Transmisor de Amplitud Modulada

Conectar un cable y llevar música o la voz hablada de un dispositivo a otro, es un juego de niños que cualquiera podría hacer. Alcanzar ese mismo objetivo, pero sin la unión física que significa el cable, pasa a ser un juego de adultos. Muchos podrían subestimar el montaje de un Transmisor de Amplitud Modulada, sin embargo, no todos los que se lo proponen, llegan a alcanzar el objetivo de su construcción y funcionamiento efectivo. En el montaje que hoy veremos, podremos sentar las bases de cualquier transmisor de AM, útil en la banda de emisión que sea de nuestro interés. Además, veremos muchos “secretos ocultos” que pueden hacer fracasar la construcción más básica. La magia de la radio, presente en NeoTeo.

Un LM386, un CD4011 y un 2N2222A pueden ser los elementos necesarios para pasar a descubrir todo un nuevo mundo que estaba oculto allí, en tu interior y no lo sabías. Con estos tres dispositivos construiremos de manera práctica una emisora de radio, de Amplitud Modulada y reducido alcance (pocos metros) pero que, como te mencionamos al principio, puede servir para que comprendas el concepto de la modulación en amplitud de una señal “portadora” que se encargará de “transportar”, en forma inalámbrica, la información deseada. Entendemos por “amplitud de una señal alternada en el tiempo” a los niveles máximos y mínimos que puede alcanzar, de manera independiente a la frecuencia de trabajo u oscilación de la misma. Por lo general, la señal que se encarga de llevar o, como mencionamos antes, “transportar” la información deseada es de una frecuencia muy superior a la que posea (como máximo) el dato transmitido.

En el caso de las señales de audio, las frecuencias se comprenden entre los 20Hz y 20Khz aunque la calidad de los receptores, siempre limitan esta respuesta de frecuencia. La frecuencia de la señal “portadora” puede variar desde lo más bajo del espectro radioeléctrico (encima de los ultrasonidos = 100Khz) hasta la frecuencia más alta que en la práctica se pueda obtener y manipular. Visto en forma gráfica y elemental, la modulación en amplitud es lo siguiente:

En nuestro caso entonces, lo que haremos es un circuito dividido en tres partes. Una que se encargue de tomar una señal de audio pre-grabada o de micrófono y la adapte a un nivel práctico y útil de uso “para esta aplicación”; esta sería la etapa del “modulador” y estaría organizada alrededor de un popular LM386. Como segunda parte fundamental, tendremos que generar una señal “portadora” del audio que trabajemos con el LM386 y eso estará formado por un oscilador fijo, cuya frecuencia estará controlada y definida por un resonador cerámico elemental, como los que se encuentran en los mandos a distancia. Este oscilador trabajará a partir de un circuito CMOS CD4011, con un resonador cerámico que tenga una frecuencia de trabajo ubicada dentro de la banda de radiodifusión (550Khz – 1700Khz). En mi caso, pude encontrar un resonador de 640Khz. Por último, la tercera etapa fundamental estará formada por un simple transistor 2N2222A de encapsulado metálico.

¿Por qué este tipo de transistor? Porque es lo suficientemente robusto como para permitirnos trabajar sin problemas de “abusos” durante los ensayos y soportará excesos de temperatura lógicos, durante las primeras etapas de montaje hasta lograr un ajuste definitivo. Esta parte del montaje será la que se encargará de modular la señal portadora generada por el oscilador fijo con la señal de audio ingresada desde el LM386. Por supuesto, en la salida resultante encontraremos un circuito sintonizado y específico que nos permitirá ajustar nuestra transmisión a su máxima nivel. En la entrada de alimentación, desde una simple batería de 12Volts (puedes utilizar una de 9Volts, si lo deseas) colocaremos un diodo 1N4007 para evitar accidentes de inversión de polaridad en la conexión de la batería. Con estos elementos ya estamos en condiciones de comenzar a ensamblar las partes fundamentales de nuestro circuito propuesto, que será el siguiente (observa los recuadros, allí se definen bloques importantes):

En el circuito se puede identificar de manera muy clara al LM386 (A1) ,que a su salida tiene un puente (jumper) JP2 y sale con la inductancia L1 que tomará un valor comprendido entre 1mili-Henrio y 5mili-Henrios. En nuestro caso utilizamos con éxito uno de 3,3mili-Henrios, extraído de un viejo chasis de TV. El CD4011 posee los capacitores fijos C1 – C2 y el variable CV1 para colocar (como vernos luego) al transmisor en su frecuencia exacta de “portadora”. Aquí encontramos otro puente (jumper) importante que es JP1. Con esta señal ingresaremos en la base del transistor 2N2222A y a partir de allí comenzará la magia de la modulación en amplitud. Antes de mostrarte los primeros pasos de montaje de materiales, vale hacer una aclaración de dos elementos que figuran en el circuito mostrado y que no coinciden con los utilizados en nuestro prototipo. En la práctica, R1 puede tomar cualquier valor entre 2,2 MOhms y 4,7MOhms. Nosotros utilizamos 4,7MOhms. C17 de 100pF puede ser descartado del montaje y su función principal será evitar todo tipo de EMI (interferencias electromagnéticas) cuando trabajamos en cercanías de motores eléctricos, redes de alta tensión, emisoras de radio (muy potentes) y/o cualquier sistema que pueda alterar el funcionamiento de nuestro circuito. Si nada de esto nos ocurre, C17 puede ser eliminado del circuito como hemos hecho nosotros. Ahora sí, comienza el montaje de la etapa de alimentación y el modulador con el LM386:

Como has podido ver en el video, la simpleza es extrema. Menos componentes para lograr un sistema de modulación sería imposible si deseamos hacer un transmisor que se digne de funcionar en forma aceptable. Además, en este video has podido apreciar la finalidad del sistema de pines dispuestos para JP2. Si tenemos problemas de funcionamiento y creemos que el origen de la falla es nuestro sistema “modulador”, podemos tomar desde allí una salida directa hacia un capacitor (o condensador) electrolítico de 470uF y un altavoz para realizar los ensayos necesarios. No olvidemos que, en forma aislada y si lo consideramos como un bloque simple, estamos ante un amplificador de audio basado en un LM386, no es otra cosa.

Si no deseamos usar un LM386 y tenemos afinidad por otro tipo de amplificador de audio, nada nos impedirá su uso. La única condición que debemos respetar es no excedernos en el nivel de audio de salida ya que, lo que intentamos hacer es una transmisión elemental y no hacer la competencia a la BBC de Londres, ni a la Deutsche Welle. Por otro lado, para lograr mayor potencia de salida en el transmisor, el camino es otro (que ya mencionaremos), no ése. Luego de hacer los ensayos iniciales, podemos pasar a agregar la etapa de adaptación de entrada, adecuada a nuestros propósitos, y controlar la calidad del audio, que sea limpio y libre de distorsiones desagradables ya que las mismas, se trasladarán luego a la transmisión final. Para controlar todo esto, es útil la conexión en JP2.

El oscilador encargado de generar la señal “portadora”, esa que llevará en forma inalámbrica nuestra información y que se ubicará dentro del espectro de las bandas de radiofrecuencia, es un circuito que ya hemos visto en muchos montajes, aquí, en NeoTeo en diversas circunstancias y diseños. Básicamente, como mencionamos siempre, se trata de un oscilador del tipo Pierce donde se utiliza un par de puertas lógicas CMOS para su funcionamiento (en este caso NAND, de un CD4011) y en lugar de un cristal piezoeléctrico, utilizaremos un resonador cerámico del mismo estilo al que se utiliza en los mandos a distancia, pero que tenga una frecuencia ubicada dentro de la banda de radiodifusión de AM.

Nosotros conseguimos uno de 640Khz, pero buscando en las tiendas especializadas, puedes encontrar muchos valores de hasta 1Mhz. Recuerda que debes encontrar una oscilación entre 550Khz y 1,7Mhz (1700Khz.) para poder realizar los ensayos cómodamente en un receptor de AM convencional y clásico. Regresando al tema de la potencia de salida del transmisor que estamos construyendo, tampoco te hagas ilusiones con montar una emisora clandestina que provocará interferencias en todo el vecindario transmitiendo informaciones catastróficas o impidiendo que tus vecinos escuchen las transmisiones de fútbol. Recuerda, sólo estamos estudiando un concepto y el alcance será reducido a unos pocos metros.

Uno de los detalles importantes que no debes dejar de tener en cuenta es el valor de los capacitores, que se derivan a GND, cuando utilizamos resonadores cerámicos. Estos tienen que estar comprendidos en valores cercanos a los 150pF, muy lejos de los valores a los que estamos acostumbrados cuando utilizamos cristales de cuarzo de 4Mhz (o más) en nuestros montajes con microcontroladores. Si aquí utilizas valores de pocos pF, la amplitud de la oscilación será pobre y no lograrás una señal portadora adecuada. Observa además, que hemos incorporado en el montaje un capacitor (o condensador) variable para que puedas ajustar la frecuencia a un valor exacto de sintonía. Si posees un selector de emisoras analógico en tu receptor, no será tan importante este ajuste, pero si dispones de un mando con indicación digital, este control te será muy útil para ubicarte en el mejor punto de sintonía en los canales que adopte el sistema de sintonía digital. La estabilidad, por supuesto, estará garantizada ya que no trabajamos con un circuito L-C, sino con un resonador cerámico que nos ofrecerá una escasa deriva de frecuencia y con ello, no tendremos que estar ajustando la sintonía a cada momento. Observa como trabaja todo esto que te hemos comentado en estos párrafos en el siguiente video:

Ahora viene la explicación de la utilidad que le daremos a JP1 y verás que es muy sencilla. Siempre existe la posibilidad de que no encontremos, en las tiendas de nuestra ciudad, un resonador cerámico adecuado a la frecuencia que intentamos utilizar para transmitir. En ese caso, podremos utilizar, en lugar del resonador, un cristal de cuarzo de 4Mhz o de la frecuencia que encontremos por allí, “cualquiera sea”. Es decir, podemos utilizar alguno sacado de una vieja radio, un viejo TV o de donde encontremos un cristal de cuarzo. Luego, lo único que debemos hacer es construir un divisor de frecuencias para llevar nuestra oscilación a un valor útil dentro de la banda de AM. Es decir, si utilizamos un cristal de 4Mhz y dividimos por 4, trabajaremos en 1Mhz (1000Khz).

Si los valores son más elevados, las divisiones tendrán que ser mayores pero siempre lograremos alcanzar, mediante un divisor (que puede ser programable mediante pequeñas llaves), una frecuencia libre y útil para nuestros experimentos. Esta práctica de construir divisores de frecuencia para nuestro transmisor será tema de una próxima entrega, donde además veremos otras mejoras que podemos aplicar a nuestro transmisor experimental de Amplitud Modulada.

Una vez que tenemos funcionando el modulador (LM386) y el oscilador de portadora (CD4011) podemos pasar a combinar las señales en T1 (2N2222A) y lograr en él, la modulación en amplitud de la portadora resultante que enviaremos al transistor mediante R2 y C3. Obsérvalo en la imagen superior. Si a este transistor le suministramos una polarización tradicional en su colector, tal como haríamos en una configuración de emisor común, a su salida tendríamos la señal del oscilador de portadora, amplificada (o no) y desfasada 180° respecto a la señal que ingresa por su base y de amplitud constante.

Sin embargo, nosotros no tendremos una polarización continua en el colector de T1 sino que ésta será variable en función del audio que le llegue desde el LM386. Es decir, la amplitud de la oscilación que entra por la base de T1 saldrá por el colector con mayor o menor amplitud, de acuerdo a la “profundidad de modulación” que el LM386 introduzca. En el primer gráfico del artículo lo veíamos como una onda de variaciones rectas para que sea notable la variación en la explicación teórica. En la práctica, se puede ver de este modo:

Aquí comienza una parte clave del montaje, que está compuesta por el conjunto de bobinas (inductancias) y capacitores que forman el circuito de salida del transmisor. La acción, lógica, aconsejable e ideal sería contar con medidor de inductancias, seleccionar una inductancia según los valores indicados y de ese modo, trabajar sin preocupaciones durante el armado del transmisor. Sin embargo, no todos tienen un medidor de estos dispositivos y allí es donde la situación de torna complicada. Tenemos muchas opciones y vamos a tener que apelar a cualquiera de ellas que nos lleven hacia un montaje exitoso. La primera opción (y la más básica) es encontrar inductores que posean su valor impreso en su estructura, ya sea en los trastos viejos que tengamos o en alguna tienda de componentes de la ciudad.

Si no lo tiene con el formato de micro o mili-henrios, puede tenerlo como lo hacen algunos capacitores partiendo de la unidad base de micro-henrios. Así, un inductor como el que encontramos nosotros con la leyenda “332” resultó ser de 3,3mH. (3-3- dos ceros = 3300uH = 3,3mH). Si las opciones anteriores fracasan, o no son posibles, debemos conseguir toroides de ferrite (no los amarillos de las viejas fuentes de ordenador, sino los negros) y bobinarlos con cualquier alambre de cobre esmaltado, entre 0,4 y 0,7 mm de diámetro. Para tener una referencia empírica pueden considerar los siguientes datos: Para un toroide de 2 centímetros de diámetro exterior, con 30 espiras de alambre tendremos 1mH. Es decir, con el mismo toroide de ferrite y con 60 espiras llegaremos a los 2mH en forma aproximada. De este modo construimos L2 para nuestro montaje.

Estos valores de inductancia, asociados con los valores de capacidad indicados, son esenciales para lograr buenos resultados en la construcción de nuestro transmisor. L1 forma la “carga” donde se creará, con el nivel de amplitud adecuado, la modulación sobre la portadora generada. Un valor demasiado pobre (en Henrios) de L1, no brindará la profundidad de modulación adecuada. El transistor lo verá como un circuito de carga que tiende a cero, que se proyecta hacia un cortocircuito y no provocará la modulación pretendida. Por el contrario, demasiada inductancia transformará esta carga en un circuito que consumirá la energía de audio y no brindará la amplitud de salida esperada. Con valores cercanos a los 3mH lograrán los resultados que vieron y oyeron en el video.

El último inductor (L2) forma un filtro de paso de banda (C19 – L2 – C13 – CV2) que se encarga de transmitir hacia la salida la máxima amplitud de señal útil, disponible en el colector de T1, a la salida de C12. Dicho de otro modo, nos sirve para adaptar cualquier tipo de antena que podamos usar en la salida del transmisor. Por supuesto, siguiendo las reglas básicas de la radio, nunca un transmisor debe ponerse en funcionamiento sin su antena apropiada, pero aquí debemos entender dos cosas. Una es que estamos con una potencia de salida extremadamente baja, tan pequeña que no podríamos considerarla potencia siquiera. Sólo tenemos un transistor que “mezcla” dos señales. La otra es que la longitud de onda para una frecuencia de 640Khz sería de casi 470 metros (300.000/640 o 300/0,64), por lo que una “antena dipolo” llegaría a tener más de 222 metros (142,5/0,64).

En la próxima entrega veremos para qué sirven tantos agujeros que hemos hecho en el PCB, cómo construir una antena que nos permita el mayor alcance de transmisión posible, un divisor de frecuencia para utilizar cristales de cuarzo, un preamplificador para colocar un micrófono y muchas otras cosas de utilidad que servirán para completar este sencillo y excelente transmisor de Amplitud Modulada. Este montaje está especialmente construido y dedicado a un extraordinario compañero de trabajo y mejor ser humano, como es Lisandro, a quién seguramente leen a diario en esta web.