Transmisor y receptor de FM stereo

En la lección anterior explicamos cosas realmente difíciles de entender. Las transmisiones de FM debe seguir siendo por modulación de FM cuando se transmite sonido estereofónico, porque en caso contrario los receptores monofónicos no serían compatibles. Pero también dijimos que el canal estereofónico se transmitía en amplitud modulada y entonces algún alumno se podrá preguntar: ¿En que quedamos; se transmite en AM o en FM?

La transmisión es realmente de FM, pero la señal de modulación no es solo la banda base de audio, como en una transmisión monofónica, sino que es un paquete de señales que consiste en la banda base o señal I+D y una subportadora de 31.250 Hz modulada en amplitud con portadora suprimida y una señal piloto de 15625 Hz de baja amplitud. Es decir que la modulación es un conjunto de señales sumadas una de las cuales es una AM. Inclusive podemos decir que algunas señales del paquete se eliminan como por ejemplo la portadora de AM que como sabemos no transporta información.

De este modo todo el paquete tiene las ventajas de una transmisión de FM con su bajo ruido inherente y una gran facilidad para la detección del canal estereo luego de regenerar la portadora por ser una simple transmisión de AM.

Y además tenemos un sistema que puede ser adoptado inmediatamente por los canales de TV monofónicos, aunque la realidad fue finalmente que los canales de TV modificaron el sistema agregando la posibilidad de un tercer canal de audio en donde se pudiera transmitir una información totalmente diferente a la señal estereofónica, como por ejemplo la información de audio en otro idioma. Debido a esto, la norma de radio se desentendió de la de TV y se cambiaron las frecuencias de la señal piloto y la subportadora por 19 KHz y 38 KHz.

Diagrama en bloques de un transmisor estereofónico BTSC

En la figura 1 se puede observar el diagrama en bloques de un transmisor de FM estereofónico por el sistema norteamericano BTSC.

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Fig.1 Diagrama en bloques de un transmisor BTSC

Todo surge de las señales I y D obtenidas en el estudio. La señal D sufre una inversión generándose la señal -D que a continuación se suma a I en el bloque sumador generándose la señal I – D. La señal diferencia pasa por un enfatizador normalizado terminando su circulación en el modulador de AM como señal de modulación.

  1. La señal I y la señal D se suman en un sumador se enfatizan y se aplican directamente como señal monofónica al sumador final.
  2. La portadora de AM se genera en un oscilador a cristal, que es muy estable y preciso, con una frecuencia de 19 KHz. Esa señal se envía a un duplicador que genera la frecuencia de portadora de 38 KHz.
  3. Una muestra del generador de 19 KHz se aplica directamente al sumador como señal piloto.
  4. El modulador de AM es un tipo especial de modulador que genera solo las bandas laterales suprimiendo la portadora.

La señal del sumador final contiene por lo tanto la banda base de sonido monofónico; la señal de AM con portadora suprimida que representa la señal estereofónica y una muestra de baja amplitud de la señal piloto de 19 KHz. Todas esas señales sumadas se aplican al modulador de FM y de allí a la antena transmisora.

Es posible que el lector no entienda muy bien para que sirve cada señal pero esa comprensión la va a obtener cuando analicemos el diagrama en bloques de un receptor estereofónico, en el apartado siguiente. En el transmisor se juntan las señales para transmitirlas en un paquete; en el receptor tenemos que abrir ese paquete para obtener las señales originales I y D.

El receptor estereofónico

El procesamiento de la señal de FM desde la antena hasta el detector de FM es el mismo que vimos en el receptor de FM monofónico. Tal vez debamos mas adelante repasar el desarrollo circuital del funcionamiento de un detector de FM moderno; pero aun no es tiempo. Por ahora nos basta con saber que es un circuito que toma una señal modulada en frecuencia y entrega la señal de modulación utilizada en la emisora para modular la portadora.

En la figura 2 se puede observar entonces el diagrama en bloques del receptor.

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Fig.2 Diagrama en bloques del receptor de FM estereofónico

La emisora ingresa por la antena y es seleccionada por la sección del receptor hasta que esta entrega el paquete de señales de modulación de FM que consiste en M+Sm+P en donde M es la señal monofónica (I+D); Sm es la señal estereofónica que una señal modulada en amplitud con portadora suprimida (I-D) y por ultimo P que es una muestra senoidal de baja amplitud de 19 KHz que sirve para reconocer que se trata de una emisora de FM y para regenerar la portadora suprimida.

El bloque de los filtros, separa esta señal en sus tres componentes que van a ser procesadas por separado. La componente M no requiere mayor procesamiento que el simple filtrado con un filtro pasabajos que corte en aproximadamente 15 KHz. Por supuesto que la señal no puede escucharse tal cual está, ya que primero debe pasar por un circuito sumador que anule el canal derecho y deje solo el canal I. En el sumador superior se realiza la operación (I+D)+(I-D) = 2I

La señal separada de 19 KHz se envía a un circuito duplicador que genera una señal de 38 KHz.

Las bandas laterales de AM con la información del canal estereofónico I-D se envian a un sumador de portadora donde se reconstruye la señal de AM con su portadora de 38 KHz. Esta señal puede ahora procesarse con un simple diodo detector para extraer la señal de audio (en realidad en el momento actual se utilizan detectores sincrónicos que tienen menor distorsión y que veremos en su oportunidad). La señal detectada es justamente la señal estereofonica I-D.

La señal I-D se invierte en el inversor obteniéndose la señal –I+D que se aplica al sumador inferior, junto con la señal I+D, de modo que en su salida se obtiene la señal (–I+D) + (I+D) = 2D .

Ambas señales son amplificadas y enviadas a los correspondientes parlantes.

Funcionamiento de un duplicador de frecuencia

Un duplicador basa su funcionamiento en la captación amplificación y distorsión de la señal piloto. Nosotros sabemos que la frecuencia de la señal de antena de una radio se convierte en la frecuencia de FI por el proceso de herodinaje en el transistor conversor. Es decir que no nos parece extraño que una señal de una frecuencia se transforme en otra. En nuestro caso una misma frecuencia se transforma en el doble de su valor.

Esto se debe al agregado de la llamada distorsión armónica de las señales. Una señal cuadrada puede considerarse una distorsión de una senoidal y el multisim con su analizador de espectro nos puede mostrar el espectro de una señal cuadrada de 19 KHz tal como se observa en la figura 3.

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Fig.3 Espectro de una señal cuadrada de 19 KHz.

Como se puede observar existe un vestigio de componente en la frecuencia de 38 KHz. Esto nos indica que la deformación elegida no es la mas adecuada. En la figura 36.4.2 podemos observar el espectro de una señal rectangular con un periodo de actividad de 10% en donde el vestigio se convirtió en una señal de 4V con una tensión de la onda rectangular de 10V.

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Fig.4 Espectro de una señal rectangular de 19 KHz

Existen múltiples circuitos posibles de realizar, que generen una señal rectangular de bajo periodo de actividad. Por ejemplo un amplificador de la señal separada de 19 KHz y luego un comparador de alta velocidad con un valor de comparación elegido para generar una corriente rectangular de salida. Por supuesto posteriormente se debe filtrar la señal que tiene no solo la componente de 38 KHz sino todas las otras a frecuencias armónicas de 19 KHz.

Pero en la electrónica actual utilizar una bobina ajustable es casi un pecado no solo por el costo de la bobina sino por el costo de su ajuste y porque existe la posibilidad de que el mismo quede mal produciéndose un retardo en la producción.

Antes de utilizar una bobina ajustable el diseñador de un circuito integrado prefiere usar un circuito con 10 o 20 transistores y sus correspondientes resistores. Por esa razón nos conformamos con que el alumno entienda el concepto, la idea del funcionamiento y no el circuito especifico que se utiliza dentro del circuito integrado.

El automatismo estereofónico y el estereofoco

¿Que ocurre con una radio estereofónica que deja abierto el detector de AM mientras recibe una emisora monofónica? En principio parecería que no ocurre absolutamente nada, porque el canal que recibe I-D no tiene salida y entonces la matrización envia la misma información a los dos canales del equipo

Es decir que la ecuación del canal inferior termina siendo (-I+D) + (I+D) = I+D y la del canal superior (I+D) + (I-D) = I+D como corresponde a una señal monofónica.

¿Entonces no tiene ningún sentido cortar el canal estereofónico de AM? Si lo tiene y por una razón muy importante. El ancho de banda de una recepción monofónica no tiene porque ser mayor que 20 KHz; en cambio para una recepción estereofónica se requieren unos 70 KHz y el ruido aumenta en la misma proporción que el ancho de banda. Por eso es conveniente dejar activo solo el filtro pasabajos, cuando se recibe una emisora monofónica.

Inclusive debemos darle al usuario la posibilidad de optar entre monofónico y estereofónico para el caso que desee recibir una emisora lejana que entre con mucho ruido para que opte entre bajo ruido o efecto estereofónico.

Por todo esto los integrados receptores de AM/FM poseen un sistema automático que reconoce si una emisora es estereofónica y conecta el detector de AM. El mejor sistema para detectar la característica de una emisora es la detección del tono piloto.

Por lo general los circuitos detectores están relacionados con el sistema de recuperación de portadora. Si se recupera la portadora y esta está enganchada con el tono piloto, entonces la emisora es estereofónica y se conecta el detector de AM y al mismo tiempo se enciende un LED históricamente llamado estereofoco. En caso contrario se corta la salida del detector de AM para reducir el ruido.

Volviendo al circuito de la radio AM/FM

En el capítulo 32 explicamos el funcionamiento de una radio AM/FM con un circuito integrado LA1828 en todo lo que respeta a AM y a FM monofónica. Dejamos para más adelante la explicación de la sección de FM estereofónica y llegó el momento de explicar la sección faltante.

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Fig. 5 Diagrama en bloques de la radio de AM/FM

En este caso vamos a explicar desde atrás hacia delante. En la pata 13 existe un circuito RLC que es la imprescindible bobina de carga del detector principal de FM aunque también cumple funciones de filtrado de las bandas laterales de AM de la componente estereofónica; llamada así en forma general.

Se puede observar que el detector esta conectado por un lado a la salida de la FI de FM para cumplir su función de detectar el paquete de señales de modulación, transmitido por las emisoras estereofónicas.

La otra pata se conecta al detector estereofónico en la pata 19 que posee el capacitor de filtrado del detector de FM. En la pata 19 se puede apreciar el paquete de señales completo que se acopla capacitivamente a la pata 18 en donde se conectan dos amplificadores internos. Uno va a una combinación de detector de AM de la I-D que toma señal de portadora de la etapa ST-SW que significa llave estereofónica. Cuando se suprime la portadora restaurada el receptor funciona en monofonía.

Por la pata 16 sale la señal de canal I y sobre la pata 17 la de canal D que requieren un nuevo capacitor de desacoplamiento a masa, que opera como filtro de desenfasis final.

La otra componente amplificada se dirige a una etapa que cumple una doble función. Por un lado al conectarla a masa manda la tensión continua a cero y corta todo el canal de FI de FM para que la radio funcione en AM. Cuando se abre se corta el canal de AM y se conecta el capacitor electrolítico de desacoplamiento del comparador de fase.

En nuestro curso vamos a tener muchas oportunidades de analizar el funcionamiento de los circuitos comparadores de fase ya que se usar en muchos equipos y en múltiples posiciones de los mismos. Esta es su primer aparición en nuestro curso y será estudiado en forma resumida.

Un comparador es una etapa que recibe dos señales de entrada y genera una tensión continua de salida, que es función de la fase existente entre las dos señales de entrada.

En nuestro caso existe un generador de 39 KHz que es el responsable de restaurar la subportadora estereofónica. Para que esta restauración sea efectiva la frecuencia de la portadora debe ser exactamente el doble de la señal piloto de 19 KHz y con una fase fija y muy precisa que es el único modo de garantizar que ambas frecuencias son armónicas.

La responsabilidad de mantener esa fase es del comparador de fase, que genera una continua de corrección sobre el capacitor de la pata 14 comparando por un lado la señal de un VCO, que es un oscilador controlado por tensión que oscila libremente cerca de los 38 KHz cuando no hay una emisora sintonizada. Aunque en el diagrama no está dibujado la tensión continua variable de la pata 15 se aplica al VCO para variar su frecuencia.

La pata 14 es también una pata de doble función. Cerrada a masa realiza una función que es forzar el funcionamiento mono. Abierta agrega un capacitor de filtrado en donde se detecta una tensión continua que solo aparece si la emisora es estereofónica y posee la señal piloto de 19 KHz. En este caso aplica la señal piloto a la etapa FF (de flip flop) que multiplica la señal de 19 a 38 KHz y la aplica al comparador.

Ahora el comparador recibe dos señales de aproximadamente la misma frecuencia y es capaz de compararlas y generar la tensión continua de error en caso de que no sean iguales. Si no lo son, la continua se encarga de que la frecuencia del VCO se corra y ajuste la fase del mismo enganchándola con el tono piloto.

Por supuesto parte de la señal del VCO ya enganchado se reenvía al detector de AM como portadora recuperada.

El detector de piloto tiene una conexión extra que se envía al bloque triger que limpia la señal de activación estereofonica para evitar efectos de corte y encendidos espureos. Es decir que para que una emisora se considere estereofónica el tono de 19 KHz debe estar presente por un tiempo considerable y no solo como una ráfaga.

El triger a su vez opera la llave monofónico/estereofónico y enciende el LED de FM estereofónica a través del bloque ST LED por la pata 9.

Seguramente el alumno estará pensando en lo complejo de toda esta sección del receptor y sobre todo como se realiza una reparación de la misma si solo tiene disponible el generador/emisora de FM que le indicamos construir y un tester.

Reparaciones en la electrónica actual

Prácticamente todo el problema del reparador moderno consiste en que muchas partes de los equipos son totalmente internas y que hay importantes puntos de prueba a los que no tiene un acceso libre. Por supuesto eso dificulta la reparación pero es algo a lo que debemos ir acostumbrándonos paulatinamente, porque la electrónica actual es un proceso de integración de diferentes etapas, que antes estaban separadas y permitían su control individual y hoy están juntas dentro de un mismo chip diseñado para una función especifica.

El estado actual no es ni peor ni mejor para el reparador; es diferente y nuestra función es adaptarnos a una realidad que cada día cambia más rápidamente. Yo siempre le llevo mi palabra de aliento a mis alumnos, cuando se quejan de que un equipo tiene integrada tantas funciones, que se hace difícil repararlo, porque prácticamente tiene solo uno o dos circuitos integrados gigantes, que son prácticamente la mitad del costo del equipo.

Eso reduce la distancia desde el valor de la reparación al costo de un equipo nuevo y el usuario suele optar por comprar un nuevo equipo ya que los comerciantes le dan todas las facilidades para hacerlo (tarjeta, planes de pago, etc.).

En realidad parecería que en este momento el proceso de integración se ha detenido porque ya no resulta práctico continuar con el y porque ya hay muchos usuarios que dejan de comprar equipos muy integrados a sabiendas que es imposible repararlos económicamente. Un circuito integrado siempre tiene un cierto rechazo de producción llamado “scrap”. Ese scrap debe tener un valor acotado a un nivel de aproximadamente 20 % para que una producción sea económica.

A medida que se aumenta la integración aumenta el scrap y hay un punto en que las técnicas ya no pueden mejorarse y entonces no tienen sentido aumentar más la integración. Aparentemente ya llegamos a ese punto de inflexión y en muchos casos algunos fabricantes están retornado a la desintegración de lo que habían integrado en demasía.

En nuestra querida America, un usuario pretende que un equipo le dure muchos años aunque deba repararlo varias veces durante su vida útil. Durante la época de bonanza los fabricantes de CI se olvidaban del tercer mundo y producían solo pensando en Europa EE-UU y Canadá. Pero con la caída de las ventas descubrieron que existimos y seguramente sus nuevos diseños van a tratar de respetar nuestro criterio de la economía de mercado.

Reparaciones en la sección estereofónica

Antes de preguntarse por qué no funciona la sección estereofónica es necesario controlar el funcionamiento de la radio en FM forzada a mono por medio de la llave MN/ST. En la pata 14 deben medirse 3,8V cuando el aparato no esta forzado a mono y cero si está forzado.

Luego del forzado se deben probar todas las emisoras de la banda y anotar la frecuencia de aquellas que entran con elevada señal (sin ruido). Recuerde que el circuito integrado tiene la facultad de medir la relación señal a ruido de una emisora y si considera que el ruido es alto corta el funcionamiento en estereofonía.

Si todas las emisoras ingresan con elevado ruido se debe proceder a verificar el ajuste y el funcionamiento de la sección de antena y FI antes de continuar buscando un problema en el decodificador estereofónico. Recuerde que la tensión de fuente debe ser la correspondiente a 3 pilas es decir 4,5V para todas las mediciones siguientes.

Recuerde que las bobinas de la pata 13 y 5 deben estar ajustadas a máxima salida con nuestro generador que este aplicando un tono de audio de 1 KHz. Y que para que las bobinas sean sensibles al ajuste, la señal de antena debe ser relativamente baja (es decir que se aprecie algo de ruido sobre la señal).

Si la radio funciona en forma óptima forzada en mono y al correr la llave sobre una emisora estereofónica sigue funcionando en mono es porque tiene un problema en el decodificador estereofónico.

El siguiente paso es observar el led estereofónico. Si el mismo esta encendido significa que la etapa detectora del tono piloto funciona y eso significa que el comparador de fase tiene señal de 19 KHz con suficiente amplitud. Controle la tensión de la pata 9 para desestimar algún problema en el led o el resistor externos. La tensión debe variar entre 4,5V con mono forzado y 0V en estereofónico. Coloque la pata 9 provisoriamente a masa y verifique que encienda el LED a pleno.

Si la pata 9 no cae a potencial de masa significa que no hay señal aplicada al comparador de fase desde el VCO o el capacitor de la pata 15 esta con fugas. Esta es una falla probable porque se trata de un capacitor de bajo valor. La tensión normal en esta pata es de 3,8V y en caso de fugas puede ser superior a 4V hasta llegar a 4,5V en caso de cortocircuito. El capacitor que se usa normalmente en esta posición es de .1 uF que es el menor valor que se fabrica en capacitares electrolíticos. Si tiene suficiente lugar y desea que la reparación sea realmente durable, cambie el capacitor por uno de poliéster metalizado.

Otro componente que puede generar un efecto aleatorio sobre la recepción estereofónica es el capacitor electrolítico de 3,3 uF conectado sobre la pata 14. El mismo filtra la tensión continua del detector de piloto. Si está normal, la tensión es de unos 3,8V pero si tienen fugas puede llegar a tener el valor de fuente de 4,5V. Nuestro consejo es cambiarlo y volver a probar.

Como puede observar el alumno solo hay dos componentes externos que pueden afectar el funcionamiento en estereofonía si el aparato funciona bien en monofonía y son dos candidatos probables debido a sus características (electrolíticos de bajo valor). Luego el principal sospechoso es el circuito integrado mismo que debido a su bajo precio debe ser cambiado inmediatamente.

Parecería que nos estamos olvidando de un componente fundamental que el capacitor colocado entre las patas 18 y 19 pero recuerde que el mismo tiene una aplicación multiple. Acopla tanto el audio de AM como el paquete de señales de FM estereofónica o la banda base de las monofónicas. Si funcionara mal para un uso funcionaria mal para todos los otros.

Con esto terminamos de dar una completa información sobre la reparación de una radio de AM y FM estereofónica que consideramos de gran valor para nuestros alumnos del curso completo de electrónica. Pero el tema radio no termina aquí. Hasta ahora solo explicamos el funcionamiento de la sección analógica de una radio donde las emisoras se sintonizan con un capacitor variable de plástico.

Estas radios solo se fabrican como productos de bajo precio y no pueden generar una ganancia que permita mantener un taller de reparaciones. Fueron explicadas más que nada como un medio didáctico.

Pero cada centro musical, o cada home tiene una radio en cierto modo similar a la vista pero con la sintonía y el control de volumen totalmente digitales. El capacitor mecánico se reemplaza con diodos varicaps y el control de volumen con circuitos integrados.

Y por supuesto la sección de amplificadores de potencia no tiene nada que ver con los que contiene una radio que puede llegar a manejar solo algunos cientos de mW. En un home o en un centro musical, se manejan cientos de W y actualmente con amplificadores del tipo digital.

Conclusiones

En la próxima lección vamos a ingresar de lleno en un mundo distinto. En el mundo digital del cual ya tuvimos algunos adelantos muy elementales, pero que despertaron la curiosidad de muchos alumnos: Me refiero a la clase dedicada a los microprocesadores programables.

En el momento actual la radio la TV y las PCs están separadas pero juntándose. Hoy en día es común escuchar radio con la PC (y de cualquier punto del mundo) utilizando auriculares PWM que presentan una fidelidad asombrosa. También es común grabar música en un pendriver y escucharla luego en el auto o en un reproductor portátil. Recién ahora se esta popularizando el uso de la PC para ver TV de definición estandar o de alta definición utilizando una placa adecuada para captar señales de aire o de cable, o simplemente desde una pagina web (la NBA transmite todos los partidos en alta definición por un servidor especial).

Por otro lado ya existen TV LCD que navegan por Internet usando el control remoto infrarrojo. Esto significa que ya no podemos hablar de técnicos en electrónica y técnicos informáticos. El camino se fue acercando, ya es uno solo y es mi deber llevarlo de la mano para recorrerlo. Por eso en la próxima lección vamos a hablar de las compuertas lógicas para comenzar un estudio que terminará en los microprocesadores. Como siempre vamos a tratar de recorrer el camino aprendiendo temas prácticos. En este caso la meta final es aprender a reparar un centro musical moderno.

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