante en unos 500 mW. Calculemos la tensión sobre el parlante:

P = E.I > P = E2/R > E2 = P/R

y que finalmente

E = √ P/R = √0,5/3,2 = 0,4V

Es decir, 400 mV. Y como sabemos que el amplificador amplifica 100 veces podemos asegurar que la señal de entrada puede ser de 0,004 es decir 4 mV eficaces.

El método de medición y/o reparación del amplificador de audio se realizaría del siguiente modo:

1. Conecte la sonda detectora de valor pap en su versión de audio (bájela gratis de www.picerno.com.ar) al tester y conéctela sobre el parlante o una carga resistiva de 3,2 Ohms.

2. Conecte el generador de audio a través de un capacitor de de poliéster metalizado de 1 uF, con su salida en cero y su frecuencia en 1 KHz, en el extremos superior del potenciómetro y ponga el mismo a máximo volumen.  Suba el nivel de señal de entrada suavemente. Cuando la señal es baja (1 mV por ejemplo) Ud. debe escuchar un tono puro de 1 KHz. Cuando llega a valores de 4 mV comenzará a escuchar el recorte de los transistores de salida como el agregado de un tono de 3 KHz a la señal original.

3. Si la señal tiene esa distorsión desde valores mínimos es porque no funciona una de las ramas del amplificador.

4. Si ya fueron medida las tensiones continuas no hay muchas posibilidades de que se produzca esta falla. Podemos asegurar que lo mas probable es que unos de los transistores de salida tengan el colector abierto, cosa que se puede verificar midiendo la corriente de colector de cada uno de los transistores (obviamente deben ser iguales). Luego solo puede existir una rama de uno de los transformadores con espiras en cortocircuito.

5. No puede ser posible una mala polarización del driver porque las tensiones ya fueron medidas pero el transistor podría estar desbeteado (neologismo que significa con poco beta) y funcionar solo cuando se incrementa la corriente continua de polarización. Desconecte el colector y mida la corriente.

6. Si solo se produce el recorte con señales muy altas de entrada (por ejemplo de 40 mV el problema puede estar en la red de realimentación (aunque es muy

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improbable que ocurra porque el resistor de 1KOhm debería haber reducido su valor). Lo más probable es que el capacitor de 30 uF del emisor de T4 este seco y T4 tiene realimentación negativa por emisor. También es posible que este seco el capacitor electrolítico de 30 uF que va al punto medio del potenciómetro.

7. Si el amplificador tiene demasiada sensibilidad, es decir que por ejemplo se escucha la saturación con 1 mV de entrada o menos y la falla de la radio es que apenas se sube el volumen tiene mucha salida, lo más probable es que esté cortado el resistor de 1K de la red de realimentación.

8. Despreciamos por obvios los casos en que existiendo señal en la sonda de valor pap no halla salida sobre el parlante o el auricular.

El amplificador de FI

Para probar el amplificador de FI se requiere un generador de RF modulado en amplitud que puede ser el que armamos en los primeros capítulos de nuestro curso. Pero un generador de señales sin atenuador no tiene utilidad alguna. Por eso le recomendamos armar el atenuador a pianito que mencionamos en los primeros capítulos del curso superior de TV y adosarlo al generador de RF.

Como alternativa se puede utilizar una radio en desuso pero cuyo oscilador funcione correctamente. Por supuesto va a tener que modificar el circuito para que oscile en 455 KHz. Lo más simple es conectar la sección de antena del tándem en paralelo con la osciladora.

Como la frecuencia de resonancia es

F = 1/2 π  √ L.C

la frecuencia se va a reducir 1,41 veces y como la frecuencia minima del oscilador local va desde aproximadamente 1 MHz a 2 MHz el oscilador modificado ira de 750 KHz a 1,5 MHz. Un ajuste de la bobina osciladora, llevará la frecuencia minima al valor deseado de 455 KHz. Algo a tener en cuenta es que la radio puede ser con padder (se reconoce porque el tándem tiene las dos secciones iguales). En ese caso se aconseja poner el padder en cortocircuito para aumentar la capacidad. Por ultimo, conecte un resistor de 680 Ohms entre la derivación de emisor y la entrada del atenuador a pianito.

Ahora debe calibrar este dispositivo con una radio y con el voltímetro de valor pap. Use un centro musical para estar seguro que las frecuencias de calibración de su oscilador son las correctas ya que las mismas tienen una búsqueda de emisoras muy exacta. Inclusive no necesitar abrir el centro musical ya que hasta la frecuencia de FI puede entrar por la antena de cuadro si se inyecta suficiente amplitud.

Ahora que su oscilador está ajustado en frecuencia; debe ajustarlo en amplitud coloque el atenuador a pianito en 0 dB cárguelo con un cable coaxil de 75 OHms de impedancia (el de TV) cargado con un resistor de 75 OHms y sobre este resistor conecte la sonda de RF. Ajuste la tensión pico a pico que indica el tester digital a 100 mV variando el resistor

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agregado de 680 Ohms. Este oscilador no tiene modulación y por lo tanto solo se lo puede detectar por la tensión continua sobre el capacitor del detector o mejor sobre el capacitor electrolítico del CAG.

Ahora su generador tiene una salida de 100 mV pap para 0 dB. Recuerde que la atenuación de 20 dB implica 10 veces y la de 10 dB 5 veces. Con esto puede determinar la señal de salida en forma aproximada.

Use el oscilador y el atenuador para medir la sensibilidad en las bases del transistor T3; T2 y por ultimo T1, luego de haber ajustado las tres bobinas de FI a máxima salida sobre el parlante. Vaya atenuando la entrada con el pianito si escucha que la salida se recorta. De este modo puede determinar la etapa de FI que está fallando y proceder luego a repararla a nivel de componente. Realmente si las tensiones continua dieron bien son muy pocos los componentes a comprobar. Me animaría a decir que solo pueden fallar los transistores o las bobinas.

La etapa osciladora / conversora / antena

Una falla en la etapa de antena, que de buena sensibilidad de FI en la base de T1 y que de buenas tensiones continuas es muy improbable, teniendo tan solo unas pocas probabilidades de ocurrencia. Una de esas probabilidades es un cortocircuito en el tándem y la otra es el capacitor de .005 uF de emisor de T1 abierto. La primer causa se verifica desconectando el tándem y midiéndolo con el tester y la segunda colocando un capacitor en paralelo con el de la radio. Por ultimo pueden existir espiras en cortocircuito en la bobina osciladora . En todos estos casos los síntomas de la radio son ruido blanco en el parlante en toda la banda, sin vestigios de sintonía de alguna emisora. En realidad la bobina de antena sintoniza las emisoras, pero al no funcionar el oscilador local no hay batido resultante de FI y las señales no pueden atravesar dicho canal.

Por ultimo si la falla es que se escuchan solo algunas emisoras pero con ruido blanco sobre la modulación, es porque no hay sintonía del circuito de antena o porque está dañado el capacitor de .05 uF de base de T1. La bobina de antena puede estar cortada o con espiras en cortocircuito. Midiendo sobre el tándem con el tester Ud. debe verificar prácticamente un cortocircuito y desconectado el vivo de la antena y midiendo sobre el tándem, un circuito abierto.

Conclusiones

En  esta lección analizamos el método de reparación de una radio clásica de AM, tal ves la más clásica: la radio Spica. Sabemos que no es un producto actual, pero es un ejemplo didáctico extraordinario de cómo se genera un método de prueba y como opera un reparador con experiencia, que piensa en aprender pero sin olvidarse de que esto es un trabajo, que debe rendir frutos económicos contantes y sonantes. Y es un trabajo muy difícil, porque se hace con las manos y con la cabeza. Es un trabajo que requiere aprendizaje permanente, práctica permanente, y sobre todo ser una persona criteriosa y

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tener además un buen trato social, para mantener una clientela fiel a pesar de los embates de la competencia.

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30/ Receptores de radio modernosEn el momento actual puede encontrar radios que se encuentran en diferentes etapas de desarrollo. Va a encontrar las clásicas con tándem, dial y potenciómetro de volumen, sin microprocesador, que son las más económicas y menos durables; otras tienen tándem y frecuencímetro digital reemplazando al dial (que también opera como reloj de tiempo real y despertador) y control de volumen con dos pulsadores; estas últimas poseen microprocesador y por último, las más desarrolladas que poseen sintonía por teclado, control de volumen a pulsadores y reloj de tiempo real y despertador con un microprocesador muy desarrollado.

A continuación vamos a analizar al reemplazo moderno del potenciómetro de control de volumen y luego el reemplazo del tándem por componentes de estado sólido sin desgaste.

Control de volumen en estado sólido

Existen muchos circuitos que controlan una atenuación por variación de una tensión continua de control. En nuestro caso podríamos considerarlos como un resistencia variable cuyo valor depende de una tensión aplicada al circuito en un lugar distinto al camino de la atenuación; para entender el concepto vamos a presentar el control de volumen de estado sólido mas simple que se basa en dos diodos de silicio.

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Fig.1 Atenuador controlado por tensión a diodos (máxima salida)

Ya conocemos las características alineales del diodo; las mismas nos permitieron utilizarlo como detector de señales o rectificador y luego como conversor. Justamente en este uso el diodo no pasa del corte a la conducción total, sino que utiliza la pequeña sección curva de sus características. Es decir donde el diodo no tiene resistencia infinita o nula, sino un cierto valor de resistencia que depende de la tensión continua aplicada al mismo.

En nuestro circuito atenuador se utilizan dos diodos que estan polarizados por dos fuentes.

Una, variable, es el potenciómetro de control de volumen que posteriormente veremos que se trata de una pata del microprocesador.

La otra, fija, la provee en este caso el generador de funciones y se ajusta con offset en este caso en .7V.

Tal como esta diseñado el circuito cuando el potenciómetro está a nivel mínimo el resistor R2 hace conducir a pleno a D1 y mantiene cortado a D2 llevando la salida a máximo que es lo que puede observarse en el osciloscopio y en las sondas, en las que observamos que ingresan 20 mV pap y salen 15,6. Observe que utilizamos un diente de sierra para que se puedan observar fácilmente las distorsiones del circuito.

En la figura 2 llevamos el potenciómetro a 1V observando que en este caso se obtiene el caso contrario al anterior porque conduce D2 y se corta D1 produciéndose la máxima atenuación del circuito que lleva la salida a 641 uV pap.

Fig.2 Atenuador controlado por tensión a diodos (mínima salida)

En realidad a 0,8V la salida es casi igual que a 1V es decir que podemos considerar que esa tensión continua es la de salida nula. Si probamos el atenuador a 0,4V en el potenciómetro encontramos que la salida es de 7 mV lo que nos indica que el control es casi lineal.

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Un problema de este atenuador a diodos es que no admite una gran señal de alterna, porque se producirían distorsiones de la misma; prácticamente nosotros lo trabajamos al límite de su funcionamiento sin distorsión.

De cualquier modo este circuito fue entregado solo para que el alumno pueda realizar una adecuada práctica en el laboratorio virtual o real. En las radios modernas el atenuador controlado por tensión se encuentra dentro del único integrado analógico que las mismas suelen poseer y el reparador suele ignorar de que tipo de atenuador se trata. Solo puede controlar la pata por donde entra la tensión continua de control y tal ves el nivel de entrada al amplificador de audio de potencia que sigue al atenuador.

Tamden en estado sólido

Un tándem son dos o más capacitores variables unidos al mismo eje.

Lo que se necesita para reemplazarlo es un capacitor controlado por tensión. Ese componente existe y es un viejo conocido nuestro que acabamos de utilizar: El diodo. En efecto todo diodo conectado en inversa se comporta como un capacitor variable por tensión y llegó el momento de que analicemos su funcionamiento interno para entender como un rectificador es además una resistencia variable por tensión y ahora, un capacitor variable por tensión. Y además tiene otro uso que aun no mencionamos que es el de regulador de tensión.

Nosotros vamos a ir analizando lo que podríamos llamar usos especializados del diodo de a poco a medida que los vayamos utilizando, para reforzar la explicación teórica con la necesaria práctica de su aplicación. Así que a continuación vamos a explicar que ocurre internamente en un diodo cuando conduce y cuando está polarizado en inversa, hasta llegar a su comportamiento como capacitor.

Como sabemos el diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente en un determinado sentido y se bloquea en el sentido contrario. En la Figura 30.4.1 se muestran el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.

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Fig.3 Símbolo y curva característica tensión-corriente del diodo ideal

La curva presentada es evidentemente la de un diodo ideal ya que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La resistencia nula está indicada por el hecho de que corriente se hace infinita con una tensión positiva infinitalmente pequeña. Y la resistencia infinita está manifestada porque la corriente inversa es nula aún para tensiones negativas infinitamente grandes. La punta de la flecha del símbolo, indica el sentido permitido de circulación de la corriente.

Existen diodos fabricados de diferentes modos pero en el momento actual todos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo P y otro de tipo N. El material básico de ambas zonas es el silicio que posee 8 electrones en su ultima orbita y por lo tanto tiene gran afinidad por combinarse con otros átomos de silicio, formando una estructura cristalina.

Esos cristales son prácticamente aisladores; solo poseen una corriente de perdida debido a la recombinación casual de sus portadores naturales que se llaman portadores minoritarios. Para que esos cristales conduzcan la electricidad se los mezclan con materiales que poseen 7 o 9 electrones en su orbita exterior. En el primer caso se forma una laguna (ausencia de un electrón) en el cristal, que evidentemente tiene signo positivo y al material se lo llama tipo P. En el segundo caso se forman electrones libres de la estructura cristalina y el material se llama N.

Ambos materiales impuros o enriquecidos son conductores de la electricidad debido al agregado de portadores (llamados mayoritarios) pero son menos conductores que los metales y más conductores que los aisladores. Un sándwich de material N y P forma un diodo de juntura o de unión.

A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito. En la Figura 4 se presenta el esquema de los dos tipos de diodos que se fabrican actualmente, el diodo vertical y el plano.

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Fig.4 Esquemas de diodos de unión PN

El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales implica algunas desviaciones del comportamiento con referencia al diodo ideal. Vamos a presentar en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores, para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

Suponga que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera bien definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra con tipo N, como lo indica la figura 5.

La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos con 7 electrones en la red cristalina (por ejemplo, boro).

La zona N dispone de 9 electrones (por ejemplo fósforo)

En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior a la cantidad de átomos de silicio de la red cristalina (portadores minoritarios).

Fig.5 Dopado del silicio para la obtención de diodos PN

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón que se libera en N queda un átomo de fósforo fijo que es un ión positivo. Y por cada hueco móvil se forma un ión

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negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas P y N de diferente concentración de portadores (electrones y huecos) entra en juego el mecanismo de la difusión que tiende a llevar partículas de un lado al otro debido a la atracción de las cargas opuestas. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir que los electrones de la zona N pasan a la zona P y los huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P según lo indica la figura 6.

Fig.6 Formación de la unión PN

La distribución de cargas formada en la región de la unión genera un campo eléctrico que se opone al movimiento de todos los portadores evitando la difusión total de los mismos. Es decir que cerca de los terminales los materiales quedan como material N y P originales (antes de unirlos). En la unión hay un equilibrio entre la fuerza de difusión debida al movimiento browniano y la atracción de las cargas opuestas. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el traslado de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se obtiene: una zona P, semiconductora, con una resistencia RP; una zona N, semiconductora, con una resistencia RN y una zona llamada de agotamiento o depleción en la zona de unión, que no es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres (todos los portadores están encajados en su lugar del cristal. Podemos asegurar que en ella actúa un campo eléctrico, o bien que entre los extremos de la zona de unión actúa una barrera de potencial.

Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica que produce el movimiento browniano y desencadena la difusión.

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Este bloque PN  en principio, no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales, puesto que la zona de depleción es aisladora. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que “empujará” los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de depleción. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.

Fig. 7 Diodo PN durante la aplicación de una tensión inferior a la de barrera

Si la tensión aplicada supera la barrera, desaparece la zona de depleción y el diodo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo que indicamos en la figura 8.

Fig. 8 Diodo PN bajo la acción de una tensión mayor que la de barrera

Los electrones y huecos se dirigen a la unión. En la unión se recombinan. Es decir que polarizar un diodo PN en directa es aplicarle una tensión positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce cuando se lo polariza en directa porque la zona de depleción se inunda de cargas móviles.

La tensión aplicada se emplea en vencer la barrera de potencial y mover los portadores de carga.

Al contrario de lo anterior, al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran los portadores mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de depleción. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios se haga nula.

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Fig.9 Diodo PN polarizado en inversa

Ahora bien, en ambas zonas P y N hay portadores minoritarios (los que se generan naturalmente en el material no dopado). Un diodo polarizado en inversa lo está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El movimiento de estos portadores minoritarios crea también una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.

Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de depleción, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha. (Nota: Sin embargo, ello no significa necesariamente la destrucción del diodo, mientras la potencia consumida por el mismo se mantenga limitada).

La característica tensión-corriente real puede observarse en la figura siguiente.

Fig.10 Característica V-I de un diodo de unión PN real

Para tensiones positivas, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de

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VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V.

Para tensiones negativas, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta que se llega a la tensión de ruptura, en la que de nuevo aumenta en forma violenta.

Ya conocemos los usos del diodo en polarización directa como rectificador, como detector y como conversor de frecuencia. Todos estos usos se basan en la alinealidad extrema del cuadrante de polarización positiva de la juntura o al hecho de que entre los extremos, no conductor a conductor, el grafico de resistencia es evidentemente curvo.

Polarización inversa – El zener y el varicap

Aun no tratamos la polarización inversa que tiene tanta aplicación como la directa. En efecto; en inversa funcionan los conocidos como diodos zener que son dispositivos reguladores de tensión. La tensión de ruptura es fuertemente dependiente de la construcción y el dopado y entonces el fabricante la puede manejar a su antojo entre valores de 3,3 y 150V. Por lo general los diodos zener admiten una disipación de potencia de 500 mW para los mas pequeños y 1W para los más grandes. Mientras no se superen estos valores el diodo puede funcionar en su tensión de ruptura todo el tiempo que se desee. En la figura 11 se puede observar una fuente de tensión fija de 12V como aplicación de un diodo zener.

Fig.11 Adaptador de fuente para automóvil 12/6V 1A

En el ejemplo de aplicación se observa un zener que regula en 6,8V aplicado a la base de un transistor de potencia. En el emisor se obtienen unos 800 mV menos pero a una corriente por la carga de 1A prácticamente. De este modo el circuito reduce y regula los 12V de la batería del auto para un equipo que requiera 6V y 1A de consumo. Recomendamos que el alumno pruebe el circuito variando la tensión de fuente entre 11 y 13,5V y anote la minima variación de la tensión de salida. También puede variar la resistencia de carga y observar que la tensión de salida prácticamente no cambia.

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El varicap es una aplicación de corriente alterna del diodo polarizado en inversa. Según la teoría expuesta cuando el diodo se polariza en inversa solo circula una minima corriente por él debida a la recombinación de portadores minoritarios. Pero sobre la juntura se encuentra una gran cantidad de carga eléctrica fija, que depende de la tensión aplicada. Estas dos cualidades son las mismas que posee un capacitor variable y por lo tanto podemos imaginarnos al diodo como un capacitor dependiente de la tensión.

Por supuesto que el diodo varicap tiene sus limitaciones. Sobre el no puede existir una tensión alterna muy alta porque se transformaría en un capacitor alineal cuya capacidad varia con el ciclo de la tensión alterna superpuesta sobre él, en tanto dicha tensión sea una parte considerable de la tensión continua de polarización inversa.

La aplicación inmediata de un diodo varicap es un circuito de sintonía de frecuencia variable que podría ser por ejemplo la bobina de antena de un superheterodino moderno de estado sólido. En la figura 30.5.2 mostramos el correspondiente circuito.

Fig.12 Circuito de antena con diodo varicap a 0V

Leyendo con el cursor podemos observar que el pico de resonancia se encuentra a unos 500 KHz. Si se modifica la posición del cursor del potenciómetro se puede observa que la resonancia va aumentando de frecuencia hasta que a los 12V llega a unos 1800 KHz, con lo cual se cubre toda la banda de OM.

Los diodos varicap se fabrican en diferentes versiones de capacidad y tensión pero a grandes rasgos podemos decir que hay diodos de baja tensión (12V) y de alta tensión (30V). Los primeros se suelen usar en radios y los segundos en TV.

Conclusiones

En este capítulo comenzamos a analizar los receptores de radio modernos. Como necesitábamos dos componentes controlados por tensión los buscamos y encontramos que nuestro viejo conocido, el diodo, se podía comportar tanto como atenuador controlado por tensión y como un capacitor controlado por tensión.

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Para afianzar nuestro conocimiento indicamos dos circuitos para armar realmente o para simular y probar en el laboratorio virtual Multisim. Aconsejamos al lector que no deje de realizar las simulaciones que es el mejor modo de estudiar.

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31/ Cómo armar una emisora casera de FMComo Ud. sabe nuestra intensión es que Ud. se transforme en un reparador de radio con muy buenos conocimientos y todo el instrumental requerido para realizar un buen trabajo.

Para probar y ajustar el dispositivo sólo se requiere una radio moderna con banda de FM y dial electrónico con frecuencímetro.

Un tester digital o analógico Una sonda detectora de valor pico a pico

Antes de ingresar en la construcción del instrumento vamos a dar una explicación de que es la modulación de FM realizando una comparación con la ya conocida de AM. Las bandas de frecuencia de ambas emisiones y los diferentes tipos de propagación que tiene cada banda, para que el lector sepa que tipo de banda utilizar en cada caso y el radio de cobertura esperado.

Luego explicaremos como se construye nuestro circuito, como se simula en el Multisim y por último como se ajusta y se prueba su alcance. Indicaremos como irradiar música, voz y un tono de calibración. Recuerde que para irradiar señales mas allá de su propio domicilio debe tener la correspondiente autorización de la secretaria de comunicaciones de su país.

Modulación de una portadora

Una portadora permanentemente a la misma frecuencia, amplitud y fase no puede transportar información. Sólo es un vehiculo que permite enviar información tal como la estructura de correo postal de un país que solo transporta la información. La información debe procesarse de modo que modifique alguno de los parámetros de esa portadora.

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Extrañamente las primeras transmisiones de radio eran digitales ya que consistían en enviar o cortar una portadora en forma de rayas o puntos que era el modo utilizado en la telegrafía que precedió a la radio y que originalmente se llamó telegrafía sin hilos. Ud puede considerar que ese modo de transmisión era por amplitud modulada digitalmente, porque se transmitían “1s” o “0s” mediante un manipulador.

Fig.1 Transmisión de modulación por puntos y rayas (..--…--) en código Morse

Nota: la barras llenas realmente tienen la frecuencia portadora pero es tan alta que se ve como un borrón.

Muchos años después comenzaron las verdaderas transmisiones de voz y música por modulación de amplitud en la banda de OM de 530 KHz a 1600 KHz con una frecuencia máxima de modulación de 5 KHz.

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Fig.2 Modulación de AM

Nota: vale la nota anterior

Las transmisiones de AM de OL (onda larga) y de OM (onda media) tienen una tendencia a rodear la tierra rebotando parcialmente en la ionosfera. Su alcance puede ser de miles de KM no siendo muy afectadas por la actividad solar.

Por arriba de la onda media se extienden diferentes bandas de OC (onda corta) utilizadas para la actividad comercial y la radioaficción. Estas frecuencias tiene la virtud de rebotar totalmente en la ionosfera y en la tierra repetidas veces con lo cual pueden dar la vuelta al mundo.

Las transmisiones de AM no se caracterizan por su calidad ya que son muy afectadas por las interferencias de ruidos industriales y hogareños como por ejemplo los tubos fluorescentes, las fuentes pulsadas de computadoras y TVs y el sistema de ignición de los motores térmicos.

Pero debido a su alcance, prácticamente tienen ocupada toda la banda de OM y por lo tanto las transmisiones se limitan a 5KHz, para que puedan caber más emisoras dentro de la banda. En este caso las emisoras pueden estar separadas 10 KHz entre si y como la banda es de prácticamente 1 MHz, significa que pueden asignarse 100 emisoras.

Para lograr transmisiones de mayor calidad, e inclusive transmitir en estereofonía se creó una banda de frecuencia mucho más alta que va de 88 a 108 MHz (para América) con 100 o 200 KHz de separación entre emisoras según los países. Como la banda total es de 20 MHz, si las emisoras se separan 200 KHz se puede asignar 100 emisoras de FM.

La ionosfera no es capaz de reflejar frecuencias tan altas como las utilizadas en FM. La tierra no es capaz de curvar la emisión de FM. Por lo tanto las emisiones tienen apenas algo más que un alcance óptico, que dependiendo de la altura de las antenas transmisora y receptora y la potencia emitida es de aproximadamente 50 a 100 Km.

La modulación de una emisora de FM se encuentra en la frecuencia de la misma, que varía unos 75 KHz alrededor de la frecuencia central. Esa variación se realiza al ritmo de la modulación de audio. El receptor por lo tanto debe poseer un detector de frecuencia, en lugar del clásico diodo detector de amplitud de las radios de AM. En la figura 3 se puede observar el oscilograma correspondiente pero aclarando que se debió aumentar la profundidad de modulación para que pudiera observarse la portadora.

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Fig.3 Oscilograma de una señal de FM

Como el detector de la radio no responde a las variaciones de amplitud la misma se hace insensible a todos los ruidos que afectan a la señal de AM y entonces se pueden realizar transmisiones de alta fidelidad.

La complicación de diseñar un detector de modulación de frecuencia, hoy no existe, debido a que el mismo es una etapa totalmente interna al único circuito integrado que suele tener una radio moderna. Por esa razón nos vamos a eximir de explicar el funcionamiento de los viejos y complicados detectores de FM con bobinas externas.

El transmisor de FM es mucho más sencillo que el de AM y por eso vamos a afianzar nuestros conocimientos construyendo uno que además nos va a servir para reparar radios de FM.

Oscilador básico en la banda de FM

Ya sabemos que un oscilador funciona como un amplificador con realimentación positiva. Hay por lo tanto muchos tipos de osciladores adecuados para trabajar en diferentes bandas de frecuencia. El oscilador que vamos a construir es un Colpits realimentado por emisor, construido alrededor de un transistor MPSH10 que funciona hasta frecuencias de 1 GHz (también llamado gigastor). La oscilación la vamos a generar con una bobina L1 tomada de un TV en desuso (bobina de AFT o de carga). Lo primero que debe hacer el lector es retirar el capacitor interno de esta bobina, ya que en nuestro circuito la bobina se sintoniza con C2 y C5.

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Fig.4 Oscilador básico de FM

Observe que el trimer C1 está colocado entre el emisor y el colector de Q1 y que la base se encuentra a potencial de masa para la alterna debido al capacitor C3 y a potencial de conducción de continua debido al divisor R3/R2 y a la resistencia de emisor R1. Esto significa que Q1 está en condiciones de amplificar pero a diferencia de los amplificadores clásicos la señal entra por emisor, sale por colector y vuelve a ingresar por el atenuador capacitivo C1/C2 al emisor (realimentación en fase o positiva).

En el diseño se tomó en cuenta que la ganancia del transistor sea superior a la atenuación de C1/C2 y que la fase de la realimentación sea positiva para que se cumplan las condiciones de Barkhausen y se genere una oscilación.

La frecuencia de oscilación siempre será aquella a la cual se obtenga la máxima ganancia de amplificación y esto ocurre cuando el capacitor C1 resuena con el inductor L1.

En nuestro caso la idea es que el circuito oscile dentro de la banda de FM para que podamos escuchar la señal como un silenciamiento del ruido por la mitad de la banda aproximadamente.

En el emisor del transistor, tenemos un punto ideal para tomar la señal de salida a través del capacitor C4 que aísla la tensión continua del emisor. En ese lugar se obtiene unos 700 mV pap de señal que adecuadamente conectados a una antena generan un potente transmisor. Luego se instala un atenuador formado por R4, R5, R6 y R7 para lograr salidas mas bajas y adecuadas para utilizar en la reparación de equipos.

Por ultimo los componentes C6, D1, D2, C5 y R8 no forman parte del oscilador sino de la sonda medidora de tensión pap.

Mas adelante cuando tengamos armado el circuito completo vamos a indicar el modo de ajuste de C1 y L1. Por ahora colocamos el trimer en mitad de su recorrido y el núcleo de L1 con varias espiras por arriba del carretel. En esas condiciones se obtendra una frecuencia de aproximadamente centro de banda (cercana a 100 MHz) y las amplitudes

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indicadas en el osciloscopio y el tester. El generador de funciones XFG1 se utiliza para que el osciloscopio arranque en una frecuencia similar a la deseada aunque no tenga conexión física con el mismo. Podemos decir que es una necesidad de la simulación cuando se trabaja con frecuencias muy altas, colocar un generador en una frecuencia de 100 MHz, porque en caso contrario podría no arrancar. De cualquier modo el lector deberá esperar unos 30 segundos reales para que el circuito comience a oscilar.

Corrimiento de la frecuencia portadora y la modulación

En la figura 5 se puede observar el agregado del ajuste de frecuencia de portadora y profundidad de modulación generadas con dos diodos varicap.

Fig.5 Oscilador y modulador de FM para la banda de 88 a 108 MHz

En la figura podemos analizar el circuito completo de la sección de RF el generador XFG2 representa a la sección de audio que luego adaptaremos a nuestras necesidades para modular desde un micrófono, un oscilador de audio de frecuencia fija, un reproductor de CD o un reproductor de MP3.

El circuito está basado en dos diodos varicaps ZC825 o similares conectados en paralelo. Observe que los mismos ahora forma parte del circuito resonante del oscilador ya que están prácticamente en paralelo con C1 (ya que C2 es un capacitor de valor alto comparado con C1).

La capacidad de los varicaps se varia con la tensión continua aportada por el potenciómetro R9, a cargo de ajustar la frecuencia del oscilador (por ahora desconozca la existencia de R13).

Este potenciómetro se debe conectar a una fuente de 30V porque los diodos elegidos son del tipo de tensión alta para obtener una mayor variación de frecuencia. Es decir que el proyecto requiere dos fuentes, una de 30V y otra de 12V cuya construcción se encarará por separado.

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La tensión continua se aplica a la unión de los varicaps con C7, es decir que no hay consumo de tensión continua en ese punto porque por un lado está el capacitor y por el otro los varicaps en inversa. Cuando el equipo esta ajustado con el potenciómetro a 30V se generan 108 MHz y con el potenciómetro a mínimo 88 MHz. El resistor R10 se coloca para evitar que los varicaps entren en directa con los picos positivos de la RF a minima tensión de control.

¿Cómo funciona la modulación?

Ahora vamos a explicar como funciona la modulación. Cuando la tensión sobre los varicaps varia de 3 a 30V el cambio de frecuencia es de 108 – 88 = 20 MHz. Si ese mismo cambio de tensión lo realizamos desde el colector de Q2 por medio de R13 de 1 MOhms, conseguiremos una variación de tensión sobre los varicaps de un valor 10 veces menor, porque se forma un atenuador que partiendo del colector encuentra a R13/R11+R9+R10 que prácticamente es igual a R13/R11 ya que R9 y R10 son despreciables comparados con R11. Esto implica una atenuación por 10 es decir que nuestro circuito tendrá una modulación de frecuencia máxima del orden de 2 MHz que es mucho mayor que la necesaria de 75 KHz.

Esto se gradúa con el nivel de señal aplicada al capacitor C8 y midiendo la tensión alterna de colector que debe se del orden de 1V pico a pico. El lector puede ajustar este valor midiendo el colector con un osciloscopio o con la sonda medidora de valor pico a pico para el tester. Esta sonda puede conectarse alternativamente a C4 para medir la salida de RF (comprobar el funcionamiento del circuito) o al colector para ajustar la modulación por intermedio de una llave de una vía dos posiciones.

Todos los componentes utilizados son de fácil consecución salvo tal ves dos de ellos. Respecto a los varicaps pregunta a ver que se consigue en su comercio predilecto, baje la especificación por Internet del que le ofrecen para ver cual es su capacidad máxima. El ZC825 es de 100 pF a 1V y si por ejemplo Ud. consigue uno de 25 pF deberá utilizar cuatro en paralelo. Le aconsejamos utilizar Internet para ubicar en que comercios de Argentina se consigue el varicap y el transistor (MPSH10). Nota: los resistores R6 y R7 no forman parte del oscilador en si, Se colocan para obtener señales altas sobre R5 y atenuadas sobre R7.

La sección de audio – El oscilador de modulación

Existen muchos modos de generar una señal de audio de frecuencia fija en un 1 KHz que nos sirva para modular en frecuencia a nuestro generador de RF. Estos osciladores se conocen por el nombre del científico que los estudió.

El Multisim tiene un sistema de ayuda muy completo para el diseño de diferentes dispositivos. Así se encuentran prediseñados circuitos con el 555, filtros activos y pasivos, amplificadores de un transistor, y osciladores por puente de Wien.

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Ingresando a “Tools > Samples > Wien-Bridge oscillator” obtenemos un generador de 1Khz tipo puente de Wien. El diseño original utiliza dos fuentes de +15 y -15V. Lo modificamos para que use una sola fuente de 30V y le agregamos un potenciómetro para atenuar y ajustar la salida requerida para la base de Q2 del diseño de la sección osciladora-moduladora.

Fig.6 Oscilador de 1 KHz

Controle el funcionamiento del generador de audio con el osciloscopio, con la sonda de valor pap o ingresando en la entrada de un reproductor de CD. Recuerde poner el preset de ganancia R1 a mínimo para forzar la oscilación y luego ir aumentando su valor hasta obtener una salida de 15V pap midiendo con la sonda de valor pico a pico conectada sobre R7. pap.enerador de audio con el osciloscopio o con la sonda de valor pap.un transistor, y osciladores p

Conecte provisoriamente la salida del generador de audio al capacitor C8 del oscilador y modulador.

Conecte un cable de 75 cm sobre R5, para que oficie de antena y acérquelo a la antena telescópica de la radio con frecuencímetro.

Coloque el trimer C1 en su posición central. Coloque el potenciómetro R9 en mitad de su recorrido. En estas condiciones nuestro generador debe producir un tono de 1 KHz aproximadamente en el centro de la banda de FM. Busque el tono con una radio que posea frecuencímetro y ajuste la bobina L1 en consecuencia para que el tono caiga cerca de 98 MHz.

Luego lleve el potenciómetro de ajuste de frecuencia R9 a su valor máximo. Lleve la radio a 108 MHz y ajuste el trimer C1 hasta que se escuche el tono. Ahora lleve el potenciómetro a mínimo ajuste la radio a 108 MHz y ajuste el núcleo de la bobina para que se escuche el tono. Repita los ajustes de 108 y 88 MHz varias veces hasta que queden perfectamente ajustados.

De este modo queda ajustada la sección de RF.

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Ahora hay que ajustar la profundidad de modulación. Conecte la sonda de valor pap entre el colector y masa de Q2 y ajuste el preset R8 del oscilador de audio a 200 mV pap.

Como el lector puede observar nuestro oscilador controlado por tensión es un instrumento muy completo armado con materiales que seguramente se encuentran disponibles en nuestro taller.

Si bien esta construido sobre todo para ajustar una radio de FM es fácil modificarlo para que cubra la FI de un TV.

La emisora de FM

Que nuestro dispositivo sea un generador de ajuste de radios de FM, o una emisora de FM, todo depende de la fuente de audio usada como modulador. Utilizando el generador de 1 KHz busque una zona de la banda que este relativamente vacía como frecuencia de su emisora casera.

Sin autorización de la secretaria de comunicaciones no se puede colocar una antena aerea pero Ud. puede colocar una antena emisora dentro de su casa o en su parque o patio a nivel del terreno.

La polarización de las ondas de FM es vertical, así que la antena transmisora debe ser un dipolo de ¼ de longitud de onda con por lo menos cuatro radiales, usados como plano de tierra con un ángulo de 120º con respecto a la antena.

Fig.7 Antena irradiante de ¼ de longitud de onda

Nota: en la figura los radiales se dejaron a 90º pero el lector deberá doblarlos mas hacia abajo.

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La varilla irradiante debe pasar por un agujero del circuito impreso para darle mayor solidez mecánica al conjunto. Todas las varillas deben soldarse al cobre con un soldador de 100 o 150 W.

Los conductores vivo y de masa de la antena pueden ser de cobre de 2 mm y su largo tanto para el irradiante como para el plano de tierra debe calcularse según la formula

L = c/4F

en donde c es la velocidad de la luz de 300.000 Km/seg y F la frecuencia elegida para su emisora. Por ejemplo si está en el centro de la banda la frecuencia es de 98 MHz y el cálculo da 75 cm. El soporte central está realizado sobre un circuito impreso.

Esta antena tiene una impedancia caracteristica Z0 de 50 Ohms y puede conectarse al oscilador de RF con un cable coaxil de la misma impedancia característica. El vivo se conecta a C4 con un resistor de 68 Ohms y el otro lado al irradiante vertical. La maya se conecta a la masa del transmisor y por el otro lado a los radiales de masa.

Pruebe el alcance con el tono de audio de 1 KHz y cuando tenga todo en condiciones agregue al diseño la sección de audio con el micrófono y la entrada de audio para el reproductor de CD o el MP3, que se puede observar en la figura siguiente.

Fig.8 Sección de micrófono y música

Este circuito está basado en un micrófono electret de dos terminales. Un micrófono electret funciona por el principio mismo del capacitor plano. Si se fabrica un capacitor con una chapa fija y otra con forma de membrana tensa y se habla sobre ella para que el dieléctrico cambie de espesor, se consigue un capacitor variable por la voz. Ese capacitor se carga desde fuente con un resistor (R4) y luego de la carga queda con una cantidad de electrones fijos en su interior dados por la fórmula

Q = C/V de donde V = C/Q

Como Q no cambia al cambiar C por las vibraciones, debe cambiar V y eso es justamente lo que se busca. Una tensión que varíe según las vibraciones del aire. Como el capacitor es de pequeño valor la sensibilidad del micrófono es poca y se debe agregar un transistor amplificador lo mas cerca posible del electret. Es decir que tal vez sea conveniente armar

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el micrófono y el transistor Q1 inmediatamente sobre el y luego un cable de tres conductores con fuente, masa y colector del transistor. En este caso se trabaja a una impedancia de 10K y la captación de zumbido es mucho menor. Para mejorar el problema de la captación puede utilizar un cable blindado de audio estereofónico y usar un vivo para la fuente el otro para el colector y la maya como masa.

El lector puede observar que la salida del colector se conecta a un potenciómetro que opera como control de volumen de micrófono. Separadamente se provee una entrada para un MP3 o una salida auxiliar de un reproductor de CD que se conecta a otro potenciómetro que opera como control de volumen auxiliar. Este sistema es lo que se llama un mezclador y permite la operación compensada de nuestra emisora casera y realizar fundidos de música y voz.

Dejamos a nuestros lectores la posibilidad de juntar las tres fuentes de sonidos con un mezclador de tres potenciómetros para combinar tono de 1KHz a las dos fuentes de sonido que acabamos de explicar.

Con la debida autorización de la secretaria de comunicaciones, un transmisor de este tipo, con una antena a una altura de unos 10 metros se pueden obtener alcances de 1Km o más. La utilización de antenas comerciales puede extender aun más el alcance pero hay que tener en cuenta el tipo de irradiación que se desee. No es lo mismo una transmisión punto a punto, que una transmisión del tipo circular hacia los 4 puntos cardinales.

Cables coaxiles

Los cables coaxiles son ampliamente utilizados en electrónica para conectar dispositivos de radiofrecuencia y están construidos para evitar que la energía transportada por el cable sea irradiada directamente. V

Fig.9 Fotografia de un cable coaxil RG59 que es el más indicado en nuestro caso

El cable coaxial o coaxil, fue creado en la década de los 30 del siglo pasado; posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la señal, y uno

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exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

El conductor central puede estar constituido por un alambre sólido o por varios hilos retorcidos de cobre; mientras que el exterior puede ser una malla trenzada, una lámina enrollada o un tubo corrugado de cobre o aluminio. En este último caso resultará un cable semirrígido.

La construcción de cables coaxiales varía mucho dependiendo del tipo. La elección del diseño afecta al tamaño, flexibilidad y propiedades del mismo. Un cable coaxial consta de un núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa.

Rodeando al núcleo existe una capa aislante dieléctrica que la separa de la malla de hilo. La malla de hilo trenzada actúa como masa, y protege al núcleo del ruido eléctrico y de la interferencia que proviene de los coaxiles adyacentes. El núcleo y la malla deben estar separados uno del otro. Si llegaran a tocarse, se produciría el cortocircuito de la señal. Una cubierta exterior no conductora (normalmente hecha de goma, teflón o plástico) rodea todo el cable, para evitar las posibles descargas eléctricas de la malla. En los cables coaxiales los campos debidos a las corrientes que circulan por el conductor interno y externo se anulan mutuamente.

La mayoría de los cables coaxiales tienen una impedancia característica de 50, 52, 75, o 93 Ω. La industria electrónica usa nombres de tipo estándar para cables coaxiales.

Tipo de cable Diámetro en mm Impedancia en Ohms Factor de velocidadAtenuación dB cada 100m en función de la frecuencia

100MHz 50MHz 100MHz 200MHz 400MHz 1GHz 3GHzRGS 8.3 50 0.66 2.75 6.23 8.86 13.50 19.4 32.15 75.5RG6 8.5 75 .066 2.75 6.23 8.86 13.50 19.4 32.15 75.5RG8 10.3 52 0.66 1.80 4.27 6.23 8.86 13.5 26.3 52.5RG9 10.7 51 .066 2.17 4.92 7.55 10.80 .16.4 28.90 59.1RG10 12.0 52 0.66 1.80 4.27 6.23 8.86 13.5 29.30 52.5RG11 10.3 75 0.66 2.17 5.25 7.55 10.80 15.8 25.60 54.1RG12 12.0 75 0.66 2.17 5.25 7.55 10.80 15.8 25.60 54.1RG13 10.7 74 0.66 2.17 5.25 7.75 10.80 15.8 25.60 54.1RG14 13.9 52 0.66 2.17 5.25 7.75 10.80 15.8 26.60 54.1RG17 22.1 52 0.66 0.79 20.3 3.12 4.92 7.87 14.40 31.2RG18 24.0 52 0.66 0.79 2.03 3.12 4.92 7.87 14.40 31.2RG59 6.2 75 0.66 3.61 7.87 11.20 16.10 23.00 39.40 86.9RG74 15.7 52 0.66 1.35 3.28 4.59 6.56 10.70 18.00 40.7RG122 4.1 50 0.66 5.58 14.80 23.00 36.10 54.10 95.10 187.0RG142 4.9 50 0.69 3.61 8.86 12.80 18.50 23.30 44.30 88.6RG174 2.6 50 0.69 3.61 8.86 12.80 18.50 263.30 44.30 88.6RG177 22.7 50 0.66 0.79 2.03 3.12 4.92 7.87 14.40 31.2RG178 1.9 50 0.69 17.40 27.90 32.80 41.00 52.50 78.70 144.0RG180 3.7 95 0.69 10.80 15.10 18.70 24.90 35.40 55.80 115.0RG187 2.8 75 0.69 17.40 27.90 32.80 41.10 52.50 78.70 144.0RG188 2.8 50 0.69 19.70 31.50 37.40 46.60 54.80 102.00 197.0RG195 3.9 95 0.69 10.80 15.10 18.70 24.90 35.40 55.80 115.0RG196 2.0 50 0.69 18.40 34.50 45.20 62.30 91.90 151.00 279.0RG212 8.5 50 0.66 2.72 6.23 8.86 13.50 19.40 32.15 75.5RG213 10.3 50 0.66 1.80 4.27 6.23 8.86 13.50 26.30 52.5RG213 Foam 10.3 50 .080 - - 4.80 6.40 10.3 - -RG214 10.8 50 0.66 2.17 4.92 7.55 10.80 16.40 28.90 59.1RG215 10.3 50 0.66 1.80 4.27 8.23 8.86 13.50 26.30 52.5RG216 10.8 75 0.66 2.17 5.25 7.55 10.80 15.80 25.60 54.1

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RG217 13.8 50 0.66 1.35 3.28 4.59 6.56 10.17 18.00 40.7RG218 22.1 50 0.66 0.79 2.03 3.12 4.92 7.87 14.40 31.2

Nota: recuerde que 20 dB equivalen a 10 veces.

Conclusiones

En esta lección presentamos un instrumento de pruebas para radios de FM, un oscilador de frecuencia fija de audio y una estación transmisora de FM en un solo dispositivo. Recomendamos que el alumno encare su armado sin dudarlo, porque por muy poco dinero tendrá la posibilidad de realizar una práctica muy útil para su desarrollo como reparador.

Al mismo tiempo aplicamos componentes muy importantes, estudiados con anterioridad, como el diodo varicap y el diodo zenner y conocimos otros que ya era imprescindible conocer como el microfono electret y el cable coaxil.

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32/ Reparación de radios AM/FM¿Es difícil diseñar un receptor de AM/FM moderno? Prácticamente no hace falta diseñarlo, si se usa un CI adecuado como el LA1828 que contiene todos los órganos de un receptor superheterodino. Sólo se requiere el agregado de un amplificador de audio y de un decodificador estereofónico si se desea fabricar una radio estereofónica. El fabricante, junto con las especificaciones, nos provee lo que se llama el circuito de aplicación. Es decir un circuito típico que debemos seguir para que nuestra radio funcione como él la diseñó.

¿Qué funciones cumple el circuito integrado LA1828?

En esta entrega y las siguientes buscamos que el alumno aprenda a reparar una radio de AM/FM de la manera más didáctica posible. En el momento actual, existen varios caminos que nos llevan a ubicar la información correspondiente a una radio, pero solo uno de ellos es el más transitado. Toda reparación debe comenzar tratando de conseguir el circuito del equipo que tenemos sobre la mesa. Para eso lo mejor es asociarse a una página como el Club de Diagramas que tenga la información ordenada ya que es

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imposible guardar toda la información en una computadora y mucho más en las clásicas carpetas.

Pero muchas veces los productos actuales tienen nombres de fantasía, colocados por un comerciante que trae una partida de ese modelo y luego trae otro diferente. En ese caso es imposible ubicar el circuito por marca y modelo. Por lo general esto es lo que ocurre con los productos mas baratos, como el que hoy nos ocupa; las radios. Pero esto tiene una solución muy sencilla y económica. Sáquele la tapa a la radio y observe que circuito integrado tiene. Suponga que tiene el LA1828 o cualquier otro que termine con 1828 porque cada fabricante le cambia las letras solamente.

Funciones del LA1828

AM: amplificador de RF, mezclador, oscilador, FI amplificador, detector, AGC, ajuste de la presentación salida

FM-FI: amplificador de RF, mezclador, oscilador FM-IF: FI amplificador, detector de cuadratura, la señal de medidor de fuerza,

salida de pantalla de ajuste MPX: PLL decodificador estéreo, estéreo de pantalla la producción, mono,

interno VCO

Características del LA1828

Chip simple con sintonizador de AM, FM-FE/FM-IF, MPX circuitos ajuste-MPX libre VCO (oscilador no cerámico requerido) Reducción del nivel de oscilación FM-FE Indicador de FM estéreo y AM/FM de sintonización indicación de salidas

directamente puede conducir LED

Podemos deducir que el integrado posee la sección de antena, oscilador local, conversor y amplificador de FI tanto para un receptor de AM como para uno de FM que se conmutan con la tensión aplicada a una pata. También posee un decodificador de FM estereofónica incluido, que se puede forzar para que trabaje solo como monofónico. Este decodificador no requiere filtros cerámicos para su funcionamiento y se ajusta solo sin requerir la ayuda de un técnico. Posee patas de salida para leds que indican si la radio funciona en AM, FM monofónica o FM estereofónica.

El pin-up del 1828 y otros datos

El pin-up de un integrado es un resumen de las dimensiones la forma y para que sirve cada pata del mismo.

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Fig.1 Dimensional del integrado LA1828 de Sanyo

A continuación vamos a analizar el diagrama en bloques del integrado que nos servirá como un excelente repaso de cómo funciona una radio de AM y FM.

Fig.2 Diagrama en bloques del LA1828

En general podemos observar que la parte superior del diagrama en bloques está dedicada a la FM y la parte inferior a la AM. Comencemos analizando la sección de AM.

Funcionamiento en AM

La antena es una clásica antena de ferrite con un circuito sintonizado a la frecuencia de la emisora y un bobinado de pocas vueltas utilizado para adaptar la impedancia del circuito resonante, a la impedancia de entrada del CI y además para llevar la polarización desde el circuito regulador que tiene salida por la pata 2. Este regulador permite que las etapas de RF puedan seguir bien polarizadas aún con las pilas bajas. Observe que externamente se deben agregar dos capacitores de desacoplamiento de la fuente regulada. Un electrolítico para las bajas frecuencias y un capacitor cerámico disco para las de RF.

La bobina del circuito sintonizado, resuena con un capacitor variable tipo varicap o de plástico, para sintonizar la emisora elegida y producir algún mínimo rechazo sobre las emisoras vecinas. La polarización de continua y la RF ingresan por la pata 1. Allí

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encontramos la etapa amplificadora de RF controlada por el control automático de ganancia (AGC) que se encuentra abajo a la derecha sobre la pata 12, en donde se observa el capacitor de filtrado del AGC.

La salida del amplificador de RF se envía a la etapa mezcladora (AM MIX) en donde se mezcla con la señal del oscilador local (AM OSC) que posee una pata (3) dedicada a la bobina del oscilador local que también esta controlada por un capacitor variable de plástico o del tipo varicap. El otro terminal del bobinado de realimentación de la bobina osciladora se conecta a la fuente de AM que ingresa por la pata 4.

La salida del mezclador de AM posee una gran cantidad de señales. De todas ellas se selecciona la señal diferencia, de la frecuencia de la sección osciladora y de la sección de antena, que precisamente es igual a la frecuencia de FI. Esa salida se produce por la pata 7 en donde se puede observar que esta conectada la primer bobina de FI.

Esta bobina solo se coloca para adaptar la impedancia de un filtro cerámico que es una especie de circuito sintonizado fijo que no requiere ajuste y que inclusive presenta una curva con una selectividad muy mejorada de sus flancos con respecto a un solo circuito resonante. Es un circuito que reemplaza a un circuito resonante paralelo y que no requiere ajuste. Se pone y se usa. Existen de muy diferentes frecuencias, todas relacionadas con la radio y la TV. En este caso es de 450 KHz que es la frecuencia de FI de nuestra radio cuando esta en AM.

La salida del filtro cerámico se conecta a la pata 11, en donde está el segundo amplificador de FI que a su ves tiene acoplado el detector de AM. El detector, como en un superheterodino clásico genera la señal de salida y la tensión continua de AGC. El camino de la señal de audio es un poco tortuoso, porque el integrado solo tiene dos salidas de audio la R-OUT (17) y la L-OUT (16) tanto para AM como para FM. Las letras L y R se refieren a Left (izquierdo) y Rigth (derecho) de los canales estereofónicos.

Observe que la salida del detector de AM además de ir hacia el AGC confluye junto con la salida del detector de FM hacia la pata 19 en donde se encuentra el capacitor integrador del audio, compartido por los dos detectores. En ese punto aun existen dos componentes de señal; la continua proporcional a la amplitud de la portadora recibida y la alterna que contiene la información de audio. Se impone el uso de un capacitor electrolítico para filtrar la continua y acoplar el audio a la pata 18. en esta pata la señal toma dos caminos diferentes según sea la tensión de la pata de 15 que controla que sección debe funcionar. Con la pata 15 levantada de masa, pero conectada a fuente con un electrolítico, la radio funciona en AM y opera el amplificador que conecta la pata 18 con el decodificador estereofónico, que en este caso solo cumple una función pasiva consistente en enviar la salida de audio a las dos salidas por las patas 16 y 17 con destino al/los amplificadores de potencia. Sobre esas patas existen dos capacitores que operan derivando a masa las componentes de RF de FM.

Con referencia a la AM solo quedan por explicar un bloque destinado a la sintonía de las emisoras y que se denomina LED de sintonía (TUN LED) ubicado sobre la pata 8. Esta

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pata presenta una tensión igual a la barrera del LED cuando no se recibe ninguna emisora con lo cual el LED se encuentra apagado. Cuando se sintoniza una emisora, el AGC detecta una tensión proporcional a la amplitud de su portadora y el LED se enciende. Si la sintonía no es adecuada, se recoge poca portadora y el LED tiene poco brillo. Un ajuste al doble capacitor de sintonía del oscilador y la antena mientras se observa el brillo del LED, nos permite sintonizar el receptor con precisión.

Funcionamiento en FM

La entrada de RF de FM es la pata 24. Entre la antena telescópica de FM y la pata 24 se coloca un filtro cerámico que deja pasar la banda de FM de 88 a 108 MHz rechazando otras señales que podrían producir interferencia o saturación del canal de FM.

Como en AM este amplificador requiere una polarización y una sintonía que este caso está provista desde la pata 22 en donde se observa el circuito resonante de antena de FM y un RC de filtrado de fuente conectado en este caso sobre la pata 21 que es la entrada de fuente para FM. Es decir que el integrado posee dos fuentes de alimentación, una para AM (4) y otra para FM (21). La salida del amplificador de RF de FM amplificada y sintonizada se envía al mezclador de FM que tiene otra entrada para el oscilador de FM (FM OSC) que tiene una salida por la pata 20 para la bobina osciladora y el capacitor de sintonía.

A diferencia de la bobina osciladora de AM no existe un bobinado de realimentación porque en este caso el mecanismo de oscilación es diferente. La pata 20 posee características de impedancia muy particulares; se puede decir que tiene resistencia negativa. Esa resistencia negativa anula la resistencia positiva de perdidas de la bobina y la misma oscila sin perdidas generando la señal del oscilador. Es decir que solo con conectar un circuito resonante en la 20 alcanza para que este oscile. Pero como la pata 20 tiene también una polarización de continua es necesario conectar el circuito resonante a través de un capacitor de acoplamiento.

La salida del mezclador (FM MIX) es por la pata 5 en donde se pueden encontrar una gran cantidad de componentes armónicos. De todas ellas la bobina de FI de FM separa la señal diferencia de 10,7 MHz y la envía a un filtro cerámico de esa frecuencia en todo similar al de 450 KHz salvo por su frecuencia.

En la pata 10 se encuentra la entrada de la segunda parte del amplificador de FI de FM que está acoplada a dos etapas. Por un lado el detector de FM que requiere una bobina sintonizada en 10,7 MHz sobre la pata 13 como carga del detector (note que se requiere un circuito de bajo Q, ya que existe un resistor en paralelo). Y por otro el bloque de sintonía indicado como medidor de S (S-METER). En FM la curva de sintonía no tiene solo un máximo como en AM. Posee una curva que tiene una forma muy similar a una letra S acostada. La sintonía correcta del detector de FM se produce cuando la frecuencia de FI se encuentra justo en el centro de esta S. Mas adelante volveremos sobre este tema.

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Como ya sabemos, la señal de salida de ambos detectores se suma y es enviada a la pata 19. Allí se separa la componente continua y se envía la señal (en este caso la FM estereofónica o monofónica) al comparador de fase (PHASE COMP). Esta etapa junto tres flip-flop (FF) un oscilador controlador por tensión (VCO), una llave estereofónica automática (ST-SW) y un disparador (TRIGER), forman parte del decodificador estereofónico que nosotros vamos a analizar mas adelante. Cuando la señal de FM es monofónica todas estas etapas son simplemente pasantes y la señal de la llave estereofónica (ST-SW) alimenta en paralelo a las dos salidas de audio por las patas 16 y 17.

Filtros cerámicos

Nosotros ya sabemos que es un filtro. Generalmente es un circuito compuesto por una bobina ajustable por un núcleo y un capacitor generalmente incluido en el blindaje de la bobina. De acuerdo a como se conecten los componentes se puede lograr un circuito pasabanda o rechazabanda. El Multisim nos puede ayudar mucho respecto a la curva de respuesta en frecuencia de cada tipo de filtro.

Fig.3 Curva de respuesta de un filtro PI

Como podemos observar se necesita una bobina ajustable con un núcleo dos capacitores y un resistor que ajusta el Q del circuito para lograr una frecuencia central y una determinada banda pasante de frecuencias. Es evidente que se trata de un filtro pasabanda de FI de AM. Nota: el generador de funciones y C3 no cumple ninguna función especifica; solo se agregan porque en caso contrario el analizador de Bode no puede cumplir con sus funciones, en la estructura interna del Multisim (es una necesidad de la simulación).

La electrónica moderna considera un pecado diseñar circuitos con componentes bobinados y que además deban ajustarse uno por uno. Simplemente porque un componente bobinado es difícil de construir; caro, voluminoso y que tiene grandes probabilidades de falla. Y si después se lo debe ajustar cuando se termina de producir la radio, es mucho peor, porque requiere el trabajo manual de un técnico que puede cometer errores y desprestigiar el producto.

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En el estado actual de la técnica es imposible realizar una radio sin bobinas. Pero se minimiza su uso y se las coloca y diseña de modo que su ajuste no sea complejo. El componente que reemplaza las bobinas se llama filtro cerámico y en la figura 32.6.2 se pueden observar las curvas del mismo en tanto que en la figura siguiente se observan sus fotografías.

Fig.4 Curvas de respuesta en frecuencia de dos filtros cerámicos

Los filtros se analizan en función del ancho de banda a 10KHz de la frecuencia central de FI que generalmente es de 450 KHz. Las emisoras se otorgan con una separación de 10 KHz entre portadoras así que trasladadas a la frecuencia de FI podría existir una emisora interferente en 440 KHz o en 460 KHz. Teóricamente el filtro no debería tener salida a esas frecuencias, pero eso es imposible de lograr. Como vemos en una de las curvas existe una caída de 9 dB y en la otra de 15 dB que es el rechazo de emisora contigua de estos filtros.

Si se hicieran más angostos se produciría un rechazo mayor pero hay que tener en cuenta que una emisora no ocupa solo la frecuencia de la portadora. La modulación ocupa una banda de 5 KHz a cada lado de la misma y si las curvas fueran más angostas se produciría una atenuación de agudos. La curva de la izquierda tiene una atenuación de 5 dB a 5 KHz y la de la derecha de 9 dB.

Como el oído humano escucha hasta 20 KHz podemos concluir que las transmisiones de AM solo cubren una banda 4 veces menor que lo que podemos escuchar y por lo tanto no se pueden considerar como una transmisión de alta fidelidad. Por esa razón se desarrolló la banda de FM que tiene un corte de la respuesta en frecuencia mucho mas alta y permite el agregado de la estereofonía.

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Fig.5 Fotografías de diferentes filtros cerámicos

Conclusiones

Como el alumno habrá observado, en esta entrega comenzamos una nueva etapa de nuestro curso. A partir de ahora comenzamos a aplicar el conocimiento adquirido en la reparación de radios de AM y FM. Es decir que comenzamos la etapa de aplicación del conocimiento a una salida laboral.

Si Ud. cumplió con todas las indicaciones que le impartimos: estudio; instaló el Multisim y realizó las simulaciones; armó los instrumentos de prueba; contestó los interrogatorios y volvió a estudiar los temas mal contestados. En una palabra, tomó nuestras entregas como un verdadero curso, seguramente está en condiciones de comenzar a trabajar reparando radios.

Muchos reparadores cambian algún componente casi al azar y luego prueban si se arregló. Este modo de trabajar podría llegar a aplicarse con algún mínimo éxito cuando los equipos tenían componentes de montaje normal. Pero actualmente todos los equipos tienen componentes de montaje superficial difíciles de cambiar. Y esos reparadores se encuentran hoy en la encrucijada de sus vidas, porque cada día reparan menos equipos y rompen más.

Cuando explicamos los capítulos más básicos de nuestro curso, con cada entrega le hacíamos responder un cuestionario. En esta vamos a realizar una especie de examen final de los últimos capítulos dedicados al receptor superheterodino, para que Ud. pueda evaluar sus conocimientos. Si responde mal a una pregunta por favor repase el capítulo o sección correspondiente.

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33/ Método de ajuste y reparación para radios con CI LA1828

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Pero no es cosa de tocar los ajustes porque si. Hay que determinar primero si la radio esta desajustada en lo posible sin modificar los elementos de ajuste (núcleos y trimers).

Ajuste de una radio con el LA1828 o similar en OL

Cuando se termina de armar una radio con un LA1828 o un circuito integrado similar, aún debe sufrir un proceso de ajuste antes de su venta. El proceso de este ajuste es prácticamente el primer service que se le hace al receptor, cuando se lo analiza buscando una falla no catastrófica (una falla menor y no una falta total de funcionamiento, como por ejemplo que las emisoras entren con ruido superpuesto). Además una reparación siempre implica un ajuste posterior, aunque sólo sea como una atención al cliente para que su equipo funcione a pleno rendimiento.

El ajuste debe comenzar siempre por AM y siempre se hace usando un generador de RF que tenga por lo menos las siguientes frecuencias moduladas en amplitud por 1 KHz: 450 KHz; 530 KHz; 680 KHz; 970 KHZ; 1250 KHz y 1640 KHz. En nuestro curso desarrollamos un generador de este tipo, cuando estudiábamos las radios de un solo transistor.

Ajuste de FI1. Si la radio es con un LA1828, desconecte la pata 1 o la 2. Conecte

provisoriamente un resistor de 47 Ohms entre ambas patas. El generador en 450 KHz se debe conectar a la pata 1 mediante un capacitor cerámico disco de .1 uF; para evitar que la baja resistencia de salida del generador modifique la tensión de polarización entregada por la pata 2, ya que la maya del cable coaxial del generador se debe conectar a masa.

2. Luego se debe encender la radio en AM (si tiene ondas cortas seleccione OM que en algunos países, la Argentina por ejemplo se conoce como OL). Debería estar recibiendo el tono de audio de modulación del generador de RF (si lo tiene). El control de volumen debería permitir el cambio del nivel de salida por los parlantes.

3. Para verificar el ajuste del amplificador de FI, deberíamos ajustar el núcleos de la bobina conectada sobre la pata 7 del LA1828 (primer bobina de FI) a máxima salida sobre el parlante. Pero el oído no es un buen medidor para hacer un ajuste preciso. Le aconsejamos que baje el archivo de la sonda medidora de valor pap (Sonda detectora de RF) y que la intercale entre el parlante y el tester digital o analógico para que pueda medir la señal de 1 KHz de modulación. Ahora el ajuste se realiza observando la indicación del tester.

4. El canal de FI de la radio se puede saturar si Ud. le pone a la entrada una señal muy alta. Lleve el control de volumen a máximo. Reduzca el valor de señal de entrada hasta que el tono se escuche sin distorsión por recorte. Observe la indicación del tester y baje aun más la señal hasta que indique aproximadamente la mitad del valor anterior.

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Ajuste de FI de AM1. Ajuste el núcleo de la primer bobina de FI a máxima salida en el tester.2. Desuelde el resistor agregado y vuelva a conectar la bobina de antena de OL.3. La radio debería sintonizar emisoras pero las mismas podrían estar corridas en

frecuencia, o entrar con baja señal (ruido de fondo).

Ajuste de las puntas de banda de OL

Aquí debemos diferenciar entre dos diferentes tipos de radios existentes en el mercado (dejamos para más adelante a las radios con sintonía a varicap controlados por microprocesador): las radios con dial mecánico y las radios con dial electrónico. Ambas poseen un tándem de plástico para ajustar la emisora deseada.

Las radios con dial electrónico poseen un frecuencímetro que es una ayuda fundamental en el proceso de ajuste. En realidad el frecuencímetro mide la frecuencia del oscilador local, le resta el valor de la FI (450 KHz) y lo muestra en el display. Esto significa que ajustando el núcleo de la bobina osciladora o el trimer del oscilador de OL cambiará la indicación en el dial electrónico.

1. Simplemente lleve el tándem a máxima capacidad y ajuste el núcleo de la bobina osciladora de OL para que indique 530 KHz.

2. Lleve el tándem a minima capacidad y ajuste el trimer para que indique 1640 KHz.

3. Vuelva a cerrar completamente el tándem y verifique que el dial electrónico indique 530 KHz. Si indica otro valor ajuste nuevamente el núcleo de la bobina osciladora.

4. Lleve el tándem a minima capacidad y verifique si indica 1640 KHz. Si indica otro valor reajuste el trimer oscilador de OL.

5. Continúe con el mismo procedimiento hasta que las verificaciones indiquen el valor correcto de 530 KHz con el tándem cerrado y 1640 KHz con el tándem abierto.

Si la radio tiene dial mecánico la frecuencia la debe dar el generador de RF que deberá colocarse en 530 KHz. Luego debe cerrar el tándem y por último ajustar el núcleo de la bobina osciladora para que se escuche el tono de modulación. La misma acción se debe realizar con el tándem abierto en 1640 KHz ajustando el trimer oscilador.

Ajuste del circuito sintonizado de antena de OL

En este caso la bobina está bobinada sobre el ferrite de antena y no existe un núcleo de ajuste. El ajuste consiste en correr toda la bobina sobre el ferrite, o parte de la bobina que es deslizante, acercándola o alejándola de otra sección que es fija. Como la acción implica tocar la bobina con la mano, se producen ruidos que no permiten realizar un ajuste preciso. Por eso se debe construir una herramienta de verificación que se llama paleta Fe/Cu que indicamos en la figura 1.

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Fig.1 Paleta Fe/Cu

Cuando se acerca el ferrite de la paleta aumenta la inductancia de la bobina y cuando se acerca la chapa de cobre, se reduce. El ajuste se verifica acercando primero el ferrite y observando que caiga la indicación del tester; luego se acerca el cobre y se verifica que la indicación caiga también. Esto significa que no hay posibilidad de lograr un mejor ajuste. Si aumenta la indicación se deberá reajustar la posición de la bobina.

La señal para el ajuste de antena de OL se debe introducir por radiación como si el generador fuera una emisora de AM. Es decir que no hay cable de conexión del generador a la radio, sino a un dispositivo llamado irradiante que se construye según lo indicado en la figura 2.

Fig.2 Irradiante de OL

Sitúe el irradiante a 1 metro de la radio en forma paralela al ferrite de la antena de OL de la radio.

Coloque el generador de RF en 680 KHz sintonice el tono de modulación con la perilla de sintonía y ajuste el nivel del generador para lograr el mismo valor de salida usado para el ajuste de FI. Luego ajuste la bobina deslizante de antena a máxima señal en el tester. Coloque el generador en 1250 KHz y ajuste el trimer de antena de OL a máxima salida en el tester. Verifique el ajuste con la paleta Fe/Cu.

Vuelva a colocar el generador en 680 KHz, sintonice la señal y realice nuevamente la verificación del ajuste de la bobina deslizante. Luego vuelva el generador a 1250 KHz y vuelva a verificar el ajuste y así sucesivamente hasta que no sea necesario ajustar la bobina deslizante y el trimer.

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Por último, coloque el generador de RF en 970 KHz y sintonice la señal con la perilla de sintonía de la radio. Verifique el ajuste con la paleta Fe/Cu. Seguramente la bobina de antena no estará ajustada al máximo; verifique que el desajuste en el tester no supere un 30% del valor máximo.

Nota: todo este ajuste debería realizarse adentro de una jaula de Faraday, que es un recinto metálico que no deja pasar las ondas electromagnéticas. Esta jaula no es un recinto que habitualmente exista en un taller de reparaciones. Por esa razón podría ocurrir que en las frecuencias elegidas existan emisoras que interfieran la medición. En ese caso puede correr levemente las frecuencias, buscando un lugar vacío de la banda de OL.

Expliquemos lo que acabamos de realizar.

Nuestro generador es como una emisora, que tiene una modulación fija de 1 KHz, para que nos facilite el ajuste. Si Ud. Sintoniza una emisora real y observa el tester, verá que la indicación varía continuamente y no permite realizar un ajuste correcto.

Cuando sintonizamos el generador de RF, la aguja del tester analógico, o el número del display del tester digital, no se mueve, salvo que cambiemos el ajuste.

La primera operación fue ajustar el amplificador de FI y lo hicimos introduciendo la señal en la entrada de conversor. Previamente desconectamos la bobina de antena para evitar interferencias.

Luego repusimos la bobina de antena y ajustamos el oscilador local para que las puntas de banda queden como principio y final del dial. Con esto evitamos que el receptor pierda las emisoras cercanas a las puntas de banda. Una vez que la radio entra en su rango de frecuencia, sintonizamos el circuito de antena para que las emisoras tengan la máxima amplitud de señal en la entrada del conversor.

Como las secciones del tándem no están perfectamente apareadas es imposible conseguir el máximo de señal en toda la banda. Por eso elegimos dos frecuencias en el tercio inferior y en tercio superior de la banda para realizar allí un ajuste perfecto y luego hicimos una verificación en el centro de la banda. En realidad deberíamos realizar una medición en toda la banda, pero eso es prácticamente imposible de realizar o muy trabajoso. Además, si se verifica el ajuste en tres puntos, es probable que el resto de la banda esté aceptablemente ajustado.

Fallas no catastróficas que se deducen del ajuste

Si la radio tiene poca señal de salida sobre el parlante y al realizar al ajuste de FI se observa que no varía la salida, al tocar el núcleo de la primer FI; significa que la bobina o su capacitor de sintonía están alterados. También es posible que no funcione bien el filtro de 450 KHz. Una falla en los amplificadores de FI del integrado se manifestaría como una señal baja de salida, pero que permite un ajuste de máxima salida con la primer bobina de FI.

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Si la radio sintoniza emisoras, pero solo la más potentes y lo hace con mucho ruido de fondo (ruido blanco como el que hace un TV fuera de canal) es probable que no opere la sintonía del circuito de antena. Es decir que cuando trate de correr la bobina móvil de antena la señal sobre el parlante no varía. En este caso mida con el tester en óhmetro la continuidad de la bobina desconectada del tándem. En realidad es un transformador que podría tener cortado su primario (el que va al tándem) o espiras en cortocircuito en su secundario.

También podría tener un cortocircuito en la sección de antena del tándem; cuando desuelde la bobina para medirla, mida con el tester que el tándem sea un circuito abierto.

Si el problema es que al realizar la verificación en 970 KHz tiene un desajuste superior al 30% pueden ocurrir dos fallas de acuerdo al tipo de tándem. Si se trata de un tándem de secciones iguales, significa que está en malas condiciones el capacitor padder que se conecta en serie con la sección osciladora o el propio tándem. Si se trata de un sistema con sección osciladora recortada el problema esta en el tándem.

Ajuste de una radio con el LA1828 o similar en FM

La sección de FM no tiene un ajuste muy diferente al de la sección de AM. Solo cambian las frecuencias y la forma física de las bobinas.

Desconecte la pata 22 y conecte provisoriamente un resistor de 47 Ohms entre la pata 21 y la 22. conecte el generador de 10,7 MHz modulado en frecuencia, en la pata 22 con un capacitor de .1 uF. Ajuste el nivel de salida de RF para obtener la misma señal de salida que durante el ajuste de AM.

Ajuste de FI de FM1. Ajuste el núcleo de la primer bobina de FI de FM a máxima salida en el tester.2. Desuelde el resistor agregado y vuelva a conectar la bobina de antena de FM.3. La radio debería sintonizar emisoras, pero las mismas podrían estar corridas en

frecuencia o entrar con baja señal (algo de ruido de fondo).

Ajuste de las puntas de banda de FM

Si la radio es con dial electrónico:

1. Simplemente lleve el tándem a máxima capacidad y ajuste la bobina osciladora de FM para que indique 88 MHz. La bobina osciladora no posee núcleo es una bobina de alambre de 0.30 mm de diámetro aproximadamente que se debe deformar con un destornillador de plástico.

2. Lleve el tándem a minima capacidad y ajuste el trimer oscilador de FM para que indique 88 MHz.

3. Vuelva a cerrar completamente el tándem y verifique que el dial electrónico indique 88 MHz. Si indica otro valor ajuste nuevamente a la bobina osciladora.

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4. Lleve el tándem a minima capacidad y verifique si indica 108 MHz. Si indica otro valor reajuste el trimer oscilador de OL.

5. Continúe con el mismo procedimiento hasta que las verificaciones indiquen el valor correcto de 88 MHz con el tándem cerrado y 108 MHz con el tándem abierto.

Si la radio tiene dial mecánico, la frecuencia la debe dar el generador de RF que deberá colocarse en 88 MHz. Luego cerrar el tándem y por último deformar la bobina osciladora para que se escuche el tono de modulación. La misma acción se debe realizar con el tándem abierto en 88MHz ajustando el trimer oscilador.

Ajuste del circuito sintonizado de antena de FM

En este caso la bobina es similar a la osciladora, no existe un núcleo de ajuste ya que es una bobina con núcleo de aire que se ajusta por deformación. La señal se debe aplicar en la entrada de antena por medio de una punta llamada antena fantasma cuyo circuito se puede observar en la figura 3.

Fig.3 Antena fantasma

Esta punta reemplaza la antena telescópica de la radio, que a las frecuencias de FM se comporta como un generador con resistencia interna capacitiva.

Para verificar el ajuste de las bobinas se debe utilizar una paleta Fe/Cu para FM que mostramos en la figura 4.

Fig.4 Paleta Fe/Cu para FM

Nota: el núcleo que utiliza esta herramienta debe ser para altas frecuencias es decir de carbonilo y puede ser recuperado de una bobina de FI de TV. El aro de cobre puede ser de alambre desnudo de aproximadamente 0,3 mm de diametro y debe estar soldado en la unión es decir es una espira en cortocircuito.

Cuando se acerca el ferrite de la paleta aumenta la inductancia de la bobina y cuando se acerca la espira de cobre se reduce. El ajuste se verifica acercando primero el ferrite y

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observando que caiga la indicación del tester; luego se acerca el cobre y se verifica que la indicación caiga también. Esto significa que no hay posibilidad de lograr un mejor ajuste. Si aumenta la indicación se deberá modificar la deformación de la bobina.

1. Coloque el generador de RF en 93 MHz sintonice el tono de modulación con la perilla de sintonía y ajuste el nivel del generador para lograr el mismo valor de salida usado para el ajuste de FI. Luego deforme la bobina de antena de FM a máxima señal en el tester. Coloque el generador en 103 MHz y ajuste el trimer de antena de OL a máxima salida en el tester. Verifique el ajuste con la paleta Fe/Cu para FM.

2. Vuelva a colocar el generador en 93 MHz sintonice la señal y realice nuevamente la verificación del ajuste de la bobina deslizante. Luego vuelva el generador a 103 MHz y vuelva a verificar el ajuste y así sucesivamente hasta que no sea necesario ajustar la bobina deslizante y el trimer.

3. Por ultimo coloque el generador de RF en 98 MHz y sintonice la señal con la perilla de sintonía de la radio. Verifique el ajuste con la paleta Fe/Cu. Seguramente la bobina de antena no estará ajustada al máximo; verifique que el desajuste en el tester no supere un 30% del valor máximo.

Reparaciones en el  LA1828

La especificación del circuito integrado nos ofrece una gran ayuda a la hora de reparar un equipo que contenga este al este. Esa ayuda es una descripción de los circuitos internos armados sobre las patas de entrada y salida del integrado. Es decir que el fabricante no da el circuito interno completo, pero entrega la parte que nos importa para realizar una reparación o un diseño porque se pueden simular los circuitos correspondientes. Además nos indica las tensiones en cada pata.

Vamos a hacer una recorrida por las diferentes patas indicando las fallas más comunes que se pueden producir sobre ellas.

La pata 1 es la entrada de AM y la 2 es la fuente regulada que alimenta al amplificador de AM, a través de la bobina de acoplamiento de la antena de ferrite.

Fig.5 Circuito de la entrada de señales de radio de AM

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Como vemos el circuito es un amplificador de entrada balanceada es decir que se repite el circuito sobre las dos entradas de modo que sobre la pata 1 debe existir la misma tensión que sobre la 2 para que el amplificador se encuentre bien polarizado. Y esto ocurre porque ambas patas están en cortocircuito para la CC por la bobina de antena.

Es evidente que el circuito no está completo porque sobre la pata 2 debe conectarse la fuente de polarización regulada interna de 1,3V que se observa luego.Una falla en esta sección se puede descubrir porque las patas 1 y 2 no tienen la misma tensión continua (1,3V). El síntoma que presenta la radio es seguramente una muy baja sensibilidad en AM pero un funcionamiento correcto en FM. También es probable que las emisoras de AM se escuchen pero con ruido superpuesto sobre las emisoras cercanas; las emisoras lejanas seguramente no se escucharán. Si ninguna de las patas tiene tensión y no se escucha ninguna emisora de AM se debe buscar un cortocircuito desde esas patas a masa.Desconecte la bobina secundaria de la antena. Mida la tensión de la pata 2, debe tener un valor muy cercano a 1,3V. En caso contrario y si el integrado tiene la tensión de fuente correcta sobre la pata 4 VCC de 4,5V significa que el CI está dañado.

El circuito se completa con la información de la pata 2 que se observa en la figura 6 y que es una fuente regulada de tensión pero levemente desregulada por el resistor conectado sobre la pata 2 colocado por protección contra cortocircuitos.

Fig.6 Fuente regulada sobre la pata 2

Un aumento de consumo sobre la pata 2 genera una caída de tensión sobre el resistor común de emisor a través del transistor de la derecha usado como diodo. Si el emisor del transistor de la derecha baja de valor, la diferencia de potencial base emisor aumenta y también lo hace la corriente de colector. Esto implica un aumento en la corriente de base del transistor superior y también de su colector que compensa la caída de tensión original. Además las variaciones de tensión de barrera con la temperatura, quedan compensadas entre las dos bases.

La pata 3 es la del oscilador local de AM. La 4 se conecta a la fuente externa de 4,5V. La pata 3 va a la bobina de realimentación, que a su vez se conecta a la misma fuente. Si

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bien hay dos patas conectadas a la bobina, una de ellas (la 4) no se puede considerar como una pata activa (que tenga CA de señal). Es decir que la única pata activa para la CA es la 3 y si el circuito resonante oscila es porque esa pata presenta una característica de resistencia negativa.

Fig.7 Pata de la bobina osciladora de AM

En una resistencia positiva si se aumenta la tensión aplicada aumenta la corriente circulante. En una resistencia negativa si aumenta la tensión aplicada se reduce la corriente circulante. El circuito es un circuito de transistores en disposición balanceada. Su particularidad es que los dos transistores están unidos por sus emisores. Es decir que la corriente de los emisores comunes es igual a la suma de la corriente de cada emisor. El circuito dado por el fabricante está incompleto pero seguramente los emisores unidos se conectan a un generador de corriente que mantiene la corriente de emisor constante. Por ejemplo el colector de un transistor adecuadamente polarizado en la base. De este modo Ie1 + Ie2 = cte es decir que todo lo que aumenta la corriente por un transistor se reduce por el otro de modo que la suma no varíe.

Ahora tratemos de entender que significa que la pata 3 presente resistencia negativa. Si colocamos en ella una fuente de tensión de 3 V por ejemplo circulará cierta corriente por el transistor de la izquierda determinada por la resistencia de base. Esa corriente de base será pequeña pero por el emisor circulará una corriente beta veces mayor. Esto significa que por el transistor de la derecha circulara una corriente menor porque la suma de las corrientes debe ser un valor constante.

Ahora aumentamos la tensión de la pata 3 de 3V a 4V. La corriente por la pata 3 en lugar de aumentar bajará y eso es equivalente a una resistencia negativa. Si ahora se coloca un circuito sintonizado sobre la pata 3 y la resistencia negativa del circuito es mayor que la resistencia equivalente al “Q” o factor de merito de la bobina, cualquier ruido presente sobre el circuito resonante, se irá amplificando hasta que se transforme en una oscilación.

Explicamos en detalle este funcionamiento, porque con un LA1828 se puede construir un excelente oscilador de RF con solo colocar un circuito resonante adecuado entre la pata 3 y fuente.

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La pata 4 se conecta a fuente, que para este integrado se recomienda como de 4,5V. Este valor coincide con tres pilas en serie que es lo aconsejable para un receptor moderno aunque en realidad el CI puede funcionar entre 2,5 y 6 V es decir que admite el uso desde 2 pilas hasta 4.

La pata 5 es la pata de salida del conversor de FM; lugar donde tenemos la señal poliarmónica con todos los productos propios de una etapa alineal excitada con una señal fuerte (el oscilador local) una señal débil (la señal de la emisora) allí encontraremos, a esas dos señales mas la suma de ellas, la resta (o señal de FI de 10,7 MHz) y todas las armónicas de las señales enumeradas. Al conectar la primer bobina de FI en la pata 5 se atenúan (prácticamente desaparecen) todas las señales salvo la señal diferencia o FI.

Fig.8 Circuito del conversor de FM

Las señales de la emisora y la del oscilador local se conectan internamente. El valor de tensión que debe existir en la pata 5 es el mismo valor que existe en la fuente. Si tiene un valor menor es porque existe un cortocircuito a masa dentro de la primer bobina de FI.

Se trata de un circuito doble balanceado en donde la corriente de emisor del transistor de la izquierda varia al ritmo del oscilador local y la corriente de emisor del transistor de la derecha al ritmo de la señal de la emisora.

La pata 6 es la conexión de masa tanto para AM como para FM.

La pata 7 es la salida del conversor de la sección de AM. La función de la etapa es similar a la de FM salvo por la frecuencias de entradas y salidas. En este caso la frecuencia de salida es de 450 KHz.

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Fig.9 Circuito del conversor de AM

Se trata de un circuito muy similar al de la pata 5 salvo por el agregado de los resistores de emisor que se hacen necesarios debido a la mayor ganancia de los transistores en la banda de AM.

La pata 8 es una salida de señalización, donde se conecta un led y un resistor en serie a la fuente. Se trata de un circuito llamado “open colector” o de colector abierto en donde el colector de un transistor se conecta a la pata de salida solamente según la figura 10.

Fig.10 Circuito de la pata del indicador de sintonía

La base de este transistor detecta de algún modo la tensión del CAG de modo que el transistor conduce levemente con las emisoras lejanas y fuertemente con las cercanas. Del mismo modo si la emisora esta desintonizada es igual que si fuera una emisora lejana que se acerca al sintonizarla. De algún modo no explicado en la especificación, este circuito también detecta el nivel de las emisoras de FM.

La pata 9 es una pata dual. Es un circuito similar al anterior pero con el agregado de un capacitor en colector que se puede utilizar como salida de FI de AM para utilizar un detector de AM externo. Esta salida se utiliza en EEUU y Europa y Japon donde existen emisoras de AM estereofónicas, En FM sirve para la detección de algo característico de las transmisiones de FM estereofónica que se llama señal piloto. Este LED indica entonces si la emisora es monofónica o estereofónica.

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Fig.11 Circuito del LED estereofónico y de la salida de FI de AM

La pata 10 es la pata de entrada de la señal de FI de FM, luego de haber pasado por el filtrado de la primer bobina de FI y del filtro cerámico de 10,7 MHz. Podríamos decir que es la entrada del amplificador de FI de FM.

Fig.12 Entrada del amplificador de FI de FM

Como se puede observar es también una entrada balaceada en donde una de la patas se conecta a la tensión de referencia de la pata 2 que era de 1,3V y que servirá para polarizar a esta etapa y las siguientes. La resistencia de entrada de esta etapa es de 330 Ohms y es la responsable de polarizar el transistor de la derecha y de ofrecer una resistencia de carga adecuada al filtro cerámico. Dada la característica simetría de la etapa la tensión sobre la pata 2 será igual a 1,3V. Si la tensión de la pata 2 es correcta una tensión baja en la pata 10 significa que el filtro cerámico o el CI están dañados. Levante el filtro cerámico y vuelva a medir.

La pata 11 es la entrada de FI de AM luego de haber pasado por la primer bobina de FI de AM y el filtro cerámico de 450 KHz.

Fig.13 Entrada al amplificador de FI de AM

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Es en todo similar a la entrada de FI de FM salvo que el resistor de entrada es de 2 KOhms, porque esa es la resistencia de carga que requiere el filtro cerámico de 450 KHz.

La pata 12 es la pata de AGC tanto para AM como para FM de acuerdo a que el CI este predispuesto en AM o en FM.

Fig.14 Salida de AGC

El resistor R tiene un valor de 16,6 KOhms lo que permite calcular sencillamente la contante de tiempo del AGC como el producto de esta resistencia por el valor del capacitor externo. El tiempo dará en uS si la capacidad se pone en uF y la resistencia en Ohms.

Normalmente esa constante de tiempo se lleva a unos 0,3 S o 300.000 uS.

En AM es la salida de AGC en donde se conecta el capacitor que opera de filtro de AGC. Allí se puede medir la tensión que generan las diferentes emisoras; por lo tanto no puede tener un valor fijo de tensión sino una curva que se puede observar en la figura 15.

Fig.15 Curva de tensión de AGC en función de la señal de antena en AM

Se puede observar que las emisoras más potentes o mas cercanas generan tensiones de 1,6V en tanto que las mas débiles (o cuando no se recibe ninguna emisora) generan 0,7V. Esto ocurre con 3V de fuente pero es similar con 4,5V.

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En FM el fabricante no entrega la curva pero indica que el valor mínimo es de 0,2V.

Cuando la contante de tiempo del AGC es muy baja la radio produce una distorsión importante y una falla llamada “motorboating” (motor de lancha) porque se genera un ruido similar aun motor. Esta falla es bastante frecuente en las radios portátiles que funcionan mucho tiempo sometidas a los rayos solares debido a que el exceso de temperatura seca los capacitores electrolíticos y les hace perder capacidad.

El funcionamiento de las patas 13 a 19 será explicado más adelante cuando analicemos el sistema de FM estereofónico.

La pata 20 es la pata del oscilador de FM que se puede observar en la figura 16.

Fig.16 Circuito del oscilador de FM

Es un oscilador clásico llamado Colppits que fue el científico que lo estudio.

La fuente de alimentación se conecta a la pata 21. El circuito resonante paralelo (bobina osciladora de FM) se ubica entre la pata 20 y masa.

Para que un transistor oscile debe tener una red de realimentación positiva. En este circuito la red de realimentación se ubica entre la base y el emisor con un capacitor de emisor a masa (o a fuente, pata 21, que esta a masa para la CA). Es decir que la red es un atenuador capacitivo que acopla la base con el emisor.

Entre la base y el emisor no hay ganancia de tensión pero hay una ganancia de corriente aproximadamente igual al beta del transistor. Esa ganancia de corriente es el equivalente a la realimentación positiva de tensión de todos los otros osciladores. El capacitor a masa o a fuente limita la ganancia de corriente para que no se distorsione la señal senoidal.

Si se conectara directamente la bobina a la base del transistor oscilador se produciría un cortocircuito de la tensión continua de base a masa. Para evitarlo se agrega un capacitor de acoplamiento de 30 pF. La tensión de base o de la pata 20 es de aproximadamente 4,4V. Si Ud. Tiene dudas sobre el funcionamiento de cualquiera de los dos osciladores

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locales, lo invitamos a que mida la tensión de oscilación sobre las patas 20 o 3 con la sonda de RF.

La pata 21 es la fuente de la sección osciladora y antena de FM, que esta separada de la fuente de la sección de AM mediante un resistor de 10 Ohms. Entre la pata 21 y masa se debe agregar un capacitor de 1000 pF que opera como filtro de RF.

La pata 23 es una segunda pata de masa para la sección de FM.

Las patas 22 y 24 deben estudiarse juntas porque ambas forman parte del amplificador de RF para FM. En la figura 17 se puede observar el circuito correspondiente.

Fig.17 Circuito del amplificador de RF para FM

La bobina de antena y el capacitor de sintonía se conectan entre la pata 21 y fuente solo que con el agregado de otro filtro de fuente formado por otro resistor de 10 Ohms y un capacitor de 1000 pF a masa.

El circuito tanque de antena alimenta entonces al colector del transistor y sobre el se produce la señal amplificada. Los diodos operan como una limitación de tensión para emisoras muy cercanas o potentes. Observe que su disposición logra que sobre el circuito tanque no se produzcan más de 1,4 V pico a pico de señal de FM.

Cuando construimos nuestra radio a galena explicamos como funcionaba un amplificador de RF con entrada de señal por base. Cuando se trabaja en frecuencias cercanas a los 100 MHz se prefiere ingresar la señal por el emisor y conectar la base a masa para la RF. De este modo la base se convierte en una especie de blindaje entre el emisor y el colector que permite obtener mayores amplificaciones.

Por eso la pata de entrada que es la 24 está directamente conectada al emisor. La tensión de la pata 22 es apenas algo menor que la de fuente (4,4V) para fuente de 4,5V (3 pilas) en tanto que la pata 24 tiene una tensión de 1V en FM; que debe caer a cero para AM. La ausencia de tensión continua de colector solo puede indicar que la bobina de antena está cortada o mal soldada, porque se trata de una bobina con núcleo de aire. En cambio la

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ausencia de la tensión de emisor, indica que el filtro cerámico de entrada esta en cortocircuito o la falla es en el CI.

De las patas que no mencionamos solo debemos decir aquí que la pata que produce el cambio de banda es la 15, que en se debe colocar a masa para AM y a circuito abierto para la tensión continua en FM.

Conclusiones

Esta lección una demostración de prácticamente todo lo que se puede averiguar de una radio, de la que no se consigue el circuito, porque seguramente el circuito real será muy similar al circuito de aplicación que da el fabricante del circuito integrado.

Muchos autores dan un diagrama de flujo para las reparaciones. Yo prefiero explicar le funcionamiento del circuito y realizar un comentario de reparación con forma de texto. En todo caso, es preferible que el alumno hago su propio diagrama de flujo como un trabajo práctico que seguramente lo ayudará con el estudio de cada capitulo.

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34/ Frecuencia y señales moduladas¿Por qué una señal de AM requiere una banda de frecuencias libres y no sólo una frecuencia igual a la portadora?¿Por qué una señal de FM puede requerir una banda mayor a la de AM?¿Por qué las emisoras de AM tienen menor fidelidad que las de FM?¿Por qué las señales de FM estéreo tienen dos canales y una sola portadora?¿Por qué una señal estereofónica se puede escuchar perfectamente en una radio de FM monofónica?

Para responder a estas preguntas debemos encarar un aspecto teórico de la electrónica que no es fácil de entender instintivamente. Se requiere una adecuada formación y experiencia para entenderlo y por esos esperamos hasta ahora para tratar el tema y analizar el problema con profundidad.

¿Y si tratamos el tema superficialmente y seguimos con el tema práctico de reparación de radios FM estereofónicas?.Se puede, pero cuando estudiemos TV vamos a tener que

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volver a estudiar este tema, otra vez superficialmente y así nunca tendremos bien aprendidas las cosas y tratamos eternamente el mismo tema. Como dicen los españoles “Tomemos el toro por las astas” y afrontemos ya el tema completo.

El dominio de la frecuencia

La señal más común de la electrónica es la corriente continua. Si la represento en una grafica de V/t (tensión en función del tiempo) solo obtendremos una recta como la de la figura 1.

Fig.1 Gráfico V/t de una CC

La señal que le sigue en orden de complejidad ya es difícil de dibujar y es la señal senoidal o sinusoida, puede observarse en la figura 2 y que preferimos mostrar con un gráfico de Multisim en lugar de dibujarla.

Fig.2 Señal senoidal pura de 1 KHz

Esta señal se puede generar en forma electrónica o electromecánica con un alternador que gire a una velocidad circular uniforme. El tiempo que tarda el rotor en dar una vuelta completa, se llama período T. La cantidad de vueltas que da el alternador en la unidad de tiempo se llama frecuencia y se calcula usando una regla de tres simple:

T Seg …………………………1 Vuelta

X Seg ………………………… 1/T = F (frecuencia en Hz)

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La unidad de medición de la frecuencia eran los Ciclos/Seg en el momento actual se utiliza su equivalente el Hertz (Hz).

Para definir una señal senoidal no se necesita dibujar el grafico de la variación en el tiempo que la representa; con la frecuencia y la amplitud alcanza. La electrónica moderna utiliza una grafico diferente al habitual que muestra el dominio de la frecuencia en lugar de mostrar el dominio del tiempo.

Fig.3 Un solo generador en el dominio de la frecuencia

Este método de representar una señal senoidal es más simple, sobre todo cuando se representan varias señales en el mismo gráfico. Observe que además de la frecuencia y la amplitud se representa el ángulo de fase. Si sólo se representa a una señal, el ángulo de fase no tiene sentido, pero si se representan más de uno si. Esto es porque el ángulo de fase es una entidad relativa. Siempre se dice la fase de la señal 1 con respecto a la señal 2. Como ejemplo mostramos la figura 4 podemos observar como se representan dos generadores en contrafase en el dominio de la frecuencia.

Fig.4 Dos generadores en cotrafase en el dominio de la frecuencia

Cuando no se indica la fase se la supone igual cero. Esta forma simbólica de representación es siempre más fácil de realizar. Por ejemplo el grafico anterior en el dominio del tiempo seria según lo indica la figura 5.

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Fig.5 Dos generadores en el dominio del tiempo

Si Ud. desea conocer la resultante de estas señales deberia realizar una suma punto a punto de cada componente; en tanto que en el dominio de la frecuencia solo se realiza una suma de la magnitud de las señales o un suma vectorial para el caso de que alguna tenga un fase diferente a 0 ó 180º.

Señales senoidales en el dominio de la frecuencia

Un científico llamado Fourier analizó las formas de señal complejas y llegó a la conclusión que por más compleja que sea una señal, si es repetitiva, siempre se la puede representar como un conjunto de generadores senoidales de frecuencias armónicas entre sí. Cuanto más precisa debe ser la simulación, mayor cantidad de generadores se precisan, pero siempre existen un numero acotado de generadores que cumplen con una aproximación suficientemente buena.

Fig.6 Generación por Furier de una forma de señal compleja

Un caso típico de es la generación de una señal cuadrada con generadores armónicos impares.

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Fig.7 Onda cuadrada con 8 generadores de Fourier armónicos impares

Como vemos la simulación en Multisim es una extraordinaria ayuda para entender el tema de la serie de Fourier en forma intuitiva.

Para completar el tema vamos a indicar que las armónicas pares producen una señal triangular y que se puede completar el tema del análisis de Fourier, nosotros no lo tratamos la Serie de Fourier con más profundidad, por su gran contenido matemático.

Con el grafico del dominio de la frecuencia, es muy fácil dibujar una señal de Fourier.

Fig.8 Gráfica de una onda rectangular en el dominio de la frecuencia

En el punto siguiente vamos a aprender a manejar el “Analizador de Espectro” del Multisim, pero aquí lo vamos a utilizar para comprobar este resultado analizando que una onda cuadrada se sintetiza con armónicas impares de diferentes amplitudes e igual fase que la fundamental.

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Fig.9 Análisis de una onda cuadrada con el analizador de espectro

El cursor del analizador de espectro nos permite descubrir que las componentes son todas señales armónicas impares del original.

Señales de RF moduladas

La señal más simple que podemos considerar es un a señal portadora de 100 KHz modulada en amplitud por un tono de 10 KHz.

Es una señal muy difícil de dibujar porque en ella existen dos frecuencias, una de 10 KHz y otra de un valor 10 veces mayor. Si se ajusta el grafico o el osciloscopio a la señal de portadora no se puede apreciar mas que unos pocos ciclos y si se ajusta a la señal de la modulación se ve la portadora muy comprimida. Y cuando mayor es la frecuencia portadora, más difícil y más lenta es su simulación. Por eso elegimos dos frecuencias relativamente cercanas.

El instrumento que analiza las señales en el dominio del la frecuencia se llama “Analizador de Espectro” y como su uso no es tan común como el osciloscopio, vamos a explicar su funcionamiento aplicándolo a la observación de la señal de 100 KH modulada al 100% con una señal de 10 KHz y para comparar al lado la gráfica en un osciloscopio.

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Fig.10 Señal de AM vista en el Analizador de Aspectro

Primero debemos delimitar la banda de trabajo del analizador de espectro. En nuestro caso la portadora esta en 100 KHz por lo tanto seria interesante que dicha portadora apareciera en el centro del gráfico. Comenzamos entonces (con la simulación apagada) donde dice: Span Control en predisponer Set Span, que significa que vamos a trabajar eligiendo la banda de observación en forma manual. La parte inferior esta dividida en dos sectores indicados como frecuencia y amplitud ajustemos primero la banda de frecuencia a barrer.

1. Debemos elegir en la ventana center la frecuencia central deseada que en nuestro caso es de 100 KHz y luego los extremos de banda que para empezar ubicamos en 1 Hz y en 200 KHz.

2. Con estos datos sabemos que vamos a barrer una banda de 200 KHz y por lo tanto lo ponemos en la ventana Span.

3. Al ingresar los datos con enter (arriba de los mismos) es posible que el programa realice algún redondeo tal como puede observarse. (199.999 en lugar de 200.000).

4. Ahora debemos ajustar el sector amplitud a medir. Como nuestra portadora es de 10V elegimos un rango de 2 V/Div para que sea bien visible en la pantallita.

5. Luego se observa una ventanita indicada como Resolution Frec. que no permite obtener una definición mayor o menor de la gráfica. Yo la coloqué en 1500 Hz y el programa la modifico a 1563 Hz.

6. Encienda la simulación y verá que aparece el gráfico indicado en la figura.7. Con el cursor, explore el gráfico y lea las indicaciones de amplitud frecuencia

debajo de la pantallita. Ud puede elegir que las indicaciones sea en dB en dBm o en una escala lineal que es la que elegimos nosotros.

El resultado es muy interesante. Aparece la frecuencia portadora con la amplitud real de 7V eficaces y dos frecuencias corridas 10 KHz hacia abajo y 10 KHz hacia arriba, con una amplitud de 3,5V es decir la mitad de la portadora. Esto significa que la energía se divide mitad para la portadora y mitad para las bandas laterales que en este caso no son bandas, sino simples frecuencias.

En la figura parece un espectro continuo pero eso se debe sólo al seteo de nuestro instrumento; realmente hay tres señales senoidales en 90 KHz, 100 KHz y 110KHz.

El alumno debe completar el trabajo observando diferentes señales de portadora y de modulación y analizando los gráficos del osciloscopio y el Analizador de Espectro. Nosotros solo vamos a analizar la misma señal, pero con un cambio en la resolución del instrumento que ponemos en 500 Hz.

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Fig.11 El mismo análisis de espectro con mayor resolución

La conclusión mas importante es: una emisión de AM ocupa una banda de frecuencias y no una frecuencia portadora y dos frecuencias inferior y superior, porque la voz humana o la música poseen todas las frecuencias entre 0 y 5 y entre 0 y 20 KHz y entonces las frecuencia laterales únicas se transforman en una banda difusa, a medida que se analiza la modulación real.

Como la transmisión real de la banda de AM, se realizó economizando ancho de banda se le dio a cada emisora una frecuencia máxima de audio de 5 KHz, con lo cual la voz se entiende perfectamente y entonces el ancho de banda total ocupado es de 10 KHz por cada emisora. Luego existe un guardabanda de 1 KHz y otra emisora y así sucesivamente hasta cubrir la banda por lo que solo se puede tener 1610 – 535 = 1075 KH de ancho total dividido 11 KHz = 107 emisoras o aproximadamente 100 emisoras de AM en la banda de onda media de 535 a 1610 KHz.

Un ejemplo de una emisora se puede ver en la figura 12 en donde se ve la llamada Onda Marina que empieza en 100 KHz (elegimos una banda de frecuencia muy baja para simplificar la simulación y utilizamos 3 generadores de AM modulados con 50Hz, 2500Hz y 5000Hz para mostrar como se llena la banda. Si nos imaginamos 100 espectros como este, uno a continuación de otro tendremos una idea concreta de que lo es una banda completa de AM medida con el analizador de espectro.

Fig.12 Espectro de una emisora de la banda marina

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Ya se aprecia que la energía está repartida de un modo particular; se encuentra sobre todo en la portadora y muy poca en las bandas laterales. De hecho la mitad de la energia esta en la portadora y la otra mitad en la bandas laterales es decir un cuarto de la energia en cada banda lateral.

Vamos a dibujar en la figura 13 como es la distribución en una parte de la banda de OM para que el lector tenga una idea clara del desperdicio de banda que se está realizando.

Fig.13 Espectro de la banda de AM

¿Por qué decimos desperdicio de banda? Porque las portadoras no transmiten información, sólo son el vehiculo de transporte de las mismas. Luego, la banda lateral inferior lleva la misma información que la superior. Es decir que la transmisión normal de AM con doble banda lateral tiene una gran redundancia. Si sólo se pudiera trasmitir la parte adecuada del espectro, es decir una sola banda lateral, el espectro duplicaría su tamaño. Y si pudiera evitarse la transmisión de la portadora, la eficiencia de la transmisión seria mucho mayor y existirían mucha menos posibilidad de interferencia.

Así surgen los diferentes sistemas de transmisión que se utilizan en el momento actual y que necesitamos estudiar.

Hacia la banda lateral única

El servicio de 100 emisoras en OM es aceptable porque difícilmente se requiera mas en una ciudad moderna. Pero cuando se llega a las emisoras de OC (onda corta) la cosa es bastante diferente. Allí el espectro suele estar totalmente ocupado por tráfico comercial y de radioaficionados que establecen comunicaciones de punto a punto con rebote en la ionósfera y esa banda (la que rebota) es relativamente estrecha porque va desde unos 4 MHz a unos 30 MHz.

El primer intento que se realizo fue filtrar la portadora con un filtro modulador en anillo, que posee una gran eficiencia. Y la transmisión era posible pero la voz no se entendía porque poseía una gran distorsión. Recuerde que la señal que se recupera de una transmisión de AM son los picos de la modulación positivos o negativos. Y estudiando el tema se descubrió que los picos se afectaban al no existir la portadora. La sucesión de pulsos positivos por ejemplo, que representaba perfectamente la señal de modulación, en

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una transmisión sin portadora se distorsionan y tienen una modulación de frecuencia doble. Un tono de 1 KHz aparece como de 2 KHz.

La solución al problema consiste en sacar la portadora en la transmisión (con lo que se llama un modulador balanceado) y reponerla en el receptor con lo que se llama un generador de regeneración de portadora. En realidad, la experiencia indica que no es necesario que ese generador tenga exactamente la misma fase que la señal suprimida en la emisora. Basta que tenga una frecuencia similar; una variación de un poco ciclos no se llega a percibir pero una mayor hace que la voz se escuche aflautada es decir incrementada de tono.

La solución es el agregado de un control llamado clarificador que cambia la frecuencia del generador de regeneración de portadora escuchando la voz y corrigiendo la misma. Es decir que el receptor tiene dos controles el de sintonía y el clarificador.

De ese modo, se optimiza el rendimiento del transmisor y se eliminan algunas interferencias, pero no se incrementa la cantidad de emisoras de la banda. Para conseguir esto último se debe agregar un filtro de supresión de banda lateral superior o inferior. Es decir que ahora el equipo transmisor tiene un modulador balanceado para suprimir la portadora y un filtro muy elaborado para eliminar solo la banda lateral superior o inferior.

Cuando se elimina una banda lateral, el receptor no requiere más cambio que amplificar un poco la señal de salida de audio, porque el detector tiene la mitad de la eficacia original pero no se produce una nueva distorsión. La demostración del problema de la distorsión por eliminación de la portadora y una banda lateral, es específicamente matemático trigonométrico y nosotros no las vamos a estudiar. El lector interesado puede recurrir a un foro de radioaficionados para obtenerlas la explicación matemática.

Coexiste un sistema más elaborado en donde la portadora se suprime, pero se envía una pequeña muestra con forma de burst (salva) de unos 10 ciclos que se transmiten en forma pulsátil cada tanto y que sirven para enganchar al oscilador de regeneración de portadora en forma automática. Este sistema se llama portadora suprimida con muestra de subportadora y se utiliza en transmisiones de BLU comerciales.

En el receptor se separa esa corta señal de burst y se anula para que no generen ruido sobre la señal modulante pero atrapándolo para poder sincronizar un oscildador de portadora con un sistema de control por lazo cerrado. La portadora regenerada se mezcla con las bandas laterales para obtener la señal original que se detecta con un simple diodo.

En el sistema de TV se utiliza algo diferente. Solo se envía la mitad de la portadora y se suprime una parte de la BLI, llamándose sistema de transmisión por banda lateral vestigial. Este sistema no requiere el complejo circuito de regeneración de portadora pero la demodulación ofrece un inconveniente; las señales bajas emitidas en doble banda lateral se ve reforzada con respecto a las frecuencias mas altas y esto debe compensarse realizando una curva de respuesta de la FI que no sea simétrica.

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Conclusiones

En esta lección analizamos la teoría de las comunicaciones por AM en todas sus modalidades, preparando el terreno fértil para traer el problema de las transmisiones de FM utilizadas en la transmisión de sonido por radio y TV.

Pero para entender el tema de las transmisiones, incursionamos en un medio diferente que es dominio de la frecuencia. Este dominio complementa al utilizado hasta ahora, que es el dominio del tiempo.

Como aplicación del Multisim, aprendimos a utilizar lo que podríamos llamar el equivalente del osciloscopio, que es el “Analizador de espectro” en el mundo o dominio de la frecuencia.

Esta última herramienta es muy utilizada en los laboratorios muy bien provistos, pero difícilmente encontremos uno en un laboratorio de reparaciones, salvo que se dedique a radiocomunicaciones. Por eso, esta clase se paga sola con haber a aprendido a utilizar este instrumento.

En la próxima lección vamos a comenzar el análisis de las señales de FM que permite la transmisión de todo el espectro de audio que capta el oído humano. Y además vamos a explicar el fenómeno de la estereofonía y de la cuadrafonía y de las trasmisiones de 5.1 canales y de 7.1 canales utilizada en Europa.

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35/ ¿Qué es el sonido stereo?El hombre le debe la vida al efecto estereofónico. Ciertamente en la época del hombre cazador, además de la vista, era el oído y su capacidad de determinar la posición de la fuente de sonido, el que le permitía estar atento en su travesía de las comarcas de caza.

La percepción del sonido, es una característica muy particular del ser humano porque difiere mucho de persona a persona y es una capacidad muy susceptible de mejoramiento con la práctica constante. El ojo también se educa, pero mucho menos que el oído. Entre el oído de un director de una orquesta sinfónica y el de un profano, existe una diferencia

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abismal con referencia a la respuesta en frecuencia, la sensibilidad y la ubicuidad de la fuente de sonido.

Hasta el año 1960 todas las transmisiones de radio fueron monofónicas en AM primero y en FM después pero el FCC (Comité Federal de Comunicaciones) estaba ya haciendo pruebas para lograr que en el mismo ancho de banda de una emisora de FM, se ubicara todo el sistema de emisión estereofónica sin perdida de respuesta en frecuencia. Y además se buscara un sistema que fuera compatible con la televisión para ser aplicado posteriormente a la misma.

La trasmisión de FM monofónica

Las emisoras de radio de FM, están separadas 100 KHz y para América cubren la banda de 88 a 108 MHz. Es decir que se ubican 20/0,1= 200 emisoras en la serie 88; 88.1; 88.2; 88.3; 88.4 ……. 107.8; 107.9; 108. Cada emisora tiene una banda de -50KHz a +50 KHz.

En su origen, la banda otorgada estaba francamente desierta, porque como sabemos el oído humano solo puede captar 20 KHz en el mejor de los casos. Pero el problema era de tipo tecnológico, ya que en la banda elegida no se pueden lograr bobinas con un ancho de banda tan estrecho.

En las frecuencias cercanas a 100 MHz es difícil construir bobinas con un Q superior a 50 y un modo de expresar el Q o factor de mérito de una bobina, es como F/ΔF que para nuestro caso es 100/40 = 25 . Es decir que las bobinas deben estar esmeradamente construidas para lograr una selectividad adecuada del receptor.

Observe que consideramos que la señal modulada en FM, tiene una ancho de banda similar al de una emisora de AM, cosa que no es totalmente cierta. Pero de hecho es así, cuando la modulación de frecuencia es de bajo índice de modulación tal como lo indica la norma, que solo autoriza una modulación de +-75 KHz, que sobre 100 MHz es del 0,75/00 es decir 0,75 por mil o 750 ppm (partes por millón).

Para que quede claro veamos un ejemplo. Si tenemos una emisora de 100 MHz y por ella estamos emitiendo un concierto, en el máximo nivel de sonido, durante un fortísimo, la frecuencia portadora solo sube hasta 100,075 MHz y luego baja hasta 99,925 MHz, a un ritmo que depende de la frecuencia transmitida (por ejemplo un violín que emite un tono de 1 KHz, hace que el barrido de frecuencia ocurra 1000 veces por segundo).

Poder apreciar el verdadero oscilograma y el espectro de una señal de FM es imposible, debido a su bajo índice de modulación y su alta diferencia de frecuencia entre la portadora y la señal modulante, pero podemos mostrar en la figura 1 un oscilograma de una señal de 1 KHz modulada en 100Hz en donde si se puede apreciar la modulación de frecuencia.

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Fig.1 Señal modulada en frecuencia

El preénfasis de una trasmisión de FM

En cualquier circuito de FI de FM, encontramos por lo general en alguna pata cercana a la salida de audio demodulada, una red RC, indicada como red de desénfasis y muy pocas informaciones sobre la razón de su uso. Como este es un curso de índole práctico vamos a tener que explicar su uso.

En principio, seria muy interesante saber que se percibe si dicha red es desconectada del circuito mientras se recibe una señal de música. Inmediatamente percibimos que se acentúan los agudos, el usuario posiblemente lo traiga al service diciendo que el sonido suena a lata o algo parecido.

Lo cierto es que en la transmisión, antes de generar una modulación de frecuencia, se produce una enfatización de agudos de la señal de audio. Es decir que se filtra la señal dándole a los agudos más amplitud que a los graves y recién después se genera la modulación habitualmente con un diodo varicap.

Parecería que esta acción es ridícula porque en el fondo es una distorsión del proceso de modulación. Pero en realidad es una acción premeditada para un fin determinado que es reducir el nivel de ruido de la señal recibida con el receptor.

Como sabemos el ruido de una transmisión es algo imposible de evitar. Los componentes electrónicos, aun los más simples como un resistor, tienen un ruido térmico propio imposible de evitar. Los circuitos y parámetros de transmisión se eligen para lograr que el ruido siempre sea el más bajo posible y el preenfasis de una transmisión de FM es una de las previsiones que se toman para reducir el ruido. En principio, para que el lector sea conciente de que hasta un resistor produce ruido, vamos a colocar un osciloscopio sobre el y a medirlo como cualquier fuente de señal.

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Fig.2 Señal de ruido sobre un resistor de 1 KOhms a 27 ºC con un ancho de banda de 100 MHz.

Nota: la fuente V1 es una necesidad de la simulación; no forma parte realmente del circuito.

La señal observada, de unos 200 uV de pico a pico, es simplemente ruido térmico que se produce porque los electrones que circulan por el resistor lo hacen tomando diferentes caminos al azar y por lo tanto, la caída de tensión que producen es levemente diferente en cada instante. El ruido es proporcional al valor de resistencia, a la temperatura y al ancho de banda tomado.

No considere que se trata de un valor pequeño, porque en una transmisión de radio, la señal puede tener una amplitud de 1 mV pap que sería tan solo 5 veces mayor que el ruido. Esto se puede expresar como que el ruido es equivalente al 20% de la señal o que la relación señal a ruido es del 20%.

El radiorreceptor se diseña para que esta relación señal a ruido se reduzca hasta convertirse en despreciable. Por ejemplo, mediante la elección de un adecuado sistema de modulación (FM) o un canal de FI que tenga solo el ancho de banda necesario de 50 KHz. Y sobre todo, analizando que frecuencias de modulación se deben acentuar en la modulación y atenuar en la recepción, para que el espectro de audio conserve su característica plana.

Y lo que hay que reforzar son los agudos, porque es la parte del espectro con menos energía y por lo tanto la que menores índices de modulación producen y están sujetas a una peor relación señal a ruido.

Por supuesto; el realce debe estar indicado en la norma de transmisión para poder realizar una atenuación adecuada en el receptor. La norma del FCC indica una contante de tiempo de 75 uS y las normas europeas indican 50 uS. En una palabra que la señal de la fuente de audio de la emisora, se hace pasar por un filtro CR que magnifica las señales de agudos atenuando los graves.

Aplicación del preénfasis

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En la figura 3 se observa un circuito que tiene una contante de tiempo de 75 uS, realzando los agudos con una curva como la indicada en la figura 4.

Fig.3 Sección de audio y modulación de una emisora de FM monofónica

Fig.4 Curvas y respuesta en frecuencia del modulador de FM

En este circuito se pueden apreciar 4 bloques de una emisora de FM, que cada alumno puede adecuar a su trasmisor, de acuerdo a sus necesidades.

Esta basado en dos circuitos integrados operacionales genéricos, que proveen una gran versatilidad al proyecto. U2 es el preamplificador al que se le conecta la fuente de programa (micrófono, reproductor de CD o reproductor USB). La red de realimentación R1/R2 garantiza que la ganancia del amplificador sea igual a 10 (se puede variar cambiando R1 ya que la ganancia es aproximadamente R2/R1).

Los operacionales genéricos como el LM307 tienen muy mala respuesta en alta frecuencia. Por eso se agrega la red R10-C2 que mejora la respuesta haciéndola plana hasta unos 20 KHZ.

R3 balancea el circuito de entrada, que posee una considerable impedancia, del orden del MOhms. La salida del operacional, es naturalmente de una baja impedancia, del orden de los 60 Ohms, perfectamente adecuada para atacar a una red RC con una resistencia de 7,5 KOhms (formada por R4). Observe que el producto de R4xC1 tiene el valor indicado por la norma, de 10.10-9 x 7,5.103 = 75 uS.

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La señal preenfatizada, se aplica a un amplificador de modulación U1 para no cargar a la red de preenfasis y lograr una buena señal de modulación. El valor de R5 ajusta la profundidad de modulación o inclusive, si sobra señal, se puede variar la ganancia del segundo amplificador. La profundidad de modulación se puede ajustar comparando su emisora con una emisora comercial para que tengan el mismo volumen de audio.

En la curva de respuesta, se puede observar que en la salida del filtro RC la respuesta aumenta a razón de 10 veces en amplitud, cada vez que la frecuencia aumenta en la misma magnitud. En dB se dice que aumenta 20 dB por década. Todo esto hasta que al llegar a 20 KHz los operacionales comienzan a amplificar menos y la curva se vuelve descendente.

Ahora que conocemos a nivel de detalles la transmisión de FM monofónica, debemos aplicar los conocimientos para realizar una transmisión de FM estereofónica.

El efecto estereofónico

En la figura 5 podemos observar una fuente de sonido y la cabeza de un ser humano simplificada con sus dos pabellones auditivos.

Fig.5 Audición de una fuente puntual de sonido

Por ejemplo si una persona habla en el lugar D el oído izquierdo B escucha la señal antes que el oído derecho C y además la escucha con mayor amplitud. El cerebro realiza entonces una apreciación muy precisa de la posición de la persona D.

En realidad esta precisión depende fundamentalmente de la frecuencia de la señal emitida. Los sonidos agudos son mucho más direccionales que los graves. Un sonido muy grave parecería estar saliendo de toda la habitación.

Esto tiene su explicación en el hecho de que la fase de una señal aguda cambia mucho mas que la de una grave, al cambiar la distancia que recorren las señales.

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En la figura 6 se puede observar que si la fuente de sonido se encuentra atrás de la persona, en posición equivalente, los oídos parecen recibir la misma información.

Fig.6 Audición de una fuente de sonido trasera

Pero en realidad no es así. En efecto, el ser humano mueve constantemente la cabeza de forma automática e imperceptible, cuando está tratando de determinar la posición de una fuente sonora y además el pabellón auditivo este inclinado hacia delante de modo que hay un sonido mucho mas atenuado en la recepción trasera y en nuestro caso, el oído derecho mas que el izquierdo. Estos dos hechos hacen que se pueda determinar fehacientemente la posición de la fuente sonora como adelante o atrás.

Ahora analicemos la posibilidad de transmitir la posición de la fuente sonora con una cabeza artificial que tenga dos micrófonos en lugar de las orejas. A esos micrófonos le conectamos dos amplificadores para un auricular y colocamos a una persona en otra habitación tratando de determinar la posición de la fuente sonora. Seguramente se va a confundir, porque cuando gire automáticamente la cabeza, le va a parecer que la fuente de sonido gira también.

Por esta razón, es mucho mas realista la recepción del sonido emitido por dos parlantes, que al usar auriculares. En la figura 7 se observa una disposición adecuada para recibir efecto estereofónico de fuentes situadas adelante del usuario.

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Fig.7 Situación de parlantes para recepción estereofónica

En esta habitación se colocan dos parlantes, conectados a sendos amplificadores que reciben la señal de los micrófonos de la cabeza artificial. Si las fuentes sonoras se desplazan por delante de la cabeza artificial, el usuario ubicado sobre la línea P-Q obtiene un efecto estereofónico aceptablemente bueno, sin la sensación de que las fuentes de sonido giran al girar su cabeza. Inclusive situado en toda la zona verde oscura obtiene una sensación estereofónica aceptable.

La señales que se envían a los parlantes se llaman genéricamente I y D de izquierda y derecha (en ingles L y R de Left y Rigth) y se puede demostrar que para aumentar la sensación de potencia, no conviene aumentar la potencia de ambos canales, sino generar una nueva señal que sea la suma de ambos canales y con ella alimentar un amplificador cargado con un parlante especial para bajas frecuencias llamado boofer, colocado en cualquier lugar de la habitación ya que como dijimos los bajos no son direccionales.

La sensación real de sonido, que salga de los 360º alrededor del usuario, solo se puede conseguir con los sistemas más modernos de sonido envolvente (Surround en Inglés) que poseen 6 parlantes. Cinco son de banda completa y uno de banda baja o buffer, por lo que el sistema se llama resumidamente de 5.1 canales. Los parlantes se ubican según la figura 8, pero hecha la salvedad que el reproductor de bajos se puede colocar en cualquier lugar de la habitación.

Los sistemas de transmisión de radio de FM, solo contemplan la transmisión de estereofonía de dos canales aunque muchos equipos de calidad como por ejemplo los Home Theater generan señales de 5.1 canales, combinando las señales I y D en un sistema llamado surround virtual.

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Fig.8 Ubicación de los parlantes en el sistema de 5.1 canales

El verdadero sonido de 5.1 canales se obtiene de sistemas totalmente digitales como por ejemplo los de HDTV; las consolas de video juegos, los DVD y sus variantes mas modernas.

Las señales I+D y I – D

Cuando existe un sistema de transmisión y se quiere producir una mejora del mismo siempre se trata de que el nuevo sistema sea compatible y retrocompatible. En nuestro caso si un usuario tenía una radio de FM monofónica, se busca que la misma pueda sintonizar las emisoras estereofónicas aunque desde luego en forma monofónica (compatibilidad). Pero también se busca que las nuevas radios estereofónicas puedan captar las emisoras monofónicas (retrocompatibilidad).

Si de alguna manera, que aún no conocemos, se pudieran transmitir las señales I y D, el sistema no seria compatible porque solo podría reproducir I o D a elección pero nunca una radio monofónica podría obtener la suma de los dos canales, que representa la verdadera sensación monofónica ya que las viejas radios, no están preparadas para sumar ambos canales.

Por esa razón, en todo sistema estereofónico, no se transmiten I y D sino 2 señales compuestas que son I+D y I-D. En la banda base (la misma banda que en los sistema monofónicos) se transmite I+D y en el canal agregado se transmite I-D que no produce ningún efecto sobre la radios monofónicas.

¿Pero cómo se produce I y D para una radio estereofónica? Se produce con la ayuda de una etapa sumadora y una etapa restadora. Matemáticamente esta claro que la suma de I+D y I-D tiene por resultado a 2I y que la resta de I+D y I-D tiene por resultado a 2D.

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Pero por lo general al reparador le resulta difícil imaginarse como es una etapa sumadora y como es una restadora.

Una etapa sumadora, es un atenuador con dos resistores superiores. Una etapa restadora es un amplificador inversor para una de las señales y luego un divisor con dos resistores superiores.

Fig.9 Circuito sumador y restador

Con este circuito se pretende demostrar que significa sumar o restar dos señales. Ponemos como ejemplo la suma de los dos generadores V1+V2 que puede visualizarse en el haz rojo del osciloscopio (levemente desplazado hacia arriba y V1-V2 que se observa en el haz verde. Observe que la diferencia se aprecia en la inversión de 180º de la frecuencia más alta. Expliquemos el funcionamiento del circuito sumador.

El componente principal del circuito es el divisor de dos entradas formado por R1, R2 y R3 que divide las señales de entrada por 10, pero además suma las dos componentes sobre R3. Luego el amplificador U1 recupera la amplitud de las señales de modo que en su salida tenemos una representación de V1+V2.

A la derecha, tenemos el circuito restador que es muy parecido salvo que la señal V2 se invierte en el amplificador U3, tal como se puede observar en el oscilograma de la derecha. Luego se realiza una suma de la señal invertida y se obtiene el oscilograma verde.

Este proceso de suma y resta, puede ponderarse modificando los valores de R1 y R2 de modo de obtener una ecuación como la siguiente AxV1+BxB2. Por ejemplo podría

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calcularse la ecuación 0,5.V1 + 0,3 V2. Este tipo de circuito se conoce en general como matrizador y se utiliza mucho en TV color.

Trasmisión de la banda base y una subportadora inaudible

Aun no sabemos como va a realizarse la transmisión de la señal estereofónica, pero seguramente con la modulación de frecuencia clásica, se va a transmitir la señal I+D para que forme la banda base, que pueda ser captada por cualquier receptor de FM monofónico.

La información estereofónica se transmitirá con la señal I-D y no debe ser audible como interferencia en un receptor monofónico. Aplicando la teoría de los sumadores, se podría sumar a I+D una señal de 31.250 Hz. Ud se preguntará para que y porque esa frecuencia. Para usarla como subportadora del canal estereofónico y de esa frecuencia, porque es el doble de la frecuencia de barrido horizontal de TV evitando de ese modo la posibilidad de la generación de interferencias.

Esta señal I-D agregada no puede escucharse directamente, porque es una frecuencia muy alta para el oído humano y podría modularse por alguno de los tantos modos que ya conocemos. El receptor estereofónico tendría los circuitos necesarios para detectar esta segunda señal y contando con I+D y I-D podría generarse, con un circuito matriz, las señales I y D.

Trasmisión por doble modulación

Nosotros necesitamos transmitir dos señales por la misma portadora. El modo en que se logre puede ser múltiple. Ya enunciamos uno que utiliza una subportadora inaudible, pero se podría utilizar otro método como por ejemplo la doble modulación de una portadora en amplitud y frecuencia. La modulación de frecuencia se realizaría con la señal I+D para que los receptores de FM monofónicos que tienen un detector, que solo responde a la frecuencia, no respondan a la segunda modulación que sería en amplitud por la señal I-D.

El problema de este sistema, es que la modulación de AM no tiene buena relación señal a ruido y los detectores tienen una gran distorsión. Por eso fue dejado de lado porque los sistemas de interportadora permite una mejora substancial de la calidad de tranmisión.

Los sistemas con subportadora suprimida

Finalmente se impuso un sistema muy perfeccionado con la transmisión de I+D en banda base con modulación de frecuencia y una subportadora suprimida para que el transmisor no requiera tanta potencia de salida.

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En la lección anterior indicamos la posibilidad de realizar transmisiones de AM con portadora suprimida, e indicamos que bastaba sumar una portadora que se ajustaba en frecuencia con una perilla que se llamaba clarificador y que inclusive se podía suprimir una banda lateral. En el sistema de FM estereofónica no se llegó a tanto porque ese tipo de transmisión empeora la relación señal a ruido pero si se llego a suprimir la subportadora estereofónica luego de modularla en amplitud a doble banda lateral.

Pero se quiso evitar el uso del clarificador y entonces se transmite una muestra de señal inaudible senoidal enganchada con la subportadora, que se llama señal piloto, exactamente a la mitad de la frecuencia es decir a 15.625 Hz. Este tono sirve también para identificar a las emisoras de FM estereofónicas de las comunes y lograr que las radios pasen al demodulador estereofónico, sólo cuando la emisora es estereofónica y conecten solo el demodulador monofónico, con las emisoras monofónicas. De este modo se logra reducir el ancho de banda y mejorar la relación señal a ruido.

La señal I+D, junto con las bandas laterales de AM, correpondientes a una portadora de 31.250 Hz (suprimida) y la muestra piloto de baja amplitud de 15.625 Hz, forman la señal que modula en frecuencia a la portadora principal.

Fig.10 Ancho de banda de una emisora de FM estereofónica

En la radio, esta señal se demodula con un demodulador de FM común, solo que de mayor ancho de banda (de 0 a 50 KHz). Esa señal demodulada pasada por un filtro pasabajos es el canal I+D. La parte de alta frecuencia de esa señal, filtrada con un filtro pasabanda es una señal de AM, doble banda lateral con portadora suprimida que debe ser demodulada.

Otro filtro pasabanda, pero de banda estrecha, recupera la señal piloto y engancha un oscilador de 31.250 Hz que se suma a las bandas laterales, que así recuperan la portadora. Ahora, esta señal puede ser demodulada como una simple señal de AM para recuperar la señal I-D.

Las señales de I+D y I-D se envían a un circuito matriz, para obtener finalmente las señales I y D de la radio estereofónica.

Conclusiones

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En esta entrega se explica lo que es la estereofonía y damos una somera explicación del sistema de transmisión y recepción del así llamado “Sistema de Radio FM Estereo Multiplex”. En la próxima entrega vamos repasar estos conocimientos realizando un diagrama en bloques del transmisor y el receptor de FM estereofónico, analizando un detector comercial y su reparación.

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36/ Transmisor y receptor de FM stereoEn la lección anterior explicamos cosas realmente difíciles de entender. Las transmisiones de FM debe seguir siendo por modulación de FM cuando se transmite sonido estereofónico, porque en caso contrario los receptores monofónicos no serían compatibles. Pero también dijimos que el canal estereofónico se transmitía en amplitud modulada y entonces algún alumno se podrá preguntar: ¿En que quedamos; se transmite en AM o en FM?

La transmisión es realmente de FM, pero la señal de modulación no es solo la banda base de audio, como en una transmisión monofónica, sino que es un paquete de señales que consiste en la banda base o señal I+D y una subportadora de 31.250 Hz modulada en amplitud con portadora suprimida y una señal piloto de 15625 Hz de baja amplitud. Es decir que la modulación es un conjunto de señales sumadas una de las cuales es una AM. Inclusive podemos decir que algunas señales del paquete se eliminan como por ejemplo la portadora de AM que como sabemos no transporta información.

De este modo todo el paquete tiene las ventajas de una transmisión de FM con su bajo ruido inherente y una gran facilidad para la detección del canal estereo luego de regenerar la portadora por ser una simple transmisión de AM.

Y además tenemos un sistema que puede ser adoptado inmediatamente por los canales de TV monofónicos, aunque la realidad fue finalmente que los canales de TV modificaron el sistema agregando la posibilidad de un tercer canal de audio en donde se pudiera transmitir una información totalmente diferente a la señal estereofónica, como por ejemplo la información de audio en otro idioma. Debido a esto, la norma de radio se desentendió de la de TV y se cambiaron las frecuencias de la señal piloto y la subportadora por 19 KHz y 38 KHz.

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Diagrama en bloques de un transmisor estereofónico BTSC

En la figura 1 se puede observar el diagrama en bloques de un transmisor de FM estereofónico por el sistema norteamericano BTSC.

Fig.1 Diagrama en bloques de un transmisor BTSC

Todo surge de las señales I y D obtenidas en el estudio. La señal D sufre una inversión generándose la señal -D que a continuación se suma a I en el bloque sumador generándose la señal I – D. La señal diferencia pasa por un enfatizador normalizado terminando su circulación en el modulador de AM como señal de modulación.

1. La señal I y la señal D se suman en un sumador se enfatizan y se aplican directamente como señal monofónica al sumador final.

2. La portadora de AM se genera en un oscilador a cristal, que es muy estable y preciso, con una frecuencia de 19 KHz. Esa señal se envía a un duplicador que genera la frecuencia de portadora de 38 KHz.

3. Una muestra del generador de 19 KHz se aplica directamente al sumador como señal piloto.

4. El modulador de AM es un tipo especial de modulador que genera solo las bandas laterales suprimiendo la portadora.

La señal del sumador final contiene por lo tanto la banda base de sonido monofónico; la señal de AM con portadora suprimida que representa la señal estereofónica y una muestra de baja amplitud de la señal piloto de 19 KHz. Todas esas señales sumadas se aplican al modulador de FM y de allí a la antena transmisora.

Es posible que el lector no entienda muy bien para que sirve cada señal pero esa comprensión la va a obtener cuando analicemos el diagrama en bloques de un receptor estereofónico, en el apartado siguiente. En el transmisor se juntan las señales para transmitirlas en un paquete; en el receptor tenemos que abrir ese paquete para obtener las señales originales I y D.

El receptor estereofónico

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El procesamiento de la señal de FM desde la antena hasta el detector de FM es el mismo que vimos en el receptor de FM monofónico. Tal vez debamos mas adelante repasar el desarrollo circuital del funcionamiento de un detector de FM moderno; pero aun no es tiempo. Por ahora nos basta con saber que es un circuito que toma una señal modulada en frecuencia y entrega la señal de modulación utilizada en la emisora para modular la portadora.

En la figura 2 se puede observar entonces el diagrama en bloques del receptor.

Fig.2 Diagrama en bloques del receptor de FM estereofónico

La emisora ingresa por la antena y es seleccionada por la sección del receptor hasta que esta entrega el paquete de señales de modulación de FM que consiste en M+Sm+P en donde M es la señal monofónica (I+D); Sm es la señal estereofónica que una señal modulada en amplitud con portadora suprimida (I-D) y por ultimo P que es una muestra senoidal de baja amplitud de 19 KHz que sirve para reconocer que se trata de una emisora de FM y para regenerar la portadora suprimida.

El bloque de los filtros, separa esta señal en sus tres componentes que van a ser procesadas por separado. La componente M no requiere mayor procesamiento que el simple filtrado con un filtro pasabajos que corte en aproximadamente 15 KHz. Por supuesto que la señal no puede escucharse tal cual está, ya que primero debe pasar por un circuito sumador que anule el canal derecho y deje solo el canal I. En el sumador superior se realiza la operación (I+D)+(I-D) = 2I

La señal separada de 19 KHz se envía a un circuito duplicador que genera una señal de 38 KHz.

Las bandas laterales de AM con la información del canal estereofónico I-D se envian a un sumador de portadora donde se reconstruye la señal de AM con su portadora de 38 KHz. Esta señal puede ahora procesarse con un simple diodo detector para extraer la señal de audio (en realidad en el momento actual se utilizan detectores sincrónicos que tienen menor distorsión y que veremos en su oportunidad). La señal detectada es justamente la señal estereofonica I-D.

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La señal I-D se invierte en el inversor obteniéndose la señal –I+D que se aplica al sumador inferior, junto con la señal I+D, de modo que en su salida se obtiene la señal (–I+D) + (I+D) = 2D .

Ambas señales son amplificadas y enviadas a los correspondientes parlantes.

Funcionamiento de un duplicador de frecuencia

Un duplicador basa su funcionamiento en la captación amplificación y distorsión de la señal piloto. Nosotros sabemos que la frecuencia de la señal de antena de una radio se convierte en la frecuencia de FI por el proceso de herodinaje en el transistor conversor. Es decir que no nos parece extraño que una señal de una frecuencia se transforme en otra. En nuestro caso una misma frecuencia se transforma en el doble de su valor.

Esto se debe al agregado de la llamada distorsión armónica de las señales. Una señal cuadrada puede considerarse una distorsión de una senoidal y el multisim con su analizador de espectro nos puede mostrar el espectro de una señal cuadrada de 19 KHz tal como se observa en la figura 3.

Fig.3 Espectro de una señal cuadrada de 19 KHz.

Como se puede observar existe un vestigio de componente en la frecuencia de 38 KHz. Esto nos indica que la deformación elegida no es la mas adecuada. En la figura 36.4.2 podemos observar el espectro de una señal rectangular con un periodo de actividad de 10% en donde el vestigio se convirtió en una señal de 4V con una tensión de la onda rectangular de 10V.

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Fig.4 Espectro de una señal rectangular de 19 KHz

Existen múltiples circuitos posibles de realizar, que generen una señal rectangular de bajo periodo de actividad. Por ejemplo un amplificador de la señal separada de 19 KHz y luego un comparador de alta velocidad con un valor de comparación elegido para generar una corriente rectangular de salida. Por supuesto posteriormente se debe filtrar la señal que tiene no solo la componente de 38 KHz sino todas las otras a frecuencias armónicas de 19 KHz.

Pero en la electrónica actual utilizar una bobina ajustable es casi un pecado no solo por el costo de la bobina sino por el costo de su ajuste y porque existe la posibilidad de que el mismo quede mal produciéndose un retardo en la producción.

Antes de utilizar una bobina ajustable el diseñador de un circuito integrado prefiere usar un circuito con 10 o 20 transistores y sus correspondientes resistores. Por esa razón nos conformamos con que el alumno entienda el concepto, la idea del funcionamiento y no el circuito especifico que se utiliza dentro del circuito integrado.

El automatismo estereofónico y el estereofoco

¿Que ocurre con una radio estereofónica que deja abierto el detector de AM mientras recibe una emisora monofónica? En principio parecería que no ocurre absolutamente nada, porque el canal que recibe I-D no tiene salida y entonces la matrización envia la misma información a los dos canales del equipo

Es decir que la ecuación del canal inferior termina siendo (-I+D) + (I+D) = I+D y la del canal superior (I+D) + (I-D) = I+D como corresponde a una señal monofónica.

¿Entonces no tiene ningún sentido cortar el canal estereofónico de AM? Si lo tiene y por una razón muy importante. El ancho de banda de una recepción monofónica no tiene porque ser mayor que 20 KHz; en cambio para una recepción estereofónica se requieren unos 70 KHz y el ruido aumenta en la misma proporción que el ancho de banda. Por eso es conveniente dejar activo solo el filtro pasabajos, cuando se recibe una emisora monofónica.

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Inclusive debemos darle al usuario la posibilidad de optar entre monofónico y estereofónico para el caso que desee recibir una emisora lejana que entre con mucho ruido para que opte entre bajo ruido o efecto estereofónico.

Por todo esto los integrados receptores de AM/FM poseen un sistema automático que reconoce si una emisora es estereofónica y conecta el detector de AM. El mejor sistema para detectar la característica de una emisora es la detección del tono piloto.

Por lo general los circuitos detectores están relacionados con el sistema de recuperación de portadora. Si se recupera la portadora y esta está enganchada con el tono piloto, entonces la emisora es estereofónica y se conecta el detector de AM y al mismo tiempo se enciende un LED históricamente llamado estereofoco. En caso contrario se corta la salida del detector de AM para reducir el ruido.

Volviendo al circuito de la radio AM/FM

En el capítulo 32 explicamos el funcionamiento de una radio AM/FM con un circuito integrado LA1828 en todo lo que respeta a AM y a FM monofónica. Dejamos para más adelante la explicación de la sección de FM estereofónica y llegó el momento de explicar la sección faltante.

Fig. 5 Diagrama en bloques de la radio de AM/FM

En este caso vamos a explicar desde atrás hacia delante. En la pata 13 existe un circuito RLC que es la imprescindible bobina de carga del detector principal de FM aunque también cumple funciones de filtrado de las bandas laterales de AM de la componente estereofónica; llamada así en forma general.

Se puede observar que el detector esta conectado por un lado a la salida de la FI de FM para cumplir su función de detectar el paquete de señales de modulación, transmitido por las emisoras estereofónicas.

La otra pata se conecta al detector estereofónico en la pata 19 que posee el capacitor de filtrado del detector de FM. En la pata 19 se puede apreciar el paquete de señales

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completo que se acopla capacitivamente a la pata 18 en donde se conectan dos amplificadores internos. Uno va a una combinación de detector de AM de la I-D que toma señal de portadora de la etapa ST-SW que significa llave estereofónica. Cuando se suprime la portadora restaurada el receptor funciona en monofonía.

Por la pata 16 sale la señal de canal I y sobre la pata 17 la de canal D que requieren un nuevo capacitor de desacoplamiento a masa, que opera como filtro de desenfasis final.

La otra componente amplificada se dirige a una etapa que cumple una doble función. Por un lado al conectarla a masa manda la tensión continua a cero y corta todo el canal de FI de FM para que la radio funcione en AM. Cuando se abre se corta el canal de AM y se conecta el capacitor electrolítico de desacoplamiento del comparador de fase.

En nuestro curso vamos a tener muchas oportunidades de analizar el funcionamiento de los circuitos comparadores de fase ya que se usar en muchos equipos y en múltiples posiciones de los mismos. Esta es su primer aparición en nuestro curso y será estudiado en forma resumida.

Un comparador es una etapa que recibe dos señales de entrada y genera una tensión continua de salida, que es función de la fase existente entre las dos señales de entrada.

En nuestro caso existe un generador de 39 KHz que es el responsable de restaurar la subportadora estereofónica. Para que esta restauración sea efectiva la frecuencia de la portadora debe ser exactamente el doble de la señal piloto de 19 KHz y con una fase fija y muy precisa que es el único modo de garantizar que ambas frecuencias son armónicas.

La responsabilidad de mantener esa fase es del comparador de fase, que genera una continua de corrección sobre el capacitor de la pata 14 comparando por un lado la señal de un VCO, que es un oscilador controlado por tensión que oscila libremente cerca de los 38 KHz cuando no hay una emisora sintonizada. Aunque en el diagrama no está dibujado la tensión continua variable de la pata 15 se aplica al VCO para variar su frecuencia.

La pata 14 es también una pata de doble función. Cerrada a masa realiza una función que es forzar el funcionamiento mono. Abierta agrega un capacitor de filtrado en donde se detecta una tensión continua que solo aparece si la emisora es estereofónica y posee la señal piloto de 19 KHz. En este caso aplica la señal piloto a la etapa FF (de flip flop) que multiplica la señal de 19 a 38 KHz y la aplica al comparador.

Ahora el comparador recibe dos señales de aproximadamente la misma frecuencia y es capaz de compararlas y generar la tensión continua de error en caso de que no sean iguales. Si no lo son, la continua se encarga de que la frecuencia del VCO se corra y ajuste la fase del mismo enganchándola con el tono piloto.

Por supuesto parte de la señal del VCO ya enganchado se reenvía al detector de AM como portadora recuperada.

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El detector de piloto tiene una conexión extra que se envía al bloque triger que limpia la señal de activación estereofonica para evitar efectos de corte y encendidos espureos. Es decir que para que una emisora se considere estereofónica el tono de 19 KHz debe estar presente por un tiempo considerable y no solo como una ráfaga.

El triger a su vez opera la llave monofónico/estereofónico y enciende el LED de FM estereofónica a través del bloque ST LED por la pata 9.

Seguramente el alumno estará pensando en lo complejo de toda esta sección del receptor y sobre todo como se realiza una reparación de la misma si solo tiene disponible el generador/emisora de FM que le indicamos construir y un tester.

Reparaciones en la electrónica actual

Prácticamente todo el problema del reparador moderno consiste en que muchas partes de los equipos son totalmente internas y que hay importantes puntos de prueba a los que no tiene un acceso libre. Por supuesto eso dificulta la reparación pero es algo a lo que debemos ir acostumbrándonos paulatinamente, porque la electrónica actual es un proceso de integración de diferentes etapas, que antes estaban separadas y permitían su control individual y hoy están juntas dentro de un mismo chip diseñado para una función especifica.

El estado actual no es ni peor ni mejor para el reparador; es diferente y nuestra función es adaptarnos a una realidad que cada día cambia más rápidamente. Yo siempre le llevo mi palabra de aliento a mis alumnos, cuando se quejan de que un equipo tiene integrada tantas funciones, que se hace difícil repararlo, porque prácticamente tiene solo uno o dos circuitos integrados gigantes, que son prácticamente la mitad del costo del equipo.

Eso reduce la distancia desde el valor de la reparación al costo de un equipo nuevo y el usuario suele optar por comprar un nuevo equipo ya que los comerciantes le dan todas las facilidades para hacerlo (tarjeta, planes de pago, etc.).

En realidad parecería que en este momento el proceso de integración se ha detenido porque ya no resulta práctico continuar con el y porque ya hay muchos usuarios que dejan de comprar equipos muy integrados a sabiendas que es imposible repararlos económicamente. Un circuito integrado siempre tiene un cierto rechazo de producción llamado “scrap”. Ese scrap debe tener un valor acotado a un nivel de aproximadamente 20 % para que una producción sea económica.

A medida que se aumenta la integración aumenta el scrap y hay un punto en que las técnicas ya no pueden mejorarse y entonces no tienen sentido aumentar más la integración. Aparentemente ya llegamos a ese punto de inflexión y en muchos casos algunos fabricantes están retornado a la desintegración de lo que habían integrado en demasía.

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En nuestra querida America, un usuario pretende que un equipo le dure muchos años aunque deba repararlo varias veces durante su vida útil. Durante la época de bonanza los fabricantes de CI se olvidaban del tercer mundo y producían solo pensando en Europa EE-UU y Canadá. Pero con la caída de las ventas descubrieron que existimos y seguramente sus nuevos diseños van a tratar de respetar nuestro criterio de la economía de mercado.

Reparaciones en la sección estereofónica

Antes de preguntarse por qué no funciona la sección estereofónica es necesario controlar el funcionamiento de la radio en FM forzada a mono por medio de la llave MN/ST. En la pata 14 deben medirse 3,8V cuando el aparato no esta forzado a mono y cero si está forzado.

Luego del forzado se deben probar todas las emisoras de la banda y anotar la frecuencia de aquellas que entran con elevada señal (sin ruido). Recuerde que el circuito integrado tiene la facultad de medir la relación señal a ruido de una emisora y si considera que el ruido es alto corta el funcionamiento en estereofonía.

Si todas las emisoras ingresan con elevado ruido se debe proceder a verificar el ajuste y el funcionamiento de la sección de antena y FI antes de continuar buscando un problema en el decodificador estereofónico. Recuerde que la tensión de fuente debe ser la correspondiente a 3 pilas es decir 4,5V para todas las mediciones siguientes.

Recuerde que las bobinas de la pata 13 y 5 deben estar ajustadas a máxima salida con nuestro generador que este aplicando un tono de audio de 1 KHz. Y que para que las bobinas sean sensibles al ajuste, la señal de antena debe ser relativamente baja (es decir que se aprecie algo de ruido sobre la señal).

Si la radio funciona en forma óptima forzada en mono y al correr la llave sobre una emisora estereofónica sigue funcionando en mono es porque tiene un problema en el decodificador estereofónico.

El siguiente paso es observar el led estereofónico. Si el mismo esta encendido significa que la etapa detectora del tono piloto funciona y eso significa que el comparador de fase tiene señal de 19 KHz con suficiente amplitud. Controle la tensión de la pata 9 para desestimar algún problema en el led o el resistor externos. La tensión debe variar entre 4,5V con mono forzado y 0V en estereofónico. Coloque la pata 9 provisoriamente a masa y verifique que encienda el LED a pleno.

Si la pata 9 no cae a potencial de masa significa que no hay señal aplicada al comparador de fase desde el VCO o el capacitor de la pata 15 esta con fugas. Esta es una falla probable porque se trata de un capacitor de bajo valor. La tensión normal en esta pata es de 3,8V y en caso de fugas puede ser superior a 4V hasta llegar a 4,5V en caso de cortocircuito. El capacitor que se usa normalmente en esta posición es de .1 uF que es el menor valor que se fabrica en capacitares electrolíticos. Si tiene suficiente lugar y desea

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que la reparación sea realmente durable, cambie el capacitor por uno de poliéster metalizado.

Otro componente que puede generar un efecto aleatorio sobre la recepción estereofónica es el capacitor electrolítico de 3,3 uF conectado sobre la pata 14. El mismo filtra la tensión continua del detector de piloto. Si está normal, la tensión es de unos 3,8V pero si tienen fugas puede llegar a tener el valor de fuente de 4,5V. Nuestro consejo es cambiarlo y volver a probar.

Como puede observar el alumno solo hay dos componentes externos que pueden afectar el funcionamiento en estereofonía si el aparato funciona bien en monofonía y son dos candidatos probables debido a sus características (electrolíticos de bajo valor). Luego el principal sospechoso es el circuito integrado mismo que debido a su bajo precio debe ser cambiado inmediatamente.

Parecería que nos estamos olvidando de un componente fundamental que el capacitor colocado entre las patas 18 y 19 pero recuerde que el mismo tiene una aplicación multiple. Acopla tanto el audio de AM como el paquete de señales de FM estereofónica o la banda base de las monofónicas. Si funcionara mal para un uso funcionaria mal para todos los otros.

Con esto terminamos de dar una completa información sobre la reparación de una radio de AM y FM estereofónica que consideramos de gran valor para nuestros alumnos del curso completo de electrónica. Pero el tema radio no termina aquí. Hasta ahora solo explicamos el funcionamiento de la sección analógica de una radio donde las emisoras se sintonizan con un capacitor variable de plástico.

Estas radios solo se fabrican como productos de bajo precio y no pueden generar una ganancia que permita mantener un taller de reparaciones. Fueron explicadas más que nada como un medio didáctico.

Pero cada centro musical, o cada home tiene una radio en cierto modo similar a la vista pero con la sintonía y el control de volumen totalmente digitales. El capacitor mecánico se reemplaza con diodos varicaps y el control de volumen con circuitos integrados.

Y por supuesto la sección de amplificadores de potencia no tiene nada que ver con los que contiene una radio que puede llegar a manejar solo algunos cientos de mW. En un home o en un centro musical, se manejan cientos de W y actualmente con amplificadores del tipo digital.

Conclusiones

En la próxima lección vamos a ingresar de lleno en un mundo distinto. En el mundo digital del cual ya tuvimos algunos adelantos muy elementales, pero que despertaron la curiosidad de muchos alumnos: Me refiero a la clase dedicada a los microprocesadores programables.

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En el momento actual la radio la TV y las PCs están separadas pero juntándose. Hoy en día es común escuchar radio con la PC (y de cualquier punto del mundo) utilizando auriculares PWM que presentan una fidelidad asombrosa. También es común grabar música en un pendriver y escucharla luego en el auto o en un reproductor portátil. Recién ahora se esta popularizando el uso de la PC para ver TV de definición estandar o de alta definición utilizando una placa adecuada para captar señales de aire o de cable, o simplemente desde una pagina web (la NBA transmite todos los partidos en alta definición por un servidor especial).

Por otro lado ya existen TV LCD que navegan por Internet usando el control remoto infrarrojo. Esto significa que ya no podemos hablar de técnicos en electrónica y técnicos informáticos. El camino se fue acercando, ya es uno solo y es mi deber llevarlo de la mano para recorrerlo. Por eso en la próxima lección vamos a hablar de las compuertas lógicas para comenzar un estudio que terminará en los microprocesadores. Como siempre vamos a tratar de recorrer el camino aprendiendo temas prácticos. En este caso la meta final es aprender a reparar un centro musical moderno.

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37/ Electrónica Digital: Número BinarioMientras el hombre no tenia propiedades no tenia ni necesitaba el concepto del número. El número sirve para expresar una cantidad de algo. El número es un ente abstracto que no representa nada por si mismo. Si decimos 192, no decimos nada; si decimos 192 vacas, estamos indicando el tamaño de nuestro rebaño y entonces lo puedo verificar, comparar, vender, sumar al rebaño de mi hijo, etc. etc..

Así comenzó todo. Y por supuesto comenzó desordenado porque el concepto se creó en diferentes lugares del mundo al mismo tiempo y en una época en donde las comunicaciones casi no existían. Apenas existían modos de guardar las ideas (escritura) y esa es la razón por la cual existen distintos tipos de números. Todo comenzó cuando uno de nuestros ancestros hizo un puntito en una pared por cada vaca que tenía. Luego agrupo 5 puntos y los representó por un círculo y luego represento cinco círculos como una raya y así creo símbolos que terminaron transformándose en números.

Las vacas son fáciles de contar, pero en nuestra especialidad tenemos electrones difíciles de contar de a uno. Por eso los cuantificamos de acuerdo a su efecto global usando

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unidades que suelen expresar billones de electrones. Y toda nuestra ciencia se basa en procesar esa cantidad enorme de electrones.

En la electrónica representamos las cantidades de electrones de dos modos:

La representación Analógica La representación Digital

Un termómetro analógico y otro digital miden la misma variable física; la temperatura, pero lo hacen de modo muy diferente.

Fig.1 Termómetro analógico y digital

En la representación Analógica, los efectos físicos como la tensión, la corriente o la temperatura se presentan de manera continua como cantidades en adecuados indicadores en forma visual. El ejemplo clásico es un termómetro de alcohol, el cuál cuenta con un tubo de vidrio con un pequeño agujero central donde se ve subir la columna de líquido sobre una escala de números.

Ante el menor cambio de temperatura se produce un movimiento proporcional de la columna sin saltos bruscos de ningún tipo. La posición de la columna representa el valor de la temperatura que se mide, y esta sigue continuamente cualquier cambio que se presente en la misma, por más pequeño que sea mientras sea perceptible.

Las cantidades analógicas muestran una característica que hay que destacar; pueden variar gradualmente dentro de una línea continua de valores. La temperatura estimada en el termómetro puede ser de cualquier valor comprendido entre los 0ºC a 150 ºC por ejemplo el valor indicado puede estimarse como de 76 ºC a pesar de que en la escala solo está marcado el 70 y el 80.

En la representación Digital estas mismas cantidades no se presentan con valores continuos, sino como símbolos que en el caso elegido son digitales, y se caracterizan porque los valores indicados se generan por saltos. El display puede indicar 76, 77 o 78

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pero nunca va a indicar un digito más. En el solo hay espacio para dos dígitos, así que no podrá tener una escala que llegue a 150 ºC sino solo a 99ºC.

Eventualmente el sistema analógico permite realizar apreciaciones, el digital no; indica lo que indica y no se sabe si estamos más cerca de 76 que de 78ºC.

Los sistemas numéricos

¿Cuántos tipos de números conoce Ud.? Seguramente los números “Arábigos” y lo números “Romanos” que son los que se estudian en la escuela primaria. Pero pueden existir una infinita cantidad de números creados de acuerdo al uso que se les quiere dar. Inclusive existen campos de números, como por ejemplo los números reales (divididos en positivos y negativos) contenidos sobre un eje y los imaginarios utilizados para representar entidades existentes en un plano. De todos ellos nosotros vamos a dedicarnos a los números reales. Existen infinitos tipos de números reales de acuerdo a su base.

Los más conocidos son los decimales o Arábigos, de base 10 utilizados en la vida diaria y los de base 2 utilizados en los circuitos electrónicos digitales (la palabra dígito proviene del latín y significa literalmente “dedo”).

Los números de base 10 o Arábigos toman el nombre de números decimales porque existen 10 símbolos diferentes que sirven para representar diferentes cantidades de objetos; a saber: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. También existe el cero “0” pero los matemáticos aseguran que el cero no es un número sino el símbolo de una abstracción matemática, que indica que no existen objetos.

Ya sabemos contar hasta nueve en decimal ¿Y si tengo mas de 9 vacas que hago? Solo hay nueve símbolos y el cero y con esos símbolos nos tenemos que arreglar. Entonces escribimos un 1 y luego uno de los nueve símbolos. Es decir que tenemos un número de dos símbolos o cifras en donde la cantidad que reprendan los símbolos es diferente de acuerdo a la posición ocupada. El primer símbolo (de la izquierda) vale diez veces más que el de la derecha y por eso a esa posición se la llama decena; el segundo símbolo se llama unidad.

Si tengo mas de 99 vacas vamos a necesitar una tercer cifra y así se puede llegar a contar desde cero hasta infinito (otra abstracción matemática). Las ultima cifra (de la derecha) es la menos significativa y vale siempre por 1; la anteúltima marca las decenas, la siguiente las centenas, unidades de mil, decenas de mil, centenas de mil y así sucesivamente.

Evidentemente los números decimales se crearon porque los primeros lenguajes eran por señas y se representaban la cantidad de objetos con los dedos de las manos. Es decir que los números de diferentes bases se crean de acuerdo a una necesidad y los números arábigos tienen base diez porque los humanos tenemos 10 dedos en las manos.

Los números con base 2 se crearon por otra necesidad. En un circuito electrónico es muy fácil reconocer una tensión alta (por ejemplo 5V) y una baja (por ejemplo 0V). Es decir

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que los números binarios reprendan el estado de una tensión y toman el nombre porque solo tienen dos símbolos, que coinciden con los dos primeros símbolos de los números Arábigos: el 0 y el 1. Aunque por supuesto tienen un significado matemático totalmente diferente.

¿Cuántos objetos se pueden contar solo con dos símbolos? Solo dos. Luego para contar más objetos debemos utilizar el mismo método que usamos con los números arábigos, es decir utilizar más de una cifra.

Con los números decimales es fácil determinar cuantos objetos se pueden contar con una, dos, tres o mas cifras. Con los binarios la cosa no es tan evidente. En la tabla siguiente indicamos cuanto se puede contar en función de la cantidad de cifras en números decimales y binarios.

Cantidad de cifras Máxima cuenta-Decimal Máxima cuenta- Binario1 10 22 100 43 1.000 84 10.000 165 100.000 326 1.000.000 647 10.000.000 1288 100.000.000 2569 1.000.000.000 51210 10.000.000.000 1.024

Tabla 1. Cuenta máxima para decimal y binario

Mirando la tabla se puede encontrar un criterio general para establecer la cuenta máxima con números de cualquier base. En decimal podemos decir que se puede contar hasta un 1 seguido de tantos ceros como cifras tenga el número. ¿Esta cualidad se puede escribir en forma matemática? Si, se pueden contar 10n objetos, en donde n es la cantidad de cifras, recordando que 101=10, 102=100 y 103=1.000 etc.. Con los números binarios la cantidad hasta la que se puede contar no es tan inmediata, pero podemos probar si la formula 2n funciona. Y de hecho funciona bien dando los resultados esperados. Entonces no animamos a generalizar la formula a Bn en donde B es la base de cualquier numeración que deseemos utilizar.

En los números binarios a las cifras no se las puede llamar dígitos; porque digito da la idea de los 10 dedos de las manos del hombre. En los números binarios las cifras se llaman bits y cuando escribimos un binario, igual que en los decimales, ponemos la cifra menos significativa a la derecha y las más significativas a la izquierda. Es decir que para los binarios el número máximo de cuenta es 2n con n igual al número de bits del número binario.

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Cuando se usan muchos bits el calculo manual es engorroso y hay que recurrir a la calculadora científica que posee la función Xy.

En los circuitos electrónicos es muy común trabajar con 8 bits y si usamos la calculadora veremos que se puede contar hasta 28 = 256. Cuanto se necesita contar cantidades mayores se suele utilizar 16 o 32 bits, porque toda la electrónica esta resuelta para 8 bit y se usan 2 circuitos, 4 etc. por extensión. Con 16 bits se puede contar hasta 216 = 65.536.

Números en un circuito electrónico

Un número es una abstracción sin cuerpo ni equivalente físico alguno. ¿Cuál es la equivalencia de un número para un circuito electrónico? Las tensiones o las corrientes pueden equivaler a números.

Pongamos un ejemplo. Imaginemos un circuito electrónico diseñado para que realice la suma de dos números binarios de 8 bits.

Este circuito integrado deberá tener 16 patitas de entrada, más las correspondientes a fuente y masa y otras patas especificas que se podrían requerir como un terminal que podríamos llamar “sumar” para que realice la operación luego de cargar las entradas. En 8 de esas patas se colocaría el primer sumando; en las 8 restantes el segundo y debemos reservar un puerto de mas de 8 patas para la suma de salida; por ahora pongamos 16 patas. Las primeras patas son entradas las ultimas son salidas. Y la costumbre indica que cuando las patas cooperan para formar un número se les da el nombre genérico de puerto de entrada o de salida.

¿Pero cómo se coloca un número en la entrada si las patas sólo pueden reconocer tensiones? Cada pata debería tener una llave que la ponga a cero o a fuente y a cada llave le deberíamos marcar que posición ocupa dentro del número binario es decir cual es la llave correspondiente al bits menos significativo del primer sumando, cual al bit siguiente etc. hasta llegar a la llave 8 con el bit mas significativo. Luego deberíamos hacer lo mismo con el siguiente conjunto de llaves.

El circuito integrado debería leer la tensión de cada pata de los dos puertos de entrada, realizar la operación “suma binaria” y presentar el resultado como una tensión alta o baja en las 16 patas de salida (es evidente que la suma de dos números es un número mas grande que cada sumando pero aun no sabemos cuanto mas grande) por algún medio que indique la presencia o ausencia de tensión. Por ejemplo una barra de 10 leds. Un posible circuito para esta máquina de sumar binarios se puede observar en la figura siguiente.

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Fig.2 Máquina de sumar números binarios

Observe que las patas 1 (marcada con un cuadrado) y la 40 corresponden a fuente y masa respectivamente. La pata 21 es una pata de funciones. En el estado alto el CI sabe que ya fueron cargados los dos sumandos y que debe realizar la suma y presentarla en la barras de LEDs de la derecha.

Las llaves J2 y J3 se encargan de ingresar los números binarios que deseamos sumar. Cada patita del integrado tiene un resistor a fuente que es múltiple y contiene 8 unidades (que se llama de pull-up) que lo mantiene en estado alto si la correspondiente llave esta abierta, pero que la pone en cero si la llave se cierra.

la pata 20 es el bit menos significativo del primer sumando la pata 13 el bit más significativo del mismo La pata 12 es el bit menos significativo del segundo sumando la pata 5 es el bit más significativo del segundo sumando

El led indicador menos significativo de la suma, esta conectado a la pata 39 y el más significativo a la pata 24.

Aquí podemos observar que esta máquina transforma cada una de las llaves de entrada en una tensión equivalente al número binario de entrada y cuando ambos sumandos están ajustados, la operación del pulsador lleva la pata 21 a 5V para que el CI realice la suma y la presente como iluminación del conjunto de leds de salida.

Al conjunto de patas de entradas se lo acostumbra a llamar “puerto de entrada” y al conjunto de patas donde están conectados los leds se los suele llamar “puerto de salida”.

¿Se puede calcular cuantos bits de salida se requieren para una suma de dos números de 8 bits? Si, y es muy sencillo. Cada sumando puede ser como máximo el numero 256. La suma puede llegar entonces a 256 + 256 = 512 y nuestra tabla nos indica que para generar el numero 512 solo se requieren 9 bits.

De este modo con un ejemplo práctico aprendimos que son los números en forma general y particularmente los números binarios y decimales.

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Como lo humanos no estamos acostumbrados a los números binarios, nuestra máquina no parece tener utilidad. Pero no es muy complicado generar un conversor decimal a binario para la entrada y otro binario a digital para la salida y entonces nuestro dispositivo toma una utilidad verdadera.

Por supuesto esta máquina esta inventada y se llama calculadora.

¿Qué es más preciso, un dispositivo digital u otro analógico?

Esta es una pregunta difícil de contestar. Todo depende del diseño del instrumento digital. En un instrumento analógico suele haber una dependencia directa del diseño mecánico del instrumento medidor de aguja o similar; y ese diseño tiene un límite de precisión mecánica que no se puede superar. En un dispositivo digital siempre se puede incrementar la precisión agregando dígitos; el límite es sólo el costo.

En un instrumento analógico siempre existe una apreciación del usuario con respecto a la posición de una aguja sobre una escala o algo similar. En tanto que un equipo digital es de lectura directa. Se lee un número arábigo o un led que se enciende o apaga en los indicadores de nivel tipo pasa no pasa. No hay apreciación o lectura por aproximación por parte del usuario y es menos posible que se cometan errores.

Ventajas de los sistemas digitales

La digitalización de los viejos sistemas analógicos avanza cada vez más. Muchas son las razones para este cambio, algunas de las más importantes son:

1. En general, los sistemas digitales son fáciles de diseñar.

Esta propiedad se debe a que no es necesario aplicar tensiones exactas en los circuitos digitales, por el contrario, sólo es necesario que las tensiones permanezcan o alcancen los niveles de operación para cada estado lógico (ALTO o BAJO). Es decir que un circuito considera siempre como estado alto a un valor de por ejemplo 4,5V, que tal vez tiene un ripple o un ruido de 0,3V sobre él.

2. Capacidad de almacenar o retener información. Muchos de los circuitos digitales tienen un sólo propósito, el de almacenar, retener, y enviar información a voluntad del usuario.

3. Funcionamiento programado. Es muy fácil que un circuito digital siga una serie de órdenes llamadas programa, grabado dentro de los mismos. Esto facilita el diseño y las modificaciones por error de diseño porque sólo se debe cambiar el programa y no se requieren cambios de hardware.

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4. Menor espacio para más circuitos. Aunque la tecnología analógica ha avanzado mucho, sería imposible superar el tamaño de un circuito digital complicado, con su equivalente en circuitos analógicos.

5. Mayor facilidad para comunicarse con una computadora.

Dadas todas estas ventajas ¿por qué no se digitalizan todos los circuitos? Porque muchos circuitos analógicos trabajan a frecuencias tan elevadas que es imposible tomar muestras, operar con ellas y ofrecer el resultado final.

Limitaciones de los sistemas digitales

Podemos lograr que un circuito digital haga cualquier cosa que hacia uno analógico, con el simple expediente de digitalizar, procesar y volver al mundo analógico otra vez. Pero en muchos casos la velocidad a la cual se puede hacer el procesamiento no es suficiente.

Esta, es la única desventaja al utilizar sistemas digitales.

En su gran mayoría, las fuerzas físicas en el mundo real son analógicas, y los sistemas digitales las utilizan como entradas y salidas de información para efectuar las acciones que necesitemos con ellas, como medición y control.

Algunos ejemplos de medición de parámetros son:

La temperatura La presión La velocidad Los niveles de un líquido

Algunos ejemplos de procesamiento de señales son:

Las señales de video Las señales de audio Los señales cardiacas

Algo más sobre los números digitales

Dentro del mundo digital, se utilizan varios sistemas de numeración, de estos, los de uso común son:

El sistema DECIMAL El sistema BINARIO El sistema HEXADECIMAL

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Sistema decimal

El sistema DECIMAL, está formado por diez símbolos (numerales), 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0. Para poder expresar una cantidad es necesario utilizar estos símbolos como dígitos de un número.

En el sistema decimal, cada número (además de su valor numeral) toma su valor dependiendo de la posición donde se encuentre colocado dentro del número tal como se indica en la tabla siguiente.

Millares Centenas Decenas UnidadesValor numeral x1000 Valor numeral x100 Valor numeral x10 Valor numeral x1

Tabla 2. Valor de la posición dentro de un número decimal

Pongamos el ejemplo del número 1495, siguiendo la tabla arriba mencionada, sabemos que:

El primer dígito (dígito más significativo – MSD en inglés) es 1 X1000 = 1 millar.

El segundo dígito es 4 X100 = 4 centenas. El tercer dígito es 9 X10 = 9 decenas. El cuarto dígito (dígito menos significativo – LSD en inglés) es 5 X 1 = 5

unidades.

En el sistema decimal, el valor de un número es igual a su valor numeral multiplicado por el valor de la posición en la que se encuentra.

Sistema binario

Debido a su naturaleza analógica, el sistema decimal no es útil si la intención es diseñar un circuito digital, ya que tenemos 10 diferentes números para trabajar, lo que causaría un enorme dificultad de los circuitos electrónicos que deberían reconocer 10 niveles de tensión o de corriente.

Pensando en esta complicación, al diseñar los circuitos digitales se optó por un sistema mucho más eficaz para este tipo de trabajo, La manera más fácil de trabajar sería teniendo solamente dos niveles de tensión o corriente Alto y Bajo. Así se llegó a la solución de utilizar el sistema BINARIO (base 2), como característica principal de los circuitos digitales, aunque esta no es una consideración exclusiva. En efecto existen circuitos integrados que reconocen una lógica de tres niveles.

En el sistema Binario, los numerales toman su valor de manera posicional (como en el decimal) pero con un valor propio de los números binarios, cada dígito binario utiliza su propio valor elevado a la potencia de 2.

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En este sistema, por abreviación, el Dígito Binario se nombra como BIT, quedando la tabla  siguiente para un número de 4 bits.

BITS Bit más significativo (MSB) Bit menos significativo (LSB)Número binario 1 0 1 0Conversión X23 X23 X23 X20

Valor del bit 8 4 2 1Número decimal = (1×23) + (0×23) + (1×23) + (0×20) = 8+0+2+0 = 10

Tabla 3. Ejemplo para calcular el valor decimal del numero binario 1010

Resumiendo, en un número de cuatro bits, el valor de cada bit dependiendo de su posición es calculado fácilmente con la tabla siguiente.

BITS 4º bit (MSB) 3º bit 2º bit 1º bit (LSB)Número binario 1 1 1 1Conversión X23 X23 X23 X20

Valor del bit 8 4 2 1

Tabla 4. Valor de un bit de acuerdo a su posición dentro del número

Un número de ocho bits quedaría como en la tabla siguiente.

BITS 6º bit (MSB) 5º bit 4º bit 3º bit 2º bit 1º bit (LSB)Número binario 1 1 1 1 1 1Conversión X25 X24 X23 X22 X21 X20

Valor del bit 32 16 8 4 2 1

Tabla 5. Cálculo del valor de cada bit en un binario de 8 bits

Conteo Binario

Cuando nos enseñan los números analogicos lo primero que aprendemos es a contar. Ahora que conocemos los números binarios debemos afianzar nuestros conocimientos del mismo modo.

En la siguiente tabla usaremos un número de 4 bits para crear un conteo, al inicio de al cuenta, todos los bits están en cero.

Con cada conteo, el LSB cambia su valor de un número binario al otro, cada vez que este cambia de 1 a 0, el segundo bit cambia de estado también, cuando los dos primeros bits cambian de 1 a 0, el tercer bit cambia su estado, y cuando los tres primeros bits cambian de 1 a 0, cambia el MSB.

En la tabla siguiente se muestra el conteo Binario de un número de cuatro Bits:

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BITS 4º bit (MSB) 3º bit 2º bit 1º bit (LSB) Valor decimalValor del bit bit valor 8 bit valor 4 bit valor 2 bit valor 1

0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 0 0 0 81 0 0 1 91 0 1 0 101 0 1 1 111 1 0 0 121 1 0 1 131 1 1 0 141 1 1 1 15

Tabla 6. Conteo Binario

Observando con detalle la tabla anterior, se llega a la conclusión de que el conteo binario tiene una muy marcada característica:

El primer Bit (LSB) (Bit con valor “1″) cambia de 0 a 1 o de 1 a 0 con cada avance del conteo.

El segundo Bit (Bit con valor “2″) se mantiene dos conteos en 1 y dos en 0. El tercer Bit (Bit con valor “4″) se mantiene por cuatro conteos en 1 y cuatro en 0. El cuarto Bit (MLB) (Bit con valor “8″) se mantiene por ocho conteos en 1 y ocho

en 0.

Si utilizáramos un quinto Bit en el conteo, este se mantendría dieciséis conteos en 1 y dieciséis en 0.

El Sistema Hexadecimal

El sistema de numeración hexadecimal (Hex) tiene base 16, por lo que tiene 16 símbolos (numerales), utilizando dígitos de la A a la F para representar los números del 10 al 15. Quedando los símbolos: 0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F.

BITS bit más significativo (MSB) bit menos significativo (LSB)Número binario 1 A 8 EConversión X163 X162 X161 X160

Valor del bit 4096 256 16 0Número decimal

= (1×4096) + (10×256) + (8×16) + (14×1) = 4096 + 3560 + 128 + 14 = 6798

Page 395: Electrónica Completa

Tabla 7.

Conteo Hexadecimal

El mayor número del sistema Hexadecimal (Hex) es el 15, por lo que cuando hacemos un conteo hacia arriba se incrementa un dígito por conteo, al llegar a la F (15), se reinicia la cuenta de ese Bit y al siguiente de le incrementa su conteo un dígito:

Primer conteo = 28, 29, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 30, 31, 32…

Segundo conteo = 5F8, 5F9, 5FA, 5FB, 5FC, 5FD, 5FE, 5FF, 600, 601, 602…

Conclusiones

Una entrega muy matemática dirá el lector acostumbrado a mis temas prácticos. Y es cierto pero le aseguro que no lo hago sufrir sin necesidad. Los procesadores digitales transforman tensiones en números binarios y procesan todo en forma matemática. Entonces debemos estudiar matemáticas.

Los circuitos electrónicos modernos digitales son más parecidos a una computadora que a un antiguo circuito analógico. Los circuitos digitales convierten las entidades analógicas en números binarios, los procesan en el campo matemático y luego vuelven al campo analógico transformando nuevamente el resultado.

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38/ Compuertas lógicasEn la lección anterior realizamos un profundo estudio del “número” en forma genérica. Conocimos los diferentes tipos de numeración que utiliza el ser humano y encontramos la equivalencia entre los diferentes sistemas. Mencionamos la importancia del sistema binario por su uso casi universal en la electrónica y dijimos que existe un conjunto de dispositivos llamados compuertas lógicas que son los antecesores de los microprocesadores que ocuparían nuestro tiempo en los próximos artículos.

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¿Qué es la Electrónica Digital? Obviamente es una ciencia que estudia las señales eléctricas, pero en este caso no son señales que varíen continuamente sino que varían en forma discreta, es decir, están bien identificados sus estados, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o Uno lógico; y a otro, estado bajo (Low) o Cero lógico.

Suponga que las señales eléctricas con que trabaja un sistema digital son 0V y 5V (este es un nivel cómodo para el diseñador de los circuitos pero podría ser cualquier otro). Puede parecer lógico que 5V será el estado alto o uno lógico, pero debemos tener en cuenta que existe la “Lógica Positiva” y la “Lógica Negativa”, veamos cada una de ellas.

Lógica Positiva: en esta notación al 1 lógico le corresponde el nivel más alto de tensión (positivo) y al 0 lógico el nivel mas bajo (negativo) ¿pero que ocurre cuando la señal no está bien definida en 0 o 1? Habrá que conocer cuales son los límites para cada tipo de señal (conocido como tensión de histéresis), en la figura 1 se puede ver con mayor claridad cada estado lógico y su nivel de tensión.

Fig.1 Diagrama lógico de la lógica positiva

Es decir que a toda tensión comprendida entre 0 y 2,5 la denominamos cero y a toda tensión comprendida entre 3,5 y 5 lo denominamos 1. entre 2,5 y 3,5 quedan los niveles que llamamos indefinidos.

Lógica Negativa: Aquí ocurre todo lo contrario, es decir, se representa al estado “1″ con los niveles más bajos de tensión y al “0″ con los niveles más altos.

Fig.2 Diagrama lógico de la lógica negativa

Por lo general se suele trabajar con lógica positiva, y así lo haremos en este curso, la forma más sencilla de representar estos estados es como se puede ver en el siguiente gráfico.

Page 397: Electrónica Completa

Fig.3 Forma sencilla de representación

Compuertas Lógicas

Las compuertas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados en el punto anterior. Pueden asimilarse a una calculadora, por un lado ingresas los datos, la compuerta realiza la operación lógica correspondiente a su tipo, y finalmente, muestra el resultado en algún display.

Fig.4 Aplicación de una operación lógica

Cada compuerta lógica realiza una operación aritmética o lógica diferente, que se representa mediante un símbolo de circuito. La operación que realiza (Operación lógica) tiene correspondencia con una determinada tabla, llamada “Tabla de Verdad”. A continuación vamos a analizar las diferentes operaciones lógicas una por una comenzando por la más simple.

Compuerta negadora o NOT

Se trata de un amplificador inversor, es decir, invierte el dato de entrada y lo saca sobre una salida de baja impedancia, que admite la carga de varias compuertas en paralelo, o de un display de baja impedancia; por ejemplo si se pone su entrada a 1 (nivel alto) se obtiene una salida 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada que llamaremos A. Su operación lógica genera una salida S igual a la entrada A invertida.

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Fig.5 Compuerta NOT

La tabla de verdad nos indica que la salida S siempre es el estado contrario al de la entrada A. La ecuación matemática binaria indica que la salida S es siempre igual a la entrada negada lo que se representa con la rayita sobre la A.

Compuerta AND ó “Y”

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto de ambas entradas. El lector no se debe confundir porque las operaciones lógicas pueden no concordar con las aritméticas, aunque en este caso particular coincidan. Su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto.

Fig.6 Compuerta and

El nombre aclara la función. Deben estar altos A y B para que se levante S.

Una aplicación de esta compuerta puede ser un sistema de seguridad para un balancín. Para evitar que las manos del operario estén dentro de la zona de presión, se colocan dos pulsadores que ponen un uno en cada entrada. Los pulsadores están bien separados entre si. Recién cuando el operario los pulse aparece un uno en la salida que opera el relay del motor.

Compuerta OR ó “O”

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas. Aquí podemos ver que la operación aritmética no coincide con la

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lógica ya que la ultima condición de la tabla de verdad es 1+1=1 y en la operación aritmética seria 1+1=2. La operación lógica O es inclusiva; es decir que la salida es alta si una sola de las entradas es alta o inclusive si ambas lo son. Es decir, basta que una de las entradas sea 1 para que su salida también lo sea. Deben ser altas A “o” B o ambas al mismo tiempo, para que la salida sea alta.

Fig.7 Compuerta “Or”

Un ejemplo de uso puede ser que se desee que un motor se opere con una pequeña llave desde una oficina, o en forma local desde al lado del motor; pero no se desea que el motor se apague, si se cierran las dos llaves. La salida debe comandar al contactor del motor y las llaves de entrada deben conectar la tensión de fuente a las entradas.

Compuerta OR-EX ó XOR ó “O exclusiva”

En nuestro caso la OR Exclusiva tiene dos entradas (pero puede tener más) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre “A” por “B”invertida y “A”invertida por “B”. Todo un lío si consideramos su fórmula pero su tabla de verdad es muy sencilla y su descripción también, ya que la salida será alta solo si una de las entradas lo es, pero no lo es, si lo son las dos al mismo tiempo.

Fig.8 Compuerta XOR

Como ejemplo recurrimos al caso anterior pero donde deseamos que si la maquina se opera en forma local no pueda operarse también en forma remota.

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Estas serían básicamente las compuertas más sencillas. Pero no son todas las que hay porque existen combinaciones de las compuertas básicas con compuertas negadoras que vamos a ver a continuación.

Compuertas lógicas combinadas

Al agregar una compuerta NOT a la salida de cada una de las compuertas anteriores los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas: NAND, NOR y NOR-EX. Veamos ahora sus características y cual es el símbolo que las representa.

La compuerta NAND responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo sobre su salida.

Fig.9 Compuerta NAND

Una compuerta NOR se obtiene conectando una NOT a la salida de una OR. El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica “o inclusiva” es como un “no a y/o b”. Igual que antes, solo se agrega un círculo a la compuerta OR y ya se obtiene el símbolo de una NOR.

Fig.10 Compuerta NOR

La compuerta NOR-EX, es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad en donde la columna S es la negación de la anterior. El símbolo que la representa se obtienen agregando un circulo a la salida de una OR-EX.

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Fig.11 Compuerta NOR-EX

Las compuerta “buffer” sería una compuerta negadora detrás de otra negadora lo cual no parece tener sentido ya que la tabla de verdad seria una repetición de la entrada en la salida. Pero sin embargo existen y tienen un uso muy importante aclarado por su nombre que significa expansora o reforzadora. Se usan para alimentar a un conjunto de compuertas conectadas sobre su salida. El buffer en realidad no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar la señal (o refrescarla para decirlo de otra manera ya que no se incrementa su amplitud sino su capacidad de hacer circular corriente. Como puede ver en la figura 12 la señal de salida es la misma que la de entrada.

Fig.12 Compuerta buffer

Hasta aquí llegó la teoría aunque dimos algunos ejemplos prácticos. Ahora nos interesa más saber como se hacen evidentes estos estados lógicos y operaciones para lograr resultados prácticos, y en qué circuitos integrados se las puede encontrar. Pero antes debemos estudiar las distintas familias de compuertas que existen en la actualidad.

Circuitos integrados y circuitos de prueba

Existen varias familias de Circuitos integrados pero el alcance de nuestro curso solo estudiaremos dos, las más comunes, que son las TTL y las CMOS: Estos Integrados los puedes caracterizar por el número que corresponde a cada familia según su composición. Por ejemplo:

Los TTL se corresponden con la serie 5400, 7400, 74LSXX, 74HCXX, 74HCTXX etc. algunos 3000 y 9000.

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Los C-MOS y MOS se corresponde con la serie CD4000, CD4500, MC14000, 54C00 ó 74C00. ¿Cual es la diferencia entre una y otra familia? Los C-MOS, soportan en algunos casos a +15V, mientras que los TTL el pueden soportar +12V como limite extremo pero por lo común se utilizan en +5V.

Pero resulta que los circuitos C-MOS son más lentos que los TTL pero ocupan menos espacio; por eso su uso en algunos u otros equipos. De todos modos es importante buscar la hoja de datos o datasheet del integrado en cuestión, distribuido de forma gratuita por cada fabricante y disponible en Internet.

Probar una compuerta es algo simple. Por ejemplo tomemos un circuito integrado 74LS08, que es un TTL, cuádruple compuerta AND. Es importante notar el sentido en que están numeradas las patas y esto es general, para todo tipo de integrado y para todo tipo de compuerta cuadruple de dos patas lógicas de entrada.

Fig.13 Disposición interna de una cuadruple AND

Con este integrado podremos verificar el comportamiento de las compuertas vistas anteriormente. El representado en el gráfico marca una de las compuertas que será puesta a prueba, para ello utilizaremos una fuente regulada de +5V, un LED una resistencia de 220 ohm, y por supuesto el IC que corresponda y una placa de prueba o un zócalo para trabajar prolijos; aunque lo mejor es un panel de armado rápido por contactos de presión.

El circuito de prueba es el mostrado en la figura 14 armado en un Multisim en solo 4 segundos.

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Fig.14 Circuito de prueba de la compuerta 74LS08

El procedimiento de armado consiste en invocar el multisim y elegir el CI de la estantería de componentes. Posteriormente lo arrastramos y depositamos en la mesa de trabajo. El programa nos va a mostrar una pantalla con los cuatro integrados que forman el dispositivo es decir el A B C y D elegimos el A y los pegamos en la mesa de trabajo en forma definitiva. Al hacerlo se conectan automáticamente la masa de la pata 7 y la fuente de 5V de la 14.

Ahora abrimos la estantería de componentes pasivos indicados con un resistor y de allí elegimos una llave (swich) de una vía. La arrastramos y pegamos a la mesa como J1 y luego hacemos lo mismo con otra llave J2. Picando sobre la llave superior la predisponemos para que se opere con la tecla A y luego hacemos lo mismo con la inferior pero usando la tecla B. Probamos la operación de las llaves pulsando A y B.

De la misma gaveta de componentes pasivos obtenemos un resistor de 330 Ohms y lo pegamos cerca de la salida de la compuerta. Buscamos la gaveta de diodos, seleccionamos un diodo LED azul y lo pegamos en la mesa de trabajo.

Ahora de la gaveta de fuentes obtenemos el símbolo de VCC que ya viene predispuesto con 5V y lo pegamos cerca de las llaves. Ahora hay que realizar el armado Picamos en una pata de entrada con el botón derecho del Mouse y sin soltarlo lo llevamos hasta la llave. Allí soltamos y queda armada la conexión. Hacemos lo mismo con el resto de las conexiones. Y el circuito esta listo para la prueba.

Pulsamos el icono con el rayo amarillo para encender la simulación. Primero cerramos la llave J1 con la tecla A y veremos que el LED queda apagado. Luego cerramos la llave J2 pulsando la tecla B y veremos que el LED se enciende. Verifique la tabla de verdad de U1A.

Consideramos que no es necesario que el alumno arme el circuito real porque la simulación le brinda todas las posibilidades de realizar una buena práctica tan didáctica como la realidad. Pero si lo desea puede hacer un armado en un panel de armado a presión tal como lo indicamos en la figura 15.

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Fig.15 Armado real del circuito de prueba

Nota: dibujamos en color cobre el dibujo interno de patas conectadas entre si, para que el lector entienda como se armó todo el circuito. El integrado no tiene nombre porque se pueden probar diferentes compuertas con el mismo panel.

En el esquema está conectada la compuerta 1 de las 4 disponibles en el integrado 74LS08, los extremos A y B son las entradas que se deberán conectar a un 1 lógico (tira de terminales con la raya roja (+5V) ó 0 lógico tira de terminales con la raya negra (GND), el resultado en la salida de la compuerta se verá reflejado en el LED, LED encendido (1 lógico) y LED apagado (0 lógico). Por supuesto en este caso se deben conectar el terminal de alimentación de la pata 14 a la tira roja y el pin 7 a la tira negra de masa. Cuando los cables verde y rojo se conectan a la tira roja se enciende el led.

El mercado nos ofrece diferentes tipos de compuerta (función y familia). Todas las que se pueden probar con el panel indicado son las compuerta de dos entradas. Entre ellas se destacan:

Para la familia CMOS

Cuádruple Compuerta AND con Buffer de Salida: 4081B, CD4081 ,CD4081B, MC14081B

Cuádruple Compuerta OR con Buffer de Salida: 4071B, CD4071 ,CD4071B, MC14071B

Cuádruple Compuerta OR-EX: 4070B, CD4070, CD4070B, MC14070, 4030B, CD4030, MC14030

Cuádruple Compuerta NAND comunes: 4011, CD4011, MC14011 Cuádruple Compuerta NAND con Buffer de Salida: 4011B, CD4011BC,

CD4011BM, MC14011B Cuádruple Compuerta NAND con disparadores Schmitt: 4093B, CD4093B,

MC14093B Cuádruple Compuerta NOR comunes CD4001, MC14001 Cuádruple Compuerta NOR con Buffer de Salida: 4001B, CD4001BC,

CD4001BM, MC14001B

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Cuádruple Compuerta NOR-EX: CD4077, MC14077

Para la familia TTL:

Cuádruple Compuerta AND: SN7408, SN74L08, SN74LS08, SN7409, SN74L09, SN74LS09

Cuádruple Compuera OR: SN7432, SN74LS32, SN74S32 Cuádrupe Compuerta OR-Exclusiva con salida a colector abierto 7486, 74S86,

74LS86, 74HC86, DL086 Cuádruple Compuerta NAND: SN7400, SN74H00, SN74L00, SN74LS00 y

SN74S00 Cuádruple Compuerta NOR sin salida Buffer: SN7402, SN74L02, SN74LS02,

SN74S02 Cuádruple Compuerta NOR con salida Buffer: SN7428, SN74LS28, SN7433,

SN74LS33 Cuádruple Compuerta NOR-Exclusiva: 74266, 74HC266, 74LS266, 74AHCT266

Conclusiones

Con esto tuvimos suficiente por hoy. El alumno tiene de dónde estudiar, ejercicios para el Multisim y ejercicios para armar realmente en un panel de armado rápido de bajo costo. Por supuesto que los ejercicios sólo son verificación de la tabla de verdad, de las compuertas más utilizadas de doble entrada. Pero la práctica siempre es buena y el ejercicio permite afianzar nuestros conocimientos en este nuevo mundo que recién estamos conociendo.

En la próxima lección vamos a realizar proyectos mas interesantes: Monoestables; astables y otros, hasta llegar al control de un motor paso a paso de esos que tienen las impresoras y otros dispositivos mecánicos. Y luego cuando hayamos transpirado lo suficiente usando las compuertas, vamos a ver como se resuelve el problema utilizando un microprocesador PIC.

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39/ Fabricación de dispositivos con compuertas lógicas

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En esta lección vamos a explicar primero cómo se pueden organizar los diferentes circuitos realizados con compuertas. Un modo de organizarlo es como astables o multivibradores, monoestables y biestables.

Astable es aquel cuya salida oscila si necesidad de colocarle señal de entrada Monoestable cambia de estado la salida por un tiempo u luego vuelve al estado

estable de espera Biestable cambia la salida con cada pulso de entrada cualquiera sea su estado de

salida (alto o bajo)

En esta lección vamos a analizar todos los circuitos astables y le vamos a dar una aplicación.

Osciladores, Multivibradores o Circuitos Astables

A los alumnos le suele llamar la atención el nombre astable; así que comenzamos con la semántica del tema.

Circuitos Biestables o Flip-Flop (FF)

Existen tres circuitos clasificados según la forma en que retienen o memorizan el estado que adoptan sus salidas, estos son los circuitos Biestables o Flip-Flop (FF) que son todos aquellos que cambian el estado de la salida cada vez que reciben una señal de entrada. Y además de cambiarlo lo retienen aunque desaparezca el dato de entrada.

En conclusión: poseen dos estados estables de salida alto o bajo.

Circuitos Monoestables

Circuitos Monoestables: Estos circuitos cambian de estado sólo si se mantiene la señal de entrada (nivel alto o bajo), si ésta se quita, la salida regresa a su estado anterior después de un tiempo ajustable.

Conclusión: Poseen un sólo estado estable el otro es metaestables

Circuitos astables

Circuitos astables: Son circuitos que funcionan solos sin recibir señales de entrada; su salida cambia gobernada por una red de tiempo R-C (Resistencia-Capacitor) y un circuito de realimentación. A diferencia de los anteriores se puede decir que no poseen un estado estable sino dos es decir son metaestables.

A estos últimos nos dedicaremos ahora, los otros dos los trataremos en próximas lecciones. Recuerden suscribirse por RSS o suscribirse por email para no perderse ningún tema.

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De todos los circuitos astables el más conocido es el que se construye con un integrado NE555 pero nosotros queremos construirlos con compuertas lógicas. La idea es que vea todas las posibilidades que le brindan las compuertas lógicas y ésta es una de ellas, considerando que en muchos circuitos o diseños quedan compuertas libres (sin ser utilizadas) vamos a aprovecharlas para armar circuitos astables, o temporizadores.

Oscilador con onda cuadrada con compuertas NOT

Utiliza dos inversores o compuertas NOT. Podríamos fabricarlo como un generador de señal rectangular pero comencemos con un generador de señal cuadrada.

Nota: T1=T2 T = 2,5 RC aprox. Rs = 2R

Fig.1 Oscilador de onda cuadrada

Veamos como funciona:

Al iniciar el funcionamiento VC1 = 0 la salida del inversor U2B está a nivel “1″, entonces su entrada esta a “0″, y la entrada del inversor “U1A” a nivel “1″. En esas condiciones C1 se carga a través de R1, y los inversores permanecen en ese estado.

Cuando el capacitor alcanza su carga máxima la unión de los tres componentes pasivos esta alta y, se produce la conmutación del inversor “U2B”. Su entrada pasa a “1″, su salida a “0″ igual que la entrada del inversor “U1A” que pasa a “0″, se invierte la polaridad del capacitor y este se descarga, mientras tanto los inversores permanecen sin cambio, una vez descargado, la entrada del inversor “U1A” pasa nuevamente a “0″, y comienza un nuevo ciclo.

Este oscilador es simétrico ya que el tiempo que dura el nivel alto es igual al que permanece en nivel bajo, este tiempo esta dado por T = 2,5.R.C con

T expresado en segundos cuando R está expresando en Ohms y

C en Faradios. Nota: el tiempo T es solo aproximado. En efecto la simulación nos indica un periodo de 220 mS y el calculo da T = 2,5.10K.10uF = 250 mS aunque hay que recordar que la simulación tampoco es exacta.

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El capacitor C2 evita que el circuito funcione en un modo de muy alta frecuencia.

El mismo circuito se puede fabricar con otras compuertas; por ejemplo:

Oscilador simétrico con compuertas NAND

Una NAND con sus entradas unidas se comporta como un inversor.

Fig.2 Oscilador de onda cuadrada con compuertas NAND

Oscilador simétrico con compuertas NOR

Fig.3 Oscilador de onda cuadrada con compuertas NOR

Como se puede observar todo se basa en el primero circuito que vimos; y hay mas combinaciones en donde se pueden usar compuertas mezcladas. Por ejemplo una NAND y un inversor; una NOR y un inversor etc.

También se puede fabricar un oscilador de frecuencia variable Colocando un potenciómetro doble (estereofónico) en lugar de R1 y R2.

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Fig.4 Oscilador de frecuencia variable

Utilidad práctica de los osciladores a compuerta

La utilidad práctica es casi infinita si Ud. tiene en cuenta alguna características de los osciladores fabricados con compuertas. En principio lo más importante es que su frecuencia no es muy estable con la temperatura dependiendo del tipo de componentes pasivos utilizados. Los electrolíticos son especialmente prohibidos si quiere que la frecuencia sea estable. Los capacitares cerámicos tienen diferentes coeficientes de temperatura desde los NP0 hasta los N o P 1500 (en donde la cifra 1500 expresa la variación de capacidad en partes por millón y N es en defecto y P en aumento). La mejor combinación son los capacitares de poliéster metalizados y los resistores comunes de carbón que se compensan mutuamente.

Teniendo en cuenta este detalle la aplicación mas comunes son las aplicaciones de audio en donde destacan las sondas probadoras. Cualquiera de nuestros circuitos, calculado para 1 KHz sirve para probar el funcionamiento de un amplificador de audio. O inclusive un simple parlante aunque en este caso es conveniente cambiar el circuito por el de la figura siguiente para obtener un buen funcionamiento con resistencias de carga bajas.

Fig.5 Generador de tono de audio de 1 KHz

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Por supuesto que no se trata de un generador senoidal, sino de onda cuadrada pero es perfectamente válido para pruebas de service. Inclusive el circuito propuesto llega a mover un parlante del tipo para PC con lo que se transforma en un diapasón electrónico para el ajuste de instrumentos musicales.

Armando 7 osciladores con presets se puede construir un órgano electrónico de una octava, conectando los generadores al amplificador con pulsadores tipo sapito. Sin embargo le recordamos que para que un órgano sea útil debe tener por lo menos 3 o 4 octavas.

Armando un modelo de baja frecuencia de ½ Hz se puede hacer un destellador para una bicicleta. Que también sirve como emulador de alarma para auto (el ladrón siempre observa la existencia de un led destellante que informa que la alarma está conectada.

Disipadores Schmitt trigger o con histéresis

Algo que no vimos hasta ahora son las compuertas SCHMITT TRIGGER o disparadores de Schmitt, son iguales a las compuertas vistas hasta ahora pero tienen la ventaja de tener dos umbrales de conmutación muy bien definidos, llamados VT+ y VT-; VT+ es el eje de cambio de estado cuando la señal de entrada aumenta y VT- cuando disminuye. Esto hace que las compuertas puedan reconocer señales con ruido superpuesto que una compuerta lógica común tendría dificultades en reconocer, ya que el ruido produciría una indeterminación del estado de su salida.

Esto parece ser un problema de poca importancia, pero no lo es; es el problema por antonomasia de la electrónica digital, debido a que una gran cantidad de circuitos lógicos se manejan con pulsadores y los pulsadores no tienen un pulso totalmente libre de ruido.

Para entender este problema lo mejor es recurrir a una simulación en Multisim en donde aplicamos una señal similar a la de un pulsador con ruido superpuesto y vemos el comportamiento de un inversor común y de un inversor con histéresis.

Fig.6 Comparación entre un inversor con histéresis y uno común

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El oscilograma superior indica la realidad, es decir una sucesión de 1 y 0 todos de la misma duración debido a que el inversor tiene dos ejes de recorte. Cuando la señal de entrada llegó al eje inferior conmuta la salida. En ese momento la señal de entrada subió debido al ruido pero como no llegó a superar al eje superior nada se vió reflejado en la salida.

En cambio, el oscilograma inferior tiene un inversor sin histéresis es decir con un solo eje de recorte; el cambio hacia arriba producido por el ruido genera un 1 extra de corta duración que puede alterar enormemente el resultado de un número binario de salida.

No sólo existen inversores Schmitt Trigger, sino también compuertas AND, OR, NOR, etc., que ya sabemos como utilizar.

Oscilador a cristal

Anteriormente dijimos que los osciladores a RC podían no tener suficiente precisión para nuestras necesidades. Si Ud. necesita mayor precisión puede recurrir a un oscilador implementado con dos inversores y un Cristal de cuarzo como el de la figura 7, el trimer de 40pf se incluye para un ajuste fino de la frecuencia de oscilación.

El circuito oscilador en si, funciona con un solo inversor. Se puede incluir otro para actuar como etapa separadora.

Fig.7 Oscilador a cristal

Este circuito es muy útil cuando se pretende obtener frecuencias superiores a los 100 KHz para las cuales existen cristales standard. En frecuencias menores solo existen unos cristales especiales para relojes de 32 KHz y luego hay que utilizar un circuito divisor de frecuencia que veremos más adelante.

Osciladores controlados

Se trata simplemente de controlar el momento en que un oscilador debe oscilar o cortar las oscilaciones. Recuerde que siempre tenemos dos opciones, funcionamiento por un nivel alto o por un nivel bajo.

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Si tiene en cuenta que los osciladores vistos hasta el momento solo pueden oscilar cambiando el estado de sus entradas en forma alternada, lo que haremos será forzar ese estado a un estado permanente de 0 o 1.

Vamos un primer ejemplo; utilizando un diodo en la entrada del primer inversor como lo indica la figura siguiente.

Fig.8 Control sobre el oscilador astable

Queda claro que cuando el generador de funciones coloca un estado alto en el diodo el mismo conduce y traba la entrada en 1 cortando la oscilación astable.

Los astables realizados con compuertas equivalentes admiten también el corte o modulación de la señal tal como puede verse en la figura siguiente.

Fig.9 Astable controlado con NANDs

La aplicación de este circuito es la fabricación de un generador de RF modulada para la banda de AM o un transmisor de telegrafía. Para el generador de RF modulada solo basta con construir un astable de 1 KHz para usar como modulador y otro controlado que barra de 400 KHz a 1700 KHz con un potenciómetro.

Ud. dirá que el generador debería ser de señal senoidal pero si tiene en cuenta que los armonicos caen en el triple de la fundamental, en el quíntuple etc. en general no molestan.

Modulación por ancho de pulso

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Los astables de 50% de tiempo de actividad no son los únicos que se utilizan. Los de período de actividad variable y frecuencia fija son tal vez los más usados. Si Ud. quiere controlar la velocidad de un motor de CC y le disminuye su tensión bajará la velocidad, pero lo malo es que también disminuía la cupla o torque del motor (fuerza de giro).

Si lo controla con un astable que posee ajuste del ancho de pulso de salida, variará la velocidad sin reducir la cupla. Comencemos planteando un generador con un periodo de actividad mayor al 50%.

Fig.10 Astable con periodo de actividad asimétrico

El circuito no es idéntico al que ya usamos pero es similar. No considere a R3 y C2 que están para evitar oscilaciones de alta frecuencia. C1 se carga cuando la salida de U1A es alta (y la de U2B por supuesto baja) y lo hace por el camino +5V, D1, R2, C1, masa. En el ciclo siguiente se descarga por +5V, C1, R2, R1, masa. Es decir que se carga por R2 y se descarga por R1+R2 y allí está la asimetría que genera un tiempo de actividad superior al 50%.

La ecuaciones son T1>T2 ; T1 = 0,7 (R1+R2) . C1 ; T2 = 0,7 . R2 .C1 que son claramente asimétricas. Se puede reemplazar R1 o R2 por un potenciómetro y obtener un ajuste variable del tiempo de actividad y la frecuencia (no se puede evitar que cambie la frecuencia salvo que se varíen los dos resistores).

Un detalle a tener en cuenta es que si se invierte la polaridad del diodo se obtiene la situación inversa, es decir T2 > T1.

Se pueden realizar dos acciones al mismo tiempo a saber: modulación por ancho de pulso y conmutación de encendido.

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Fig.11 Circuito PWM inteligente con corte de funcionamiento

Este circuito es ideal para manejar un motor o una lámpara incandescente por PWM. El motor se puede conectar sobre la salida de U2B o poner otra compuerta como separadora. Ya conocemos una de las ventajas de usar un modulador PWM que el motor marcha a menor velocidad pero no pierde torque. Pero el circuito tiene una ventaja mucho más importante que esa, el rendimiento.

Yo podría conectar el motor a la fuente con un potenciómetro y lograr una variación de velocidad. Pero cuando el motor marcha lento el circuito gasta tanta energía como cuando marcha rápido porque el potenciómetro se calienta y esa energía térmica proviene de la fuente. Además el potenciómetro debe ser especial de alambre para soportar la potencia disipada, o debo agregar un transistor regulador de potencia y un disipador.

En este circuito, la regulación se produce por conexión y desconexión del motor. Si el motor esta conectado poco tiempo (tiempo de actividad Ta bajo) marcha lento y si se deja conectado mucho tiempo (Ta alto) marcha rápido, pero cuando está desconectado no hay nadie que se caliente y por lo tanto su rendimiento es muy alto.

Este sería un circuito muy adecuado para un robot siguelineas porque consume poca batería y porque tiene un control de encendido de bajo consumo que además puede cambiar la lógica solo con invertir el diodo D2. R4 ajustaría la velocidad del robot y le daría el balance para que se mueva derecho sobre la línea porque es como un reductor electrónico variable.

Conclusiones

Así agotamos el tema de los osciladores astables dando varios circuitos de aplicación posible y seguramente generando muchos más en la imaginación del lector. Pero el tema de las compuertas lógicas no está agotado ni mucho menos, aún no hemos comenzado a explorarlo porque no faltan los circuitos monoestables y los biestables, que veremos en la próxima entrega con sus correspondientes aplicaciones.

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Ing Alberto Picerno.

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