Semana XI - 29/11/2016

El día de hoy ha sido bastante ameno.

Hemos ido al laboratorio a montar nuestro bloque modulador ASK, es decir, nuestro generador de señal ON OFF con un circuito basado en un 555. Agregando correctamente este módulo a nuestro circuito de oscilación, hemos visto que la señal se iba interrumpiendo cada segundo gracias a un LED. Agregando una antena monopolo a nuestra salida, y con el uso de un receptor comercial prestado por el profesor, hemos podido transformar esa señal interrumpida de manera periódica a 27 MHz a un tono audible. Para hacer nuestro transmisor un poco más característico, hemos sustituido el condensador electrolítico conectado al 555 por otro de capacidad aún menor. Eso ha provocado que la frecuencia ON OFF aumentará, por lo que el pitido era mucho más rápido.

La semana que viene seguiremos avanzando en nuestros conocimientos de radio aprendiendo a realizar el receptor.

Semana XI - 28/11/2016

Empezamos la nueva semana repasando los conceptos adquiridos la semana anterior. Remarcamos la gran importancia del cristal de cuarzo dentro de un circuito oscilador.

Una vez puestos en materia, recapitulamos un poco para recordar los problemas de nuestra propuesta para el circuito oscilador. Vimos que gracias al uso del cristal de cuarzo en cortocircuito nuestro circuito mantiene invariable la frecuencia de oscilación. El problema radica a que además de a 27 MHz, el circuito también está oscilando a frecuencias múltiples, tales como 9 MHz por ejemplo. Esto es un grave problema, ya que si conectáramos una antena a la salida del oscilador, estaríamos inundando el espacio con luz a varias frecuencias, y eso está completamente prohibido. Hay que buscar, pues, una solución.

La solución propuesta es sustituir la combinación RC por un circuito tanque. La idea de este circuito es que si conseguimos que resuene a una frecuencia por debajo a la de la oscilación, para 27 MHz tendremos un circuito equivalente RC, y el circuito podrá oscilar. Para los otros armónicos el circuito tanque no se comportará como un RC y el circuito no podrá oscilar.

Llegados a este punto, hay que comprobar como efectivamente esta solución arregla el problema de los armónicos. Para probarlo, fuimos al laboratorio a montar nuestro oscilador y ver como efectivamente solo oscila a 27 MHz.

Nos vemos mañana añadiendo un modulador ASK para emitir una señal On Off a 27 MHz. Mañana ya seremos capaces de transmitir algo!

Semana X - 22/11/2016

Volvemos a clase para analizar los resultados obtenidos con nuestro oscilador. Como ha quedado claro, ahora mismo nuestro diseño no es válido, puesto que conectar el oscilador a una antena provocaría que radiáramos potencia en múltiples frecuencias. La solución la conseguiremos con un dispositivo llamado cristal de cuarzo.

Este componente es utilizado en absolutamente todos los circuitos con osciladores, puesto que tiene unas características increíbles. Imaginemos que nuestro circuito se encuentra en condiciones extremas. Un golpe o la contracción y dilatación debidas al frío y al calor varían el valor de nuestro inductor y el circuito, en lugar de resonar a Fr resonaría a Fr +/- Fs. Y esto no lo podemos permitir, puesto que podemos perfectamente perder la comunicación. Para fijar esa frecuencia de oscilación usaremos un cristal de cuarzo.

Según el espesor de las capas del cristal de cuarzo, este dejará pasar una frecuencia u otra. En síntesis, las capas del cristal de cuarzo de doblegan cuando aparece una diferencia de potencial en sus terminales. Según el espesor de las capas, resonará a una frecuencia u a otra. El quid de la cuestión es que, correctamente diseñado, a nuestra frecuencia de operación se comporta como un cortocircuito y en todas las demás como un circuito abierto. De esta manera, pase lo que pase, solo radiaremos a la frecuencia a la que el cristal de cuarzo se comporta como un cortocircuito.

Finalmente, para comprobar este comportamiento hemos ido al laboratorio y hemos añadido a nuestro circuito un cristal de cuarzo para ver como, efectivamente, nuestro circuito solo oscila a 27 MHz.

Nos vemos la semana que viene reinventando la radio.

Semana X - 21/11/2016

Empezamos esta nueva semana volviendo al laboratorio a configurar el circuito de la semana pasada. Una vez lo tenemos operativo, volvimos a clase para ver como analizar correctamente la salida del circuito.

Como vimos la semana pasada, el señal de salida no es perfectamente sinusoidal, sino que tiene una forma aproximadamente triangular. Para ver correctamente qué componentes frecuenciales y con que potencia están formando esa señal, es preciso utilizar el analizador de espectros.

En este caso, no usaremos el analizador de espectros visto en otras asignaturas, sino que usaremos un analizador capaz de interpretar la señal y que extrae una salida para ser entendida por el osciloscopio. Básicamente, este dispositivo consta de un teórico filtro sintonizable. Decimos teórico porque no es realmente así. Consta de un filtro paso banda a una frecuencia fija intermedia, y lo que variará es la frecuencia del señal de entrada. Este tipo de dispositivos se les conoce como receptores heterodinos. La salida del analizador de espectros irá directamente conectada a una de las entradas del osciloscopio en modo XY.

Volvemos al laboratorio a poner en práctica lo visto hasta ahora y vemos como efectivamente aparecen armónicos cada (2N+1) * 9 MHz. Recordemos además que esto lo estamos construyendo con un filtro pasa banda sintonizable mediante un condensador variable. Para automatizarlo, hemos sustituido ese circuito por un divisor de tensión con una resistencia variable y un diodo polarizado en inversa, que cambia su capacidad en función del valor de tensión de entrada. Con esto somos capaces de variar la frecuencia de resonancia mediante el resistor variable.

Nos vemos mañana intentando minimizar el efecto de los armónicos.

Semana IX - 15/11/2016

Continuamos la semana justo donde lo dejamos ayer. Vimos como construir un sistema oscilador bastante simple pero eficaz. El problema es que éste necesita ser alimentado por una sinusoide igual a la que queremos generar. Para arreglar esto, partiremos de la siguiente hipótesis: oscilar a partir del ruido.

El ruido blanco es, como dice su nombre, un señal muy débil, pero con componentes frecuenciales en todo el espectro. Esto quiere decir que podemos tomar como entrada una fuente de ruido (y eso lo será cualquiera de nuestros circuitos por el simple hecho de no encontrarse a 0ºK). Con esto, es evidente que dicha señal hay que amplificarla puesto que es excesivamente débil. Para acabar, realizaremos un filtro con frecuencia de resonancia a la deseada para seleccionar solo esa frecuencia.

La idea es que si conseguimos que el circuito tenga una ganancia superior a la unidad, ese señal se irá amplificando más y más hasta llegar a saturar el amplificador. Cosa que tampoco nos importa mucho, al contrario, nos permitirá tener una sinusoide de amplitud considerable. 

Una vez conocido el principio de funcionamiento de nuestro oscilador, nos dispusimos a ir al laboratorio a comprobar como efectivamente esto funcionaba y no era producto de la magia. Evidentemente, fuimos al laboratorio con el correspondiente esquema y una planificación de la distribución de los elementos en la placa protoboard. Sintonizando correctamente el osciloscopio vimos como efectivamente el resultado era una sinusoide. Pero ojo, en realidad no es una sinusoide como tal, sino que tiene una forma triangular. Esto quiere decir que nuestra señal no solamente tiene una única componente frecuencial a 27 MHz, sino que su espectro es más complejo que esto. Y esto es un problema. Para poder analizar bien el comportamiento del oscilador sería preciso utilizar el analizador de espectro para ver como efectivamente aparecen productos de intermodulación a frecuencias múltiplo de 27 MHz.

La semana que viene seguimos analizando el circuito diseñado y buscaremos posibles mejoras para generar una sinusoide correcta.

Semana IX - 14/11/2016

Empezamos esta nueva semana cambiando el rumbo de nuestra explicación. Dejamos de lado el destacado y útil mundo de los transformadores para adentrarnos en los osciladores.

La idea principal del curso era realizar un transmisor y receptor radio a 27 MHz, simulando el procedimiento usado en las radiobalizas para detectar naufragios. Esto implica que además de construir un receptor, hay que tener un transmisor. Hemos aprendido a hacer un receptor en onda media que, aunque no aplique para este caso, nos da una idea general sobre como se construyen este tipo de dispositivos. Entonces, hay que entender y posteriormente diseñar el transmisor para tener el enlace completado.

Para entender qué vamos a construir, nos ponemos en el caso más simple. Un oscilador conectado a una antena ya es un transmisor. Aunque es cierto que ese transmisor no está emitiendo ninguna información útil, si el circuito esta correctamente diseñado estaremos radiando esa oscilación por todo el espacio. Construir estos dispositivos es completamente nuevo para nosotros, por lo que veremos un recurso muy útil y a su vez muy extendido.

La idea para diseñar el oscilador es disponer de dos etapas, una amplificadora y otra de filtro. La etapa amplificadora amplifica el señal senoidal de la entrada y el filtro nos selecciona solo esa frecuencia a la cual queremos que funcione nuestro oscilador. Para que este circuito tenga sentido, el conjunto de amplificaciones (tanto del circuito amplificador como la etapa de filtrado) tiene que tener ganancia unidad. Si esta fuera inferior, la señal se atenuaría hasta desaparecer. Por otro lado, queremos que la fase en el pico sea nula. El problema a esto es el siguiente. Estamos construyendo de manera muy acertada nuestro oscilador, pero hay un problema. Necesitamos excitar nuestro oscilador mediante la sinusoide que queremos generar, lo cuál no tiene mucho sentido.

Mañana veremos como superar este importante bache realizando el circuito amplificador mediante un circuito en lazo cerrado.

Semana VIII - 08/11/2016

Seguimos la semana adentrandonos en el mundo de los transformadores.

Antes de nada, hacemos un breve repaso sobre lo explicado en la clase anterior, viendo que es relativamente fácil pasar del modelo real del transistor al model equivalente de inductor + transformador ideal.

Descubrimos además que el parámetro n propio de cada transformador está relacionado directamente con las inductancias de los devanados de la siguiente forma: n = sqrt(L1/L2).

Una vez sabido lo básico, nos dispusimos a ver un ejemplo real. Si tenemos nuestro receptor en una habitación, como es lógico, y deseamos instalar una antena de dimensiones considerables, se nos ocurre ponerla en el tejado. Pero, ¿cómo llevo la señal de la antena hasta el receptor? Pues bien, usaremos una línea de transmisión. Y no una línea de transmisión qualquiera, sino aquella que tenga impedancia característica igual a la resistencia de la antena, que en lambda cuartos es de 72 ohmios. Con esto conseguiremos hacer transparente nuestra línea de transmisión, pero para máxima tranferencia de potencia la carga que vea la LT también ha de ser de 72 ohmios. Un receptor habitual tiene una Rin de 1k5 ohmios, por lo que no cumplimos el requisito: hay que adaptar. Y adaptaremos mediante un circuito transformador que a su vez hace de filtro paso banda.

Nos vemos la semana que viene acabando de perfilar los transformadores y iniciandonos en el mundo de los osciladores.

Semana VIII - 07/11/2016

Iniciamos esta nueva semana adentrándonos un poco más en el mundo de los transformadores.

Una vez vimos las características de un circuito tanque (Tank), que no es más que una bobina en paralelo con un condensador, y descubrir que son dispositivos de gran utilidad para los circuitos de radio, empezamos a ahondar más en materia de transformadores.

Antes de nada, nos dispusimos a repasar el entregable de esta semana, y que había resultado desastroso. Fácilmente, detectamos el error. Para entrar en situación, en dicho entregable se pedía analizar un circuito amplificador con un transistor bipolar como el de nuestro receptor de Onda Media. La diferencia estaba en la resistencia conectada a Vcc, que en lugar de ser una resistencia propiamente dicha era un circuito tanque (que ya hemos visto que a frecuencia de resonancia se comporta como una resistencia). Además, la salida estaba conectada a un resistor de 1 kilo-ohmio. A priori no tendría que suponer ningún problema este circuito. Pero nos lo supuso. Si se realiza el modelo circuital de este circuito amplificador, nos daremos cuenta que esa resistencia de 1 kilo-ohmio conectada a la salida está, en realidad, en paralelo con el circuito tanque. Esto quiere decir que para calcular el valor de amplificación (A = -g_m * R) tenemos que tener en cuenta el paralelo y no solamente el circuito tanque. En nuestro caso, al tener en cuenta solo el circuito tanque, el análisis del circuito era completamente erróneo.

Previo a conocer el comportamiento de un transformador, aprendimos a construir bobinas basándonos en simples fórmulas. Vimos como diseñar inductancias en un toroide y en un solenoide. En este último caso, tenemos dos posibilidades. Si la longitud del cable bobinado es mucho más grande que el diámetro que cubre, usaremos una fórmula bastante simple. Si esto no se cumple, recurriremos a la ecuación formulada por el japonés Nagaoka, la cuál ya no es tan evidente.

Finalmente, terminamos la clase con un lanzamiento al aire de un par de curiosidades: ¿como se cuentan los coches en una autopista? ¿como funciona la alarma pegada en un libro, pitando si lo robas y no pitando si lo has comprado?

Esto lo resolveremos la próxima sesión, y para entenderlo es básico tener conocimientos del transformador.

Semana VII - 04/11/2016

Iniciamos esta extraña y breve semana con un jueves a sabor a martes, puesto que debido al puente de noviembre cambiamos el horario para recuperar las clases saltadas.

Como siempre, iniciamos la clase con un breve repaso al trabajo realizado en la última entrega. Prácticamente la totalidad de la clase tuvo el mismo error (en los cuáles me incluyo). El error venía a la hora de calcular la resistencia parásita de la bobina, utilizando en su lugar la fórmula para calcular el factor de calidad de un filtro. Casualmente, el resultado era el mismo, pero conceptualmente era incorrecto.

Una vez aclarado esto, iniciamos un nuevo tema: filtros y transformadores en RF. Al iniciar, hicimos un pequeño apunte, el cual es muy acertado. Analizar circuitos como hasta ahora es una muy buena opción si son circuitos de 2 o incluso 3 orden, pero si el orden del circuito es más elevado, la cosa se complica. Y mucho. Es por ello que hay que encontrar otras maneras de analizar este tipo de circuitos.

Primero de todo, vimos el comportamiento de un circuito paso-bajo de orden 1. Para analizarlo, hicimos un símil con un divisor de tensión formado por dos resistencias (el principio es el mismo, solo que la segunda resistencia es en realidad un condensador). Aprendimos a realizar la curva de amplificación de este circuito de manera rápida y a su vez la de fase. Llegados a este punto, nos surge una duda: ¿por qué cortamos a 1/sqrt(2) y decimos que ese valor es el de frecuencia de corte? Pues bien, si realizamos esa curva de amplificación mediante un trazado de Bode (el cual estará formado por una recta que cambiará de pendiente a una determinada frecuencia), vemos que para el valor de una frecuencia en especial, la cual llamaremos de corte, el valor entre la curva de Bode y el de la amplificación real distan en un error máximo de 3 dB, el cual corresponde a 1/sqrt(2). Además, en ese punto la recta cambia de pendiente, pasando de ser de 0 dB/dec a -20 dB/dec.

Una vez visto esto, analizamos una nueva estructura: el circuito tanque (tank). Recibe este nombre el circuito formado por una bobina y un condensador en paralelo, lo que resulta una resistencia (la parásita de la bobina) en serie con la bobina y todo ello en paralelo con el condensador. Si el factor de calidad de la bobina supera el valor de 5 (lo cual ocurrirá prácticamente siempre), podemos aproximar el circuito como un cirucito RLC paralelo con un valor determinado para esa resistencia equivalente. De esta manera, nos será muy fácil predecir la respuesta de ese circuito, puesto que para frecuencias 0 y infinito la salida está cortocircuitada y para frecuencia de resonancia tenemos amplificación máxima.

La semana que viene seguiremos aprendiendo como funcionan este tipo de circuitos y seguiremos reinventando la radio.

Semana VI - 25/10/2016

Antes de empezar la clase, hemos hecho un breve repaso sobre el transformador y su importancia. Para ver una de sus utilidades, hemos ido al laboratorio y hemos encendido una bombilla a distancia, gracias a la inducción que ocurre entre dos espiras. Otra aplicación que sobretodo nos interesa a los que tenemos mascotas es el funcionamiento del microchip que se les implanta. Al no poder insertar pilas dentro de un organismo, la alimentación se realiza mediante un transformador.

Para entender el funcionamiento de un detector de envolvente, primero veremos el precursor de este: el conversor AC / DC. Este dispositivo tiene a su entrada una señal sinusoidal de amplitud Vm, y a la salida obtenemos esa amplitud Vm (con un volúmen k añadido). Este circuito se basa en un diodo y un paralelo resistencia condesador. Cuando el diodo está ON, la salida sigue a la tensión de entrada. Cuando el diodo está OFF, la salida se descarga según RC. Si el valor de C es considerablemente grande, el rizado que se producirá será mínimo. 

En nuestro caso, se nos presenta un problema en el caso de variaciones bruscas de la tensión de entrada. Debido a la descarga del condensador, la salida no se corresponde con la envolvente de la señal entrante: hay distorsión diagonal. El peor caso se producirá con modulaciones cuadradas. De todas formas, al tratarse de señal de voz, este efecto no nos afectará en gran medida. Para ver el funcionamiento de este circuito, hemos ido al laboratorio y hemos pinchado la salida del Front-End y la salida del detector de envolvente, viendo que ambas se correspondían.

Finalmente, vimos la etapa de audio, basada en un amplificador no inversor con un resistor variable para poder modificar el volumen de la señal audible. El problema que nos surge es el siguiente: no podemos conectar un altavoz a la salida del AO puesto que estos tienen resistencias muy bajas (nosotros usaremos uno de 8 ohm), por lo que la corriente sería muy elevada y se podría dañar el dispositivo. Por lo tanto, necesitamos elevar la impedancia del altavoz. Esto lo conseguiremos con un transformador.

Con esto hemos terminado nuestro diseño de un receptor de radio para la onda corta. La semana que viene seguimos reinventando la radio.

Semana VI - 24/10/2016

Una vez completada nuestra etapa de amplificación, "solo" nos queda demodular y caracterizar la etapa de audio (y digo solo entre comillas porque todo esto es parte esencial de nuestro receptor). 

Primero de todo, hemos de abordar un problema que se antoja crítico: cualquier circuito que conectemos a nuestra salida del amplificador nos lo alterará. Esto es, nos modificará el valor de aquella resistencia negativa que vimos anteriormente y por consiguiente el valor de amplificación. Por lo tanto, nos gustaría que la salida Vo estuviera en un nodo de baja impedancia. Para esto, el elemento más común que se nos ocurre es el amplificador operacional. Es sabido que este dispositivo, a su salida, se comporta como una fuente de alimentación (y por lo tanto no altera el comportamiento anterior del circuito).

El circuito que se nos ocurre es el de un no inversor. Este tiene una respuesta a la salida de Vo = (1+R_2/R_1)Vin, por lo que diseñado correctamente, nos puede dar un valor de amplificación enorme. Entonces, ¿por qué hicimos uso de un transistor bipolar? Pues bien, esa amplificación solo es cierta a frecuencias de audio. En nuestro caso, al estar a frecuencias alrededor de 1 MHz, la ganancia cae en picado. Como ejemplo, con un AO TL081, mantenemos el ancho de banda de 1 MHz si la amplificación no supera el valor de 2... Entonces, esto no nos sirve para amplificar, pero si que nos servirá para hacer un seguidor de tensión y separar la etapa de amplificación del resto del circuito.

Por otro lado, el seguidor de tensión propuesto basado en un amplificador no inversor tiene alimentación bipolar, lo cuál es un enorme inconveniente. Pensemos en el caso de alimentarlo con V+ = Vcc y V- = GND. En el caso de entrar una señal sinusoidal, los semiciclos negativos se eliminarían, pasando a valer 0... Pero esto para nosotros no supone un problema, puesto que nuestra señal está alzada.

De todas maneras, al haber un valor de amplificación, la continua también se ve afectada y podemos salirnos de los margenes del AO; existe riesgo de saturación. Esto lo evitaremos añadiendo un condensador entre R_1 y GND. Esto provocará que para frecuencia nula el circuito se comporte como un seguidor de tensión. Correctamente diseñado, el condensador a frecuencias de trabajo actuará como un cortocircuito y por lo tanto solo amplificamos la variable que depende del tiempo.

Llegados a este punto, ya estamos listo para iniciar nuestra etapa de demodulación mediante el detector de envolvente. Mañana veremos como afrontamos esta nueva etapa.

Semana V - 18/10/2016

Empezamos el día cogiendo el testigo de la clase anterior. Una vez más, encontramos otro inconveniente en nuestro diseño. En este caso, nuestra etapa de amplificación no funcionaba como nosotros pretendíamos y esperábamos. Nos dimos cuenta que, a medida que aumentábamos en frecuencia, la amplificación a la salida disminuía... lo cuál es un problema bien gordo. ¿Por qué ocurre esto? A continuación lo vemos.

Nosotros aproximamos nuestro transistor mediante una fuente controlada de corriente y una r_pi. Para ser más específicos, tenemos que considerar una resistencia a la entrada de valor no despreciable, puesto que el conector de la base es extremadamente diminuto. A esto hay que añadirle el efecto de dos capacidades. A bajas frecuencias esas capacidades son parásitas puesto que se comportan prácticamente como un circuito abierto, pero a medida que la frecuencia aumenta, ya no podemos ignorarlas. Estás serán las culpables de que nuestra amplificación decaiga.

Con un poco de ingenio, llegamos a la solución óptima: contrarrestar el efecto de caída de la amplificación. Es decir, si nuestra curva real decae, basta con diseñar un circuito en el que la curva crezca. Estos dos efectos se contrarrestarán y tendremos una respuesta plana, ecualizada. Pero, ¿como conseguimos que nuestro diseño tenga una amplificación creciente con la frecuencia? Con una inductancia. Añadiendo el serie a la resistencia connectada a V_CC una inductancia, a medida que la frecuencia aumenta esta gana un valor de impedancia mayor, provocando ese aumento en la curva de amplificación. Con un poco de análisi de circuitos, llegamos a la conclusión que un buen valor para esa bobina puede ser el de L = 330 uH. Con esto tenemos el circuito de amplificación terminado. Ahora toca comprobar la teoría en el laboratorio.

En efecto, modificamos nuestro circuito añadiendo esa inductancia y vimos como nuestra curva, en el margen de frecuencias de la onda media se mantenía constante, tomando valores de amplificación entre 158 y 152, lo que resulta una curva prácticamente plana.

Para acabar la clase, vimos que la amplificación de ese circuito igualmente es insuficiente, por lo que nos surge otro problema. Para solucionar esto, se optó por una idea poco ortodoxa pero tremendamente efectiva: retransmitir la señal amplificada por el receptor para que sea de nuevo captada por nuestra antena. Esto es, en medidas cuentas, el efecto que produce la antena de cuadro.

La semana que viene analizaremos en detalle esta nueva etapa y seguiremos reinventando la radio.

Semana V - 17/10/2016

La clase de hoy empieza con la ya habitual reflexión sobre los ejercicios de la semana pasada. Una vez debatidos ciertos puntos críticos del ejercicio, nos ponemos en materia.

Durante la clase de hoy hemos visto y contrastado en el laboratorio lo visto la semana pasada. Esto es analizar y caracterizar nuestro circuito basado en un amplificador BJT con todas las características que dijimos. Para confirmar los resultados obtenidos teóricamente, primero hemos construido en la placa Protoboard nuestro circuito amplificador con solamente los resistores, puesto que íbamos a realizar el análisi en continua y los condensadores no tendrían ningún efecto. Una vez montado nuestro circuito hicimos uso del mejor amigo en un laboratorio de electrónica: el multímetro. Con una correcta escala, medimos la tensión de salida y verificamos que el resultado estaba al rededor de 4.5 V (V_CC/2) tal y como habíamos esperado. COn esto ya hemos verificado el valor de continua y a la cuál se centrará nuestra sinusoide.

Ahora es el momento de analizar el comportamiento frecuencial de este circuito. Añadimos los condensadores como nuestro esquema (ojo cuidado, en el laboratorio siempre hay que ir con un esquema!) y añadimos uno más, en este caso electrolítico, entre V_CC y masa. Este último lo ponemos porque debido al efecto pelicular, a altas frecuencias ya vimos que el cobre era un mal conductor, así que entre la fuente de tensión y el circuito se presentará una resistencia no despreciable, por lo que la tensión que llegaría a nuestro circuito no sería realmente 9 V. Este condensador se carga a esta tensión y será él el que alimente al circuito: lo estamos "engañando". Con este inciso, vamos a seguir. Alimentamos nuestro circuito con una tensión diminuta (como la que recibimos a la salida de nuestra etapa de sintonía) y vemos como se comporta a la salida haciendo un barrido frecuencial, con especial interés en la banda de onda media (550 a 1600 KHz). Con el uso de la sonda de baja capacidad, pinchamos en el nodo de salida y vemos una sinusoide alzada al valor de continua encontrado antes (~ 4.5 V). Vemos, además, amplificación de la sinusoide. Esta amplificación tiene un valor X según nuestro experimento de 135 a 550 KHz. A partir de esta frecuencia, va disminuyendo según aumentamos la frecuencia, hasta llegar a 100 en 1600 KHz. Esto es desastroso para nuestra radio, pues no nos resulta útil un receptor en el que tengamos que ajustar el volumen según la emisora sintonizada...

Mañana veremos qué está ocurriendo y cómo hacer que esta curva de ganancia sea plana en el margen de frecuencias de la onda media.

Semana IV - 11/10/2016

Continuamos la clase donde lo dejamos ayer. Durante la clase pasada aprendimos y entendimos en gran medida el funcionamiento de un diodo. Esto resultará clave para entender el transistor bipolar.

El transistor bipolar, visto como una caja negra, es un dispositivo con tres pines: base, colector y emisor. De manera superficial y para entenderlo, un transistor bipolar es un dispositivo formado por dos diodos. Uno conectado de base a colector y el otro de base a emisor. En nuestro caso, queremos que este dispositivo amplifique, es decir, que esté en la región activa, por lo que el diodo de BE lo polarizaremos en directa y el de CB lo polarizaremos en inversa. De esta manera obtendremos una curva como la del diodo, siendo ahora los ejes la tensión V_BE y la corriente I_E. Además, como I_C e I_E están relacionadas con un parámetro alfa muy cercano a la unidad, también tendremos el mismo efecto en la corriente de colector.

Ahora, ¿cómo hacer rentable estas variaciones exponenciales de la corriente para amplificar tensiones? Pues muy sencillo, basta con poner un resistor a la salida del colector. Como acabamos de ver, la corriente de colector presenta variaciones muy drásticas, ídem que la corriente de emisor. Gracias al resistor, en sus bornes obtenemos esa transformación de corriente a tensión elevada.

Finalmente, entendido como amplificaremos nuestra señal de salida de la etapa de sintonia, vimos como se analizan este tipo de circuitos para prever los resultados una vez lo montemos en el laboratorio. Sin explayarme mucho, vimos que estos análisis se hacen primero en continua (y por lo tanto eliminando las fuentes sinusoidales) para obtener el valor de continua de la tensión de salida. Después, mediante el modelo incremental evaluamos esa variación de la tensión para obtener la curva final de la tensión de salida.

La semana que viene seguimos reinventado la radio montando un circuito de amplificación.

Semana IV - 10/10/2016

Hasta ahora hemos visto como realizar una etapa de sintonía. Nuestro principal inconveniente no es otro que el nivel de tensión. A la salida de esta etapa diseñada, tenemos una amplitud de señal muy insuficiente para que nuestro detector de envolvente trabaje de manera óptima. Entonces, la solución es evidente. Tenemos que amplificar.

Para dar paso a esta etapa de amplificación tenemos que aprender sobre un nuevo dispositivo que hasta ahora no hemos añadido a nuestra radio. Hablamos del transistor bipolar. Este dispositivo tiene muchas aplicaciones gracias a sus increíbles características, pero se ha convertido en un tema tabú en nuestros estudios. Si fuéramos preguntando uno a uno a todos los estudiantes de nuestra escuela, prácticamente ninguno te sabría decir, sin irse por las ramas, qué es un transistor bipolar. Al revés, se pondrían cariacontecidos al enfrentarse una vez más a un transistor. Pues esto es lo que intentaremos evitar con estas clases teóricas, intentaremos que este maravilloso dispositivo se convierta en amigo nuestro.

Para entender el transistor, primero hay que entender a un hermano suyo, el diodo semiconductor. Como todos sabemos, la curva del diodo tiene una característica no lineal. Y también deberíamos saber que el diodo está polarizado en directa cuando la diferencia de potencial es mayor a su V_gamma interna. La curva V-I de un diodo es de orden exponencial, por lo que con pequeñas variaciones en la tensión de alimentación del diodo obtenemos grandes variaciones en la corriente que circula por él. Esta es la propiedad que aplicaremos en nuestro transistor.

Continuamos mañana descubriendo el transistor.

Semana III - 04/10/2016

Como dijimos ayer, hoy continuamos abordando un nuevo problema que nos surgió. Ya tenemos nuestro montaje RLC, pero vimos que la resistencia de la bobina nos fastidiaba todos los planes. A altas frecuencias, el cobre es muy mal conductor. Una idea podría ser, aumentar el diámetro del hilo de cobre utilizado para hacer la bobina y así reducir su resistencia. A muy bajas frecuencias esa solución sería perfectamente válida. Pero sabemos que a altas frecuencias todo lo aprendido en fundamentos de electrónica no aplica. Debido al efecto pelicular, aumentar el diámetro de hilo de cobre no tendría ningún efecto, puesto que los electrones solo viajan por la capa exterior del cable.

Por otro lado, vemos que ese ancho de banda que nos resulta (al rededor de 12.5 kHz) resultará insuficiente. En la banda en la que trabajamos las portadoras están separadas 10 kHz, que es menos a nuestro ancho de banda del filtro. Esto provocaría que al intentar sintonizar determinadas emisoras se nos mezclarían las emisiones contiguas.

Añadir una carga Rin (que será provocada por nuestro amplificador) tendrá un efecto nefasto a nuestro circuito, puesto que provoca una disminución del factor de calidad Q y, por lo tanto, un aumento del ancho de banda del filtro.

Para solucionar esto, intentaremos engañar a nuestro receptor. Esto lo conseguiremos haciendo uso del transformador. Gracias a este invento, podremos reducir la tensión en la segunda etapa en un factor de N1/N2, y la resistencia de entrada Rin se verá multiplicada por un factor (N1/N2)^2. Esto resulta muy útil para nuestro receptor radio, puesto que la selectividad no se verá afectada, pero si la eficiencia de la antena, puesto que reducimos el voltaje, resultando insuficiente para el detector de envolvente. Esto lo veremos más adelante.

Para acabar la clase, fuimos al laboratorio y vimos el efecto que provoca el transformador. Si a nuestro receptor básico le acercamos cualquier material metálico, la tensión de salida baja drásticamente, viéndose claramente el efecto de un transformador. Finalmente, si a nuestra antena le acercamos un transformador que actúe como antena (en este caso una bobina cuadrada con un diámetro muy elevado) veremos que la tensión de salida aumenta de manera considerable, mejorando la calidad de la recepción. Este experimento lo analizaremos en los ejercicios propuestos para esta semana.

Nos vemos la semana que viene mejorando nuestro receptor y seguiremos reinventando la radio.

Semana III - 03/10/2016

Iniciamos esta nueva semana con una profunda reflexión. Hemos estado debatiendo y comentando la calidad del primer ejercicio entregable, más concretamente nuestra respuesta a porqué el agua hierve. Tras observar los fallos conceptuales que cometemos, llegando a veces a contradecirnos nos damos cuenta de que no basta con observar el contenido encontrado en la web y al momento apropiárnoslo, sino que es necesario contrastar fuentes y adquirir el conocimiento en base a esto.

Después de este paréntesis, seguimos donde lo dejamos. Tenemos nuestro circuito RLC el cuál resonará a la frecuencia ajustada con nuestro condensador variable y de esta manera discriminar aquellas bandas que no nos interesan. Para nuestro receptor en onda media, las frecuencias a explotar corresponden desde 550 kHz hasta 1600 kHz. Con esto, hay que pensar que las bandas asignadas en ese margen serán estrechas, por lo que nuestro filtro precisa de un factor de calidad Q elevado. Recordando teoría de circuitos, el factor de calidad Q en un circuito RLC se puede relacionar como la inversa de la resistencia R por la raíz cuadrada de la inductancia L entre la capacidad C. Esto implica que según menor sea C, mejor Q tendremos. Es por eso que escogemos un condensador variable cuya capacidad mínima no sea mayor a 30 pF. Con unos simples cálculos llegamos a la conclusión que nuestra inductancia L tiene que ser aproximadamente de 250 uH. Para hacer eso se nos propone un montaje: una hilo de cobre esmaltado, envuelto 60 veces en una ferrita. ¿Como saber si este montaje se corresponde a nuestra inductancia deseada? Pues vamos al laboratorio.

Para medir la inductancia montamos un circuito LC simple (la R ya está intrínseca en nuesto cable enbobinado). Para ello usamos un capacitor de C = 100 pF. Sabemos que la frecuencia de resonancia de un circuito RLC se corresponde a la raíz cuadrada de L partido por C. Inyectando al circuito un señal senoidal con frecuencia variable, mediante la sonda de baja capacidad (a altas frecuencias el señal se vería afectado por nuestro cable, por lo que es indispensable usar este tipo de sondas, que además atenuarán el señal de salida por 10). Obteniendo la frecuencia de resonancia automáticamente conseguimos el valor de L. Con la amplificación del circuito obtenemos también el valor de R no despreciable, por lo que nos surge un nuevo problema en nuestro diseño.

Mañana veremos como solucionar este nuevo inconveniente y seguiremos reinventando la radio.

Semana II - 27/09/2016

Volvemos otra vez a clase a ponernos en situación. ¿Cómo se solucionaba el problema planteado ayer para transmitir señales de audio con antenas que no sean propias de la ciencia ficción? Pues bien, esto lo conseguimos modulando la señal con un multiplicador. Esto es, con multiplicar la señal con una sinusoide de por ejemplo 1 MHz, podemos desplazar la información de la banda base a esta nueva frecuencia, pudiendo construir las antenas (ahora serán de 75 metros en lambda cuartos). Para entender esto, primero veremos como resulta el modelo matemático. Este resulta muy bonito, pero claro, en la práctica las cosas no son como en la teoría, y realizar un multiplicador es complicado y caro. Esto se lo plantearon en el pasado, y esas mentes brillantes encontraron la solución más viable: complicar el transmisor (solo hay uno) y simplificar al máximo el receptor, que es lo que tendrán los clientes.

El receptor será tan simple que podremos recuperar la señal transmitida con un detector de envolvente, un circuito muy sencillo de construir. El problema (como no, para dar un paso adelante siempre damos dos hacia atrás) es que estos detectores de envolvente necesitan señales con tensiones bastante elevadas, y eso será complicado, sobretodo con nuestras antenas de ferrita. Pero este problema ya lo trataremos en las próximas clases, ahora hemos de seguir investigando como se resuelve esto.

El primer elemento del receptor es el filtro. Con un circuito RLC conseguiremos hacer un filtro con características suficientemente buenas y si además aprovechamos esa bobina que actúa como antena para el filtro, mejor que mejor.

Para ver esto, fuimos al laboratorio donde el profesor nos hizo una demostración de lo aprendido hasta ahora. Gracias a una antena cuadrada con espiras, el campo magnético generaba una tensión (aunque bastante débil para nuestro detector de envolvente) que contenía la información transmitida en este caso por Radio Barcelona. Se demuestra pues, que todo lo visto hasta ahora no es magia sino pura ciencia e ingeniería.

La semana que viene seguimos reinventando la radio.

Semana II - 26/09/2016

Iniciamos esta nueva semana un poco como la anterior, con una amena charla para entrar en materia. El tema que nos ocupaba han sido los ejercicios propuestos sobre la introducción de la semana pasada. Hemos comentado nuestras experiencias al escuchar la radio por la mañana y por la noche, donde observamos grandes diferencias. En horario diurno, solamente se escuchaban emisiones procedentes de los alrededores de Barcelona, pero por la noche el panorama cambiaba por completo, escuchándose incluso emisiones procedentes del norte de África. La pregunta que nos hacíamos todos era: ¿por qué ocurre este extraño fenómeno? Pues bien, hemos aprendido que esto es debido a la ionosfera, una capa de la atmósfera que permite a las ondas EM rebotar y así alcanzar distancias tan lejanas. La diferencia es que por la noche estas capas ionizadas están tan bajas que la señal no llega tan lejos. Nunca te acostarás sin saber nada nuevo.

Después de este principio de clase, seguimos aprendiendo a como reinventar la radio descubriendo nuevos tipos de antenas, como la Yagi-Uda. Para acabar la clase, se nos plantea un problema. ¿Qué ocurre si queremos transmitir señales de audio comprendidas entre 20 y 20000 Hz? Realizar un dipolo de ese tamaño es inviable (75 km en lambda cuartos!), por lo que tenemos que aprender a solucionar esto.

Mañana seguiremos aprendiendo y veremos como transmitir estas señales de audio.

Semana I - Clases introductorias

La primera semana del curso de Diseño de Radioreceptores tenía como intención mostrarnos de qué iba a tratar y como se iba a desarrollar el cuadrimestre para ver si todo el mundo estaba donde quería estar. Con receptores radio caseros, el profesor nos enseñó qué seríamos capaz de hacer y entender.

Para mostrar aún mejor las fabulosas ventajas y características de la radio, salimos al exterior para sintonizar algunas emisoras de onda corta, cuyo origen podía estar realmente lejano. Finalmente, acabamos la semana con un inicio de fundamentos teóricos sobre el funcionamiento de la radio, y como con una simple bobina adecuadamente encarada (perpendicularmente a la antena de emisión) podemos recibir señal.

La semana que viene empezaremos a reinventar la radio.