Tran smisor de FM FM estér eo – PLL ELECTRONI RONI CS NOW , junio de 1997 Proyecto publicado en la revista ELECT Autores : William Sheets – Rudolf Graf Versión en Portugués http://www.flpcosta.hpg.com.br/pll_fm.htm: http://www.flpcosta.hpg.com.br/pll_fm.htm: Rodrigo R. Ribero Traducción y adaptación al Español (del documento en Portugués): Ing. Julio Cocco
Nota :
El proyecto aquí expuesto es un circuito de alta calidad y performance. En él, son utilizados circuitos integrados modernos, de precisión, que requieren cuidados especiales; aparte de esto, están las etapas de radiofrecuencia que generalmente representan algunas dificultades para aquellos que no tienen experiencia en este tipo de montajes. Si Ud. es principiante en electrónica o hasta ahora no tiene experiencia en el desarrollo de placas de circuitos impresos, montaje y calibración de circuito complejos, no monte este transmisor, pues los riesgos de errores y mal funcionamiento son grandes; aparte de esto, algunos componentes como el PLL tienen un costo elevado y Ud. podrá tener gastos innecesarios. Es preciso evaluar muy bien, sobre montar o no este circuito. El circuito realmente funciona muy bien y es de óptima calidad, pero como todo, requiere alguna experiencia, habilidad y conocimiento por parte de quien lo va a montar. 1
I ntr oducción
Actualmente los Transmisores de FM de baja potencia, se han tornado en un hobby. Ellos son generalmente osciladores libres de RF, que son modulados en frecuencia por una señal de audio para ser usados en múltiples aplicaciones, desde micrófonos inalámbricos hasta pequeñas estaciones transmisoras, permitiendo que Ud. reciba su señal desde cualquier lugar de su casa o jardín, a través de un receptor de radio portátil. Una transmisión en estéreo también es posible, pues hay un gran número de chips desarrollados para esta función; con todo, a pesar de los recientes avances en la tecnología de radio, existirán algunos problemas que no eran importantes antiguamente. Los Receptores con sintonía digital son comunes actualmente. Esos receptores están siempre en la frecuencia correcta, tornando muy simple, la búsqueda de una estación. Las radios tradicionales de sintonía analógica irán siendo reemplazadas por modelos digitales con Display de LED de cristal líquido. El CAF (Control automático de frecuencia) o el ajuste fino de la sintonía, ahora no son mas necesarios, dado que estas unidades no pueden ser sintonizadas fuera de frecuencia. Por esta situación cualquier transmisión debe estar en una frecuencia exacta, de lo contrario no podría ser recibida o presentaría algún tipo de distorsión. Este no es un problema de las emisoras comerciales. La frecuencia de transmisión en esas, es controlada por un cristal, siendo la tolerancia para los desvíos extremadamente baja. Las derivas de frecuencia, en los usuarios de transmisores de baja potencia representan un grave problema porque ellas son muy frecuentes en este tipo de emisoras. Es difícil conseguir osciladores LC con una estabilidad mejor que 0,1% frente a las variaciones de temperatura o tensión de la fuente de alimentación. En 100 MHz, zona media de la banda de FM comercial, esta tolerancia representa unos 100 KHz. Un receptor analógico no presentaría grandes problemas ante las variaciones de frecuencia porque el CAF corrige automáticamente la sintonía, según la necesidad. Un receptor con sintonía digital, cuya frecuencia es sintetizada por medio de un PLL (Phase Locked Loop) no puede realizar esto sin el uso de circuitos especiales. Los receptores comerciales no requieren de eso, a causa de la estabilidad de frecuencia de los osciladores utilizados para las emisoras comerciales, construidos dentro de cámaras térmicas. Además, la banda de FM, en zonas o áreas populosas está aglomerada de emisoras, luego, encontrar un canal o frecuencia libre, hoy en día, es bastante difícil, sin tener las interferencias de un canal adyacente. Una solución para estos problemas es realizar transmisores con frecuencia controlada por cristales. Pero eso no es simple, porque para una modulación en frecuencia, es necesario conseguir un barrido de frecuencia de 75 KHz; valor normalizado para los canales de FM comerciales; desviación difícil de obtener en osciladores a cristal. Así mismo, una desviación de 7,5 KHz (1% del valor normal de barrido), en la frecuencia de trabajo del oscilador a cristal, da origen a una distorsión de audio importante, cercana al 1%. Las estaciones comerciales utilizan o utilizaban etapas multiplicadoras y/o mezcladores. La señal es generada por un oscilador de baja frecuencia, luego, multiplicando y/o pasando por etapas de mezcla, se logra el factor necesario de multiplicación. En este caso es posible lograr un barrido de frecuencia de 75 KHz; partiendo de un oscilador de baja frecuencia con una tolerancia baja. Este método tradicional requiere de muchos componentes, además de ser complejo, caro y nada práctico para un hobby, donde se pretende realizar algunas experiencias con un transmisor de FM, simple, pequeño y de baja potencia. 2
Felizmente, la solución es factible gracias al uso de algunos circuitos integrados modernos. En este trabajo se describe un simple transmisor de FM estéreo de baja potencia, donde la frecuencia es sintetizada por un circuito PLL en conjunto con algunos amplificadores operacionales, que permiten obtener una señal limpia, estable y de calidad para un canal de FM comercial. Este equipo es un circuito completo, para transmitir audio estéreo en un canal comercial y puede ser operado desde 76 a 108 MHz. El espaciamiento entre canales es de 100 KHz lo que garantiza su uso dentro de las reglas de cualquier país. Ambas frecuencias, la portadora de FM y la señal múltiplex, son controladas por cristales, evitando los corrimientos de frecuencia que ocurren en los osciladores LC comunes, permitiendo así el uso de receptores de sintonía digital. El ajuste de frecuencia se realiza a través de una llave selectora de 10 posiciones, con un código binario correspondiente a la frecuencia de transmisión deseada. Esa frecuencia puede ser cualquier canal de FM que esté libre en su área. Una vez seleccionada ésta permanecerá controlada través del circuito PLL que tiene su referencia controlada por un oscilador a cristal. La entrada de audio puede venir de cualquier fuente entre 0,5 y 1 voltio eficaz. Todos los circuitos integrados están disponibles en el mercado. El ajuste del circuito es simple, siendo necesario un multímetro, un generador de audio y un osciloscopio. La fuente de alimentación necesaria para alimentar en transmisor, puede ser de unos 12 a 15 voltios, con un consumo de corriente de unos 150 mA. La salida de RF es de unos 10 mW sobre una impedancia de 50 ohms. Con estas especificaciones se encuentra dentro de los transmisores que no requieren licencia, usando una antena de unos 60 cm y un resistor limitador de 56 ohms. La potencia puede ser incrementada a 150 mW con una pequeña modificación al circuito. Este equipo puede utilizarse como sistema interno de radiodifusión en escuelas , empresas, etc. Un poco de hist ori a
Un proyecto de transmisor fue publicado en la edición de marzo de 1988 de la revista RadioElectronics . Ese proyecto usaba varios Circuitos Integrados para generar la portadora. Poco después de ese proyecto aparecen el escenario los Circuitos Integrados BA1404/BA1405 simplificando mucho el trabajo de montar un transmisor de FM estéreo. El BA1405 era similar al BA1404, mas no tenía una sección de RF incorporada. Originalmente concebidos para transmitir la señal de un CD Player hacia un radio estéreo para automóvil, estos circuitos integrados fueron muy útiles en el desarrollo de transmisores de FM estéreo simples. El BA1404 tenía muy poca estabilidad, también las desventajas de necesitar una alimentación de 3 voltios y un cristal de 38 KHz. El transmisor aquí presentado es un versión simplificada del circuito anterior, adicionando algunas mejoras, como también simplificando el ajuste al haber quitado algunos de ellos. Dos circuitos integrados son los responsables de la generación de la señal Múltiplex (MPX) y un circuito controlado por un cristal sustituye una gran cantidad de bobinas utilizadas originalmente. El cristal de 38 KHz usado por el BA1404 para generar la señal piloto y la subportadora de 38 KHz fue sustituido por un cristal de 4.864 MHz junto a dos Circuitos Integrados (CI) comunes del tipo CMOS. El costo total es bajo y al contrario de los BA1404/BA1405, todo los componentes para la generación de la señal MPX están disponibles en el mercado. Funcionamient o del circuit o
El proyecto usa 8 (ocho) circuitos integrados y 5 (cinco) transistores para obtener un completo transmisor de FM estéreo sintetizado por PLL. El transmisor puede ser dividido en diversas secciones. Esas secciones son: 3
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El generador MPX El generador de reloj ( clock ) PLL (Phase Locked Loop) Amplificador de RF
El circuito esquemático de la figura resultará un asunto fácil de entender. La sección de audio está formada por el LM1458, doble amplificador operacional y el modulador balanceado LM1496. Las entradas de audio están denominadas con J1 y J2 para las señales izquierda y derecha respectivamente. Estas dos señales, son entregadas a sendos filtros del tipo RC (pasa altos), que cumplen la función de pre-énfasis; estos filtros están formados por R1/R3/C1 y R2/R4/C2. Estos filtros tiene una frecuencia de corte superior a los 2 KHz para una mejor relación señal-ruido. Esta misma técnica es utilizada en transmisores profesionales o de emisoras para radiodifusión de FM estéreo. Los capacitores de acoplamiento C3 Y C4, entregan la señal a un circuito matriz (Sumador Algebraico) constituido por ½ LM1458 – IC1 A, junto a los componentes asociados R5, R6, R7, R8, R9, R10 y C5. Las entradas Izquierda y Derecha son combinadas para formar la señal suma (I+D) a través de R7 y R8. Esta señal así obtenida es entregada al otro ½ LM1458 – IC1 B, donde se combina con otras dos señales. Una de esas señales es la subportadora de 38 KHz que contiene la señal diferencia (I-D) que modula en amplitud y portadora suprimida. Debemos notar que si las señales izquierda y derecha son iguales, esta información es nula, por ser la diferencia cero.
El amplificador operacional IC1 A, está configurado como amplificador diferencial o lo que es lo mismo como sumador algebraico (restador), con una ganancia próxima a 2 (dos). La configuración constituida por R11, R20, C6 y C26 proveen una alimentación fija de la mitad de la tensión de alimentación para ambas entradas de IC1 A e IC1 B; eso evita el uso de una fuente simétrica o partida. La relación entre R6 y R9 ajustan la ganancia. Los resistores R5, 4
R6, R9 y R10, fueron escogidos de manera que la ganancia sea igual para ambas entradas de audio. Las dos señales de audio ahora pueden ser combinadas, pero no habría forma de separarlas; la manera de resolver este problema es primero modular una subportadora que esté por encima del límite superior de la respuesta de audio. La respuesta de audio se extiende desde los 20 Hz hasta los 15 KHz. Con la portadora de 38 KHz y la información diferencia (I-D), se produce una señal de doble banda lateral, portadora suprimida. Las bandas laterales de esta subportadora se extenderán desde 23 hasta 53 KHz. La subportadora es modulada en el circuito integrado LM1496 (Modulador Balanceado); la señal de audio se ingresa al pin 4 del CI, la portadora se ingresa al pin 8 del mismo, siendo la salida el pin 12. Este circuito integrado es lo que denominamos multiplicador de cuatro cuadrantes (también Modulador balanceado), sus componentes asociados son: R12 hasta R19, R21 y R22. El preset R15 es usado para asegurar el equilibrio exacto entre las corrientes internas del LM1496. Cuando está ajustado apropiadamente la portadora entregada al pin 8 puede ser removida completamente de la salida, pin 12, dejando solamente los productos de modulación, es decir las bandas laterales. A la salida del pin 12 sigue el amplificador operacional IC1 B (½ LM1458 ), que actúa como sumador, de manera de obtener la señal compuesta MPX. A través de C8, R23 y R24, se tiene un control de nivel. El modulador balanceado tiene una ganancia 2 (dos) y el circuito restador también 2 (dos), lo que en conjunto provoca una ganancia global de 4 (cuatro) para la señal diferencia (I-D). Para mantener la ganancia de las señales (I-D) e (I+D) iguales, la resistencia combinada formada entre R23 y R24, debe ser cuatro veces el valor de R7 o R8. Debido a la tolerancia de los resistores y las diferencias que pueden ocurrir en los circuitos integrados es que aparece R24 ajustable, a fin de obtener el equilibrio correcto.
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Figura 1
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La señal piloto de 19 KHz y la subportadora de 38 KHz, son obtenidas por medio de un oscilador construído en base al circuito integrado IC3 (74C00), el cristal Xtal 1, R31, C14 y C15. La señal de salida se obtiene en el pin 6 del IC3, que continúa hacia el pin 10 del IC4, CD4040, que va dividir la frecuencia para entregar al pin 8 del modulador balanceado, la frecuencia subportadora de 38 KHz, a través de R32 y C7. La señal piloto de 19 KHz es entregada al IC1 B por medio de R29 y C12. Ahora que las señales de audio, piloto y subportadora fueron debidamente procesadas y combinadas, son acopladas a la siguiente etapa, a través de C11, R35,R36 y 37. El circuito integrado IC6 y los componentes asociados, son los responsables de la correcta modulación del audio y la correcta frecuencia del VCO, junto con el PLL. El VCO está constituido por Q1 y sus componentes asociados R45, L1, D3 y C4. Él es el responsable de la generación de la portadora (RF). Esta portadora es derivada desde L1, hacia los transistores Q2 y Q3, por medio del capacitor de acoplamiento C37. Los transistores mencionados junto a su circuito asociado forman respectivamente un Buffer/Schmitt-Trigger . Al final de estos circuitos se obtiene una onda cuadrada, con el nivel de tensión adecuado para que funcione el IC8. El IC8 (74F160) divide la frecuencia por 10 (diez) para entrarla al PLL, IC7 (MC145151-2). Esa división es necesaria dado que el PLL no trabaja con frecuencias superiores a los 20 MHz. El PLL compara la frecuencia con la de referencia; obteniendo una tensión de corrección, se acopla al IC6 (CA3420) y posteriormente al VCO. Para entender el funcionamiento del PLL, vamos a tomar como ejemplo la frecuencia de 89,7 MHz. Primeramente, la señal al pasar por el IC8 es dividida por 10 (diez); tenemos ahora en la salida del IC8 pin 11, una frecuencia de 8,97 MHz, que será llevada a la entrada del PLL, pin 1 del circuito integrado IC7. Estando programada la llave S1 en el número binario equivalente a 897, el divisor programable del IC7 dividirá la frecuencia por 897 obteniendo 10 KHz. Esto en cuanto a que el detector de fase del PLL usa una frecuencia de referencia de 10 KHz, que es generada por un oscilador y divisor interno, que usa los componentes externos R40, C17, Xtal 2 y C16. Esos componentes establecen la frecuencia del oscilador. Esa debe ser exactamente de 10,240 MHz; esto se consigue mediante el ajuste de C16. Un divisor interno, divide la frecuencia por 1024, para lograr la referencia de 10 KHz. La frecuencia de referencia debe ser de precisión, en consecuencia, se requiere de un cristal de 10,240 MHz en el oscilador a cristal. Un detector de fase genera un tren de pulsos, cuya área será proporcional a la diferencia de fase entre ambas ondas, la frecuencia de referencia y la señal derivada, luego dividida, del VCO. Esto nos dirá a que frecuencia debe ser desviado el VCO. El detector de fase produce una secuencia de pulsos (onda cuadrada), que alimenta un filtro pasa bajos (circuito integrador), formado por R41 y C20, donde se obtiene una tensión continua, proporcional a la diferencia de fase. El amplificador de tensión CMOS de alta impedancia, formado por IC6, R42, R43, R38, R37 y C19, producen una salida positiva creciente, cuando el área de los pulsos, es mayor en estado alto que en bajos, que, luego aplicada a D3, por medio de R39, R44 y C22, fuerza el aumento de frecuencia del oscilador. En el caso contrario, donde el área en alto sea menor que el área en bajo, tendremos una tensión positiva decreciente (en disminución) que aplicada a D3 obtendremos una baja de frecuencia del VCO. De este modo la frecuencia del oscilador es controlada por la señal de referencia. Ella será exactamente (en KHz) 100 veces el valor programado en el divisor del PLL. Por ejemplo: el divisor está programado en 897, la frecuencia será: 897 x 100 = 89700 KHz (89.7 MHz). 7
La modulación se realiza inyectando la señal MPX –proveniente del amplificador-sumador, conformador de dicha señal– a través de R35 y R37, en IC6; la señal Múltiplex se combina en este amplificador, con el nivel de continua antes mencionado, procedente del PLL e integrador. La composición de tensiones controla el diodo D3 ( varicap ). Las variaciones de tensión (continua + audio), provocan las variaciones de frecuencia del VCO. Si los cambios de frecuencia son rápidos (mayores a 20 ciclos) el PLL no podrá corregir o compensar estos cambios, de ese modo ninguna variación de corriente continua será inyectada; así las variaciones de frecuencia, en base a la modulación, estarán dentro de los patrones. La modulación resultante es limpia y de baja distorsión. Una salida de 10 mW es conseguida amplificando una porción de la señal del VCO. La señal del VCO es acoplada al amplificador de salida formado por Q4 y Q5, y sus componentes asociados R49, R54, R55 y C36. En esta etapa, la señal es amplificada al nivel final, después sigue el circuito de acoplamiento y filtro de armónicas constituido por L4, C33, C34, L5 y C35. La impedancia de salida es de 50 ohms y es recomendable conectar un resistor (R56), junto a una antena telescópica, de unos 60 cm de largo, para que la señal se restrinja al área necesaria. La tensión de alimentación para IC6, IC7 e IC8 y el amplificador de salida es regulada por IC5. La alimentación de la etapa de salida se encuentra desacoplada por C28 y L3. L2, C18 y C21, filtran y desacoplan la alimentación de los integrados. Una protección adicional contra transitorios es obtenida por medio de C29 y C30. Las secciones de audio y reloj, IC1 hasta IC4, operan directamente con 12 voltios. En cuanto al VCO e IC6 son alimentados con 9 voltios regulados por el zener D2 y filtrados por los capacitores C9 y C25. La alimentación general de 12 voltios es desacoplada por D1, C31 y C32. La alimentación de entrada puede variar entre 11 y 15 voltios. Si fueran excedidos los 15 voltios podrían ser dañados algunos componentes del circuito; tensiones inferiores a 11 voltios provocarán un mal funcionamiento del PLL. Ruidos excesivos en la alimentación, inducirán ronquidos o interferencias en la señal transmitida. Alimentación:
Mont ando el t ransmisor
El transmisor debe ser montado en una placa de fibra de vidrio, debido a las señales de RF. El lay-out de la plaqueta está disponible para aquéllos que pretendan montar el transmisor. Con excepción de C21, todos los componentes son montados en la parte superior de la plaqueta. Ese capacitor, como todas las bobinas serán montadas por último. Si Ud. lo desea puede usar el lay-out sugerido, éste se encuentra en la figura 2. Siempre que sea posible, no soldar los terminales hasta que el mayor número de componentes haya sido insertado. Los componentes deben ser instalados lo mas próximo posible a la placa de circuito impreso, para evitar capacidades parásitas o captación de ruidos. Nota: en el proyecto original C21 es del tipo SMD, con todo, debido a las dificultades en obtener este componente, él puede ser substituido por uno convencional del tipo cerámico, sin problemas.
Comience insertando los resistores. Como norma de montaje, chequear dos veces los valores de los componentes antes de soldarlos. Una cuenta de ferrite será colocada en uno de los terminales (lado del transistor Q3). R34 será montada en forma de pie (vertical), será insertado un solo terminal en el único orificio de la placa a tal fin; después de soldar R34 , moldear en forma de “J” el terminal suelto, él será el punto de prueba TP1 ( Test Point ). Soldar todos los componentes primero al lado base, después soldar los otros puntos, que serán unidos a masa (Tierra, Común o GND) en el lado superior (lado componentes). Es 8
recomendable utilizar un soldador de buena clase, de ser posible, con punta de soldar de cerámica, a los efectos de efectuar soldaduras libres de problemas y de buena calidad. Utilizar alambre de soldadura, diámetro 1 mm, al 60% de Estaño y 40% de Plomo con 5 almas de Resina; esta recomendación es al efecto de optimizar las soldaduras.
Figura 2. Lay-out de la plaqueta de circuito impreso. Como sugerencia, la plaqueta de circuito impreso debe ser del tipo doble faz, donde uno de los lados será conectado a tierra. Pueden ser elaborados diseños en placas de simple faz, en el caso de tener dificultades para obtener una de doble faz. En este caso, se deben extremar los cuidados del diseño, debido a que pueden aparecer capacidades parásitas indeseables entre pistas del circuito; este problema puede derivar en auto oscilaciones difíciles de solucionar. Es muy importante que la plaqueta sea de fibra de vidrio.
Los diodos serán los próximos en ser instalados y a continuación los capacitores. La orientación de los diodos y de los capacitores debe ser observada con bastante cautela. Cualquier componente polarizado que fuera instalado del lado opuesto, causará mal funcionamiento del circuito y probablemente ocasionará la quema de otros componentes. Quedarán por montar los transistores, moldear apropiadamente los terminales, para que ellos encajen correctamente en la plaqueta. La posición de los componentes debe obedecer a la disposición que se muestra en la figura 3. Tenga cuidado, con Q2 y Q3, verifique correctamente la disposición de sus terminales, a fin de permitir una correcta ubicación y orientación. Instale el trimer C16 y los pre-set R15, R24 y R35. Antes de instalar los cristales, ajuste la separación entre terminales con sumo cuidado, las perturbaciones mecánicas pueden causar daños en estos componentes. Los circuitos integrados serán montados en zócalos apropiados soldados a la plaqueta. La orientación de los circuitos integrados debe ser observada cuidadosamente. Chequear con atención, todo el trabajo efectuado, a fin de verificar si los componentes fueron soldados correctamente, como también su orientación. Ahora, corte los terminales.
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Figura 4
La figura 4, ilustra como construir las bobinas. L1 debe ser hecha de 6 vueltas y media de alambre esmaltado Nº 22, usando como forma un tornillo 8 mm de diámetro. Remueva el esmalte del alambre en los terminales para ser correctamente soldados. Lijar el esmalte del hilo, un poco, a una espira y tres cuarto (1 ¾), en donde se efectuará la derivación de la bobina. Usando el tornillo como forma, instale L1 en la plaqueta y suelde las conexiones. Tenga cuidado, para que la soldadura de la derivación no se desprenda cuando suelde la división de la bobina en la plaqueta. L1 es instalada de pie; después de montar la bobina retire el tornillo que ha servido de forma y coloque una barra ajustable de ferrite en su lugar. El mismo procedimiento es usado para realizar L4 y L5, excepto que ellas no poseen derivación. L4 formada por 5 vueltas y L5 formada por 4 vueltas. Después de montadas las bobinas, retire los tornillos. Estas bobinas L4 y L5 serán ubicadas horizontales y además no llevan núcleo. La figura 5, muestra como deben ser hechos los choques de RF, L2 y L3. Los choques de RF, son simplemente terminales de componentes que pasan por dentro de una cuenta de ferrite. Esas cuentas de ferrite deben ser para RF en particular para ser usadas en VHF o UHF. Suelde los choques en la plaqueta. Terminales en forma de “J” pueden ser usados en los puntos de prueba TP4 y TP5. Finalmente instale C21 en el lado cobre, bajo la plaqueta.
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Figura 5
Nota: Fueron utilizados choques de RF obtenidos de placas de computadoras o video juegos, obteniendo perfecto resultado.
Aj ust es y Ensayos del Tran smi sor
Los ajustes y pruebas del transmisor para la puesta en marcha son simples y objetivos. Los elementos necesarios para la prueba y puesta en marcha del transmisor son: Un MULTÍMETRO (voltímetro, amperímetro y óhmetro), digital o analógico, será necesario como instrumento de prueba. La fuente de alimentación debe ser del tipo regulada estabilizada, con una tensión de 13,2 voltios. También pueden ser utilizadas 9 (nueve) pilas alcalinas, en el caso de no disponer de una fuente de alimentación como la especificada. Un receptor de FM estéreo, con un vúmetro para analizar el nivel de audio. Un reproductor de CD o reproductor de casetes. Cables necesarios para unir los elementos con el trasmisor a calibrar. •
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Antes de unir la alimentación con el transmisor, inspeccione la plaqueta con el fin de encontrar posibles errores de montaje, como circuitos integrados invertidos, lo mismo que diodos o capacitores electrolíticos, inspeccione también las soldaduras, pueden estar frías o mal hechas, puntos faltando soldar o cualquier tipo de error que pueda ocasionar el mal funcionamiento del circuito. Si todo es correcto, conectar el multímetro en el modo amperímetro de continua entre la fuente de alimentación y el circuito transmisor, con el negativo de la fuente de alimentación puesto a tierra o masa. El instrumento debe estar ajustado en un escala entre 0,5 y 2 (A) [Amper] de corriente continua. Estando la fuente unida, el consumo de corriente deberá encontrarse próximo a los 120 (mA) [miliamper]. Si la lectura del instrumento es menor que los 100 (mA) o mayor que los 140 (mA), desconecte la alimentación y efectúe un nuevo chequeo del montaje, puede que algo esté equivocado. Nada deberá estar calentando, IC5 tenderá a calentar algo después de unos minutos. Si todo estuviera correcto, puede quitar el amperímetro y conectar directamente el positivo de la fuente de alimentación al diodo D1. Con el multímetro (tester ) en una escala superior a los 15 voltios DC [( Direct Current ) = Corriente Directa o Continua]; el valor nominal habitualmente es de 20 voltios (en los multímetros digitales); confirme las tensiones en los puntos mas abajo indicados. Las tensiones listadas están basadas en una alimentación de 13.2 Voltios. Si está usando una fuente con tensión de salida diferente, las lecturas pueden variar algo.
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Punt o de medida
Entrada de IC5 IC8 – Pin 16 IC7 Pin 3 Colector de Q5 IC1 – Pin 7 IC4 – Pin 16
Voltios
12,6 (V) 5,0 (V) 5,0 (V) 5,0 (V) 6,4 (V) 8 a 10 (V)
Punt o de medida
Colector de Q4 Drenaje de Q1 IC6 – Pin 7 IC1 – Pin 3 IC1 – Pin 1
Voltios
1,6 (V) 8,5 (V) 8,5 (V) 6,4 (V) 6,4 (V)
Variaciones de hasta un 10% en la lectura de esos valores son aceptables. Es importante tener en cuenta la precisión del multímetro utilizado. Si encuentra una distorsión mayor en los valores de tensión medidos, revea su trabajo. Ajuste S1 para una frecuencia de 88,1 MHz o el canal mas próximo, si esta frecuencia está ocupada en su área. Si Ud. prefiere usar canales pares, instale un “ jumper ” en el Pin 7 del IC7; luego Ajuste el transmisor para una frecuencia de 88,0 MHz. Estos valores (pares) no están dentro de la reglamentación adoptada en la República Argentina. Conectar el multímetro en una escala de voltios de continua, entre los Pines 1 y 4 del IC2 (no importa la polaridad) luego ajustar R15 hasta obtener una lectura de 0 (cero) voltios, usar la escala menor disponible. Sintonizar el receptor en la frecuencia del transmisor, él debe estar a una distancia de unos 3 (tres) metros. Monitorear los ajustes según se van realizando. Ajuste C16 a un 25% de su recorrido, R24 y R35 a 1/3 de su recorrido, NO en el centro. Ajuste el núcleo de L1 para que esté completamente insertado. Conecte el multímetro en el TP5 (pin 6 de IC6). Escuche Ud. el receptor y comience a ajustar el núcleo de L1 con un calibrador no metálico. La lectura del instrumento debe estar entre los 8 y 9 voltios. Conforme se mueva el núcleo de L1 encontrara un punto donde la tensión comienza a disminuir, en ese momento el receptor de FM debe denotar la presencia de la portadora. Conforme Ud. actúe sobre el núcleo de L1 se escuchará mejor la presencia de la portadora. Ajustar el núcleo de L1 hasta que la tensión en el TP5 se encuentre entre 3 o 4 voltios. La indicación de estereofonía debe aparecer en el receptor, caso contrario, ajuste R35 hasta que aparezca. La señal del receptor debe ser limpia. Desconectar la alimentación, en ese momento se apagará la indicación de estereofonía y escucharemos el ruido característico del receptor fuera de sintonía de alguna emisora. Si todo estuviera correcto hasta ahora el próximo paso sería ensayar el transmisor con un tono de audio. Conectar una antena telescópica de unos 60 (cm) en la salida de RF del transmisor y aplique una señal de audio (aproximadamente 1,2 KHz) en las entradas J1 (Izquierda) y J2 (Derecha). Reconectar la alimentación del transmisor y escuchar el receptor. Deberá escuchar el tono de audio. Ajuste el pre-set R35 de manera que la señal recibida tenga mas o menos el mismo nivel que otras emisoras de su área. Este ensayo debe realizarlo conectando el TP1 con las entradas de audio individualmente, utilizando solo un alambre. El tono de audio debe ser oído en los canales izquierdo y derecho respectivamente. Ajuste R24 para una mejor separación de ser necesario. El ajuste básico está completo.
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Si Ud. tiene acceso a instrumentos como: • • •
Un frecuencímetro Un osciloscopio Un generador de señales de audio.
Podrá proceder como se detalla a continuación. Conecte el frecuencímetro en la salida de RF y ajuste C16 hasta obtener exactamente 88,1 MHz. Conectar el frecuencímetro y el osciloscopio en el TP1 para verificar que la onda cuadrada de salida es de 1187,5 KHz; eso indica que las señales piloto y subportadora se encuentran exactamente en 19 y 38 KHz respectivamente. Estos valores los puede comprobar también en los pines 13 y 4 respectivamente del IC4. Con el osciloscopio conectado en el TP4, ajuste R15 para que se obtenga el menor nivel posible de salida de subportadora; anule temporalmente la señal piloto de 19 KHz conectando a masa (tierra) la unión de R28, R29 y C12, para favorecer la calibración . Usando un generador de señales de audio, ajustado en una frecuencia de 1000 Hz con 1,5 voltios de salida, chequear en el TP4 la forma de onda. Esta coincidirá con las que se muestran a continuación, figura 6, según se encuentre la señal de audio aplicada a la entrada izquierda, derecha o ambas simultáneamente.
Figura 6
Ajuste R24 para la mejor observación de las figuras. Algunas diferencias son aceptables, teniendo en cuenta las diferencias en el diseño de la plaqueta y también la tolerancia de los componentes. Divida las diferencias entre canal izquierdo y derecho, así la relación de error será igual en ambos. Ajustar L1 hasta obtener 3 voltios en el TP5 a la frecuencia de operación de 88,1 MHz. Ajustar S1 a 94,5 MHz y verifique que la tensión en el TP5 se encuentre por encima de los 7 Voltios. Esta es una comprobación dinámica del Sintetizador. No hay problemas si el núcleo de ajuste estuviera fuera de L1. Pintar la posición del núcleo a fin de fijar la calibración. Programe la frecuencia de transmisión deseada, el transmisor está completamente listo para ser usado. 13
I nst alación f inal
El transmisor podrá ser instalado dentro de cualquier caja donde quepa la plaqueta, éstas pueden ser metálicas o plásticas; ya que el circuito no presenta calentamiento, la ventilación no es crítica, de cualquier manera, sería conveniente algún gabinete que permita algo de ventilación. Si fuera utilizada una caja de plástico es necesario revestir el fondo con un papel metálico o una chapa delgada, que actuaría como plano de tierra para la antena. Use conectores del tipo RCA hembra, para las entradas de audio y un conector del tipo BNC hembra, para la salida de RF. Suelde los terminales de tierra, tanto de las fichas RCA, como BNC a la placa metálica de la base. En el caso de ser el gabinete metálico, esto no es necesario, ya que el montaje se efectuaría sobre el metal, pero si es importante asegurar una conexión firme, para evitar malos contactos. La conexión de RF debe ser los más corta posible. Los cables de conexión de audio deben ser del tipo blindados o mayados de buena calidad, para evitar la captación de ruidos. Soportes-separadores de plástico, junto a tornillos metálicos o de plástico, pueden ser utilizados para fijar la plaqueta en la caja. Para la antena existen muchas posibilidades. Una sugerencia sería el uso de una antena telescópica de 60 cm, montada con epoxi en un conector BNC macho. Los detalles de construcción se pueden encontrar en la figura 7.
Figura 7
Usando el t ransm isor
Para mejores resultados es necesario elegir una frecuencia libre. En las grandes ciudades será bastante difícil poder encontrar un canal liberado. En ese caso intente usar canales intermedios, o sea canales pares. En la República Argentina están establecidas las frecuencias impares para la radiodifusión, por ejemplo 103.1 MHz, 105.5 MHz, es raro encontrar receptores digitales que tengan habilitados los canales pares. Los receptores analógicos pueden recibir esas frecuencias sin problemas. 14
No ajuste R35 para un nivel muy alto, pues esto provocaría distorsión e interferencia en los canales adyacentes, normalmente R35 debe ser ajustado al 75 % de su curso, cuando se usa una fuente de audio típica, cuya señal de salida se encuentre entre 0,5 y 1 voltio RMS. Si se exceden estos parámetros habrá distorsión y una mala separación de canales. Mej orando la Pot encia del tr ansm isor
Para incrementar la potencia de salida del transmisor, se puede aumentar la tensión de alimentación hasta 15 voltios, con esto, la potencia aumenta hasta 150 (mW). R56 deberá ser retirada, para permitir una completa irradiación de la señal. En este caso, también deberán instalarse disipadores de calor en los transistores de salida Q4 y Q5. También es necesario el uso de una antena apropiada, calibrada a la frecuencia de trabajo y con una impedancia de 50 ohms. Las espiras de L4 pueden ser comprimidas o expandidas para mejorar el acoplamiento a la antena, permitiendo así una completa transferencia de energía. La calibración de L4 y la antena, es conveniente realizarla con la ayuda de un vatímetro de RF. Con la ayuda de ese instrumento podemos lograr la máxima potencia de salida con el menor ROE (ondas estacionarias reflejadas). Esta modificación y el ajuste apropiado, mejoran la performance, y, el alcance del transmisor puede llegar a unos 1500 metros, dependiendo del terreno y del emplazamiento de la antena. Mantenga la antena a una distancia de por lo menos 6 metros [fundamentalmente si la caja o gabinete utilizado no es metálico], pues es posible que la señal emanada, interfiera en el sintetizador del transmisor, causando alguna inestabilidad en el PLL. Esta conexión mejorada, requiere el uso de cable coaxial de bajas pérdidas, para VHF o UHF, en el acoplamiento hacia la antena. Este circuito pude ser usado para excitar amplificadores lineales de RF, logrando potencias que pueden variar entre los 5 y 100 vatios, permitiendo así su uso en radios comunitarias. En este caso consulte las reglamentaciones vigentes a tales efectos, la trasgresión de dichas reglamentaciones pueden acarrear procesos penales y el secuestro del equipamiento. Algunas sugerencias
Es posible que a la hora de montar este transmisor se encuentre con algunas dificultades, por ejemplo: la realización del circuito impreso o la adquisición de algunos componentes. Aquí van algunas recomendaciones que ayudarán a solucionar esos problemas. Plaqueta de Circuito Impreso. Una de las mejores alternativas para la confección de la plaqueta y de la máscara es trabajar con films de transferencia , para lo cual se requiere fotocopiar el diseño propuesto anteriormente, en el mismo, con una fotocopiadora láser. Tenga cuidado para que el tamaño de los componentes coincida perfectamente con el lay-out de la placa, principalmente los circuitos integrados. Ambos lados de la plaqueta deben coincidir. Circuitos integrados. En algunos casos puede tener dificultades en conseguir el 74F160 y el MC145151-2 (PLL). Ambos circuitos integrados pueden ser hallados en comercios importantes del ramo o bien pueden ser adquiridos vía INTERNET. El 74F160 puede ser reemplazado por el 74AS160. Cristales: el cristal de 10,24 MHz puede ser encontrado en muchos modelos de teléfonos y el cristal de 4,864 MHz puede ser encontrado en muchas computadoras personales fuera de uso. Existen en Buenos Aires algunas empresas especializadas en cristales y componentes piezoeléctricos donde también puede encontrar los cristales o realizarlos a pedido. También queda el recurso de la compra por INTERNET. 15
Generador alternativo, de Señal Piloto y Subportadora. Como variante al circuito propuesto se presenta una probabilidad de simplificación muy eficiente, también muy estable. En este caso el esquema utiliza un resonador cerámico de 456 KHz, que conectado a un Buffer , tipo CD4007, permite construir el oscilador. La salida de este oscilador se conecta a un divisor tipo CD4520. Este circuito integrado es un doble contador progresivo, el primer contador dividirá la frecuencia por 6 (seis), obteniendo 76 KHz, en la salida de la compuerta del tipo “and” CD 4081, que se conecta al reset del mismo y a la entrada de reloj del segundo contador. En la salida Q0 del propio contador, tendremos la frecuencia de entrada dividida por 2 (dos) vale decir 38 KHz y en la salida Q1 se tiene la señal piloto de 19 KHz. En las figuras siguientes se muestran, el circuito esquemático y las ondas observadas en un osciloscopio.
Este circuito reemplaza a los circuitos integrados 74C00 (IC3) y CD4040 (IC4), junto a sus componentes asociados. La señal piloto de 19 KHz se obtiene del pin 12 del CD4520 y se conecta al extremo de R29 (47K) que queda libre al desconectarse el CD4040. La 16
subportadora de 38 KHz se consigue del pin 11 del mismo circuito integrado, debiendo conectarse al extremo de R32 (22K). Las formas de onda que se pueden ver en la figura del osciloscopio, son iguales (frecuencia y amplitud) a las observadas en los pines 13 y 4 respectivamente, del CD4040 anterior; salidas de la señal piloto y subportadora del circuito original. En cuanto a la alimentación, este circuito, utiliza la misma que la empleada por el CD4040 y se conecta a los pines 16 del CD4520 y 14 del CD4007. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas? – Seguramente, encontraremos en el mercado, mas fácil el resonador cerámico de 456 KHz (usado en muchos controles remotos de TV y VCR), que el cristal de 4,864 MHz y a un costo mucho menor. Como contrapartida, tiene el problema, de necesitar un rediseño del circuito impreso, para reemplazar el modelo anterior. La compuerta tipo “and”, parte de un CD4081; con un poco de creatividad puede ser sustituida por dos diodos 1N4148 y una resistencia de 22K. Queda a criterio del técnico o del aficionado, evaluar su montaje y en general evaluar la construcción de toda esta propuesta. FOTO.
Trabajo enviado por: Ing. Cocco, Julio César ROSARIO – República Argentina.
[email protected] Mayo de 2002
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Lista de m ateriales Semiconductores
R47 - 1K5
IC1 - LM1458
R49 - 33 ohms
IC2 - LM1496
R53 - 330 ohms
IC3 - 74C00
R56 - 56 ohms
IC4 - CD4040 IC5 - LM7805
Capacitores
IC6 - CA3420
C1, C2, C10 - 10nF (mica)
IC7 - MC145151-2
C3, C5, C11 - 1µF / 50V (electrolítico)
IC8 - 74F160
C6, C9, C29 - 100µF / 16V (electrolítico)
Q1 - MPF102 Q2, Q3, Q4 - 1N3563
C7, C8, C12, C13, C25, C26, C30, C32 - 10nF (disco cerámico)
Q5 - MPS3866
C10 - 18pF (disco cerámico)
D1 - 1N4007
C14 - 12pF (disco cerámico)
D2 - 1N757A
C15 - 33pF (disco cerámico)
D3 - MV2107
C16 - 2-20pF (trimmer) C17 - 39pF (disco cerámico)
Resistores
C18 - 10µF / 16V (electrolítico)
(todos de 1/8w - 5%)
C19 - 100nF (mica o poliéster)
R1, R2 - 8k2
C21 - 10nF (SMD) * ver texto
R3, R4, R11, R20, R30, R40, R46, R52, R55 1k
C22, C24 - 100pF (disco cerámico)
R5, R8, R32, R37, R38 - 22K
C23, C27, C28, C36 - 470 pF (disco cerámico)
R9, R10, R26, R29 - 47K
C31 - 470µF / 25V (electrolítico)
R12, R13, R25, R41, R42 - 100K
C33 - 68pF (disco cerámico)
R14, R16, R23, R43 - 68K
C34 - 120pF (disco cerámico)
R15 - 10K (trimpot)
C35 - 47pF (disco cerámico)
R17, R18, R33, R50 - 2K2
C37 - 10pF (disco cerámico)
R19, R44 - 10K R21, R22, R54 - 3K3
Otros materiales
R24 - 25K (trimpot)
L1 a L6 - ver texto
R27 - 220 ohms
Xtal1 - 4.864MHz (cristal)
R28, R48, R51 - 470 ohms
Xtal2 - 10.240MHz (cristal)
R31 - 2M2
S1 - llave DIP de 10 secciones
R34 - 220K
Barra de ferrite ajustable para L1
R35 - 1K (trimpot)
Cuentas de ferrite para a confeccionar los
R36 - 6K8
choques de RF
R39 - 4K7
Alambre 22 AWG para confeccionar las bobinas
R45 - 1M
Placa de circuito impreso doble faz de fibra de vidrio
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