L'índex d'aquest apartat és el següent:
9.1 Antena 9.2 Circuit detector i sintonitzador 9.3 Circuit amplificador regeneratiu 9.4 Circuit demodulador 9.5 Amplificació 9.6 Amplificador LM386n-1
Anem a fer ara una explicació més o menys aprofundida, de que fan els components dels circuits que has construit en els apartats 7 i 8. A més, introduim una discussió força més tècnica sobre "filtres passa-banda" i sobre "adaptadors d'impedàncies", que resulten essencials per a una bona recepció quan es fa servir una antenna.
Primer de tot recordem l'aspecte del circuit de l'apartat 8:
9.1 Antena
9.1.1 Introducció
L'antenna és un element d'un receptor que és capaç de transformar les ones de radio en corrent elèctric. En un apartat anterior hem proposat utilitzar com a antenna un cable llarg (entre 5 i 45m) i connectar la connexió de terra a un terra com per exemple una canonada de l'aigua. Aquest tipus d'antenna no és gens sel·lectiu tot i que pot estar dissenyat per a treballar millor per a una certa freqüència (depèn de la longitud del cable que fem servir, comptant tant el cable d'antenna pròpiament dit i la longitud de cable+canonada fins al terra).
9.1.2 Què es pot fer quan tenim una emissora potent que es superposa a emissores menys potents?
La manca de sel·lectivitat és especialment dramàtica quan intentem sintonitzar una emissora llunyana o de poca potència si a les rodalies tenim una emissora de la que rebem un senyal molt potent. Si us trobeu en aquesta situació, us proposo llegir el que he escrit a continuació.
Considereu el següent circuit, invent de qui escriu, en el que podeu veure una antenna de tipus T seguida del que en el llenguatge tècnic el podríem anomenar un "filtre passa-banda" (el condensador de 33nF actua de "adaptador d'impedàncies"):
Aquest filtre passa-banda és capaç de rebutjar una determinada freqüència i admetre les demés. En general convé rebutjar la freqüència que correspon a l'emissora més potent, que molesta al superposar-se amb les demés, de potència molt més petita.
Movent molt a poc a poc el botó corresponent al condensador variable de 500 pF aconseguim per exemple rebutjar la freqüència de 666kHz (Radio Barcelona, Cadena SER), que a Sant Feliu de Llobregat és molt potent. Per a sintonitzar la resta d'emissores cal variar la capacitat del condensador de 300 pF.
Anem a fer un estudi analític d'aquest sistema.La impedància Z1 d'un condensador de capacitat C1 en paral.lel amb una inductància L1 que té una resistència R1 és:
operant obtenim:
Fixem-nos ara que tenim un altre conjunt: una capacitat C2 en paral·lel amb una inductància L2 amb una resistència R2. El condensador de 22nF no afecta a la sel·lecció de freqüències i explicarem després la seva funció. La inductància Z del conjunt serà:
Podem transformar una mica aquesta expressió. Definim els paràmetres següents:
Operant i agrupant termes:
Fent el producte del denominador:
Arreglem l'expressió i obtenim:
Aquesta és l'expressió final i sobre la que treurem conclusions. Aquesta expressió conté diversos paràmetres. En el muntatge que jo vaig fer (dissenyant-lo sense tenir en compte tot aquest desenvolupament matemàtic), el valor d'aquests paràmetres és el següent:
El que volem que passi és que la impedància per a una determinada freqüència d'una emissora que volem escoltar Wi sigui petita, que per a la freqüència de W1 =666kHz·2pi rad sigui molt gran, i que per a la resta de freqüències tingui un valor prou alt com per a que no hi hagi superposició. El problema és quin valor ha de pendre W2 en funció de Wi i W1.
Fixem-nos en el numerador de l'expressió que hem deduit. Els valors més grans corresponen a la part imaginària. Per tant, el valor mínim de la impedància és d'esperar que aparegui quan la part imaginària esdevingui zero. Fixem-nos que la part imaginària conté un terme menyspreable front els altres termes (el que està multiplicat per el paràmetre c).
Per tant hem de resoldre l'equació:
i com que el terme cW és petit front a W3 podem escriure:
resolent per a W i per a W2 obtenim:
Dues conclusions molt importants. De la primera expressió deduim que W1 < Wi < W2 tal i com era d'esperar. I de la segona com que el radicant ha de ser positiu, deduim que:
Aquesta expressió ens imposa que L1 > L2 si és que volem poder escoltar emissores amb una freqüència superior a 1,4·W1.
En el nostre cas L1/L2 = 1,46 i per tant Wi < 1MHz. D'aquesta manera ens assegurem que podem escoltar les emissores que podem sentir:
Freqüència Potència
EmissoraLocalitat
EmissoraDistància a
Sant Feliu de Ll.Potència
(distància)^2540 kHz Onda Cero 50 kW Badalona 18,5 Km 146 W/Km^2 576 kHz Radio 5 100 kW Palau de Plegamans 25 Km 160 W/Km^2 666 kHz Radio Barcelona 50 kW Sant Boi 5 Km 2000 W/Km^2 738 kHz Radio 1 600 kW Palau de Plegamans 25 Km 960 W/Km^2 783 kHz Radio Miramar 50 kW Barcelona (El Carmel) 13,6 Km 270 W/Km^2 (*) 828 Radio Terrassa 5 kW Terrassa 22 Km 10 W/Km^2 882 kHz COM Radio 5 kW Montcada 17 Km 17 W/Km^2 * Radio Miramar es reb amb una potència molt inferior a la teòrica degut al Tibidabo i altres muntanyes de la serra de Collserola. La serra de Collserol també afecta (però no tant) a la resta d'emissores, llevat de Radio Barcelona (entre Sant Boi i Sant Feliu hi ha la vall del riu Llobregat). Això fa que la diferència de potència entre Radio Barcelona i la resta d'emissores sigui encara més marcada que la que suggereixen els numeros que he escrit.
En el següent gràfic tenim el:
Fixeu-vos en el comportament d'aquesta corba, que augmenta molt ràpidament conforme Wi s'aproxima al valor màxim que pot pendre (recorda que Wi en el meu sistema < 1MHz).
Anem a representar la impedància al quadrat del sistema (en dB) per a totes les freqüències W quan el que volem és sentir una emissora de freqüència Wi. Per a poder fer comparacions caldrà representar el cocient [Z(W)/Z(Wi)] elevat al quadrat. Cal elevar al quadrat perquè la potència d'un senyal depèn del quadrat del voltatge associat a aquest senyal. Com que volem que les unitats siguin dB cal fer el logaritme decimal del cocient i multiplicar per 10. El gràfic resultant és el següent:
Fixem-nos que és possible sintonitzar diverses emissores al temps que rebutgem la més potent i totes les de les demés emissores. Les impedàncies Z(Wi) són nombres reals positius, és a dir, el sistema es comporta com una resistència pura per a aquestes freqüències També, és clar, resulta possible sintonitzar l'emissora més potent (retocant W1),
L'antenna, conjuntament amb el sistema que hem explicat abans, es comporta com una inductància en sèrie amb una resistència (això hi ha llibres que ho diuen). Aquesta inductància té un valor relativament elevat. Això fa que la impedància de l'antenna sigui relativament gran. Per tal de reduir aquest efecte s'afegeix el condensador de 22nF, que actua com un "adaptador d'impedàncies" molt senzill. Cal tenir en compte que es determina el valor d'aquest condensador per prova i error, doncs l'efecte de les estructures metàl·liques que normalment hi ha en els edificis (tinc l'antenna a dins de casa, doncs visc en un pis) afecta molt al valor que ha de tenir la capacitat del condensador i és molt difícil de tenir en compte.
Fixeu-vos que en cap moment he mencionat la connexió de terra. En el meu muntatge, tant si utilitzo el receptor més senzill com si faig servir el receptor regeneratiu em resulta possible sintonitzar totes les freqüències sense necessitat d'aquesta connexió.
9.1.3 Disseny del millor sistema per a poder rebutjar una freqüència i poder escoltar totes les demés.
Ara que ja tenim el desenvolupament matemàtic desplegat en tot el seu esplendor, anem a utilitzar-lo per a poder dissenyar el millor sistema possible, és a dir, que refusi una freqüència W1 i poguem sintonitzar totes les freqüències compreses entre 540 i 1600 kHz. És evident que el que caldrà serà que el cocient L1/L2 per a un cert valor de W1 sigui prou elevat. Utilitzant aquesta expressió:
en el nostre cas és fàcil comprovar que el cocient hauria de pendre un valor proper a 5. Caldrà triar L1 i L2 en funció dels condensadors dels que disposem... En el meu cas, augmentant el valor de L1 fins a 2,7mH s'aconsegueix arribar fins a 1,3 MHz.
9.2 Circuit Detector i Sintonitzador
La bobina, identificada amb la lletra L en el dibuix, transforma els camps magnètics de les ones de ràdio en senyals elèctrics. La bobina funciona conjuntament amb el condensador variable. Canviant la capacitat del condensador variable podem seleccionar l’emissora que volem sentir.En els cassos en que és necessari utilitzar una antenna com la del apartat 9.1, cal connectar-la a la part superior del condensador i la bobina.
9.3 Circuit Amplificador regeneratiu
Amplifica el senyal captat pel circuit detector i sintonitzador, i envia una part del senyal al circuit detector. D'aquesta manera s'obté un guany molt elevat. El conjunt forrmat pel detector+sintonitzador+amplificador regeneratiu proporciona una elevada sensibilitat (es poden captar senyals molt dèbils) i una elevada sel·lectivitat (no es superposen tant les emisores de diferents freqüències).
En aquest circuit es pot utilitzar qualsevol parella de transistors d'ús general. En aquest circuit s'utilitza el BC109C, que és un transistor amb un guany molt elevat. Els dos transistors es comporten com si fossin un únic transistor amb un guany elevadíssim i una impedància d'entrada també molt gran. D'aquesta manera només s'extreu del circuit sintonitzador una mínima quantitat d'energia que no afecta de forma important al seu funcionament. El que es fa doncs en aquest circuit és amplificar un senyal molt dèbil provinent d'un terminal del circuit sintonitzador i tornar-lo a introduir en l'altre terminal del circuit sintonitzador a través d'una resistència variable. D'això en diem "retroalimentació regenerativa". La resistència variable de 470k proporciona una retroalimentació regenerativa entre la sortida del segon transistor i el circuit sintonitzador i el seu valor afecta de manera molt important al funcionament de tot el circuit. Si el valor de la resistència és massa petit, aleshores el circuit esdevé inestable i es produeixen sorolls extranys com ara xiulets. Si la resistència és massa gran no hi ha prou realimentació i aleshores no se sent res. Per prova i error es determina el valor correcte.
9.4 Circuit Demodulador
A la sortida del condensador de 100nF obtenim un senyal modulat en amplitud. Aquest senyal cal demodular-lo, és a dir, cal extreure el senyal d'audio i eliminar el senyal d'alta freqüència. El diode de germani rectifica el senyal, és a dir elimina els valors negatius del voltatge. El conjunt format pel condensador de 470pF i el potenciòmetre de 220k eliminen el senyal d'alta freqüència, de manera que obtenim un senyal d'audio de molt baixa potència.
9.5 Amplificació
Aquest senyal d'audio de baixa potència s'introdueix per la pota 3 del circuit integrat LM386, tal i com veiem en el circuit. Per la pota 5 s'obté el mateix senyal amplificat, que alimenta un altaveu de 8 ohms.
9.6 Amplificador LM 386 N-1
Si us interessa conèixer en detall aquest circuit integrat només cal que aneu a un buscador com el Google, busqueu "LM 386 PDF" o "LM 386 National Semiconductor PDF" i en trobareu tota la informació i una gran varietat de circuits útils que es poden contruir utilitzant aquest integrat.
Algunes característiques importants d'aquest amplificador són:
- Funciona entre 5-15V
- Consumeix 4mA de corrent quan no hi ha cap senyal a amplificar.
- El guany és regulable entre 20 i 200. El guany és de 20 quan no hi ha res connectat entre les potes 1 i 8; el guany és de 200 quan entre la pota 1 i la pota 8 es connecta un condensador de 10uF. Cal posar el + a la pota 1 i el - a la pota 2.
- Pot dissipar una potència màxima de 1,25W (l'amplificador s'escalfa quan treballa)
- Pot funcionar entre 0ºC i 70ºC
- Amplifica una banda de 300kHz quan el guany és 20 (no hi ha cap element entre els terminals 1 i 8)
- Resistència d'entrada de 50k.
Les potes de l'integrat són les següents:
- GND és un acrònim de "Ground", i s'ha de connectar a terra.
- GAIN significa "Guany". Quan no s'hi connecta res entre les potes 1 i 8 el guany val 20. Quan es connecta un condensador de 10uF en sèrie amb una resistència de 10k el guany val 50. Quan es connecta unicament un condensador de 10uF el guany val 200. Si el condensador és electrolític cal connectar la pota positiva al terminal 1 i la negativa al terminal 2.
- INPUT és per on entra el senyal d'entrada. En el nostre circuit la pota 3 està connectada a la sortida del circuit demodulador (correspon a un voltatge positiu) i la pota 2 està connectada a terra.
- Vout és el voltatge de sortida, que correspon a la diferència entre el voltatge de la pota 2 i la pota 3 multiplicada pel guany.
- Vs és el voltage de la font d'alimentació. A la pota 6 es connecta el pol positiu de la font d'alimentació i el negatiu es connecta a terra.
- BYPASS. Per assegurar el bon funcionament del circuit integrat, connectem a la pota 7 un condensador de 10uF. Si és electrolític cal connectar la pota positiva a la pota 7 i la pota negativa a terra.
Al "Datasheet" del circuit integrat hi trobareu, entre molts d'altres, els següents gràfics:
En aquests gràfics observeu la potència calorífica que ha d'alliberar el circuit integrat en funció de la potència de sortida que proporciona l'integrat per a tres altaveus diferents, de 4 ohms, de 8 ohms i de 16 ohms. Recordeu que la màxima potència calorífica que pot alliberrar l'integrat és 1.5W. THD significa "Total Harmonic Distortion" i representa una mesura de la distorsió del so introduida durant el procés d'amplificació. En els projectes que us proposo sempre utilitzo altaveus de 8 ohms.També observem que si alimentem l'integrat amb una tensió de 12V i utilitzem un altaveu de 8 ohms podem obtenir 0,7W de potència amb una distorsió acceptable. Fixeu-vos que el rendiment del circuit integrat està al voltant del 50%.
Un altre gràfic interessant és el següent:
Hi trobem representat el guany en funció de la freqüència. Fixeu-vos que el fabricant considera com a freqüència d'inici 100 Hz i que pot amplificar freqüències de fins 300kHz (a partir de 20kHz diem que aquestes freqüències corresponen a ultrasons).
Per acabar ens preocuparem de la qualitat del so que proporciona l'amplificador. Fixeu-vos en aquestes dues corbes.
El primer dels gràfics està fet per a una potència de sortida de 0,125W. Fixeu-vos que si ens interessa una qualitat de so elevada no podrem demanar gaire potència.
La segona de les corbes ens indica que la distorsió augmenta molt ràpidament a partir d'una certa potència, que per Vs = 6V és de 0,2W.