A modulação em amplitude é, sem duvida, o meio mais utilizado para a transmissão de informações à distância. A radiodifusão em ondas medias e curtas e a televisão são exemplos bastante significativos da importância deste tipo de modulação. Ela é empregada na radiocomunicação entre aeronaves e torres de controle de vôo e nos serviços de rádio-táxi e faixa-do-cidadão, sem falar nos equipamentos utilizados pelos radioamadores e nos aparelhos de radiocontrole.
As Figuras 1a e 1b mostram dois circuitos muito simples. São basicamente, osciladores de radiofrequência modulados em amplitude, sendo utilizados cristais para obtenção de uma maior estabilidade de frequência. O dispositivo oscilador pode ser um transistor bipolar de junção, um FET ou uma válvula eletrônica.
O circuito da Figura 1a emprega o método da modulação síncrona. A potência de saída é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, que, por sua vez, consiste da soma de uma tensão continua, E, com a tensão do sinal modulador, em(t).
O circuito da Figura 1b utiliza o método da absorção para conseguir a modulação em amplitude. Um microfone de carvão e acoplado através do transformador de RF ao circuito de antena. Falando-se ao microfone, provocam-se variações em sua resistência, ocasionando uma maior ou menor absorção de potência do sinal de RF. Assim, a potência entregue a antena será a diferença entre a potência produzida pelo oscilador de RF e a absorvida pelo microfone.
Embora os circuitos da Figura 1 funcionem, os mesmos apresentam vários inconvenientes:
a) A conexão de uma antena diretamente ao oscilador prejudica a estabilidade de frequência. Isso ocorre porque a frequência de um oscilador depende de sua impedância de carga que, no caso, é a antena. Como a impedância de uma antena depende da posição de seus elementos em relação ao ambiente que a cerca, variações súbitas e imprevisíveis de impedância poderão ocorrer em caso de vento - ou em operação móvel;
b) A modulação em amplitude, sendo efetuada diretamente sobre o oscilador, gera uma modulação em frequência indesejada. Isso ocorre porque as variações de tensão aplicadas ao oscilador, como no circuito da Figura 1a, provocam alterações nas capacitâncias intereletródicas do dispositivo oscilador, que, por sua vez, fazem variar a frequência do oscilador. No circuito da Figura 1b, as variações da resistência da cápsula microfônica causam, também, alguma modulação em frequência, uma vez que o microfone faz parte da carga do oscilador;
c) A potência de saída é limitada pelo ganho de potência do dispositivo oscilador e pela máxima potência permitida sobre o cristal. Isso limita a potência de saída a cerca de 5o W, na melhor das hipóteses, se for utilizada uma válvula osciladora de potência e um cristal robusto como, por exemplo, o tipo T2. Com transistores, a potência gerada não excedera, provavelmente, uns 5 W, devido ao menor ganho de potência desses elementos;
d) O funcionamento do oscilador em alta potência aquece excessivamente seus componentes, alterando-lhes as dimensões e, em consequência, provocando mudança na frequência gerada. Esse fenômeno é conhecido como deriva térmica.
Fica evidente pelo exposto que os circuitos examinados não conseguem atender de maneira adequada a dois importantes requisitos dos transmissores de rádio, que são:
a) estabilidade de frequência;
b) potência de saída adequada.
Serão analisadas aqui as medidas necessárias para a construção de um transmissor de AM com a estabilidade de frequência e potência necessárias.
Para a obtenção da estabilidade de frequência exigida pelas normas técnicas das telecomunicações, que é da ordem 15 Hz por MHz, e necessária a adoção das seguintes medidas:
a) A modulação deve ser efetuada num estágio posterior ao oscilador, para evitar a modulação em frequência;
b) O circuito oscilador deve trabalhar em regime reduzido de potência, para evitar o aquecimento excessivo e diminuir a deriva térmica;
c) Um estágio separador deve ser incluído entre o oscilador e o amplificador modulado. Isso acontece porque durante o processo de modulação em alto nível ocorrem variações consideráveis na impedância de entrada do amplificador modulado. (Um separador e um amplificador de baixo nível com realimentação interna nula ou bastante reduzida. Isso evita que variações na impedância de carga afetem a impedância de entrada);
d) A utilização de estágios multiplicadores de frequência também contribui para a melhoria da estabilidade da frequência do oscilador de portadora. Isso acontece por dois motivos. O primeiro é porque a estabilidade de um oscilador de RF aumenta quando a frequência de oscilação e pequena em relação a frequência de transição do dispositivo oscilador. Por isso, um ou mais estágios multiplicadores de frequência podem ser utilizados com o objetivo de permitir uma frequência de funcionamento relativamente baixa no oscilador de portadora, mesmo em transmissores que operem na faixa de VHF. O segundo motivo para o uso de multiplicadores de frequência e porque o sinal indesejado proveniente dos últimos estágios esta fora da frequência de operação dos primeiros estágios, evitando com isso a possibilidade de realimentação. O multiplicador de frequência deve operar em baixo nível, uma vez que seu rendimento é menor do que o de um amplificador comum. Dessa maneira, sua localização correta é logo após o estágio separador. Para que o sinal de saída do multiplicador seja o mais puro possível, e necessário usar em sua saída um filtro passa-faixa bastante seletivo, eliminando a frequência fundamental e os harmônicos indesejados.
A Figura 2 mostra a localização correta dos estágios separador e multiplicador, num transmissor de radio.
Figura 2 Localização dos estágios separador e multiplicador
Obtenção de Potência de Saída Adequada
A potência de saída de um transmissor é função de alcance desejado e das normas e portarias que regulamentam as comunicações em determinado pais. Tecnicamente falando, a potência de saída necessária é conseguida pelo uso de amplificadores de potência de RF.
Transmissores de AM de potência superior a 1 W utilizam vários estágios amplificadores para a obtenção da potência desejada. Normalmente, o ganho de um estágio amplificador de potência, a de RF esta compreendido entre 3 e 100 vezes, ou seja, entre 4,8 e 20 dB. O ganho de cada estágio é função de sua potência de saída. Amplificadores transistorizados de potência elevada (acima de 30 W) geralmente fornecem um ganho de potência inferior a 5 (7 dB). Em consequência, um transmissor de AM de 50 W, por exemplo, utiliza pelo menos 3 ou 4 estágios amplificadores após o oscilador (Figura 3). Analisando-se os valores apresentados na Figura 3, percebe-se como o ganho de potência, Gp diminui com o aumento da potência de saída. Por isso, a obtenção de potência muito superiores a 50 W exige, quase sempre, o uso de amplificadores composto (amplificadores que utilizam mais de 1 transistor por estágio), com transistores associados em paralelo, em contrafase ou em ponte. Também torna-se interessante, para potências de saída superiores a 100 ou 200 W, o uso de válvulas amplificadoras, uma vez que proporcionam um ganho de potência bastante superior aos dos atuais transistores de potência de RF. Uma válvula de transmissão típico necessita de cerca de 5 W de excitação em sua entrada, para fornecer 200 W de saída, o que corresponde a um ganho de potência de 40 vezes ou 16 dB.
Figura 3 Distribuição típica de ganho de um transmissor transistorizado
Os transmissores de AM podem ser construídos segundo duas técnicas distintas:
a) Modulação em Baixo Nível;
b) Modulação em Alto Nível.
Nesse tipo de transmissor, a modulação do sinal é efetuada, como o pr6prio nome indica, nos estágios de baixa potência, antes do último estágio amplificador de RF. Isso implica em que os estágios amplificadores após o modulador deverão operar linearmente. A operação linear obriga um projeto mais cuidadoso dos amplificadores de potência, tanto no que se refere à polarização dos transistores, quanto na dissipação de calor, já que os amplificadores trabalham com menor rendimento.
O transmissor que emprega modulação em baixo nível, por outro lado, tem a vantagem de tomar possível a utilização de diversos tipos de modulação, como, por exemplo, AM, DSB, SSB, FM e RTTY (radioteletipo). Isso ocorre porque o mesmo amplificador de potência pode ser utilizado na amplificação de todos os sinais.
A Figura 4 mostra o diagrama simplificado de um transmissor de AM deste tipo. A potência necessária para efetuar-se a modulação é pequena, tomando-se mais fácil obtê-la. Os estágios amplificadores após o modulador de AM fazem parte do amplificador linear. Os dispositivos amplificadores devem ser polarizados em classe A, B ou AB. A operação em classe C não é permitida por gerar muita distorção por intermodulação, principalmente por produtos de terceira ordem.
Figura 4 Transmissor de AM com modulação em baixo nível
Nesse tipo de transmissor a modulação ocorre somente no último estágio amplificador de potência de RF, ou seja, quando a potência já é suficiente para ser entregue a antena transmissora, tornando desnecessária a amplificação posterior do sinal modulado. Isso significa que os estágios amplificadores de potência de RF amplificam apenas a portadora. Por isso, os amplificadores utilizados são mais econômicos, pois não são necessários cuidados com relação a linearidade dos mesmos. Em contrapartida, a potência necessária para efetuar-se a modulação deve ser, pelo menos, igual à metade da potência de alimentação do amplificador de potência de RF modulado. Assim, um estágio cuja potência de saída seja de 50 W e trabalhe com um rendimento de 70%, necessitara de aproximadamente 36 W de potência, proveniente do sinal modulante.
O transmissor que emprega modulação em alto nível é mais eficiente no que diz respeito à utilização dos dispositivos amplificadores de RF e ao consumo de energia. Por isso, ele é, normalmente, o circuito mais utilizado.
A Figura 5 mostra o diagrama em blocos de um transmissor de AM com modulação em alto nível. Os níveis de potência indicados são típicos e correspondem a um rendimento de 67% do amplificador de potência de RF, de 94% do transformador de modulação e de 50% do amplificador de AF.
Figura 5 Diagrama de blocos de um transmissor de AM para a faixa de 11 metros
Agora, será feita uma analise detalhada do funcionamento de um transmissor de AM de alto nível, transistorizado, utilizado para radiocomunicação na faixa de 11 metros. O circuito analisado é típico para esta aplicação. Seu diagrama esquemático e visto na Figura 6.
Figura 6 Diagrama completo de um transmissor AM para a frequência de 27 MHz
Na entrada de microfone existe um filtro passa-baixa destinado a bloquear o sinal de RF captado pelo microfone. E constituído pelos capacitores C16 e C17 e pelo choque de RF XRF4, Após o filtro, tem-se o estágio de áudio Q5 que opera em classe A, em emissor comum. A saída de Q5 está ligado a um circuito ceifador a um circuito ceifador ou limitador de áudio. Sua finalidade e eliminar ou reduzir os picos do sinal de áudio provenientes do microfone.
O ceifador funciona baseado no fato de os diodos de silício não conduzirem enquanto a tensão aplicada não superar a barreira de potencial da junção, tipicamente de 0,6 V. Como os diodos, D2 e D3, estão conectados em antiparalelo com o percurso de sinal, este será limitado ao pico de 0,6 V. Isso significa que as tensões de áudio superiores a esse valor farão o diodo conduzir, ceifando-Ihes os picos (Figura 7).
Figura 7 Ação de ceifamento executada pelos diodos D1 e D2
Na saída obtém-se o sinal ceifado, ou seja, sem os picos de tensão. A vantagem desse procedimento é melhorar o nível médio de modulação, proporcionando maior inteligibilidade do sinal, para a mesma potência irradiada.
Após o ceifador, segue-se o controle de nível de modulação, R16 Esse potenciômetro dosa a quantidade de sinal de áudio que vai modular o transmissor. Os harmônicos gerados pelo ceifamento são eliminados pelo filtro passa-baixa formado pelo resistor R17 e pelos capacitores C22 e C23. Outra finalidade desse filtro e limitar a resposta em frequência do modulador para a faixa de frequência da voz. Em seguida, o sinal e amplificado por CI1 e aplicado, através do transformador de modulação T1 aos estágios excitador e amplificador de potência de RF, onde ocorre o processo de modulação.
O sinal modulante é aplicado simultaneamente aos estágios excitador e amplificador de potência de RF para que seja conseguida uma profundidade de modulação próxima a 100%, tanto no semiciclo negativo quanta no semiciclo positivo de modulação. Isso é necessário em função de dois problemas:
a) Durante o pico negativo de modulação, os transistores permitem a passagem do sinal da base para o coletor, exatamente como um diodo diretamente polarizado. Isso acontece quando a tensão instantânea que alimenta o amplificador modulado aproximada-se do zero e a tensão de excitação de base e máxima. Para contornar o problema, e necessário que a excitação do amplificador de potência seja reduzida sempre que a tensão de alimentação aproximar-se de zero.
b) Durante o pico positivo de modulação, a potência instantânea fornecida pelo amplificador de potência de RF pode chegar a quatro vezes a potência da portadora. Isso implica em que a potência de excitação devera ser igualmente aumentada.
A solução para ambos os problemas e conseguida pela modulação do estágio excitador. Durante o pico negativo de modulação, o sinal entregue por Q3 e insuficiente para fazer conduzir a junção base-coletor de Q4 e, durante o semiciclo positivo de modulação, aumenta a excitação fornecida por Q3.
1 - Oscilador de Portadora
É utilizado um oscilador a cristal para maior estabilidade de frequência. Neste circuito, o cristal tanto poderá ser cortado para um submúltiplo da frequência de transmissão, quanta poderá ser o 3º sobretom (3º "overtone"), já que existem dois elos de realimentação positiva:
1) O primeiro deles e formado pela capacitância base-emissor de Q1. A colocação do capacitor C3, entre o emissor e a massa, completa o circuito, juntamente com o cristal, que atua como indutor. Dessa maneira, o oscilador operara exatamente como um circuito Colpitts em coletor-comum. Se o cristal utilizado operar numa frequência igual a um submúltiplo da frequência de transmissão, o elo de realimentação base-emissor será o responsável pela oscilação do circuito. O circuito tanque L1/C1 devera estar, então, sintonizado no harmônico da frequência da oscilação. Assim, por exemplo, para uma frequência de transmissão de 27 MHz, o cristal a ser utilizado devera ter uma frequência de oscilação de 9 MHz.
2) O segundo elo é formado pela capacitância coletor-base de Q1. O circuito ressonante L1/C1 é ajustado de forma a ficar ligeiramente indutivo. Juntamente com o cristal, que atua como indutor, forma-se o equivalente a um oscilador Hartley em emissor-comum. Quando se utilizam cristais de 3º sobretom, a realimentação entre coletor e base toma-se a responsável pelo funcionamento do oscilador.
Para o início das oscilações, é necessária uma polarização direta da junção base-emissor, proporcionada por R1 e R2. Os valores desses resistores variam entre 1 k ohms e 100 k ohms. Os valores mais elevados, como, por exemplo, 100 k ohms para R1 e 47 k ohms para R2, são usados para a obtenção de uma grande quantidade de harmônicos na saída do circuito, uma vez que o angulo de condução do transistor fica reduzido. Isso é útil quando o estágio funciona como oscilador/multiplicador. A explicação para isso é a seguinte: tanto a corrente quanto a tensão de emissor aumentam, reduzindo a polarização direta de base. O aumento da corrente de emissor faz aumentar, também, a corrente de base. Como o divisor de tensão tem uma resistência equivalente elevada, isso ira reduzir ainda mais a polarização direta de base, gerando mais harmônicos, devido à redução do angulo de condução do transistor.
Com cristais de sobretom, são utilizados valores menores para R1 e R2, como os indicados no diagrama, justamente para aumentar o angulo de condução do transistor e reduzir a produção de harmônicos.
2 - Separador
Este estágio tem a finalidade de separar o oscilador do excitador. Proporciona algum ganho de potência (5 vezes, aproximadamente). O casamento de impedâncias entre o oscilador e o separador é proporcionado por C2. Q2 é polarizado por R4 e R5 para operação em classe A. C2 é escolhido de forma a conseguir apenas a excitação suficiente, com o objetivo de melhorar as características de isolamento do estágio, evitando a saturação do transistor, o que aumentaria a realimentação da saída para entrada. Entre o coletor de Q2 e a base de Q3 existe uma rede casadora de impedâncias em L. C7 serve também de bloqueio da tensão continua de coletor de Q2.
3 - Excitador
O sinal de portadora proveniente do separador é aplicado à base de Q3 que opera em classe B. A base é polarizada pelo próprio sinal, havendo circulação de corrente apenas no semiciclo positivo do sinal de entrada. A corrente continua resultante, ao circular pelo resistor de base, gera uma tensão negativa. O coletor de Q3 e alimentado por um choque de RF, cuja função é impedir que o sinal amplificando seja desviado para a massa através de C10, o circuito, formado por C8, L3 e C9, atua como casador de impedâncias em T, sendo a impedância de entrada de Q4 menor que a saída de Q3. O fator de qualidade da rede casadora de impedâncias fica em tomo de 8 (QL = 8), sendo determinado pelo valor de C9, juntamente com a impedância de base deQ4. R8 tem seu valor determinado tanto pela necessidade de polarização de base, quanta pelo critério de estabilidade adotado, podendo variar de algumas dezenas de ohms, ate quase 1000 ohms. Um choque de RF pode ser usado no lugar de R8 para aumentar o ganho de potência do estágio, com ligeiro prejuízo para sua estabilidade de funcionamento.
4 - Amplificador de Potência Modulado
Opera em classe B. Na saída do estágio amplificador encontra-se o filtro de harmônico de 1/2 onda, formado por C12, L5, C13, L6 e C15. O capacitor C14, conectado em paralelo com L6, ressona em 54 MHz, ou seja, no 2º harmônico da frequência de transmissão. Isso faz com que C14 e L6 atuem como armadilha de harmônico, criando uma atenuação suplementar nas frequências de atuação (Figura 8).
Figura 8 Curva de resposta do filtro de harmônico, incluindo a ação da armadilha do 2º harmônico
O casador de impedâncias entre o coletor de Q4 e o filtro de harmônicos e do tipo "L". Um detalhe que merece ser abordado refere-se à existência de um filtro passa-faixa LC-serie, oculto no casador em "L" usado neste transmissor. De fato, para que o transistor opere eficientemente, a carga de coletor deve oferecer elevada impedância para as frequências harmônicas da portadora. Esses harmônicos são provenientes da deformação causada pela operação classe B. Embora a rede "L" ofereça alguma oposição a esses harmônicos, ela não é suficiente e deve ser aumentada pela inclusão de um filtro LC série, colocado no percurso do sinal (Figura 9). O mesmo artifício é utilizado no acoplamento entre Q2 e Q3.
O projeto deste circuito foi efetuado a partir da seleção dos componentes principais, ou seja, dos transistores e do circuito integrado amplificador de potência de áudio.
Os casadores de impedâncias foram calculados para os valores de impedância assinalados junto as bases e aos coletores, nos diversos estágios do circuito da Figura 6.
A montagem do transmissor da Figura 6 poderá ser feita para fins de analise, sendo proibida a sua utilização, a não ser por radioamadores habilitados e nas faixas de frequência permitidas. Os transistores Q3 e Q4, assim como o circuito integrado 2002, precisam ser montados em dissipadores de calor de alumínio, sendo que os transistores necessitam de laminas de mica, ou outro material, para isolá-los do dissipador.
Os indutores ajustáveis deverão utilizar formas de plástico com diâmetro externo entre 5 e 7 mm, por 15 a 22 mm de comprimento, com núcleo de pó de ferro roscado com furo de ajuste hexagonal, com permeabilidade relativa de aproximadamente 11. Estes materiais são fabricados pela Sontag e pela Transmóbil, ambas de São Paulo. Os indutores L1 e L2 deverão ser enrolados com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,54 mm. Os demais, com fio esmaltado de diâmetro entre 0,8 e 1,1 mm. Os choques de RF XRF1, XRF2 e XRF4 são fabricados pela Sontag. Os demais são construídos com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,42 mm.
A montagem do transmissor, em circuito impresso, devera ser feita com trilhas curtas e largas. Todos os componentes deverão ser medidos com o auxílio de uma ponte RLC para radiofrequência. Todos os capacitores utilizados nos filtros e casadores de impedâncias deverão ser de mica prateada, de cerâmica de baixa permissividade ou poliestireno (Styroflex). Os capacitores de desacoplamento da seção de RF deverão ser de disco.
Para o ajuste inicial do transmissor, deverá ser utilizada uma carga não-irradiante de 50 ohms conectada na saída do circuito. O transmissor não devera ser ligado sem carga, sobre pena de danificar-se. A tensão de alimentação devera possuir limitação de corrente, que devera ser ajustada inicialmente em 200 mA.
Alimentado o circuito, deve-se ajustar o núcleo de L1, ate obter-se oscilação, indicada pelo wattímetro. Em seguida, devem-se ajustar os indutores L2, L3 e L4 para o máximo de indicação no wattímetro. Neste ponto, pode-se aumentar o limite da corrente fornecido pela fonte para 750 mA. A potencia de saída devera atingir pelo menos 4 W, para uma corrente total de 700 mA.
Aplicando-se um gerador de 1 KHz, na entrada de modulação, é possível determinar-se o índice e a linearidade da modulação. A frequência exata da portadora, medida com um frequencímetro, poderá ser ajustada pela inclusão de um indutor ou capacitor em serie com o cristal oscilador. O indutor devera ser utilizado se a frequência estiver acima da nominal. O capacitor, se a frequência estiver abaixo.
Observação: Caso não se disponha de uma fonte com limitador de corrente, deve-se utilizar, inicialmente, um resistor de 4,7 ohms em serie com o terminal de alimentação do transmissor. Para o ajuste final, o resistor poderá ser substituído por outro de 1 ohm, ou, então, eliminado.
Pode-se utilizar um osciloscópio com ponta de baixa capacitância, para seguir o sinal através dos circuitos do transmissor, caso o mesmo não funcione de maneira correta, desde a primeira vez. Deve-se iniciar a analise pelo oscilador de portadora, conferindo se, também, as tensões e correntes de polarização nos diversos estágios, comparando-se com os valores indicados no diagrama esquemático.
Nem todos os transistores BD137 operam de maneira adequada, na frequência de 27 MHz. A capacitância entre base e coletor devera ser de aproximadamente 10 pF, com uma polarização de 9 V. Os transistores SID, NEC, ICOTRON e IBRAPE devem ser preferidos. OBD137 pode ser substituído pelo BD329. O 2N4427 pode ser substituído por dois BF494 conectados em paralelo. O 2SC1306 poderá ser substituído por dois BD329 conectados em paralelo. Estas substituições, contudo, alteram um pouco o desempenho do circuito.
O cristal utilizado tanto poderá ser de 3º sobretom, quanto de fundamental. Neste caso o cristal devera possuir uma frequência nominal igual a um terço da frequência transmitida e os resistores R1 e R2 deverão ser mudados para 100 k ohms e 47 k ohms, respectivamente.
A análise do circuito da Figura 6 ressalta a função dos diversos estágios de um transmissor de rádio, bem como a finalidade dos principais componentes utilizados em cada um dos estágios.
É preciso esclarecer que muitos dos princípios aqui abordados - como a utilização de osciladores que operam em baixos níveis de potência, com a finalidade de se reduzir a deriva térmica; a utilização de estágios separadores e multiplicadores de frequência, para a redução do efeito de carga sobre o oscilador de portadora; o cascateamento de amplificadores com a finalidade obter-se maior ganho de potencia; o uso de ceifadores para a limitação dos picos de modulação - são técnicas de uso geral - que ultrapassam os limites da modulação em amplitude ou, mesmo, dos equipamentos transmissores. De fato, estes princípios e técnicas são aplicáveis a todos os tipos de transmissores, de radio ou televisão, e, no caso específico dos osciladores, o uso de separadores e multiplicadores de frequência é justificado, sempre que se busca a melhoria da estabilidade em frequência, mesmo em receptores e outros equipamentos.
Fonte:
Telecomunicações
Juarez do Nascimento
Makron Books
Diagramas Básicos de Transmissores de AM
As Figuras 1a e 1b mostram dois circuitos muito simples. São basicamente, osciladores de radiofrequência modulados em amplitude, sendo utilizados cristais para obtenção de uma maior estabilidade de frequência. O dispositivo oscilador pode ser um transistor bipolar de junção, um FET ou uma válvula eletrônica.
O circuito da Figura 1a emprega o método da modulação síncrona. A potência de saída é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, que, por sua vez, consiste da soma de uma tensão continua, E, com a tensão do sinal modulador, em(t).
O circuito da Figura 1b utiliza o método da absorção para conseguir a modulação em amplitude. Um microfone de carvão e acoplado através do transformador de RF ao circuito de antena. Falando-se ao microfone, provocam-se variações em sua resistência, ocasionando uma maior ou menor absorção de potência do sinal de RF. Assim, a potência entregue a antena será a diferença entre a potência produzida pelo oscilador de RF e a absorvida pelo microfone.
Embora os circuitos da Figura 1 funcionem, os mesmos apresentam vários inconvenientes:
a) A conexão de uma antena diretamente ao oscilador prejudica a estabilidade de frequência. Isso ocorre porque a frequência de um oscilador depende de sua impedância de carga que, no caso, é a antena. Como a impedância de uma antena depende da posição de seus elementos em relação ao ambiente que a cerca, variações súbitas e imprevisíveis de impedância poderão ocorrer em caso de vento - ou em operação móvel;
b) A modulação em amplitude, sendo efetuada diretamente sobre o oscilador, gera uma modulação em frequência indesejada. Isso ocorre porque as variações de tensão aplicadas ao oscilador, como no circuito da Figura 1a, provocam alterações nas capacitâncias intereletródicas do dispositivo oscilador, que, por sua vez, fazem variar a frequência do oscilador. No circuito da Figura 1b, as variações da resistência da cápsula microfônica causam, também, alguma modulação em frequência, uma vez que o microfone faz parte da carga do oscilador;
c) A potência de saída é limitada pelo ganho de potência do dispositivo oscilador e pela máxima potência permitida sobre o cristal. Isso limita a potência de saída a cerca de 5o W, na melhor das hipóteses, se for utilizada uma válvula osciladora de potência e um cristal robusto como, por exemplo, o tipo T2. Com transistores, a potência gerada não excedera, provavelmente, uns 5 W, devido ao menor ganho de potência desses elementos;
d) O funcionamento do oscilador em alta potência aquece excessivamente seus componentes, alterando-lhes as dimensões e, em consequência, provocando mudança na frequência gerada. Esse fenômeno é conhecido como deriva térmica.
Fica evidente pelo exposto que os circuitos examinados não conseguem atender de maneira adequada a dois importantes requisitos dos transmissores de rádio, que são:
a) estabilidade de frequência;
b) potência de saída adequada.
Serão analisadas aqui as medidas necessárias para a construção de um transmissor de AM com a estabilidade de frequência e potência necessárias.
Obtenção da Estabilidade de Frequência
Para a obtenção da estabilidade de frequência exigida pelas normas técnicas das telecomunicações, que é da ordem 15 Hz por MHz, e necessária a adoção das seguintes medidas:
a) A modulação deve ser efetuada num estágio posterior ao oscilador, para evitar a modulação em frequência;
b) O circuito oscilador deve trabalhar em regime reduzido de potência, para evitar o aquecimento excessivo e diminuir a deriva térmica;
c) Um estágio separador deve ser incluído entre o oscilador e o amplificador modulado. Isso acontece porque durante o processo de modulação em alto nível ocorrem variações consideráveis na impedância de entrada do amplificador modulado. (Um separador e um amplificador de baixo nível com realimentação interna nula ou bastante reduzida. Isso evita que variações na impedância de carga afetem a impedância de entrada);
d) A utilização de estágios multiplicadores de frequência também contribui para a melhoria da estabilidade da frequência do oscilador de portadora. Isso acontece por dois motivos. O primeiro é porque a estabilidade de um oscilador de RF aumenta quando a frequência de oscilação e pequena em relação a frequência de transição do dispositivo oscilador. Por isso, um ou mais estágios multiplicadores de frequência podem ser utilizados com o objetivo de permitir uma frequência de funcionamento relativamente baixa no oscilador de portadora, mesmo em transmissores que operem na faixa de VHF. O segundo motivo para o uso de multiplicadores de frequência e porque o sinal indesejado proveniente dos últimos estágios esta fora da frequência de operação dos primeiros estágios, evitando com isso a possibilidade de realimentação. O multiplicador de frequência deve operar em baixo nível, uma vez que seu rendimento é menor do que o de um amplificador comum. Dessa maneira, sua localização correta é logo após o estágio separador. Para que o sinal de saída do multiplicador seja o mais puro possível, e necessário usar em sua saída um filtro passa-faixa bastante seletivo, eliminando a frequência fundamental e os harmônicos indesejados.
A Figura 2 mostra a localização correta dos estágios separador e multiplicador, num transmissor de radio.
Figura 2 Localização dos estágios separador e multiplicadorObtenção de Potência de Saída Adequada
A potência de saída de um transmissor é função de alcance desejado e das normas e portarias que regulamentam as comunicações em determinado pais. Tecnicamente falando, a potência de saída necessária é conseguida pelo uso de amplificadores de potência de RF.
Transmissores de AM de potência superior a 1 W utilizam vários estágios amplificadores para a obtenção da potência desejada. Normalmente, o ganho de um estágio amplificador de potência, a de RF esta compreendido entre 3 e 100 vezes, ou seja, entre 4,8 e 20 dB. O ganho de cada estágio é função de sua potência de saída. Amplificadores transistorizados de potência elevada (acima de 30 W) geralmente fornecem um ganho de potência inferior a 5 (7 dB). Em consequência, um transmissor de AM de 50 W, por exemplo, utiliza pelo menos 3 ou 4 estágios amplificadores após o oscilador (Figura 3). Analisando-se os valores apresentados na Figura 3, percebe-se como o ganho de potência, Gp diminui com o aumento da potência de saída. Por isso, a obtenção de potência muito superiores a 50 W exige, quase sempre, o uso de amplificadores composto (amplificadores que utilizam mais de 1 transistor por estágio), com transistores associados em paralelo, em contrafase ou em ponte. Também torna-se interessante, para potências de saída superiores a 100 ou 200 W, o uso de válvulas amplificadoras, uma vez que proporcionam um ganho de potência bastante superior aos dos atuais transistores de potência de RF. Uma válvula de transmissão típico necessita de cerca de 5 W de excitação em sua entrada, para fornecer 200 W de saída, o que corresponde a um ganho de potência de 40 vezes ou 16 dB.
Figura 3 Distribuição típica de ganho de um transmissor transistorizadoOs transmissores de AM podem ser construídos segundo duas técnicas distintas:
a) Modulação em Baixo Nível;
b) Modulação em Alto Nível.
Transmissores com Modulação em Baixo Nível
Nesse tipo de transmissor, a modulação do sinal é efetuada, como o pr6prio nome indica, nos estágios de baixa potência, antes do último estágio amplificador de RF. Isso implica em que os estágios amplificadores após o modulador deverão operar linearmente. A operação linear obriga um projeto mais cuidadoso dos amplificadores de potência, tanto no que se refere à polarização dos transistores, quanto na dissipação de calor, já que os amplificadores trabalham com menor rendimento.
O transmissor que emprega modulação em baixo nível, por outro lado, tem a vantagem de tomar possível a utilização de diversos tipos de modulação, como, por exemplo, AM, DSB, SSB, FM e RTTY (radioteletipo). Isso ocorre porque o mesmo amplificador de potência pode ser utilizado na amplificação de todos os sinais.
A Figura 4 mostra o diagrama simplificado de um transmissor de AM deste tipo. A potência necessária para efetuar-se a modulação é pequena, tomando-se mais fácil obtê-la. Os estágios amplificadores após o modulador de AM fazem parte do amplificador linear. Os dispositivos amplificadores devem ser polarizados em classe A, B ou AB. A operação em classe C não é permitida por gerar muita distorção por intermodulação, principalmente por produtos de terceira ordem.
Figura 4 Transmissor de AM com modulação em baixo nível
Transmissor com Modulação em Alto Nível
Nesse tipo de transmissor a modulação ocorre somente no último estágio amplificador de potência de RF, ou seja, quando a potência já é suficiente para ser entregue a antena transmissora, tornando desnecessária a amplificação posterior do sinal modulado. Isso significa que os estágios amplificadores de potência de RF amplificam apenas a portadora. Por isso, os amplificadores utilizados são mais econômicos, pois não são necessários cuidados com relação a linearidade dos mesmos. Em contrapartida, a potência necessária para efetuar-se a modulação deve ser, pelo menos, igual à metade da potência de alimentação do amplificador de potência de RF modulado. Assim, um estágio cuja potência de saída seja de 50 W e trabalhe com um rendimento de 70%, necessitara de aproximadamente 36 W de potência, proveniente do sinal modulante.
O transmissor que emprega modulação em alto nível é mais eficiente no que diz respeito à utilização dos dispositivos amplificadores de RF e ao consumo de energia. Por isso, ele é, normalmente, o circuito mais utilizado.
A Figura 5 mostra o diagrama em blocos de um transmissor de AM com modulação em alto nível. Os níveis de potência indicados são típicos e correspondem a um rendimento de 67% do amplificador de potência de RF, de 94% do transformador de modulação e de 50% do amplificador de AF.
Figura 5 Diagrama de blocos de um transmissor de AM para a faixa de 11 metrosAgora, será feita uma analise detalhada do funcionamento de um transmissor de AM de alto nível, transistorizado, utilizado para radiocomunicação na faixa de 11 metros. O circuito analisado é típico para esta aplicação. Seu diagrama esquemático e visto na Figura 6.
Figura 6 Diagrama completo de um transmissor AM para a frequência de 27 MHz
Descrição de Funcionamento do Transmissor
Na entrada de microfone existe um filtro passa-baixa destinado a bloquear o sinal de RF captado pelo microfone. E constituído pelos capacitores C16 e C17 e pelo choque de RF XRF4, Após o filtro, tem-se o estágio de áudio Q5 que opera em classe A, em emissor comum. A saída de Q5 está ligado a um circuito ceifador a um circuito ceifador ou limitador de áudio. Sua finalidade e eliminar ou reduzir os picos do sinal de áudio provenientes do microfone.
O ceifador funciona baseado no fato de os diodos de silício não conduzirem enquanto a tensão aplicada não superar a barreira de potencial da junção, tipicamente de 0,6 V. Como os diodos, D2 e D3, estão conectados em antiparalelo com o percurso de sinal, este será limitado ao pico de 0,6 V. Isso significa que as tensões de áudio superiores a esse valor farão o diodo conduzir, ceifando-Ihes os picos (Figura 7).
Figura 7 Ação de ceifamento executada pelos diodos D1 e D2Na saída obtém-se o sinal ceifado, ou seja, sem os picos de tensão. A vantagem desse procedimento é melhorar o nível médio de modulação, proporcionando maior inteligibilidade do sinal, para a mesma potência irradiada.
Após o ceifador, segue-se o controle de nível de modulação, R16 Esse potenciômetro dosa a quantidade de sinal de áudio que vai modular o transmissor. Os harmônicos gerados pelo ceifamento são eliminados pelo filtro passa-baixa formado pelo resistor R17 e pelos capacitores C22 e C23. Outra finalidade desse filtro e limitar a resposta em frequência do modulador para a faixa de frequência da voz. Em seguida, o sinal e amplificado por CI1 e aplicado, através do transformador de modulação T1 aos estágios excitador e amplificador de potência de RF, onde ocorre o processo de modulação.
O sinal modulante é aplicado simultaneamente aos estágios excitador e amplificador de potência de RF para que seja conseguida uma profundidade de modulação próxima a 100%, tanto no semiciclo negativo quanta no semiciclo positivo de modulação. Isso é necessário em função de dois problemas:
a) Durante o pico negativo de modulação, os transistores permitem a passagem do sinal da base para o coletor, exatamente como um diodo diretamente polarizado. Isso acontece quando a tensão instantânea que alimenta o amplificador modulado aproximada-se do zero e a tensão de excitação de base e máxima. Para contornar o problema, e necessário que a excitação do amplificador de potência seja reduzida sempre que a tensão de alimentação aproximar-se de zero.
b) Durante o pico positivo de modulação, a potência instantânea fornecida pelo amplificador de potência de RF pode chegar a quatro vezes a potência da portadora. Isso implica em que a potência de excitação devera ser igualmente aumentada.
A solução para ambos os problemas e conseguida pela modulação do estágio excitador. Durante o pico negativo de modulação, o sinal entregue por Q3 e insuficiente para fazer conduzir a junção base-coletor de Q4 e, durante o semiciclo positivo de modulação, aumenta a excitação fornecida por Q3.
1 - Oscilador de Portadora
É utilizado um oscilador a cristal para maior estabilidade de frequência. Neste circuito, o cristal tanto poderá ser cortado para um submúltiplo da frequência de transmissão, quanta poderá ser o 3º sobretom (3º "overtone"), já que existem dois elos de realimentação positiva:
1) O primeiro deles e formado pela capacitância base-emissor de Q1. A colocação do capacitor C3, entre o emissor e a massa, completa o circuito, juntamente com o cristal, que atua como indutor. Dessa maneira, o oscilador operara exatamente como um circuito Colpitts em coletor-comum. Se o cristal utilizado operar numa frequência igual a um submúltiplo da frequência de transmissão, o elo de realimentação base-emissor será o responsável pela oscilação do circuito. O circuito tanque L1/C1 devera estar, então, sintonizado no harmônico da frequência da oscilação. Assim, por exemplo, para uma frequência de transmissão de 27 MHz, o cristal a ser utilizado devera ter uma frequência de oscilação de 9 MHz.
2) O segundo elo é formado pela capacitância coletor-base de Q1. O circuito ressonante L1/C1 é ajustado de forma a ficar ligeiramente indutivo. Juntamente com o cristal, que atua como indutor, forma-se o equivalente a um oscilador Hartley em emissor-comum. Quando se utilizam cristais de 3º sobretom, a realimentação entre coletor e base toma-se a responsável pelo funcionamento do oscilador.
Para o início das oscilações, é necessária uma polarização direta da junção base-emissor, proporcionada por R1 e R2. Os valores desses resistores variam entre 1 k ohms e 100 k ohms. Os valores mais elevados, como, por exemplo, 100 k ohms para R1 e 47 k ohms para R2, são usados para a obtenção de uma grande quantidade de harmônicos na saída do circuito, uma vez que o angulo de condução do transistor fica reduzido. Isso é útil quando o estágio funciona como oscilador/multiplicador. A explicação para isso é a seguinte: tanto a corrente quanto a tensão de emissor aumentam, reduzindo a polarização direta de base. O aumento da corrente de emissor faz aumentar, também, a corrente de base. Como o divisor de tensão tem uma resistência equivalente elevada, isso ira reduzir ainda mais a polarização direta de base, gerando mais harmônicos, devido à redução do angulo de condução do transistor.
Com cristais de sobretom, são utilizados valores menores para R1 e R2, como os indicados no diagrama, justamente para aumentar o angulo de condução do transistor e reduzir a produção de harmônicos.
2 - Separador
Este estágio tem a finalidade de separar o oscilador do excitador. Proporciona algum ganho de potência (5 vezes, aproximadamente). O casamento de impedâncias entre o oscilador e o separador é proporcionado por C2. Q2 é polarizado por R4 e R5 para operação em classe A. C2 é escolhido de forma a conseguir apenas a excitação suficiente, com o objetivo de melhorar as características de isolamento do estágio, evitando a saturação do transistor, o que aumentaria a realimentação da saída para entrada. Entre o coletor de Q2 e a base de Q3 existe uma rede casadora de impedâncias em L. C7 serve também de bloqueio da tensão continua de coletor de Q2.
3 - Excitador
O sinal de portadora proveniente do separador é aplicado à base de Q3 que opera em classe B. A base é polarizada pelo próprio sinal, havendo circulação de corrente apenas no semiciclo positivo do sinal de entrada. A corrente continua resultante, ao circular pelo resistor de base, gera uma tensão negativa. O coletor de Q3 e alimentado por um choque de RF, cuja função é impedir que o sinal amplificando seja desviado para a massa através de C10, o circuito, formado por C8, L3 e C9, atua como casador de impedâncias em T, sendo a impedância de entrada de Q4 menor que a saída de Q3. O fator de qualidade da rede casadora de impedâncias fica em tomo de 8 (QL = 8), sendo determinado pelo valor de C9, juntamente com a impedância de base deQ4. R8 tem seu valor determinado tanto pela necessidade de polarização de base, quanta pelo critério de estabilidade adotado, podendo variar de algumas dezenas de ohms, ate quase 1000 ohms. Um choque de RF pode ser usado no lugar de R8 para aumentar o ganho de potência do estágio, com ligeiro prejuízo para sua estabilidade de funcionamento.
4 - Amplificador de Potência Modulado
Opera em classe B. Na saída do estágio amplificador encontra-se o filtro de harmônico de 1/2 onda, formado por C12, L5, C13, L6 e C15. O capacitor C14, conectado em paralelo com L6, ressona em 54 MHz, ou seja, no 2º harmônico da frequência de transmissão. Isso faz com que C14 e L6 atuem como armadilha de harmônico, criando uma atenuação suplementar nas frequências de atuação (Figura 8).
Figura 8 Curva de resposta do filtro de harmônico, incluindo a ação da armadilha do 2º harmônicoO casador de impedâncias entre o coletor de Q4 e o filtro de harmônicos e do tipo "L". Um detalhe que merece ser abordado refere-se à existência de um filtro passa-faixa LC-serie, oculto no casador em "L" usado neste transmissor. De fato, para que o transistor opere eficientemente, a carga de coletor deve oferecer elevada impedância para as frequências harmônicas da portadora. Esses harmônicos são provenientes da deformação causada pela operação classe B. Embora a rede "L" ofereça alguma oposição a esses harmônicos, ela não é suficiente e deve ser aumentada pela inclusão de um filtro LC série, colocado no percurso do sinal (Figura 9). O mesmo artifício é utilizado no acoplamento entre Q2 e Q3.
Detalhes do Projeto
O projeto deste circuito foi efetuado a partir da seleção dos componentes principais, ou seja, dos transistores e do circuito integrado amplificador de potência de áudio.
Os casadores de impedâncias foram calculados para os valores de impedância assinalados junto as bases e aos coletores, nos diversos estágios do circuito da Figura 6.
Prática
A montagem do transmissor da Figura 6 poderá ser feita para fins de analise, sendo proibida a sua utilização, a não ser por radioamadores habilitados e nas faixas de frequência permitidas. Os transistores Q3 e Q4, assim como o circuito integrado 2002, precisam ser montados em dissipadores de calor de alumínio, sendo que os transistores necessitam de laminas de mica, ou outro material, para isolá-los do dissipador.
Os indutores ajustáveis deverão utilizar formas de plástico com diâmetro externo entre 5 e 7 mm, por 15 a 22 mm de comprimento, com núcleo de pó de ferro roscado com furo de ajuste hexagonal, com permeabilidade relativa de aproximadamente 11. Estes materiais são fabricados pela Sontag e pela Transmóbil, ambas de São Paulo. Os indutores L1 e L2 deverão ser enrolados com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,54 mm. Os demais, com fio esmaltado de diâmetro entre 0,8 e 1,1 mm. Os choques de RF XRF1, XRF2 e XRF4 são fabricados pela Sontag. Os demais são construídos com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,42 mm.
A montagem do transmissor, em circuito impresso, devera ser feita com trilhas curtas e largas. Todos os componentes deverão ser medidos com o auxílio de uma ponte RLC para radiofrequência. Todos os capacitores utilizados nos filtros e casadores de impedâncias deverão ser de mica prateada, de cerâmica de baixa permissividade ou poliestireno (Styroflex). Os capacitores de desacoplamento da seção de RF deverão ser de disco.
Para o ajuste inicial do transmissor, deverá ser utilizada uma carga não-irradiante de 50 ohms conectada na saída do circuito. O transmissor não devera ser ligado sem carga, sobre pena de danificar-se. A tensão de alimentação devera possuir limitação de corrente, que devera ser ajustada inicialmente em 200 mA.
Alimentado o circuito, deve-se ajustar o núcleo de L1, ate obter-se oscilação, indicada pelo wattímetro. Em seguida, devem-se ajustar os indutores L2, L3 e L4 para o máximo de indicação no wattímetro. Neste ponto, pode-se aumentar o limite da corrente fornecido pela fonte para 750 mA. A potencia de saída devera atingir pelo menos 4 W, para uma corrente total de 700 mA.
Aplicando-se um gerador de 1 KHz, na entrada de modulação, é possível determinar-se o índice e a linearidade da modulação. A frequência exata da portadora, medida com um frequencímetro, poderá ser ajustada pela inclusão de um indutor ou capacitor em serie com o cristal oscilador. O indutor devera ser utilizado se a frequência estiver acima da nominal. O capacitor, se a frequência estiver abaixo.
Observação: Caso não se disponha de uma fonte com limitador de corrente, deve-se utilizar, inicialmente, um resistor de 4,7 ohms em serie com o terminal de alimentação do transmissor. Para o ajuste final, o resistor poderá ser substituído por outro de 1 ohm, ou, então, eliminado.
Pode-se utilizar um osciloscópio com ponta de baixa capacitância, para seguir o sinal através dos circuitos do transmissor, caso o mesmo não funcione de maneira correta, desde a primeira vez. Deve-se iniciar a analise pelo oscilador de portadora, conferindo se, também, as tensões e correntes de polarização nos diversos estágios, comparando-se com os valores indicados no diagrama esquemático.
Nem todos os transistores BD137 operam de maneira adequada, na frequência de 27 MHz. A capacitância entre base e coletor devera ser de aproximadamente 10 pF, com uma polarização de 9 V. Os transistores SID, NEC, ICOTRON e IBRAPE devem ser preferidos. OBD137 pode ser substituído pelo BD329. O 2N4427 pode ser substituído por dois BF494 conectados em paralelo. O 2SC1306 poderá ser substituído por dois BD329 conectados em paralelo. Estas substituições, contudo, alteram um pouco o desempenho do circuito.
O cristal utilizado tanto poderá ser de 3º sobretom, quanto de fundamental. Neste caso o cristal devera possuir uma frequência nominal igual a um terço da frequência transmitida e os resistores R1 e R2 deverão ser mudados para 100 k ohms e 47 k ohms, respectivamente.
Conclusão
A análise do circuito da Figura 6 ressalta a função dos diversos estágios de um transmissor de rádio, bem como a finalidade dos principais componentes utilizados em cada um dos estágios.
É preciso esclarecer que muitos dos princípios aqui abordados - como a utilização de osciladores que operam em baixos níveis de potência, com a finalidade de se reduzir a deriva térmica; a utilização de estágios separadores e multiplicadores de frequência, para a redução do efeito de carga sobre o oscilador de portadora; o cascateamento de amplificadores com a finalidade obter-se maior ganho de potencia; o uso de ceifadores para a limitação dos picos de modulação - são técnicas de uso geral - que ultrapassam os limites da modulação em amplitude ou, mesmo, dos equipamentos transmissores. De fato, estes princípios e técnicas são aplicáveis a todos os tipos de transmissores, de radio ou televisão, e, no caso específico dos osciladores, o uso de separadores e multiplicadores de frequência é justificado, sempre que se busca a melhoria da estabilidade em frequência, mesmo em receptores e outros equipamentos.
Fonte:
Telecomunicações
Juarez do Nascimento
Makron Books
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