Emisor radio baliza

Emisor radio baliza a 27MHz

El emisor radio baliza, es un sistema utilizado en los barcos, para notificar un posible naufragio a las estaciones marítimas cercanas, para que estas puedan actuar en de forma rápida en el caso de que ocurra tal desgracia. Si procede, el emisor emite una señal electromagnética a una determinada frecuencia (27MHz en nuestro caso, una frecuencia de uso libre).

El esquema del emisor radio baliza a 27MHz es el siguiente;

Modulador:

La primera parte del circuito, se compone por el modulador On-Off, formado alrededor del 555, y del LED.

La idea básica de esta etapa, es ser capaces de generar una tensión sinusoidal de 1kHz, y al ser conectada ésta a un altavoz, podríamos escuchar un pitido. Si conectamos el generador segundo sí segundo no, podremos escuchar un pitido intermitente, conocido como una modulación ASK.

El componente 555, hará el papel de interruptor. Si se conecta como en el esquema, alimentado a 15V, ofrecerá en la puerta 3 una tensión cuadrada, que cambia cada segundo.

Si la salida es alta, el transistor bipolar estará en corte, y no generará ninguna señal sinusoidal. Por otro lado, al siguiente segundo, cuando la salida sea baja, el transistor estará en zona activa, y por lo tanto si generará oscilación sinusoidal de 1kHz. El proceso se irá repitiendo al ritmo que marca el 555.

El LED conectado en paralelo al circuito, se iluminará cuando la salida del 555 sea baja, y por lo tanto nos estará indicando cuando el transistor está en zona activa y viceversa.

Oscilador Pierce:

Introducción:

Para obtener un oscilador, necesitaremos la conexión en cascada de un amplificador, de amplificación K, con un filtro paso-banda.

Si realimentamos el circuito, conectando la salida del filtro paso-banda con la entrada del amplificador, obtendremos un oscilador sinusoidal.
Esto se debe a que aunque inicialmente no haya nada conectado al amplificador, este irá amplificando en bucle el ruido, que es blanco en frecuencia, a la vez que se va filtrando continuamente por el filtro paso-banda, sintonizado a la frecuencia deseada.

Para que el circuito arranque por sí mismo, es importante que en el inicio, la ganancia del lazo sea un poco mayor que 1, ya que si no es así, nunca tendremos una señal lo suficientemente grande como para ser utilizada.
En lazo abierto, para que se produzca oscilación, debe cumplirse el criterio de Barkhausen;
1) Amplificación en lazo abierto mayor que 1.
2) Desfase del lazo abierto igual a 0.

Cuando se da esta condición, la sinusoide generada irá creciendo, hasta ser recortada por las tensiones de saturación del amplificador. De este modo, la salida del sistema será una sinusoide, más pura conforme mayor sea la Q del pico de resonancia del filtro.

Para diseñar el oscilador, utilizaremos un transistor bipolar (BJT), como seguidor de tensión, pues puede trabajar a frecuencias elevadas, en nuestro caso 27MHz, cosa que no se puede conseguir con un AO. Hay que tener en cuenta, que la amplificación de éste la rige la red de polarización, y que tiende a crear distorsión, dada su alimentación asimétrica.

Será el filtro paso-banda, el encargado de actuar como amplificador. Éste podría estar formado por un condensador y una bobina, con valores L y C, tales que marcarán el pico de resonancia en 27MHz=1/(2pi(sqrt(LC))).

Dado que el filtro paso-banda propuesto consta de una bobina y un condensador, éste era poco robusto, cosa inaceptable en un emisor radio baliza, que no puede fallar si el paso del tiempo hace mella en sus componentes.

Para solucionar esta problemática, se utiliza el cristal de cuarzo.

Al aplicarse una tensión en éste, se deforma, y al liberarse, empieza a vibrar, generando sus cargas una tensión sinusoidal muy estable. La frecuencia de oscilación, dependerá únicamente del corte y grosor del cristal. Así pues, el cristal de cuarzo siempre oscilará a una frecuencia determinado, dotando de gran robustez al circuito.

Al operar en el tercer sobretono, el cristal de cuarzo presenta una impedancia;

1) En la frecuencia fs, la impedancia se hace nula (cc).
2) En la frecuencia fp, la impedancia se hace infinita (ca).
3) Para fs<f<fp, el comportamiento es inductivo.
4) El intervalo entre fs y fp es pequeño, de pocos kHz.
5) Las frecuencias fs y fp son fijas y estables. Los valores vienen dados por el corte y dimensiones del cristal, ubicándose a hasta varias decenas de MHz.
6) El comportamiento descrito se basa en el efecto piezoeléctrico.

En el diseño, se ha añadido un circuito tanque, en el colector del transistor. Éste, actúa como filtro paso-banda. Si situamos la frecuencia de resonancia del circuito tanque entre 9 y 27MHz, el cristal de cuarzo verá el circuito como un RC a 27MHz, y por tanto si el cuarzo se comporta como inductor, se cumplirá el criterio de Barkhausen, obteniendo una oscilación en la salida del circuito.

Conexión de los elementos:

Es necesario configurar todos los componentes del oscilador para que estos operen correctamente;

Primeramente, hay que actuar sobre el transistor. La red de polarización es la que marca la amplificación, y por lo tanto debemos hacer que ésta sea independiente de la beta del transistor, dado que ésta se modifica cada vez que varía la temperatura, presentando cambios en la corriente del colector. En nuestro caso, la corriente en el colector quedará definida Ie=Ic=Ve/Re. 

Un condensador en paralelo a Re, determinará una intensidad máxima a la frecuencia de trabajo, que maximiza la potencia radiada. La transconductancia del transistor se expresa por su parte gm=Ic/Vt.

Seguidamente, se conecta el circuito tanque, con una frecuencia entre 9 y 27MHz, para que el cristal de cuarzo lo vea como un RC, y así formar un RLC, con frecuencia de salida 27MHz.

Emisión:

Una vez se puede generar una tensión sinusoidal a la salida del circuito, será necesaria una antena para poder transmitirla en forma de señal electromagnética. En el caso de trabajar a 27MHz, conectaremos un hilo de cobre de longitud eléctrica lambda/4 , por lo tanto de 2,8 metros, y se consigue inundar el espacio con señal electromagnética.

Al tener el monopolo una impedancia típica de 50Ohms, si conectamos la antena directamente al circuito, la amplificación del oscilador podría pasar a ser menor que la unidad. Para evitar esto, se utiliza un transformador. Con un hilo de cobre entre las espiras de la bobina, se obtiene el mismo efecto que con un devanado secundario. Dejando N1 espiras en la parte superior, y N2 en la inferior, obtenemos un autotransformador de relación n=N1/N2.

Con tal de desacoplar la continua de la antena, se utiliza un condensador de alta capacidad.

Si queremos hacer un test de funcionamiento, se puede conectar el analizador de espectro a la salida, y se obtiene un pica a 27MHz de 13dBm = 20mW de potencia.