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- Receptor Superheterodino para Onda Media -
Entre los genios que permitieron la popularización de la radio figura por derecho propio el ingeniero estadounidense Edwin Howard Amstrong, que ya siendo estudiante ideó el circuito Regenerativo, que permitía escuchar estaciones lejanas con una sola válvula de radio. Poco después inventaba el Superregenerativo, también muy sencillo y especial para ondas cortas, y con el tiempo fue el padre de la modulación en frecuencia (FM), que mejoraba la calidad del sonido al rechazar los ruidos parásitos... Pero sin duda, de todas sus realizaciones, la más importante fue el llamado Superheterodino, verdadero "Cum Laude" de los receptores de radio, y que en este caso vamos a construir.
A muchas personas el nombre de Superheterodino les puede resultar extrañísimo, y sin embargo, aún sin saberlo, la mayoría de ellas llevan la vida entera utilizando este tipo de receptores o aprovechando sus ventajas, porque las venerables radios de salón de nuestros padres y abuelos ya eran Superheterodinos, como también la parte receptora de los televisores, y los sintonizadores vía satélite, los Wi-Fi y los teléfonos móviles. Y a un nivel más profesional también los son algunas partes de los radioenlaces de voz y datos, de los radares y de la inmensa mayoría de los dispositivos que utilizan ondas electromagnéticas para comunicarse.
¿Pero que hace tan especial el Superheterodino? Pues sencillamente que su circuito soluciona de manera definitiva los principales problemas de la recepción, como son conseguir una muy alta sensibilidad para señales débiles, una excelente selectividad para separar las estaciones próximas y una buena calidad y estabilidad en la recuperación de las señales lanzadas al éter por un emisor. Por estos motivos, los superheterodinos se han impuesto en todos los campos en que se necesita asegurar el funcionamiento de las comunicaciones por radio, como en la radiodifusión comercial, en campos profesionales como la náutica, policía o bomberos, en la telefonía o en Internet, e incluso en las necesidades especiales y bastante exigentes técnicamente de las comunicaciones entre radioaficionados.
Edwin H. Amstrong, en una conferencia pronunciada ante el Radio Club of America
El sistema inventado por Amstrong se basa en mezclar dos señales, la procedente de la antena y la generada en el interior del receptor por un circuito denominado "Oscilador Local", la cual es algo distinta en frecuencia a la anterior. Por el efecto denominado "heterodino" el resultante de dicha mezcla son dos señales más; una de ellas la suma de las dos anteriores, y la otra su resta.
Para explicarlo mejor imaginemos que la señal de la frecuencia de recepción es de 1 Megahercio, es decir, 1.000 Kilohercios (Khz), mientras que el oscilador local es de 1.450 Khz. Las suma de ambas será de 1.000+1.450 = 2.450, mientras que la resta será 1.450-1.000 = 450 Khz. A la vez, estas señales resultantes serán en amplitud el producto de las dos señales originales, y ya que la señal de antena variará con la intensidad puntual de la estación que recibimos, sus sumas y restas también harán lo mismo.
Bien ¿Y ahora que hacemos con estas dos señales? Pues pasarlas a través de un filtro selector, que denominaremos de Frecuencia Intermedia (F.I.), que seleccionará una de ellas y eliminará la otra. Normalmente elegiremos seleccionar la más baja, en este caso de 450 Khz, y el motivo es que a estas frecuencias la selectividad o "ancho de banda" que el filtro dejará pasar es más "estrecha" en valores absolutos dados en kilohercios, es decir, con un receptor de este tipo podremos separar mucho mejor las emisoras próximas que en uno de Sintonía Directa o incluso que en un Regenerativo, sumando la ventaja sobre este último que el funcionamiento del Superheterodino añade a la señal recibida un ruido muy inferior.
Diagrama de bloques de un receptor Superheterodino
Naturalmente, un circuito capaz de realizar estas funciones será sensiblemente más complejo que otros tipos de receptores, pero dicha complicación sale a cuenta por el resultado que se consigue, de tal manera que, como ya hemos dicho con otras palabras, este tipo de circuitos han acabado representando el 99,9 % de todos los sistemas actuales de recepción.
Radio Superheterodino de lámparas Adwater Kent de 1935, un excelente representante de esta época
Dos receptores Superheterodinos a transistores, un Sony Multibanda Earth-Orbiter, y un Sanyo de principios de los 60
En esta ocasión nos decantaremos por un montaje Superheterodino clásico pero con algunas soluciones experimentales para simplificar partes no esenciales. Después de algunos bocetos he dado forma al siguiente circuito, en el cual podemos distinguir una serie de elementos:
Circuito de nuestro receptor Superheterodino para Onda Media que montaremos con el N-ieP
1) El transistor de entrada T1, situado más a la izquierda, del tipo BF-198, realiza tres funciones distintas:
A) Por una parte, a través de la bobina L2, de sólo ocho espiras, recoge la señal de antena de las emisoras que queremos recibir, y que ya han sido sintonizadas y seleccionadas por el filtro resonante que forma la bobina L1, los condensadores asociados y naturalmente el núcleo de ferrita, que con su notable permeabilidad, muy superior a la del hierro, consigue captar con muy bajas pérdidas el componente magnético de las ondas de radio, que traduce en corriente eléctricas de alta frecuencia y que acaban en L2.
B) La bobina L3 es parte principal del llamado Oscilador Local, una especie de pequeño emisor de radio cuya señal prácticamente no sale del circuito, y que está calculado de manera que siempre oscile a una frecuencia 450 Khz más alta que la que tengamos sintonizada en L1. El condensador variable CV, cuyas dos partes se mueven al unísono por estar montadas sobre el mismo eje, tienen una relación de valores que permite que dicha diferencia (450 Khz) se mantenga en todo el margen de sintonía.
C) A la vez, como ambas señales, la de antena y la del oscilador local circulan a través del mismo transistor, se mezclan (se heterodinan) creando dos frecuencias resultantes que son precisamente la suma y la resta de ambas. Y esta segunda, la resta de 450 Khz, es precisamente la que va al transformador de frecuencia intermedia Tr1, sintonizado a este valor, y que por tanto pasa esta señal al siguiente circuito y rechaza todas las demás que sean más altas o más bajas de este valor.
2) El transistor T2 de Frecuencia Intermedia es también del tipo BF-198, que utilizo normalmente para radiofrecuencia en los montajes, y está conectado en una configuración clásica de emisor común. Esta etapa se caracteriza por trabajar a una frecuencia fija de 450 Khz e independiente de la señal que estemos recibiendo, y su principal función es añadir más "selectividad" al receptor, es decir, mayor capacidad de discriminar una emisora de otra que esté muy próxima, lo cual se consigue mediante los dos transformadores de FI, el Tr1 y el Tr2, ambos sintonizados a 450 Khz.
En un superheterodino normal, esta selectividad se concreta en un cierto "Ancho de Banda", que suele ser de +/- 4 ó 5 Khz sobre la frecuencia central (es decir, de 8 a 10 Khz en total), lo cual permite separar bien las emisoras y a la vez reproducir la voz y la música con buena calidad. Un receptor de comunicaciones destinado solamente a recibir voz necesitaría +/- 3 Khz, si fuera para recibir modulación de Banda Lateral Unica (BLU) este valor quedaría reducido a 1,5 Khz y para recibir señales de Morse sin modulación, es decir, onda continua, podría ser incluso tan estrecha como de 0,1 Khz, aunque entonces esta parte del circuito ya sería mucho más compleja y además de filtros basados en bobinas y condensadores precisaría de resonadores de cuarzo que para un aficionado no son fáciles de conseguir.
3) A la salida de Tr2 y antes del potenciómetro de volumen de 10 K vemos el diodo detector de germanio, que rectifica la señal alterna de alta frecuencia. El condensador de 10 nF filtra la componente para recuperar la señal de modulación, es decir, la que contiene el sonido y la música.
4) La parte amplificadora de baja frecuencia (BF), llamada tabién AF por "audiofrecuencia", está formada por dos etapas en serie con transistores BC-547. El primero de ellos es el preamplificador y el segundo la etapa final que ataca los dos altavoces de media impedancia. Ambos transistores trabajan en Clase A, y en el final utilizamos el truco de limitar la corriente con una resistencia de 330 Ohms y desacoplarla luego para la señal de alterna con un condensador electrolítico, con lo cual conseguimos un volumen aceptable con un bajo consumo (20 mA), aunque sea a costa de añadir una pizca de distorsión.
La lista de materiales para este montaje es la siguiente:
Lista de materiales para este montaje:
1 Bobina doble de 50 y 8 espiras, con núcleo de ferrita
2 Transistores BF-198 NPN
2 Transistores BC-547
1 Diodo de Germanio OA95 - OA85
2 Resistencias de 220 Ohms
1 Resistencia de 330 Ohms
2 Resistencias de 470 Ohms
1 Resistencia de 2,7 K
1 Resistencia de 1 K
1 Resistencia de 10 K
1 Resistencia de 22 K
1 Resistencia de 47 K
3 Resistencias de 100 K
1 Resistencia de 470 K
2 Condensadores de 50 pF
1 Condensador de 470 pF
2 Condensadores de 560 pF
4 Condensadores de 10 nF
3 Condensadores de 47 nF
2 Condensadores de 1 uF
3 Condensadores electrolíticos de 47 uF
1 Condensador de 330 uF
1 Condensador de 470 uF
1 Condensador variable "Tandem" de 430+430 pF
2 Condensadores "Trimers" de 15-35 pF
1 Potenciómetro 10 K Lin (fijo en panel)
2 Altavoces de 62 Ohms (fijos en panel)
1 Antena de ferrita cilíndrica de 1 x 16 cm.
1 Bobina Oscilador Local de Lavis 767
2 Transformadores de FI de Lavis 767
A igual que ocurre con el circuito teórico, el montaje real ocupa una mayor extensión sobre el tablero N-ieP. La disposición sigue en lo posible un esquema "lineal" de izquierda a derecha, para que sean visibles las distintas partes. Para ello utilizaremos 36 contactos clip/muelle removibles y 13 fijos. En cuanto a los componentes propios del tablero, solamente usaremos uno de los potenciómetros de 10 K para control de volumen y los dos altavoces de media impedancia, que en esta ocasión irán conectados en serie.
Plano de montaje del radio-receptor Superheterodino de cuatro transistores, para Onda media
Pese a disponer de una idea del montaje, un circuito de estas características no puede abordarse al buen tun-tún, colocando los componentes y las conexiones, y esperando que salga andando a la primera, porque a diferencia de otros proyectos realizados hasta ahora con el N-ieP, el resultado final exige que varios módulos que funcionan bien por separado lo hagan también de forma coordinada. Especialmente las partes de radiofrecuencia como son el módulo de Frecuencia Intermedia y la etapa sintonizadora-osciladora-conversora.
En pocas palabras; en este caso es necesario ir por partes y no pasar a la siguiente antes de haber dejado lista la anterior. Comenzaremos por tanto montando el amplificador de baja frecuencia (BF), de dos transistores BC-547, uno de ellos trabajando como preamplificador, y el otro como paso de salida en clase A. Se podría argumentar que estos transistores son más bien "de señal" que no "de potencia", pero para conseguir un mínimo de 200 mW. con que atacar los altavoces, el BC-547 va sobrado y ni siquiera se calienta lo más mínimo mientras se mantenga a un volumen razonable.
Las dos siguientes imágenes muestran el amplificador de audio y la etapa de frecuencia intermedia, que se distingue por los dos filtros pasabanda, llamados también "transformadores de F.I.", en forma de pequeños cubos de aluminio con un tornillo de ajuste en la parte superior. Dicho tornillo sirve para variar la inductancia de la bobina interna, lo cual unido al condensador externo, que en este caso es de 560 pF, permite sintonizar el conjunto a una frecuencia alrededor de los 450 Khz.
Estos "transformadores" no son componentes que puedan improvisarse ni que puedan encontrarse en tiendas actuales de recambios, así que para conseguirlos la forma más fácil será a partir del reciclado de viejas placas. En este caso han salido de una radio Lavis 767 muy estropeada y con la caja rota que desguacé unas semanas antes de este montaje. De esta radio y de su circuito he aprovechado también los condensadores de 560 pF asociados a estos filtros y algunos elementos más que iremos viendo, aunque he de decir que no utilizo los "Transformadores de FI" tal como indica el esquema del Lavis, en donde van montados dos a dos y con acoplo capacitivo entre ambos, sino cada uno en solitario y usando solamente el acoplo inductivo interno entre el primario, que está sintonizado y es de media impedancia, y el secundario, que no está sintonizado y es de baja impedancia.
Primeras fases del montaje, el amplificador de baja frecuencia, la detección y la etapa de Frecuencia Intermedia
Detalle de la etapa de Frecuencia intermedia, con los dos transformadores sintonizados y el transistor BF 198
Una vez nos hemos asegurado que el conexionado del circuito es correcto y las polarizaciones están bien establecidas, ajustaremos nuestro generador de radiofrecuencia a 450 Khz y lo conectaremos la entrada del circuito de FI. Seguidamente daremos tensión al circuito y observando la señal con el osciloscopio, y con un pequeño destornillador (mejor si es especial de ajuste, con punta de material plástico para que el metal no efecte a la inductancia) iremos reajustando los núcleos de ambos transformadores para que la señal a la salida sea máxima, lo cual ocurrirá cuando los dos estén alineados entre ellos y a la frecuencia de 450 Khz.
La siguiente imagen muestra la pantalla del osciloscopio conectado a las salida de la etapa de FI, y puede verse perfectamente la radiofrecuencia amplificada, en este caso modulada al 60% por una señal sonora de 1000 Hz. En este caso, además, he comparado las señales de entrada y salida, y aplicando la fórmula:
Ganancia de tensión en Decibelios (db) = 20 x Log (V2/V1)
... Y siendo V2 la tensión de salida y V1 la de entrada he averiguado que con esta etapa obtengo una ganancia de 21 dB (unas 11,2 veces). Naturalmente, en caso que la de salida fuera menor que la de entrada, el resultado final no reflejaría una "ganancia" sino una "atenuación".
Una vez alineadas las Frecuencias Intermedias a 450 Khz con el generador
de RF, comprobamos su ganancia con una señal modulada al 60%
Aquí puede ocurrir que alguien intente este montaje sin disponer de Generador de Radiofrecuencia ni de Osciloscopio, lo cual puede complicar bastante el proceso. Pero incluso así hay maneras más directas de efectuar este ajuste, aunque tal vez no consigamos tan buenos resultados. Sea como fuere, para el ajuste deberemos utilizar algún tipo de señal de entrada, con lo cual será necesario tener algo de paciencia y esperar a tener montado el resto del circuito.
Bien, ahora nos tocará montar la parte más compleja, formada por el circuito de antena, el oscilador local y parte mezcladora:
El circuito de antena estará formado por la antena de ferrita y la bobina que también hemos obtenido del desguace del Lavis y un condensador variable de 300 pF que conectaremos sobre el tablero como si fuera un componente más.
A este respecto, vamos a decir que los Superheterodinos básicos de recepción de Onda Media y Corta llevan un condensador variable doble (llamado "tandem"), en que el mismo eje mueve ambas partes a la vez, y el motivo es que para sintonizar las emisoras necesitaremos ir variando al unísono dos elementos distintos: la frecuencia de sintonía de antena y la frecuencia del oscilador local, pero como la segunda es superior en 450 Khz a la primera, las dos partes del condensador no puede ser eléctricamente iguales, porque aún modificando la bobina osciladora, esta relación no se mantendría. Por este motivo, en los antiguos catálogos de radio se ofrecían también valores asimétricos de por ejemplo 400 + 200 pF o similares. Pero como esto complicaba la fabricación y la estandarización de modelos, la mayoría de las veces se construían iguales y luego se utilizaba un condensador fijo (llamado "padder") en serie con la parte variable del oscilador local, para conseguir que su capacidad máxima efectiva fuera casi la mitad de la de antena.
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