Construcción de bobinas ajustables

¿Tan importante es el tema de las bobinas ajustables? Si, y es muy importante que el reparador sepa como construirlas ya que es uno de los componentes que producen la llamadas reparaciones imposibles por falta de repuestos.

En efecto, si Ud. encuentra un dispositivo electrónico con un transistor quemado, o con un circuito integrado dañado, o un resistor o un capacitor en malas condiciones, va a una casa de electrónica y compra el repuesto original o algún reemplazo del mismo, lo coloca, confirma la falla, entrega y cobra. Pero si el componente dañado es una bobina o un transformador de RF, por lo general no tiene posibilidades de comprar el repuesto en los comercios especializados, porque no puede existir un repuesto genérico tan especifico como el que Ud. necesita. Piense en una bobina de antena como la que diseñamos en la entrega interior. Debe tener una determinada cantidad de espiras en el primario otra en la derivación de antena y otra en la derivación de base. Imposible, hay que fabricarla específicamente y si forma parte de un dispositivo comercial comprarla como repuesto en el servicio técnico oficial (si es que la tienen, si es que tiene un precio aceptable y si es que la venden).

Por lo tanto, una vez más, el técnico de nuestras regiones de América se debe disfrazar de ingeniero y de fabricante y encarar la construcción del repuesto adecuado o la reparación del dañado. No se si por España sucede algo parecido pero un estudio profundo de cómo fabricar una bobina no le viene mal a ningún técnico.

Nosotros vamos a encarar aquí el tema de las bobinas sintonizables en la gama de frecuencias que van de unos 200 KHz hasta uno 5 MHz. Es decir que contempla las radios de AM con ondas cortas y vamos a tratar tanto las bobinas de dos terminales como las bobinas con derivación y lo transformadores de RF con bobinados secundarios. Dejamos ex profesor de lado los transformadores de bajas frecuencia; por ejemplo los de alimentación de 50 Hz porque de ellos existen repuestos genéricos y los de audio porque su uso ya es obsoleto.

No son estas las únicas bobinas que existen en electrónica. Otro material se fabrica específicamente para cubrir frecuencias de 4 MHz a 60 MHz y será tratado oportunamente. Dejamos de lado las bobinas con núcleo de aire porque de ella tenemos ya experiencia y sabemos calcularlas, para dedicarnos a las bobinas ajustables con núcleo de ferrite.

¿Y los materiales para fabricar estas bobinas se consiguen por unidad? No, lamentablemente no se consiguen y entonces el reparador debe emplear su imaginación para transformar una bobina o transformador en otro. Pero la imaginación es un subproducto del conocimiento y si no conocemos los principio prácticos del diseño y la construcción de estos diminutos componentes, no podemos encarar la modificación de uno para adaptarlo a nuestro uso.

Sintéticamente vamos a tomar una bobina similar a la que necesitamos, la vamos a desarmar, a desbobinar y vamos a utilizar el material de base para construir las bobinas que requieren nuestro proyecto.

Y vamos a documentar todo el proceso con claras fotografías de aproximación ya que un foto vale mas que mil palabras.

¿Y si no tengo ninguna bobina de desarme en mi taller? Aun hoy se consiguen el juego de bobinas de una famosa radio llamada Spica. Su valor es muy bajo y su tecnología es exactamente la que mostramos en esta entrega.

Bobinas de baja frecuencia

Este personaje de nuestra historia se pueden observar en la fotografía de la figura 16.2.1 vistas desde diferentes ángulos de observación. Pero lo mas importante es su construcción interna.

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Fig.1 Vistas de bobinas de baja frecuencia

Un inductor con núcleo de aire es simplemente un arreglo de espiras que no puedan ponerse en cortocircuito entre si.

Su inductancia por lo general es baja, salvo que la bobina sea enorme debido a que el aire no tiene propiedades magnéticas. El flujo magnético de una espira es probable que no llegue a las otras con toda su intensidad y entonces el dispositivo pierde efectividad.

Existen materiales que concentran las líneas de campo magnético y permiten construir bobinas mucho mas pequeñas, por ejemplo las mostradas en la fotografía anterior tienen un perímetro de 10 x 10 mm y suplantan a la bobina de núcleo de aire de nuestro primer receptor.
Los materiales utilizados son derivados del hierro llamados ferrites que son una combinación de hierro u óxidos de hierro y cerámicas o resinas epoxis que le confieren su forma. Como sea su permeabilidad magnética puede ser miles de veces mayor que el aire (o el vacío que tiene el mismo valor).

En la figura 2 se puede observar una bobina de baja frecuencia desarmada en explosión en donde se observan 5 piezas sin incluir el bobinado y el capacitor de sintonía. En efecto el transformador posee un lugar para colocar un capacitor de mica/plata de gran precisión y muy pequeña variación con la temperatura. Este capacitor sufre un elevado stress térmico durante la soldadura por inmersión de las bobinas de producción lo que con el tiempo produce corrosión y cortocircuito del capacitor. La solución es desoldar la bobina y romper el capacitor con un destornillador de relojero cambiándolo posteriormente por un capacitor cerámico NPO.

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Fig.2 Despiece de una bobina de baja frecuencia

La base es la sección que permite que la bobina se comunique con el circuito por la soldadura de sus patas. La mayoría de las bases son de 5 patas para que no exista la posibilidad de un error de posición al montarlas en la plaqueta. El primario se suele construir del lado de 3 patas y el secundario del lado de dos patas.

En la infografía se observa que el carretel de ferrite se debe colocar sobre la base pegado con un adhesivo permanente, un adhesivo térmico o para nuestro caso en donde posiblemente tengamos que desarmar la bobina varias veces, con cera de una vela.

En una producción normal el carretel se pega ya bobinado, en nuestro caso se lo pega virgen y luego se toma la bobina por la base para bobinarlo. Sobre el carretel bobinado se coloca el blindaje metálico que en su interior tiene colocado la guía roscada y la cazoleta.

Como ya explicáramos no existe la posibilidad de comprar material por unidad; por lo tanto vamos a explicar como se desarma una bobina. En principio observe que la traba del blindaje se encuentra sobre las patas del mismo. Vuelque la patas del blindaje hacia fuera como indica la fotografía de la figura 3.

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Fig.3 Preparación para el desarme de una bobina de baja frecuencia

  1. Ahora suba la tapa cazoleta desenroscándola y observará que luego de hacer tope en la parte superior del blindaje comenzará a sacar la base de adentro del blindaje. Sigua desatornillando y tendrá la bobina desarmada y el carretel bobinado con la bobina de desarme.
  2. Estudie los bobinados porque debe encontrar el alambre de salida para proceder al desbobinado del carretel. Uno de los instrumentos ópticos que mas utiliza un reparador, es una lupa compuesta generalmente tomada de un camcorder viejo de esos con un pequeño tubo de rayos catódicos como visor. Y debe tener una mesa con iluminación cenital de tubos fluorescentes e iluminación dirigida con una lámpara de larga vida de buena potencia. Para esto es muy útil un iluminador para tablero de dibujo con brazo articulado.
  3. Tome el alambre de salida; córtelo a ras de la pata y tire del alambre hasta desbobinar toda esa sección de bobina. Luego busque el alambre siguiente etc. etc. etc. Luego de vaciar el carretel saque el resto de alambre de las patas con un soldador de 30W.
  4. Cuando tenga el carretel vacío ya puede armar una de las dos bobinas que necesitamos; pero antes debemos terminar de calcularlas ya que conocemos la inductancia del primario y la relación de espiras en la derivación y en el secundario pero no sabemos cuantas espiras debe tener el total del primario.

Cálculo del número de espiras

La permeabilidad de un núcleo es ferrite varía de acuerdo al fabricante y al modelo del mismo. En nuestro caso si recuperamos una bobina no tenemos ninguna posibilidad de conocer el correspondiente parámetro. Solo podemos trabajar en forma aproximada con un dato medio y luego modificar el proyecto de acuerdo al resultado práctico.

Para realizar este trabajo con precisión se debe utilizar un instrumento electrónico llamado Qmetro que nos permite medir la bobina haciéndola resonar con un capacitor variable interno al instrumento ajustado a la capacidad de nuestro tánden.

El modo de trabajar es el siguiente. Se toma el carretel y se bobinan por ejemplo 50 espiras. Se arma la bobina y se mide la inductancia con la cazoleta cerrando el circuito magnético (hacia abajo) y luego totalmente con el circuito magnético abierto (hacia arriba). En nuestro caso los valores medidos fueron 40 uHy y 62 uHy lo que significa que debemos hacer los cálculos con el valor promedio de 51 uHy o aproximadamente 50 uHy.

Ahora podemos calcular la cantidad de espiras necesarias para obtener el valor calculado en la entrega anterior que era de 200 uHy. Comparado el valor obtenido para 50 espiras con el necesario podemos vemos que es exactamente cuatro veces mayor. Pero la inductancia varía con el cuadrado del número de vueltas es decir que se deben bobinar 2 veces la cantidad utilizada en la muestra de 50 espiras es decir 100 espiras. Para el que desee realizar el calculo matemáticamente le indicamos que la formula a utilizar es

L2/L1 = (N2/N1)2 = n2

en donde L1 es la inductancia para 50 espiras y L2 la inductancia incógnita. Esto significa que:

n =√L2/L1 = √4 = 2

Así obtenemos el valor mas importante que es la cantidad de vueltas del primario como de 100 espiras. También de la entrega anterior obtenemos la derivación de antena que era de 2% y la derivación de base que era del 4%. En nuestro caso las cuentas son redondas se requieren 2 espiras para la antena y 4 para la base pero en muchos casos el número no es entero y debe elegirse la pata de comienzo y la de derivación para realizar una aproximación mayor.

El primario de la bobina de colector es idéntico al de antena porque tienen el mismo capacitor de sintonía y el secundario elegido para la simulación fue de 10% de las espiras totales es decir 10 espiras.

En la figura 4 se puede observar un resumen de las bobinas con la cantidad de espiras en cada bobinado.

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Fig.4 Resumen de la cantidad de espiras de las bobinas T1 y T2

Le aconsejamos al lector, que no pueda realizar la medición de la bobina de 50 espiras, que tome los valores indicados, arme el receptor con las núcleos ajustados en la mitad del recorrido. Sintonice una emisora cercana a la mitad de recorrido del tandem y reajuste el núcleo de T2 a máxima señal. Luego analice las emisoras que ingresan para determinar si la banda es la correcta o si faltan emisoras de las frecuencias mas bajas (aumentar el numero de vueltas) o de las frecuencias mas altas (reducir el numero de vueltas).

Fabricación de las bobinas

Lo primero es conseguir el alambre esmaltado. Todas estas bobinas se construyen con alambre de cobre de 0,10 mm de diámetro, esmaltado sintético soldable, que no necesita una limpieza del esmalte previo a la soldadura.

Siempre se comienza con el bobinado secundario sobre el carretel para asegurar un mejor acoplamiento entre bobinados. Y Luego el terminal de masa del primario para que opere como pantalla de masa entre los dos bobinados.

La bobina T1 se comienza a bobinar entonces por la pata 5 donde se ancla el comienzo del alambre con una 10 vueltas aproximadamente. Luego se enrosca en el núcleo tomando la bobina por la base con dos dedos, se bobinan 4 espiras y se saca el alambre enganchándolo con otras 10 vueltas sobre la pata 4.

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Fig.5 Secuencia de fotos del bobinado de T1

Ahora se vuelve a tomar el alambre y se ancla sobre la pata 1 (masa) se bobinan dos espiras y se saca una derivación en la pata 2 sin cortar el alambre, luego se bobinan las 98 espiras restantes terminando en la pata 3.

Antes de soldar el alambre a las patas se deben acomodar las salidas del carretel para que cuando baje la cazoleta no corte los terminales. Para eso se dieron 10 vueltas en cada pata, lo que permite tener material de sobra para acomodar el alambre, retirándolo de las mismas. Suelde con un soldador de 30W y una punta bien limpia con soldadura 63/37 de Sn/Pb. Enderece el blindaje con una pinza de punta y arme la bobina. Pruebe con el óhmetro la existencia de continuidad entre las patas 1, 2 y 3. Luego pruebe la continuidad entre las patas 4 y 5. Por ultimo verifique que el primario y el secundario estén aislados entre si.

Para fabricar T2 se sigue un procedimiento similar con la única diferencia que el secundario que se bobina primero tiene 10 espiras y que el primario no tiene derivación hacia la pata 2. Realice la misma prueba con el óhmetro.

Construcción del receptor

En algún momento vamos a aprender a diseñar circuitos impresos con el laboratorio virtual LW que es uno de los mas simples de usar. Pero en esta entrega vamos a utilizar una plaqueta universal con forma de matriz de perforaciones con islas tal como se puede observar en la fotografía de la figura 6.

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Fig.6 Fotografía de una plaqueta universal

Sobre esta plaqueta es muy fácil armar nuestro receptor de radio de un solo transistor; de modo que se observen claramente todos los componentes involucrados. Las perforaciones están adaptadas a las patas de las bobinas por lo cual lo mas aconsejable es comenzar colocando las dos bobinas y el capacitor variable en tandem. Posteriormente se debe colocar el transistor y por último los capacitores y resistores. Esta secuencia de armado no es la que se utiliza normalmente con las plaquetas diseñadas a medida, en donde se comienza a armar colocando los componentes mas pequeños primero. Si lo hacemos al revés es porque estamos diseñando el circuito impreso a medida que lo vamos armando.

Por lo general se colocan los componentes analizando el cruce de las conexiones y luego se unen los cuadraditos utilizando un fino alambre de cobre estañado soldado sobre cada cuadradito que atraviesa. Si en algún lugar se produce un cruce el mismo se realiza usando un puente de alambre del lado de los materiales.

El tandem puede montarse sobre la misma plaqueta o colocarse fuera de la misma con conexiones cortas.

Tenga en cuenta al diseñar un circuito impreso que dentro de lo posible es siempre mejor realizar una plaqueta alargada (2 x 1 puede ser un valor adecuado) y que es conveniente llevar una línea de masa en el borde inferior y otra de fuente en el superior. Luego se debe tratar de tener el ingreso de señal por una punta de la plaqueta y la salida por la otra para evitar acoplamientos espúreos de entrada salida.

Prueba y ajuste de la radio

Es muy común que durante el armado de un dispositivo se cometan errores. Por eso no tiene mayor sentido armar circuitos de los cuales se desconoce su funcionamiento. En nuestro caso el simulador EWB no ayudará enormemente en la tarea de arrancar nuestro receptor. Si nuestra radio funciona inmediatamente escucharemos las emisoras mas potentes por el parlante en cuanto conectemos la batería y sintonicemos con el tandem.

Verificación de los valores de los resistores y tensiones continuas

Si no escucha nada deberá proceder a verificar el funcionamiento. Lo primero es siempre una verificación visual componente por componente prestando la mayor atención a los valores de los resistores (si tiene dudas verifíquelos con el óhmetro del tester digital sin desconectarlos del circuito) y recién después proceda a medir las tensiones continuas.

Para conocer las corrientes y las tensiones de nuestro circuito lo mejor es recurrir a la sonda medidora del EWB conectada en lugares muy bien seleccionados para detectar componentes dañados o errores de armado.

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Fig.7 Tensiones y corriente continuas

Lo primero que debemos medir es la tensión sobre el capacitor C3. Recuerde siempre que en un circuito analógico tal como un amplificador la tensión continua entre la base y el emisor es siempre de aproximadamente 650 mV que corresponde con una barrera de silicio en directa. En nuestro caso como el emisor esta conectado a masa la tensión en la base del transistor es directamente la tensión entre la base y el emisor. Y como el bobinado secundario de T1 es prácticamente un cortocircuito para la CC; la tensión sobre C3 debe tener el mismo valor que en la base. Observamos que la sonda indica un valor de 693 mV. Los otros valores indicados no son importantes porque o son iguales al medido o están midiendo el ruido del circuito como por ejemplo Vp-p de 165 pV (picovolt).

Si esta tensión es de 9V el transistor tiene la base abierta y si es de 0V tiene un cortocircuito entre la base y el emisor. La sonda también indica valores de corriente; en este caso de 25,2 uA que podría ser un parámetro interesante de medir pero que requiere abrir el circuito de base.
La sonda de colector nos indica 9V con respecto a masa debido a que el colector está indicando directamente la tensión de batería. Esta medición no es muy significativa porque su valor sería el mismo aun con el transistor abierto en la juntura de colector. En este caso es imprescindible levantar el colector del circuito impreso y medir la corriente de colector si se desea conocer el estado del transistor.

Por ultimo tenemos la sonda de la prepolarización. Ud. podría suponer que aun sin prepolarización el diodo detector D1 funciona igual y puede ser cierto pero solo si está cerca de una emisora y solo se podría sintonizar dicha emisora. La prepolarización reduce la distorsión de las emisoras potentes pero ayuda a recibir las mas lejanas que de otro modo quedan enmascaradas debajo de la barrera del diodo.
La tensión sobre C8 es la barrera del diodo y si se mide en el ánodo del mismo se encontrará el mismo valor de tensión.

Verificación de fallas de capacitores

La falla de un capacitor es mas difícil de encontrar.

  • Si un capacitor se pone en cortocircuito afectará la tensión presente sobre él.
  • Pero los capacitores no electrolíticos suelen tener un escaso historial de fallas y cuando fallan por lo general se abren. En ese caso el circuito quedará afectado en la ganancia, pero seguirá funcionando por lo menos con emisoras muy potentes.

Para encontrar un capacitor abierto simplemente conecte otro en paralelo con el sospechoso, si el circuito comienza a funcionar el capacitor está abierto o desvalorizado.

El capacitor variable también puede ponerse en cortocircuito pero si es la sección de colector pondría la fuente en cortocircuito y seguramente lo observaríamos de inmediato. Pero es muy difícil que el capacitor variable se ponga en corto en todo su recorrido, así que debe moverlo y si escucha chasquidos muy fuertes entonces desconéctelo y mídalo con el óhmetro. La sección de antena del tandem es algo mas difícil de detectar porque sobre ella no hay CC pero al girarla también se producirán chasquidos muy fuertes.

Si el receptor funciona seguramente lo hará con poca sensibilidad, debido a que aun no esta ajustado.

  1. Sintonice la primer emisora de la banda de su lugar de residencia recordando que las ondas medias pueden tener un alcance de varios miles de Km.
  2. Escuche cuando emitan su característica y su frecuencia (es obligatorio que lo hagan por lo menos una ves por hora) y si esta muy dentro de la banda apriete la cazoleta de ambas bobinas y vuelva a sintonizarla hasta que caiga aproximadamente en el lugar correcto.
  3. Si la primer emisora sintonizada es en realidad la segunda, tercera, etc significa que debe aflojar las cazoletas de las bobinas y volver a sintonizar.
  4. Cuando la emisora cae en el lugar correcto debe ajustar la bobina T2 y resintonizar, hasta que la señal sea la máxima.
  5. Ahora se debe ajustar la parte alta de la banda.
  6. Sintonice la emisora mas alta de su zona. Si esta muy dentro de la banda llévela al lugar correcto reduciendo el valor de ajuste de los trimers. Si se encuentra fuera de banda aumente el valor de los trimers.
  7. Cuando la emisora ya esté en posición debe dejar de ajustar el trimer de T1 y reajustar el trimer de T2 a máxima sensibilidad.

Este ajuste es iterativo. Luego de volver ajustar la parte baja de la banda debe ajustar nuevamente la parte alta hasta que no sea necesario ajustar mas las cazoletas o los trimers, dando así por terminada la prueba y el ajuste.

Conclusiones

Así terminamos de presentar el primer proyecto de una radio de un transistor. No es un dispositivo de grandes prestaciones pero la idea es que el alumno vaya analizando circuitos cada ves mas complicados y tenga oportunidad de realizar practicas cada ves mas completas. Por ejemplo en esta entrega no le brindamos el diseño del circuito impreso aunque le damos indicaciones sobre su diseño sobre una plaqueta universal. Inclusive no le indicamos como están dispuestas las patas del transistor porque pretendemos que lo busque en Internet o lo encuentre en algún manual.

En la entrega próxima vamos a comenzar a estudiar el receptor de radio de AM del tipo superheterodino que es la base de todos los dispositivos modernos de recepción. Un TV (a TRC, LCD o Plasma), un centro musical un sintonizador de radio, un receptor de radioaficionado, un teléfono celular; todos tienen un receptor superheterodino en su interior y Ud. debe saber el porque de su casi universalidad y conocer al detalle sus etapas una a una que son casi un resumen de la electrónica analógica moderna.

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