Dip Meter: Descifrando las inductancias

Determinar la frecuencia de resonancia de un circuito LC, los valores de pequeños inductores y la frecuencia de sintonía de pequeños receptores es un problema para la mayoría de las personas que carecen de los costosos aparatos que sirven para esas diferentes finalidades. Sin embargo, existe una alternativa económica y eficaz: el Dip Meter. Con este pequeño instrumento, la construcción de bobinas aplicables en radiofrecuencias dejará de ser un misterio irresoluble y pasará a ser una tarea apasionante. Además, basando el funcionamiento de este instrumento en el acoplamiento de circuitos sintonizados, te brindaremos en este artículo muchas analogías y respuestas acerca del origen de las modernas técnicas utilizadas en RFID, entre otras curiosidades funcionales del proyecto.

Un Dip Meter es un instrumento que se compone de un simple oscilador de alta frecuencia, con algunas características que lo hacen muy particular. El mencionado oscilador que compone el corazón del instrumento es capaz de oscilar libremente y sólo requiere de un ajuste externo, a través de un capacitor variable, para cambiar la frecuencia de trabajo. Hasta aquí un oscilador y nada más; pero lo que transforma a este circuito en un importante instrumento es una bobina externa y un instrumento de aguja, que puedes reciclar de algún equipo musical antiguo.

La bobina externa que se acopla y forma parte del circuito sirve para determinar el rango de frecuencias en el que el oscilador tendrá la posibilidad de funcionar. Es decir, una bobina de determinadas vueltas hará oscilar al circuito en un valor establecido de Khz. o Mhz., mientras que una bobina de diferente cantidad de espiras lo hará trabajar en otro rango. Una regla muy sencilla y clara acerca de este punto, que nos sirve para comenzar a aprender la relación entre los inductores (o bobinas) y la radiofrecuencia, es que a mayor cantidad de espiras en una bobina que forma un circuito L-C, menor frecuencia de oscilación. Reiteramos para dejar claro el concepto: más espiras significa menos frecuencia de resonancia, mientras que menor cantidad de espiras significa mayor frecuencia de resonancia, manteniendo un mismo valor de capacidad en C.

Resonante refiere a un circuito capaz de comenzar a oscilar en una frecuencia determinada según su construcción mecánica, con el simple hecho de recibir un impulso de energía. Los ejemplos más elementales de energía que podemos mencionar son la eléctrica, para el caso de una antena o de un circuito L-C (como los que veremos), y la energía mecánica, para el caso de una cuerda de una guitarra o para un diapasón. De acuerdo a su constitución física, resonarán a frecuencias específicas.

Aprovechando estas propiedades constructivas, el Dip Meter puede generar un rango de oscilación que vaya desde unas pocas centenas de Khz. hasta más allá de los 300 Mhz. y puede trabajar cómodamente dentro de la banda de UHF (Ultra High Frequency) con solo cambiar una bobina externa. Uno de los usos habituales es el de poder utilizar este instrumento para generar diversas señales de frecuencias diferentes que nos puedan ayudar a determinar distintos puntos de sintonía en receptores experimentales. Es decir, valiéndonos de conocer la frecuencia de trabajo de nuestro instrumento, podemos definir los extremos de sintonía de un receptor artesanal. Pero la aplicación más importante y útil que puede tener este desarrollo es la de ayudarnos a determinar las propiedades de un circuito L-C con sólo acercarlo al mismo.

Si acercamos el oscilador (nuestro nuevo instrumento) a un circuito L-C cualquiera y la frecuencia de oscilación coincide con la frecuencia de resonancia del conjunto “Inductor-Capacitor” desconocido, se produce un fenómeno de resonancia por acoplamiento entre ambos grupos. Esto provoca la alteración del funcionamiento del circuito oscilador. Podremos apreciar este evento con claridad gracias a un movimiento brusco del instrumento de aguja utilizado en nuestro desarrollo. De esta forma, conociendo la frecuencia de resonancia del circuito, que tendremos marcada en el dial junto al valor del capacitor que se encuentra en paralelo con la bobina, será muy sencillo calcular la inductancia del bobinado estudiado mediante la fórmula: F = 1 / 2*PI* Raíz cuadrada de (L * C) , donde F es la frecuencia de trabajo del Dip Meter expresada en Hertz; C es conocida, igual a (para el ejemplo del dibujo superior) 100pF y en la ecuación se utiliza en Faradios (100pF = 100 * 10 e-12 F) y L resultará en Henrios o Henry.

Ya podemos ir definiendo que nuestro instrumento será un generador de radiofrecuencia, un asistente para el cálculo del valor de una inductancia desconocida y un instrumento para ajustar conjuntos L-C resonantes utilizados en el diseño de transmisores y receptores. Y si hablamos de circuitos resonantes, no podemos dejar de mencionar los modernos dispositivos RFID que vemos en cualquier tienda adosados a los productos para evitar su robo, cuando son pasivos, y/o para facilitar la clasificación de artículos, cuando son activos.

Es decir, con nuestro nuevo instrumento podemos hacer nuestras primeras incursiones y aprendizajes en el mundo del RFID. Con sólo acercar una etiqueta o “tag” RFID pasiva a nuestro instrumento, podemos saber la frecuencia de trabajo del sistema y la resonancia del conjunto. En el mejor de los casos, hasta podemos llevar el principio de funcionamiento de esta clase de aparatos a una aplicación constructiva acorde en tamaño y prestaciones y así crear nuestro propio sistema RFID de activación/desactivación de dispositivos, por ejemplo, la ignición de un automóvil con una tarjeta RFID personalizada y hasta sistemas de alarma antirrobo. Es decir (siguiendo con el ejemplo propuesto), si tú no estás dentro del coche, éste no funciona. Elemental.

El circuito y su construcción
El circuito es muy sencillo y se basa en un puente equilibrado que se ajusta con P1. Al equilibrar el puente, la corriente absorbida por el oscilador que forman la bobina, el capacitor variable y Q1, es igual a la que circula por R3, VU, P1 y R4, pudiéndose colocar el ajuste de estabilidad en cualquier punto conveniente de recorrido de la aguja del instrumento. Variando CV1 y CV2, que estarán acoplados mecánicamente y dispuestos en un mismo montaje, podremos variar la frecuencia de oscilación del circuito empleado. Puede ser que el equilibrio obtenido en el puente se vea alterado provocando así una variación de corriente a través del transistor Q1 al oscilar en distintas frecuencia y al encontrarse con resultados diferentes respecto al momento de ajuste previo de las reactancias capacitivas e inductivas de CV1, CV2, L1 y L2. Este detalle nos hará ajustar nuevamente P1 para lograr un equilibrio adecuado y visible en la aguja del instrumento.

Dependiendo de la cantidad de vueltas o espiras que podamos darle a L1 y a L2, en conjunto con el valor en picofaradios de las secciones de CV1 y CV2, obtendremos distintos rangos de funcionamiento del oscilador, tal como lo anunciamos al inicio del artículo: a mayor cantidad de espiras, menor frecuencia obtenida. Una tabla aproximada para la construcción de la bobina externa es la siguiente:

• 150 – 460 MHz. = 0 espiras 2mm (diámetro), sin toma central, agregando 470 ohm entre pines J1-J2.
• 70 – 200 MHz. = 2 espiras 2mm (diámetro), sin toma central, agregando 470 ohm entre pines J1-J2.
• 30 – 75 MHz. = 5 + 5 espiras 18 SWG, devanada sobre una sola capa.
• 14 – 35 MHz. = 9 + 9 espiras 22 SWG, devanada sobre una sola capa.
• 7 – 20 MHz. = 20 + 20 espiras 22 SWG, devanada sobre dos capas.
• 3 – 8 MHz. = 50 + 50 espiras 28 SWG, utilizando varias capas.
• 1 – 3.5 MHz. = 120 + 120 espiras, utilizando varias capas.
• 0.3 – 1.4 MHz. = 300 + 300 espiras, utilizando varias capas.
• 80 – 310 KHz. = 750 + 750 espiras, utilizando varias capas.

Hacemos hincapié en que los datos de la tabla son meramente orientativos y que variarán de acuerdo a la construcción mecánica que le demos al diseño. En nuestro caso, pudimos alcanzar una excursión de frecuencia desde los 24 Mhz. hasta casi los 110 Mhz. con 2 ½ espiras para L1 y L2 y con un capacitor variable reciclado de una vieja radio AM-FM de 240pF por sección. Para el caso del potenciómetro de ajuste P1, puedes utilizar un modelo que traiga incorporada la llave de encendido, como muestra el diagrama, aunque esto no es necesario pudiéndose implementar un sistema de encendido individual, como hemos hecho nosotros. Además, la inclusión de un LED indicador de funcionamiento en alguna parte visible siempre viene bien para prevenir olvidos y posteriores agotamientos prematuros de batería.

Para el caso del transistor, puedes utilizar otros modelos de FET de canal N, además del BF245, como pueden ser el MPF102, 2N3819, TIS88, J310, etc. Aquellos que tengan algo más de conocimientos y posibilidades constructivas pueden optar por algún MOSFET de doble puerta. Sólo hay que conectar G2 a un divisor resistivo que la coloque a 4,5Volts; también se la puede utilizar como entrada de modulación externa para experimentar con tonos de audio o fonía simple (nuestra voz). Con estos agregados podremos utilizar el instrumento para el ajuste de los amplificadores de audio de los equipos de radio, siguiendo la evolución de las señales con un osciloscopio. Por su parte, el gabinete utilizado puede ser de cualquier material y hasta incluso puedes construirlo tú mismo, tal como lo hemos hecho nosotros. Con un simple corte de un perfil de aluminio y un poco de tiempo y ganas se puede lograr un modelo de gabinete muy personalizado, como puedes ver en las imágenes.

Para obtener facilidad de manejo que permita una amplia cobertura de frecuencias, puedes disponer, como hemos hecho nosotros, de un conector DIN hembra en la parte superior del gabinete donde se insertarán las distintas bobinas que construyas según la gama de frecuencias que pretendas abarcar con el oscilador. Una perilla grande para el dial y otra más pequeña para el potenciómetro de ajuste (del equilibrio del puente), más una pequeña placa de circuito impreso donde montaremos el circuito, completan las partes más destacadas del montaje.

El dibujo y diseño de la placa donde se montan los componentes queda a tu criterio y a tus posibilidades de “espacio” dentro del gabinete adoptado, pero queremos darle importancia a un criterio de construcción que debe prevalecer en equipos que utilicen radiofrecuencias: las conexiones deben ser lo más cortas posible para poder alcanzar altas frecuencias con el oscilador. Si la construcción resulta poco prolija y ordenada, es probable incluso que ni siquiera puedas hacer funcionar el sistema y, mucho menos, alcanzar frecuencias superiores a los 200 Mhz. Otra de las aplicaciones importantes que trabajan en la banda de UHF y dentro del rango de los 400 a 500 Mhz. son los mandos a distancia de las alarmas de coches. Si no realizas una construcción cuidadosa estarás perdiendo un segmento muy interesante para experimentar.

Otra de las características del proyecto es que no se necesita ajuste ni calibración alguna para completar el desarrollo. La única parte crítica es la construcción de la bobina exterior, que puedes realizarla con núcleo de aire o sin núcleo ni soporte, esto último gracias al diámetro del alambre de cobre esmaltado utilizado que la mantiene rígida y en posición. Esto soportado sobre una ficha DIN de tres pines le da forma a la bobina experimentada, pero tú puedes dar mayor rigidez final instalando la bobina en forma vertical, arrollada sobre un núcleo plástico, para armar un conjunto sólido, rígido y fuerte. Con una construcción sólida, puedes fabricar un conjunto de bobinas que abarquen todo el espectro que sea capaz de cubrir el oscilador.

La forma más sencilla de ajustar en el dial las marcas de las frecuencias logradas, de acuerdo a la bobina utilizada, es con la ayuda de un frecuencímetro para observar en él los valores alcanzados, tal como te mostramos en el siguiente video:

Tal vez no quieras realizar un instrumento tan amplio en frecuencias y sólo te interese una pequeña porción del espectro. Un ejemplo podría ser la banda de los 72Mhz para radiocontrol o la banda de emisoras comerciales de FM, cubriendo desde los 80 Mhz a los 110 Mhz. Para “estrechar” la porción del espectro a utilizar debes combinar el capacitor variable CV1 y CV2 con capacitores cerámicos fijos colocados en conexión serie. De esta forma, se puede hacer más “angosto” el ancho de banda alcanzable por el oscilador.

Otra forma de saber la frecuencia de oscilación es a través de receptores que cubran la banda que deseamos utilizar. Primero, debes ir a un extremo del dial de tu receptor y luego recorrer con el dial del instrumento hasta encontrar la emisión en tu receptor. Luego, sintonizas en el otro extremo de la banda y corres el dial del instrumento hasta detectar la presencia del oscilador del transmisor en el receptor. Allí ya tendrás las dos marcas iniciales y luego puedes hacer marcas de centro de banda y otras que puedan interesarte para aplicaciones particulares. Si bien es un método algo complejo, lento y engorroso, es al menos una forma alternativa de saber dónde estás trabajando si no tienes un frecuencímetro. El resto del proyecto lo puedes apreciar en las imágenes que te mostramos.

Circuito tanque
Se denomina Circuito “Tanque” a un circuito formado por un inductor (o bobina) y un capacitor que estén conectados en paralelo. Además, podemos decirte que cuando un “tanque” resuena o está sintonizado, es capaz de entrar en oscilación con una corriente muy pequeña. Por lo tanto, cuando acoplamos en forma mecánica y apropiada un oscilador con un circuito tanque externo que tenga la posibilidad de resonar a la misma frecuencia que trabaja el oscilador, provocaremos un acoplamiento que mejorará el Q o factor de calidad del conjunto. Esto derivará en un menor consumo de corriente por parte del oscilador. A este acontecimiento lo veremos reflejado en la aguja del instrumento en forma de caída brusca e importante.

En la práctica, lo dicho es como se observa en el video. Al acercar un conjunto L-C (circuito tanque) resonante a la bobina de nuestro instrumento, veremos una caída brusca en la aguja que nos indicará que el conjunto está “acoplado”. Una deflexión importante de la aguja significará que estamos trabajando en la frecuencia fundamental del circuito tanque. Pequeños movimientos de la aguja pueden ser producidos al cruzar por un armónico o un sub-armónico de la frecuencia fundamental.

¿Para qué me sirve saber estas cosas?
Primero y principal, para perder el miedo a trabajar con inductores en radiofrecuencia. Segundo, para poder realizar de manera fácil y rápida circuitos pasabandas, filtros, transmisores, receptores y todo lo que tenga que ver con el mundo de la radio que siempre quisiste lograr y nunca te atreviste. Tercero, para demostrarte a ti mismo que puedes construir tus propios instrumentos de medición que te ayudarán a desarrollar con mayor facilidad y comodidad los circuitos con inductancias.

¿Qué valor de inductancia tiene una pista de circuito impreso dibujada en forma de espiral en una placa? Antes de leer este artículo, todo era chino básico, pero ahora es tan sencillo como colocar un capacitor conocido en paralelo, buscar la frecuencia de resonancia con el Dip Meter y hacer un cálculo donde lo más complejo puede llegar a ser una raíz cuadrada. En pocos minutos, gracias a este formidable instrumento, obtendremos las respuestas que antes creíamos que les pertenecían a un grupo selecto de gurúes con barba frondosa que fuman alucinógenos pakistaníes. No dejes de construir uno. Te será muy útil para cuando construyamos receptores de bandas de aviación, de fuerzas de seguridad, de radioaficionados y de móviles marítimos, y para cuando realicemos futuros desarrollos de RFID y hasta incluso de receptores para satélites de órbita baja. Vamos a escuchar hasta a los murciélagos. ¿Vienes con nosotros?