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GRUPO 1 – PERIODO 54

Amplificador de alta frecuencia (Radio con un transistor)

Zumba Saltos Anthony Toapanta Vizuete Kevin Sandoval Llamba Katherine

INDICE DATOS DEL TEMA ............................................................................................................... 3 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 3 OBJETIVO ESPECIFICO............................................................................................... 3 PROPUESTA DE ESTUDIO .......................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 5 1. Radio............................................................................................................................ 5 2. Amplificador ................................................................................................................ 7 3. Transistor ..................................................................................................................... 8 DISEÑO Y ANÁLISIS ........................................................................................................... 9 TABLA DE RESULTADOS ................................................................................................ 16 DIAGRAMA EN PBC .......................................................................................................... 16 COSTOS DE CADA COMPONENTE DEL DISEÑO REALIZADO ................................ 17 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 18 Bibliografía ............................................................................................................................... 19

DATOS DEL TEMA OBJETIVO GENERAL: Analizar el funcionamiento de un radio compuesto por amplificadores sintonizados. OBJETIVO ESPECIFICO 

Determinar cómo se comporta un amplificador ante una señal continua y senoidales en cualquier frecuencia basado en transistores de MOSFETS, en donde la ganancia disminuye dependiendo de la frecuencia de la señal que estamos intentando amplificar



Diseñar un amplificador que tenga un ancho de banda de 10 KHz, para la sintonización de una emisora deseada.



Verificar el funcionamiento mediante simulaciones diagramas esquemáticos y tablas de datos.

PROPUESTA DE ESTUDIO Para comprender el uso de un amplificador de alta frecuencia, se propone construir un radio transistor, que contenga un ancho de banda de 10 KHz; que solo amplifique la emisora deseada, rechace las otras y que puede cambiar su frecuencia central. Para esto, el presente trabajo se dividirá en 3 capítulos puntuales En el capítulo 1 analizaremos conceptos básicos de ondas de radio analizaremos los parámetros de medición y de recepción para poder continuar con una base de los conceptos del tema principal. En el capítulo 2 realizaremos un diagrama de bloques de nuestro circuito planteado tomando en cuenta los componentes más importantes y simularemos el circuito tomando los valores de respuesta y colocándolos en una tabla. Revisaremos en el capítulo 3 el diagrama esquemático de nuestro proyecto planteado tomando en cuenta los costos y la tabla de datos de la simulación realizada para poder sacar las conclusiones vistas en todo el proceso.

MARCO TEÓRICO 1. Radio 1.1 Definición La radio es un medio de comunicación masivo (receptor) que permite una Interacción entre los encargados de la transmisión y la sociedad, de manera que se puede lograr una dinámica informativa entre los radioescuchas, se requiere de una planeación para que se logre una radiodifusión; ésta se define como un conjunto de técnicas de emisión de ondas hertzianas que permiten la transmisión de la palabra y de los sonidos. Para comprender el entorno en el cual se maneja este circuito nos adentramos brevemente a la concepción de las ondas de radio. (Gil, 1987) 1.2 Ondas de radio Una onda de radio es una perturbación física producida por un intercambio energético producido por fuerzas eléctricas y magnéticas que cambian periódicamente, desplazándose con el tiempo. Las ondas pueden originarse a partir de una corriente eléctrica variable que circula por un conductor que comúnmente denominar antena, y a partir del cual se emiten las ondas de radio. ¿Aquí es donde se pregunta cómo es que estas pueden ser transmitidas y a la ves receptadas? Para esto existen algunos parámetros a seguir. (Blake, 1992)

Figura 1.- Onda de radio (ONDA DE RADIO, 2019)

1.3 Parámetros de Emisión 1. Clase de emisión. Se denomina clase de emisión al conjunto de características de una emisión, como son: el tipo de modulación de la portadora principal, la naturaleza de la señal moduladora, tipo de información que se transmite, etc... (Lee, 2019) 2. Anchuras de banda necesaria y ocupada. Se define la anchura de banda necesaria, para una clase de emisión determinada, como la anchura de la banda de frecuencias estrictamente suficiente para asegurar la transmisión de la información a la velocidad de transmisión y con la calidad requerida en condiciones especificadas.. (L, 2019) 3. Tolerancia de frecuencia de una emisión. Es la desviación máxima admisible entre la frecuencia asignada y la situada en el centro de la banda de frecuencias ocupada por una emisión. (Saurders, 2019) 4. Emisiones no deseadas. Son emisiones que se producen en un equipo como consecuencia de imperfecciones del mismo. Pueden controlarse, pero difícilmente suprimirse. Se clasifican en emisiones no esenciales y emisiones fuera de banda. (Rábanos, 2013) 1.4 Parámetros de recepción 1. Intensidad de campo mínima utilizable, también llamada campo mínimo necesario o campo a proteger, que es el valor mínimo del campo que permite obtener una determinada calidad de recepción: depende de la sensibilidad del receptor, del rendimiento de la antena y del ruido natural o artificial. 2. Intensidad de campo utilizable, que tiene en cuenta, además del campo mínimo, los efectos de las interferencias de otros transmisores, tanto las existentes en un caso real como las previstas en una planificación.

3. Condiciones de recepción. En la planificación y proyecto de sistemas radioeléctricos como: — Las condiciones de explotación (zona, hora, época del ario). (Areny, 2003) 4. Interferencia. Se define la interferencia en radiocomunicación como el efecto de una energía no deseada debida a una o varias emisiones, radiaciones, inducciones o sus combinaciones, sobre la recepción de un sistema de radiocomunicación. 5. Relación de protección en RF, que se define como el valor mínimo, generalmente expresado en decibelios, de la relación entre el serial deseada y el serial no deseada (interferencia) a la entrada del receptor, determinada bajo condiciones concretas, que permite obtener una calidad de recepción especificada de la serial deseada a la salida del receptor. Suele indicarse el porcentaje de tiempo en el que ha de lograrse tal relación. (Malvino, 2006) 2. Amplificador 2.1 Definición Un amplificador establece una relación (generalmente lineal) entre una señal de entrada y una señal de salida. En si es un dispositivo capaz de elevar el nivel de potencia de una señal. (Tomasi, 2019) 2.2 Tipos de amplificadores 

Amplificador de corriente ideal: (Fuente de corriente controlada por corriente).



Amplificador de transresistencia ideal (Fuente de tensión controlada por corriente).



Amplificador de tensión ideal: (Fuente de tensión controlada por tensión).



Amplificador de transconductancia ideal (Fuente de corriente controlada por tensión).

3. Transistor 3.1 Definición El transistor es un dispositivo semiconductor, que presenta dos modos de funcionamiento: lineal y no lineal. El interés en las aplicaciones de conmutación se centra en la parte no lineal, que permite utilizar dos estados claramente diferenciados (corte y saturación; “1” lógico y “0” lógico). (Cofman, 2015) 3.2 Tipos de transistores

Figura 2.- Transistores tipo NPN y PNP (Millman, 1998)

Existen diversos tipos de transistores, entre ellos los TBJ ó BJT (Transistor Bipolar de Juntura), los TECJ ó JFET (Transistor de Efecto de Campo de Juntura), MOS-FET ó TECMOS y otros. Los más habituales son los TBJ y en ellos se centrará esta referencia. Estos transistores se modelan a través de dos mallas: la malla de entrada y la de salida. La de entrada está dada por la base B y el emisor E mientras que la de salida por el colector C y el emisor E. Puesto que el transistor NPN cumple con las condiciones fundamentales para realizar nuestro circuito lo implementaremos para así adquirir las ganancias recomendables en la obtención de resultados (Sarkar, 2019)

DISEÑO Y ANÁLISIS DIAGRAMA DE BLOQUES DEL DISPOSITIVO PROPUESTO

SIMULACIÓN DEL CIRCUITO PROPUESTO Nuestro problema es recibir una emisora de radio modulada en AM que tiene un ancho de banda de 10 KHz otorgado por la secretaría de comunicaciones. Como al modular se producen dos bandas laterales, una a cada lado de la portadora separadas por la frecuencia de modulación, esto significa que una emisora de la banda de onda media (OM) solo puede transmitir hasta 5 KHz de modulación. La idea es fabricar un amplificador que tenga un ancho de banda de 10 KHz; que solo amplifique la emisora deseada y rechace las otras y que puede cambiar su frecuencia central de modo de cubrir toda la banda de OM mediante el ajuste por un capacitor variable en tamden. En la figura 9 se puede observar el circuito correspondiente.

Fig.3 Circuito básico de un amplificador de RF a transistor NPN

Observe que para empezar la polarización de base la estamos realizando con el mismo generador de funciones ya que el mismo permite generar una señal alterna superpuesta a una continua. Por eso ajustamos la continua a 1,2V para que aparezcan 0,6V aproximadamente en el emisor. Como la bobina tiene baja resistencia, prácticamente no se produce caída de tensión sobre ella y en el colector se pueden medir los 10V de fuente. Curiosamente la tensión de colector puede superar la tensión de fuente debido a los efectos reactivos de la bobina y el capacitor y la disponibilidad de tensión de salida, puede llegar a ser el doble de la tensión de fuente. Es decir que teóricamente es posible que la salida sea de 20V pap con 10 V de fuente. Por supuesto estos valores solo se podrían obtener en las cercanías de una planta transmisora. Por el momento no vamos a analizar el circuito de base que es donde ubicaríamos el cable de antena. Vamos a comenzar analizando el circuito de colector con todo detenimiento. Es obvio que se trata de un circuito sintonizado paralelo o “circuito tapón” ya que a la frecuencia de resonancia no deja pasar señales. Si no fuera por las pérdidas de la bobina y la resistencia de salida del colector que lo excita, sería una resistencia infinita a la frecuencia de resonancia porque la componente inductiva se anula con la componente capacitiva.

Ya sabemos que la ganancia de un amplificador es el cociente entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor (si la tuviera). En nuestro caso la resistencia de emisor esta cortocircuitada por C2 así que solo vale la resistencia intrínseca de emisor. Como ya sabemos que la resistencia intrínseca de emisor es de 8 Ohms la ganancia sería A=α/8=α Es decir, infinito. En la práctica todo depende del Q de la bobina y de la resistencia de salida del transistor. En la figura 10 se pueden observar los instrumentos que nos permitirán realizar las mediciones el circuito.

Fig.4 Amplificador de RF con el instrumental conectado

Observe que conectamos un medidor de Bode para obtener la respuesta en frecuencia del amplificador. Al correr la simulación, de inmediato aparece un pico de ganancia. Moviendo el cursor rojo observamos que ese pico estaba en unos 600 KHz, cuando el tanden estaba ajustado a mitad de recorrido. Como la bobina es ajustable la modificamos para obtener un pico de resonancia en 1 MHz que se puede considerar como el centro de la banda de OM.

El graficador de bode puede presentar directamente la ganancia del circuito, en tanto predispongamos las escalas horizontal y vertical en “Lin.” ya que por defecto aparecen en “Log.”, Debajo del grafico podemos leer que a la frecuencia de 1,002 MHz la ganancia es de 1.141 veces El receptor de 1 transistor En la figura 5 se puede observar el circuito completo. Vamos a analizar para que sirve cada componente comenzando por la entrada de antena. C6 y R1 no pertenecen realmente al circuito; forman lo que técnicamente se llama “Antena fantasma” es decir que reemplaza a la antena real para poder utilizar un generador de AM en lugar de una antena real. La antena real debe colocarse directamente sobre la derivación de la bobina y como ya dijimos procure que tenga un tramo vertical de por lo menos 15 metros. Una antena más corta no garantiza un buen funcionamiento salvo que Ud. esté cerca de las emisoras.

Fig.5 Circu ito de la radio con 1 transistor

COMPONENTES C6 y R1

La Bobina T1

C2

DESCRIPCIÓN No pertenecen realmente al circuito; forman lo que técnicamente se llama “Antena fantasma” es decir que reemplaza a la antena real para poder utilizar un generador de AM en lugar de una antena real. Se encarga de seleccionar la emisora deseada mediante la resonancia del primario del transformador con una sección del tándem representado en este caso por C1 (se usó un capacitor fijo para sintonizar una supuesta emisora de 1 MHz). Es el trimer del mismo tándem que servirá para ajustar la radio en las frecuencias más altas de la banda. Es la otra sección del tándem

C5

C4 y el núcleo de la bobina

T2

Divisor R5 y R4 C8

Permiten realizar el ajuste en la parte alta (C4) y baja (núcleo) de la banda, para que los dos circuitos sintonizados tengan lo que se llama un adecuado “tracking” que significa que siempre estén ajustados a la misma frecuencia cualquiera sea la posición del tandem. Se ubica el diodo detector de AM con su correspondiente capacitor de filtro C7 y resistor de carga R3 Se encargar de prepolarizar el diodo detector de modo que pueda detectar las emisoras lejanas que no llegarían a producir suficiente señal para vencer su barrera Lleva el punto inferior de la bobina a masa para la CA

En nuestro caso podemos calcular que la corriente de base es de (9 – 0,6) / 330K = 25 uA y como usamos un transistor “C” cuya beta es de 400 la corriente de colector será de 25 uA x 400 = 10 mA

Probando el receptor de 1 transistor El WB posee un generador de AM que nos permite probar el receptor en las condiciones normales de funcionamiento. En principio vamos a analizar el funcionamiento solo como amplificador de RF con el osciloscopio conectado entre colector y el generador de AM ajustado para conseguir que el colector utilice toda la tensión posible de salida llegando prácticamente al punto de saturación (tensión de colectar a masa casi nula).

Fig.6 Señal de AM amplificada por nuestra radio de 1 transistor

En la figura 7 se puede observar los oscilogramas en la salida de audio luego del detector comparada con la señal de entrada.

Fig.7 Oscilograma de la señal de salida de audio comparada con la entrada de AM

Por último, vamos a colocar como señal de entrada tres generadores a diferentes frecuencias de RF con diferentes señales de modulación y vamos a observar que la radio selecciona solo el generador a la cual se encuentra sintonizado.

Fig.8 Radio excitada con tres emisoras de diferentes fr ecuencias

TABLA DE RESULTADOS Frecuencia 1,002 MHz

Ganancia 1,141 veces

Amplificador 10 kHz

  

Respuesta Amplifica emisora deseada Rechaza no deseadas Cambia su frecuencia central cubriendo la banda OM

DIAGRAMA EN PBC En la siguiente figura se muestra el diagrama de PCB que se implementó tres generadores a diferentes frecuencias de RF con diferentes señales de modulación

Fig.9 circuito en LVW Y PBC

COSTOS DE CADA COMPONENTE DEL DISEÑO REALIZADO

RADIO TRANSISTOR

MATERIA PRIMA

proteus

Se puede simular, en tiempo real, con posibilidad de más rapidez; todas las características de varias familias de microcontroladores, introduciendo nosotros mismos el programa que controlará el microcontrolador y cada una de sus salidas, y a la vez, simulando las tareas que queramos que lleve a cabo con el programa.

resistencias

capacitores

bobinas

osciloscopio

transistor

La resistencia eléctrica es un dispositivo es una característica de pasivo, utilizado en es un todo material electricidad y componente conductor eléctrico de electrónica, capaz es un instrumento Aparato que dispone pasivo de un hacer oposición al paso de almacenar de ese dispositivo circuito eléctrico de visualización energía de la corriente electrónico para la mediante el cual que, debido al sustentando un eléctrica, es uno de los representación recibe las ondas de fenómeno de la campo eléctrico componentes mas gráfica de señales radiotelegrafía o autoinducción, usados en la eléctricas que radiotelefonía y las almacena electronica.El valor pueden variar en transforma en energía en forma resistivo se mide en el tiempo sonidos o señales. de campo ohms y se usa el magnético. símbolo Ω para denotar esta característica.

COMPONENTE DEL DISEÑO Licencia de software Multisim

COSTO $940

Computadora

$1120

Resistencia

0.50 ctv.

Capacitores de 10nf Osciloscopio

$6 $300

Transistores Generador de funciones Cables conectores Costo total

$4 $10 $5 $2385,50

Tabla1.- Cotos de los componentes

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Se comprobó que en las señales FM su amplitud permanece constante, mientras que su frecuencia varía entorno a la frecuencia central.



Se observó que en la red de adaptación de entrada del módulo amplificador posee una resistencia haciendo que se disipe en ella la mitad de la potencia de entrada, dicha disposición garantiza que en la entrada del transistor solo llegue niveles de potencia menores de 3.5W.



Se comprobó a través del programa de simulación MULTISIM 12.0 el correcto diseño del amplificador de potencia.



Se recomienda implementar un filtro de un orden superior que garantice que todos los armónicos de la banda FM se encuentren atenuados.

Bibliografía 

Areny, R. P. (2003). PARAMETROS DE RECEPCION. Marcombo.

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Blake, R. (1992). Ondas de Radio .

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Cofman, F. (2015). Transistores. Mexico.

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Cristina, R. G. (1982). Introducción al conocimiento y práctica de la radio. Guadalajara.

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Gil, R. (1987). LA RADIO: CONCEPTOS Y FUNCIONES. Obtenido de http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lco/pacheco_p_fl/capitulo2.pdf

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L, B. (Viernes de Mayo de 2019). Radiocomunicaciones . Obtenido de https://www.monografias.com/trabajos26/radiocomunicaciones/radiocomunicaciones.shtml

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Lee, W. y. (Viernes de Mayo de 2019). Obtenido de PARÁMETROS DE RADIO DEL TRANSMISOR: https://www.xirio-online.com/help/es/tx_radio_params.htm

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Malvino, A. (2006). Principios de Electronica. McGraw.



Millman, J. (1998). TRANSISTORES. Hispano Europea.

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Parsons, D. (Viernes de Mayo de 2019). Transistores: Definición, tipos, composición. Obtenido de https://www.monografias.com/trabajos102/transistores-definicion-tiposcomposicion/transistores-definicion-tipos-composicion.shtml

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Rábanos, J. M. (2013). Transmisión por radio. Madrid: Centro de estudios Ramón Areces, S.A.

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Sarkar, Z. (Viernes de Mayo de 2019). Transistor. Obtenido de https://www.areatecnologia.com/TUTORIALES/EL%20TRANSISTOR.htm

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Saurders, R. (Viernes de Mayo de 2019). Frecuencia y Longitud de Onda. Obtenido de http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion-fis/ultrasonidos.pdf

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Tomasi, W. (Viernes de Mayo de 2019). Amplificador. Obtenido de https://www.ecured.cu/Amplificador

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Ureña, Á. G. (2009). Descubrimiento de las ondas de Radio: la confirmación de la Teoría Electromagnética. Investigación y ciencia.