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.