Receptor Superheterodino

El receptor superheterodino es un diseño de amplificador de RF utilizado casi universalmente en todo equipo receptor, que deba comunicarse por aire o por cable con un conjunto de transmisores, o inclusive para la comunicación con un transmisor único.

Entre otros, tienen forma de receptor superheterodino las radios de AM de FM los TVs de todo tipo, los receptores de comunicaciones etc. etc. El lector debe recordar que comenzamos nuestras experiencias practicas con una radio a galena y que con ese sencillo dispositivo podíamos seleccionar una radio en particular de las muchas que llegan por el aire a nuestro receptor.

Recuerde que cada radio posee una frecuencia característica por la cual se comunica con sus radioescuchas y que debíamos variar la capacidad de nuestro tándem de sintonía para seleccionar una radio particular y rechazar las otras. Seguramente el alumno realizo las prácticas y debe haber observado:

  • Muchas veces se mezclaban las emisoras adyacentes sobre todo si una ingresaba a la antena con mucha energía y la otra lo hacia débilmente.
  • Solo se escuchaban las emisoras más potentes y más cercanas. Las lejanas ingresaban muy débilmente. Por esa razón agregamos un transistor amplificador con el que se podían recibir algunas emisoras más.

Este circuito de un transistor utilizaba dos circuitos resonantes. Uno en la bobina de antena y otro como carga de colector del transistor. Y cada circuito tenía su propio capacitor de sintonía; es decir dos capacitores montados sobre un mismo eje que se llamaba Tandem.

El lector se debe imaginar que esos capacitores deben variar en forma muy pareja para lograr que los dos circuitos sintonizados resuenen a la misma frecuencia. Por lo general esto es imposible de conseguir y hay que utilizar algún circuito que nos permita realizar un ajuste de las diferencias entre los capacitores en tándem.

Pero un receptor con un solo transistor amplificador no alcanza para obtener la sensibilidad que posee un receptor moderno. En los comienzos de las radios a válvulas  llegaron a utilizarse tándenes de hasta 5 secciones; si consideramos como vamos a ver después que cada sección posee dos ajustes entonces la calibración total posee 10 ajustes que es una imposibilidad desde el punto de vista económico para las producciones del tipo Asiático que buscan minimizar la cantidad de operarios.

A continuación vamos a analizar como se realiza el ajuste de una radio de dos transistores y tres secciones para luego ingresar directamente al mundo de un superheterodino.

Ajuste del receptor de 2 transistores

En la figura 1 se puede observar un circuito simulado con un transistor que nos permitirá comprender la complejidad de la calibración del equipo.

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Fig.1 Radio de AM de 1 transistor

Como opera la sintonía de esta radio; en principio hay dos circuitos sintonizados con el primario de T1 y T2 que fueron modificados para llevar su inductancia de magnetización a un valor de aproximadamente 200 uHy. En Multisim,  picando sobre el símbolo con el botón de la izquierda del mouse y luego seleccionando “edit mode” para que salga el programa del transformador TS_RF. Dentro del programa se debe entrar en Lm y modificar la última columna a 200e-006H. Esta inductancia de primario resuena con C1 o con C5 con C2 o C4 en paralelo.

Ambos son capacitores variables; C1 y C5 se mueven en tándem cuando el usuario desea sintonizar una emisora. C2 y C4 son ajustables con un destornillador perillero por el reparador. Los transformadores y los capacitores variables del Multisim tiene el valor exacto que uno les asigna, pero eso no ocurre en la realidad. Por eso para ajustar esta radio se debe realizar una operación iterativa que lleva varios minutos de trabajo.

Comencemos explicando que la banda de OM (Onda Media, más conocida en la Argentina como de OL u onda larga) va desde 530 a 1600 KHz.

  1. Siempre se debe comenzar el ajuste colocando los capacitores C2 y C4 en su posición central (al 50%). Y los capacitores C1 y C5 a máximo valor.
  2. Luego debe medir con un tester digital la prepolarización generada por R5 y R4 sobre C7 que es del orden de los 0,9V.
  3. Luego debe conectar un generador de RF sin modular sobre la entrada de antena o irradiar con una bobina irradiante una señal de 530 KHz de una amplitud tal que la tensión continua sobre C7 suba unos 100 mV.

En el mundo real T1 y T2 tienen un núcleo ajustable de ferrite. En la simulación los transformadores no tienen esa posibilidad y entonces se deben agregar inductores variables, en serie con otros fijos y ambos en paralelo con los primarios, para simular un transformador que tenga una inductancia de magnetización variable. En la figura 2 se puede observar el circuito modificado con el agregado de LV1 y LF1 sobre T1 y LV2 y LF2 sobre T2.

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Fig. 2 Circuito con la inductancia de primario variable

  1. Lo primero que hay que hacer es modificar la inductancia de magnetización de los dos transformadores a un valor de 2 mHy (en la nomenclatura del Worbench sería 2e-3H) para que no influya sobre el circuito. Ahora todo se maneja con LV1 y LV2.
  2. Ahora si se puede realizar el primer ajuste que consiste en modificar ambos inductores buscando la máxima salida de continua. Si la tensión sobre C7 aumenta mucho reduzca la salida del generador de RF y vuelva a justar LV1 y LV2.
  3. Ahora lleve el tanden a mínima capacidad; cambie la frecuencia del oscilador a 1600 KHz y ajuste los capacitores C2 y C4 que se llaman “trimers”  (literalmente: enroscado) siempre a máxima tensión continua de salida.
  4. Si ahora vuelve a realizar el primer ajuste se encontrara que está corrido porque C2 y C4 modifican levemente al ajuste en 530 KHz. Ajuste nuevamente los inductores LV1 y LV2. Luego vuelva a ajustar los trimers y así sucesivamente hasta lograr que no haga falta reajustar los inductores. Ahora se puede dar por ajustado el sistema.

En este caso el ajuste es relativamente sencillo pero el receptor solo posee la ganancia de una sola etapa amplificadora. Al agregar más transistores y transformadores de RF el problema se complica. Lo típico es utilizar 4 transistores y entonces nos encontramos con 8 ajustes.

Además la ganancia depende del factor de calidad de las bobinas y es imposible adecuarlo a toda la banda de frecuencias. Esto significa que las emisoras que están en las puntas de banda siempre tienen menos salida que las que están en el centro.

Los osciladores de radiofrecuencia

Un bloque oscilador es una etapa que entrega una señal de salida de RF sin necesitar el ingreso de otra. Es decir que es un circuito electrónico que permite generar una señal de frecuencia y amplitud relativamente constante.

Un oscilador es un amplificador realimentado.

Cuando analizamos los amplificadores de audio utilizamos la realimentación negativa sobre un amplificador para estabilizar sus características. La realimentación positiva realiza una operación inversa a la negativa.

  • Un amplificador con realimentación negativa tenía menos ganancia que uno sin realimentación
  • Un amplificador con realimentación positiva tiene más ganancia que el amplificador sin realimentar

En la figura 3 se puede observar un oscilador clásico llamado Hartley por el científico que trabajó con el.

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Fig.3 Oscilador Hartley

Un oscilador comienza a oscilar por el pulso de polarización del circuito o por algún pulso de ruido que aparezca en la base del transistor. Cuando se aplica la tensión de fuente VCC, el capacitor C2 se encuentra descargado y por lo tanto la base conectada a través del primario de T1 y R2 no tiene tensión. En ese estado Q1 esta cortado y no circula corriente por el bobinado secundario de T1.

Un instante después C2 tiene suficiente carga para que T1 conduzca y al hacerlo comienza a circular corriente de colector generando un pulso hacia abajo de la tensión de colector. Dado que el bobinado de base se encuentra invertido esto significa que la base tiene un pulso positivo que refuerza la conducción del transistor. Estos pulsos de energía excitan al circuito oscilante formado por el primario de T1 y C1 y las variaciones de corriente de colector comienzan a tomar una forma senoidal característica de un circulito LC. La señal sigue una forma senoidal creciente hasta que se satura la base de Q1 y deja de crecer.

Dada la acción del circuito resonante podemos observar que se obtiene una senoide prácticamente pura en el colector, de 5V de pico (el potencial de fuente) apta para excitar a otros circuitos. Con la derivación del bobinado de colector o agregando u pequeño resistor en emisor se puede conseguir una tensión de salida mas pequeña.

Condiciones de oscilación

Un científico llamado Barkhausen analizó las condiciones para que un circuito se comporte como un oscilador enunciando lo que llamó “Condiciones de oscilación”. Para entenderlas vamos a aplicarlas a nuestro oscilador Hartley.

La primera es la condición es la de ganancia; ella implica cortar el lazo de realimentación en algún punto sin afectar la polarización y agregar un generador de RF.

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Fig.4 Medición de las condiciones de Barkhausen

Observe que para cortar el circuito fue levantado el resistor R2 y conectado a un generador con la misma frecuencia a la que se producía la oscilación. Para mantener la polarización al generador se le ajustó la tensión de bias en el mismo valor que tenia el capacitor C2 del circuito original. Los oscilogramas se toman sobre el generador agregado y el lugar donde antes estaba conectado R2 y se observa que el valor realimentado sea superior al del generador. En este caso se realimentan 20V de pico y se aplica 1V de pico. Esto indica que sobra energía para mantener la oscilación cumpliéndose la condición de amplitud.

La segunda condición es la de fase y a pesar de que existe un pequeño desfasaje entre las señales, se observa que las dos señales tienen prácticamente un desfasaje de 0º  lo que asegura que la realimentación es positiva.

Los conversores de frecuencia

Cualquier dispositivo alineal al que se le inyecten dos señales senoidales genera múltiples componentes de salida que incluyen a cada una de las dos señales, la suma de las dos señales, la diferencia y todas las armónicas de las mencionadas señales.

Este dispositivo alineal con un adecuado filtro de salida que seleccione una de las componentes generadas se transforma en un conversor de frecuencias. El dispositivo alineal más simple es el diodo que deberá ser explorado en la parte mas curva de sus características. En la figura 5 se puede observar un circuito de demostración.

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Fig.5 Conversor de frecuencia a diodo

Aquí podemos observar el resultado de modular la característica curva del  diodo D1 con una señal de 1,5 MHz mediante un resistor de 100K y un generador de funciones y agregar una señal para ser convertida en frecuencia con una elevada resistencia de 1 MOhms. El diodo puede ser considerado como una resistencia que esta variando desde un valor mínimo a uno máximo, al ritmo de la corriente de la señal de 1,5 MHz. Aunque la resistencia no sea constante siempre se cumple la ley de Ohms que indica que

V = R x I  V

es la tensión sobre el diodo e I es en este caso la corriente producida por la señal a convertir (la que circula por R2). Si R fuera fijo (reemplazar al diodo por un resistor) el producto solo tendría una componente de 1 MHz. Pero cuando R varia a un ritmo de 1,5 MHz la tensión V es el producto de dos números que varían en forma senoidales y matemáticamente se puede demostrar que aparecen componentes suma, diferencia y armónicos.

A la señal V se la llama poliarmónica y en el circuito se la filtra con el circuito resonante L1 C1 que resuena a 500 KHz, anulando el resto de la poliarmónica como puede apreciarse en el oscilograma correspondiente y en el frecuencímetro. Es cierto que la señal de 500 KHz aparece distorsionada pero eso se debe a que el filtro LC tiene algo de respuesta a la componente fundamental de 1,5 MHz. En los circuitos reales el filtro está formado por varias etapas amplificadoras sintonizada que eliminan todas las componentes espurias.

Antes de dejar de lado al conversor es interesante mostrar el oscilograma de tensión sobre el diodo para comprobar como se modula su característica curva.

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Fig.6 Oscilograma de modulación de resistencia sobre el diodo

El proceso de heterodinaje

Con los conocimientos adquiridos sobre el oscilador y el conversor de frecuencia vamos a analizar el funcionamiento de receptor superheterodino. La frecuencia de la emisora deseada más todas las demás frecuencia de la banda son captadas por la antena; de todas ellas el circuito resonante de antena selecciona la emisora deseada por medio de una sección del tanden doble y atenúa a las demás. Esta señal se envía al circuito conversor como señal de antena.

Por separado se construye un oscilador con la otra sección del tanden, que oscila a una frecuencia 455 KHz mas alta que la señal de antena. Esta señal se envía al conversor como señal de modulación de resistencia o mas comúnmente del “oscilador local”. El conversor realiza el producto de modulación de ambas señales, generando una poliarmónica. De ella se extrae la señal diferencia con un filtro de 455 KHz de varias etapas. A esta señal se la llama señal de FI (Frecuencia Intermedia).

En la figura 7 se puede observar el diagrama en bloques de este receptor.

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Fig.7 Diagrama en bloques de un receptor superheterodino

Solo nos faltan por conocer algunos bloques que hasta este momento no fueron necesarios aplicar. El receptor supeheterodino puede tener una sensibilidad muy alta debido a la enorme amplificación que proveen las tres etapas amplificadoras de FI y el amplificador de antena. Considere que las amplificaciones calculadas en veces se multiplican y en promedio podemos calcular que una amplificación de 100 veces es algo común para un amplificador sintonizado. Con tres etapas tenemos una amplificación total de 100 x 100 x 100 = 1.000.000 lo que significa que para una salida del diodo detector de 2 o 3 V, la sensibilidad de la radio es de 2 o 3 uV. En realidad el conversor tiene una perdida de conversión por lo que lo normal son las sensibilidades del orden de los 10 uV.

Esto significa que se podrán escuchar emisoras muy lejanas o de poca potencia pero también significa que las emisoras cercanas pueden saturar a los amplificadores de FI y la radio funcionaría con distorsión.

Control automático de ganancia (AGC)

Para evitar este problema se utiliza una etapa llamada “Control Automatico de Ganancia” o sus iniciales “CAG”; en ingles se indica como AGC (Automatic Ganance Control). Esta etapa basa su funcionamiento en la tensión continua que detecta el diodo detector, que se utiliza rectificando el semiciclo negativo. Es decir que a mayor ingreso de señal por la antena le corresponde una tensión continua negativa rectificada mayor.

La polarización de los transistores amplificadores de FI se realiza de modo que esta tensión continua participe de la misma, esto significa que cuando ingresa una señal intensa la polarización de los transistores es baja y las etapas de FI amplifican muy poco. Por lo contrario cuando se genera poca tensión negativa los amplificadores de FI funcionan a plena ganancia.

Funcionamiento a nivel de diagrama en bloque

El circuito de antena es un amplificador sintonizado a la frecuencia de la emisora a recibir. Por lo tanto debe ser posible ajustarlo entre 530 y 1600 KHz y debe estar controlado por el “CAG”. No todas las radios poseen este amplificador. En realidad solo lo poseen los receptores del tipo profesional como el Zenith Transocianic y otros similares; de estos receptores se dice que posee “etapa de alta” (refiriendose a alta frecuencia, como que es superior a la FI). En todos los casos las viejas antenas del tipo chicote o las antenas de cuadro pasaron a la historia junto con las válvulas.

Los receptores a transistores poseen una antena interna llamada antena de ferrite. Se trata de una bobina enrollada sobre un cilindro de ferrite de 8 a 12 mm de diámetro y entre 10 y 25 cm de largo. Cuando mayor es el volumen de la antena mayor es el campo electromagnético capturado por la misma. El problema es que esta antena es direccional y muchas veces se debe girar un poco el receptor cuando la emisora cae justo en los dos puntos ciegos de la antena. Pero si se trata de un centro musical no hay posibilidades de girarlo y entonces se vuelve a la vieja antena de cuadro que se conecta en forma externa al equipo, montada sobre una pared o apoyada en un pedestal de plástico.

En realidad el nombre de bobina de antena está mal utilizado, porque se trata de un transformador sintonizado en el primario con un secundario para conectar a la base del transistor amplificador de la etapa de alta o directamente a la base del conversor en caso de que no posea dicha etapa.

El circuito de antena debe estar correctamente sintonizado a dos frecuencias de la banda; una baja (680 KHz) y otra alta (1250 KHz). En el resto de las frecuencias se acepta un mínimo desajuste.

El circuito oscilador debe oscilar a una frecuencia 455 KHz por arriba de la de antena. Se puede demostrar matemáticamente que si las dos secciones del tanden son iguales no se puede lograr que se produzca una diferencia de frecuencia fija. Es decir que si el tanden es de dos secciones de 310 pF y se utilizan diferentes bobinas para lograr que cuando la antena este en 530 KHz la osciladora esté en 985 KHz  (530+455); luego cuando se abra por completo el tanden las frecuencias no van a ser 1600 y 2055 (1600 + 455) sino un valor menor a este.

El error va aumentando a medida que aumenta la frecuencia de la emisora. Para evitar este problema hay dos alternativas:

  • la primera es utilizar lo que se llama un tanden recortado que tiene las chapas de la sección osciladora mas pequeñas y con una forma que compensa el error
  • la otra es utilizando un tanden de secciones iguales, con un capacitor en serie con una de las secciones para compensar la falla y utilizar esta serie como capacitor del oscilador

El capacitor en serie se llama “Padder”. Esta segunda solución presenta errores acotados en la sintonía que se consideran aceptables. Estos errores se llaman errores de “Traking” (literalmente “arrastre”).

En la figura 8 resumimos esta parte del circuito con los nombres típicos de los componentes.

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Fig.8 Circuitos de entrada de una radio superheterodino

Conclusiones

En esta entrega presentamos lo que podríamos llamar el primer receptor comercial de la era moderna. Antes del supeheterodino casi en cada casa había una radio de las llamadas  “Capillita” con tandem de 4 o 5 secciones que tenían mas aluminio que un motor de moto. A partir del supeheterodino las radios funcionaban bien y eran mucho más chicas.

Dejando el punto de vista histórico el superheterodino es la base de todo equipo de comunicaciones moderno, analógico o digital y yo les insisto a mis alumnos que si desconocen su funcionamiento se dediquen a otra cosa. En la próxima entrega vamos a presentar un circuito comercial de una radio a transistores moderna que nos va servir para repasar el funcionamiento y para aprender a reparar con método. La mayoría de los reparadores trabaja “cambiando y probando”; es decir que juegan a la lotería sin pensar en lo que hacen. Si aciertan de entrada con el componente dañado trabajan poco y si no, trabajan mucho y probablemente rompan lo que está sano, con tanto cambio.

Este curso es la antitesis de ese criterio y me siento orgulloso de decir que dada la cantidad de gente que ingresa a la página estoy logrando cambiar lentamente la realidad y logrando que los reparadores vuelvan a estudiar los principios de la electrónica aplicando un método de reparación.

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