1) Objetivos.Realizar un circuito en laboratorio capaz de emitir ondas de radio para un ancho de banda en modulación de frecuencia Diseñar el circuito tanque de la portadora del circuito de emisión para una frecuencia de 90 MHz Diseñar la bobina necesaria para el circuito tanque calculado Calcular las distancias máximas de emisión a la que una radio común puede recibir las señales emitidas Proceder a calcular diferentes parámetros como ser la longitud de onda [λ] la densidad de potencia [P], la intensidad de campo [Eo] y la atenuación en espacio libre [Lo]
2) Fundamento teórico.2.1) Qué es frecuencia modulada?.La frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como FSK.
Un ejemplo de modulación de frecuencia. El diagrama superior muestra la señal moduladora superpuesta a la onda portadora. El diagrama inferior muestra la señal modulada resultante. La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla (véase Radio FM). El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de la siglas en inglés "Wide-FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de la siglas en inglés "Narrow-FM") es utilizada para ahorrar banda estrecha. Además, se utiliza para enviar señales al espacio. Dentro de los avances más importantes que se presentan en las comunicaciones, el mejoramiento de un sistema de transmisión y recepción en características como la relación señal – ruido, sin duda es uno de los más importantes, pues permite una mayor seguridad en las mismas. Es así como el paso de Modulación en Amplitud (A.M.), a la Modulación en Frecuencia (F.M.), establece un importante avance no solo en el mejoramiento que presenta la relación señal ruido, sino también en la mayor resistencia al efecto del desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en A.M. El ancho de banda de la FM comercial es de 200kHz. De esos, se usan unos 180 khz para la señal de audio que aunque sólo sea de 15khz; requiere de todo ese espacio "extra" por la desviación de frecuencia estándar de 75khz. Esos datos siguen vigentes en FM analógico aunque ya existan desde hace muchos años sintonizadores de cristal de cuarzo que no se desvían arriba de 5khz. Se asume que existen aún sintonizadores sin esta precisión y por ello permanece así, limitando la cantidad de estaciones en la banda comercial de 88 a 107MHz.
2.2) Diseño de un oscilador sintonizado para 90 MHz
Primeramente procedemos a colocar el circuito que se armo en laboratorio, el cual no es mas que el siguiente:
Cx = capacitor variable de 3 a 30 pF ó 4 a 40 pF Lx = bobina = 4 espiras de alambre AWG #22 con núcleo de aire de 0,5 cm
Ahora procedemos a calcular el circuito tanque necesario para una frecuencia de 90 MHz, con un condensador de 20 pF 1
F
2 LC
L
1
2
L
1
2
90 10
L
2 C
F
6 2
20 10
12
0,1564 H
Ahora procedemos a calcular el número de espiras para la realización de la bobina. 2
S S
n
n
r
2
0,79 [cm ]
10
10
8
L l
1,257 S
8
1,564 10
7
1
1,257 0,79 n n
3,97
4 vueltas
3) Materiales utilizados en laboratorio.
Un osciloscopio
Un protoboard
Fuente de alimentación variable
Ocho resistencias (10KΩx4; 100KΩ; 5,6KΩ; 4,7KΩ; 100Ω)
Cinco condensadores (2,2uFx2; 470uF; 10nF; 8,2pF)
Un potenciómetro de 1MΩ
Un trimmer de 50pF
Un circuito integrado LM741
Un micrófono electret
Un transistor BF494
Una bobina diseñada por el estudiante
Un multitester
Cables para protoboard
Una radio receptora de FM
Una antena (cable esmaltado)
Una regla de 50 [cm]
4) Procedimiento en laboratorio.Una vez en laboratorio y con todos los componentes a disposición procedemos a la realización del laboratorio de la siguiente forma:
Procedemos al armado del circuito transmisor de FM, ya con la bobina diseñada (la línea punteada muestra hasta donde será armado el circuito)
Realizamos diferentes modificaciones al circuito, como por ejemplo variando el trimmer para así con la ayuda de una radio receptora de FM poder captar la señal de voz emitida por el estudiante.
Una vez captada la frecuencia a la que se escucha la señal del transmisor FM, procedemos a colocar el circuito de la siguiente forma:
Seguidamente procedíamos a colocar en la hoja de datos los cálculos realizados en el diseño del circuito tanque y de la bobina, los cuales ya se escribieron anteriormente.
Luego procedemos a observar el alcance máximo y mínimo de la señal, lo cual lo realizamos de la siguiente forma:
RX TX
d
Las distancias máximas y mínimas son las siguientes: dmax = 1,5 [m] dmin = 1 [cm]
Calculamos la G del amplificador del micrófono:
( ) ⁄ Entonces:
()
Seguidamente procedemos al calculo del radio enlace: Datos: Pr = 1W F = 90 MHz d max = 1,5 m Calculamos la longitud de onda:
Densidad de potencia:
[] Calculamos la atenuación en espacio libre: L0 = 32,4 + 20 log F (MHz) + 20 log r (Km) L0 = 15 [dB] Calculamos el valor del condensador variable:
√ √ 5) Conclusiones.
Una de las consideraciones en especial para este laboratorio es la dificultad de crear una bobina para el circuito tanque, ya que esta al ser de valor muy bajo debe ser extremadamente exacta, ya que esto es difícil de conseguir se debe crear una buena cantidad de bobinas para que una de esas sea la del valor necesario para la transmisión de FM.
Otro de los problemas al momento de intentar cambiar la señal de la portadora (circuito tanque) es la dificultad de variar el trimmer, ya que este necesita un destornillador de plástico, el cual es difícil de conseguir, en este caso se procedió a la variación de la capacitancia mediante un par de tijeras pequeñas, la cual lograba realizar el variado de la capacitancia, pero con valores muy aleatorios, nada preciso.
Tomando como referencia las clase aprendidas en electrónica II, se vio como los amplificadores operacionales en especial el LM741 debe ser alimentado de forma simétrica (con una entrada +Vcc y otra -Vcc), ya que en este laboratorio
no se procedió de esta forma, cabe suponer que esta es una nueva aplicación de dicho circuito.
Al momento de observar las distancia máxima de emisión, se pudo ver que es un distancia muy corta (1,5m), analizándolo un poco se puede ver que al no implementar todo el circuito (se lo armo hasta donde la línea punteada indicaba), y ver que se quito un transistor, el cual amplificaría mas la potencia del circuito, al ser este un circuito solamente de prueba (ya que no se utilizará en radio emisoras comerciales), y al ser su alimentación solamente de 9 V, se puede decir que es una distancia razonable mediante los puntos señalados anteriormente.
Para finalizar, fue de mucha utilidad los cálculos realizados sobre el radio enlace, ya que estos fueron aprendidos en teoría, pero es muy diferentes verlos en la práctica y saber que lo que uno realiza en aula, tiene su correspondiente valor práctico.
