Una bobina L y un condensador C forman un circuito resonante. La energía eléctrica puede interpretarse de la misma manera que la mecánica en un péndulo, en el cual bobina y condensador se balancean hacia delante y hacia atrás, siendo f una frecuencia de resonancia definida. El circuito resonante entra en oscilación de forma natural una vez se le aplica una pequeña corriente. El resonador ideal no tendría
pérdidas de potencia, y podría estar oscilando infinitamente. En la práctica, sin embargo, tenemos pérdidas dada la resistencia del cable de la bobina, sumadas a las magnéticas en el núcleo de ésta debidas al flujo, las cuales atenúan las oscilaciones. Sin embargo, podemos simplificar las pérdidas a una resistencia R en paralelo con el circuito. Para obtener la frecuencia de resonancia f tenemos:
f = 1 / ( 2 p √ LC)
Cada circuito resonante tiene un factor de calidad (o selectividad) Q. Éste se puede determinar mediante la relación entre la resistencia de atenuación en paralelo R, con la impedancia inductiva RL = 2 √ f L, o la capacitiva RC = 1/(2√ f C), dadas a la frecuencia de resonancia.
Q = R/RL o Q = R/RC
Si excitamos un circuito resonante a frecuencia variable mediante una fuente de corriente alterna (con alta resistencia interna), la tensión del circuito resonante en resonancia será la máxima posible. Cuanto menor sea la atenuación de las oscilaciones debido a las pérdidas de cualquier tipo, mayor será la calidad del resonador, y mayor la tensión en resonancia. Tanto por encima como por debajo de la frecuencia de resonancia, podemos determinar los puntos de la curva en los que la frecuencia cae según el factor 1/√2 = 0,707 = -3 dB. El espacio comprendido entre dichos puntos se conoce como ancho de banda (b) del circuito resonante. La frecuencia de resonancia f, el ancho de banda b y el factor de calidad Q están relacionados según la ecuación b = f/Q. Con una bobina de una calidad razonable, puede alcanzarse hasta Q = 100, aproximadamente. No obstante, los circuitos resonantes se ven atenuados por los circuitos o antenas conectados. Esta atenuación puede contrarrestarse en el circuito resonante mediante una pequeña bobina adicional en el acoplamiento, el llamado “coil tap” o con el
condensador adecuado. Si lo conectamos directamente a un amplificador, su resistencia interna ha de ser lo más alta posible, manteniendo la atenuación al mínimo.
C R L
Generación de señales en HF
Los primeros emisores operativos fueron los cana- les de radio. Pero en realidad, basta un interrup- tor de luz normal para comprender el principio. Al pulsar el botón, en la radio podremos oír un chasquido, generalmente de onda media, en caso de que no haya ninguna otra emisora de OM con mayor intensidad. Una señal generada por un interruptor, con un flanco pronunciado, siem- pre incluye componentes en alta frecuencia. De hecho, la banda de onda media en muchos luga- res se ve muy afectada por las fuentes de alimen- tación de otros equipos. De modo que el problema en sí no está en generar señales de HF, sino en evitar que estas se propaguen indeseablemente. No tiene que ser necesariamente un emisor que no cumpla con la normativa, sino cualquier apa- rato capaz de generar señales de HF que sirva para probar nuestro propio receptor. Lafigura 3 muestra una pequeña “emisora”, que funciona
mediante el viejo principio de transmisión por radio. Las “ondas” periódicas tienen una frecuen- cia de unos 800 Hz, utilizando un transistor NPN para generar la señal de diente de sierra (véase el capítulo 7, en la Elektor de Septiembre de 2012 [2]). Cada uno de estos flancos afilados hace oscilar al circuito resonante, lo cual se compensa rápidamente (atenuación de las oscilaciones). La frecuencia de emisión está fijada por el circuito resonante. Si utilizamos por ejemplo una varilla de ferrita de una vieja radio, la señal estará en el rango de onda media, por ejemplo alrededor de los 800 kHz. Si colocamos la radio al lado de la ferrita, podremos oír un zumbido. Sólo los falta un interruptor para el código Morse, y listo. Las emisoras de radio de los barcos funcionaban de una manera similar, salvo que con mucha mayor potencia, y en frecuencias bastante más bajas.
Osciladores LC
Mientras que las emisoras de radio sólo eran capaces de generar oscilaciones atenuadas, el verdadero avance llegó con los tubos de electro- nes (o válvulas), los cuales permitían oscilaciones sin atenuar. La última entrega del curso trataba sobre los osciladores sinusoidales [3] mostrá- bamos lo necesario: suficiente ganancia y una realimentación adecuada.
La forma primigenia de los osciladores HF es el oscilador Meißner (también conocido como osci- lador Armstrong). Incorpora una bobina de aco-
BC548C 22k 68n 100p 12V 800Hz 800kHz BC547B 1 0 0 k 20p 500p 10p +9V GND HF BC547B 1 k 1V5 2x 1 k BC547B 100n 1 0 0 k 22p +9V GND HF Figura 3. Emisor de pulsos sincronizado. Figura 4. Oscilador sinusoidal con acoplamiento por transformador.
Figura 5.
Oscilador para tensiones de alimentación reducidas.
Figura 6.
Oscilador con bobina (mediante “coil tap”).
Fundamentos
www.elektor.es/magazine| diciembre 2012| 61
plamiento para asegurar la fase correcta (figura 4). Así estaba construido el primer emisor de
radio: una válvula, un circuito resonante con rea- limentación, y finalmente un oscilador de poten- cia de HF. En la antena se integraba un micró- fono de carbón, con el propósito de solucionar la modulación.
El circuito de la figura 4 se trata de un oscila- dor Meißner con un transistor. No resulta difícil hacer oscilar a este circuito. Si no funciona, es posible que la fase sea incorrecta, y en tal caso basta con invertir la polaridad de la bobina de acoplamiento.
En este sencillo oscilador, la frecuencia puede ajustarse mediante el condensador variable. La amplitud depende de muchas cosas, por ejemplo de la atenuación de la bobina, del lazo de reali- mentación y del condensador de acoplamiento. A veces hemos de experimentar primero un poco hasta que el oscilador sea estable. En este circuito puede darse un problema especial: en amplitu- des muy grandes podrían aparecer oscilaciones sinusoidales. El diodo base-emisor rectifica la tensión en HF y pone la base en negativo, hasta que el transistor entra en corte y las oscilacio- nes desaparecen. Después transcurren algunos microsegundos hasta que la resistencia de la base alimenta de nuevo el transistor, hasta alcanzar otra vez el punto de trabajo correcto, y el pro- ceso comienza de nuevo.
Estos problemas no ocurren en el oscilador de la
figura 5, ya que la amplitud se estabiliza auto-
máticamente. Aparte, sólo se utiliza una sencilla bobina sin acoplamiento, y ni siquiera hace falta que sea de muy buena calidad, ya que la ganancia es bastante alta. El circuito puede construirse con componentes que tenemos a mano, y siempre oscila sin problemas. La realimentación se hace mediante dos transistores. Ambos funcionan a una tensión muy baja (unos 0,6 V). El circuito en sí dispone de una tensión de alimentación de 1 V, y puede seguir activo a corrientes muy bajas. Esto supone una ventaja en algunas aplicaciones. En principio, como todo resonador, este circuito funciona en un amplio rango de frecuencias, de baja a VHF, con lo que pueden construirse, por ejemplo, generadores de prueba a coste muy reducido. Pero tienen un inconveniente: las capacidades internas de los transistores influyen en la frecuencia y dependen en gran medida de la tensión de alimentación. El circuito es muy simple, pero no se trata precisamente