CONSTRUYENDO UN QRP CASERO

 

Entre la gente que he trabajado, el QRP parece el proyecto casero más común, después de la construcción de antenas. El presente capítulo describe el diseño de un sencillo equipo QRP. Yo uso mi QRP solo, o para excitar un amplificador final de 25 a 50 vatios.

Es verdad que antes de construir un transmisor, necesitas un receptor. Desgraciadamente, un receptor selectivo para todas las bandas de aficionado es complicado de construir y mucha gente no tiene el tiempo ni el entusiasmo para hacerlo. (Ver capítulo 13). Este artículo describe la construcción de un receptor para 40 metros simple, solo 5 transistores, el cual he usado junto con un transmisor QRP para hablar con otros colegas. Este receptor trabaja mejor durante las horas en las que los 40 metros no están repletos. También puede ser usado para la práctica de recepción de código Morse.

 

 

Un módulo QRP para 40 metros

El transmisor QRP de la foto de arriba, está diseñado exclusivamente para 40 metros. Los 12 voltios de alimentación se introducen a través del cable con conector que se ve a la derecha. El manipulador telegráfico se enchufa al conector BNC marcado en azul que se ve en lateral de la caja de aluminio. La salida de antena es el conector marcado en rojo que se ve a la izquierda.

La frecuencia de transmisión del módulo QRP está controlada por un cristal de cuarzo. Es ese rectángulo plateado que se ve enchufado a la derecha del frontal. El mando más a la derecha, es un condensador variable para ajustar  o empujar la frecuencia del cristal unos 3 Khz. Como explicaremos en el capítulo 10, con un VFO se puede cubrir toda la banda, pero es difícil de construir. Yo no recomiendo empezar con un VFO. Tú necesitas éxitos no frustraciones.

 


Comienzo simple

El QRP más simple es un oscilador controlado por cristal. Normalmente tiene de una a tres etapas amplificadoras para conseguir una potencia de medio vatio a 5 vatios. Con esto estarás rápidamente en el aire. Desgraciadamente, el control por cristal significa que deberás gastar unos 18 dólares en cristales para tus frecuencias favoritas en cada banda. Debido a que el oscilador tiene un margen estrecho, tú normalmente sólo podrás hacer llamadas CQ. Por pura casualidad, siempre parece que las otras estaciones que llaman CQ están fuera del margen de tu cristal.

 

La “unidad central” transmisora

Tú puedes usar el pequeño transmisor mostrado arriba. Sin embargo, es mejor montarlo en un chasis más grande equipado con un interruptor de puesta en marcha, luces indicadoras, relé de antena y otros detalles.  Aquí abajo muestro el montaje de mi transmisor entero.

 

La “unidad central” transmisora, es una caja que contiene tus módulos de transmisión.

 

El indicador de aguja grande indica la corriente consumida por el amplificador final. Es de ayuda para saber cuanta potencia está consumiendo el transmisor. A la izquierda en la parte inferior se ve el interruptor principal de alimentación y el conmutador de Transmisión / recepción. También hay LED’s indicadores para saber que interruptores están activados. El botón grande rojo, es un pulsador de “spot”. Con este pulsador se puede sintonizar el transmisor con otra estación sin necesidad de estar transmitiendo. El tamaño de la unidad central, dependerá de tus planes y ambiciones. Como habrás observado, mis planes son muy grandes. Con el tiempo le añadirás más bandas, un VFO, fuentes de alimentación y operación en banda lateral, incluso una gran caja puede ser demasiado pequeña. Mi anterior unidad era muy pequeña, por eso hice esta muy grande para evitar agobios.

 

Métodos de construcción para HF, construye tus propias placas

En los tiempos de las válvulas de vacío, construíamos transmisores con cableado al aire. En su interior había muchos cables en muchas direcciones. Los transistores generan alta potencia con menos voltaje y grandes corrientes. Por lo tanto, la inductancia del cable debe mantenerse lo más baja posible. Esto significa que debes construirlo con una placa de circuito o tu transmisor no funcionará.

Por ejemplo, una vez conecté la salida de un amplificador para 15 metros a la base de la siguiente etapa, mediante un cable desnudo de 10 cm. de longitud. Si esto hubiera sido con un circuito a válvulas, podría haber funcionado bien. Pero para las altas corrientes de los transistores, el cable funciona como un choque de RF, es decir, el cable dificulta el paso de corriente, como si fuera una bobina. Deslizando una sonda de osciloscopio por el cable, pude observar una caída de voltaje del 80% desde la salida del primer amplificador a la base del siguiente. Por el contrario, una pista ancha impresa en una placa actúa como un cable coaxial, es decir, tiene una impedancia muy baja. Con una placa de circuito, la misma excitación para la siguiente etapa, sería del 100 % y no del 20 %.

Si has desarrollado tu propio método de construcción de placas de circuito, puedes saltar hacia delante. Pero si nunca has hecho esto antes, léelo.

 

HACIENDO PLACAS PARA PROTOTIPOS DE CIRCUITOS DE RF

Herramientas y materiales

Normalmente uso placas para circuitos impresos de doble cara. Estas placas tienen una fina capa de cobre por los dos lados de una hoja de fibra de vidrio. Sueldo los componentes en una sola de las caras. La cara de cobre de la otra cara, distribuye la capacidad por todo el circuito. Creo que esto añade estabilidad al circuito.

 

Las pistas en una placa actúan como líneas de transmisión

Una línea de transmisión como el cable coaxial que distribuye la señal de TV, es muy eficiente. Como se ha explicado en el capítulo 4, el vivo del coaxial actúa como una inductancia repartida que está rodeada  por la capacidad repartida entre el vivo y el aislante exterior. Es decir, un cable coaxial es un circuito LC repartido. El voltaje y la energía no se disipan, como se podría esperar. De hecho, las únicas perdidas que ocurren son las perdidas por calor en el aislamiento y la pequeña perdida que pueda haber por la resistencia del vivo, como cualquier cable de cobre.

Una placa de doble cara puede diseñarse para que funcione como un circuito cableado con trozos de coaxial. Los componentes se montan en un lado mientras que el otro lado es masa. Cada pista tiene una pequeña cantidad de inductancia  y una pequeña cantidad de capacitancia con respecto a la otra cara de la placa.  El resultado es que las señales no resultan afectadas durante su recorrido por las pistas. Sería interesante construir el mismo amplificador de RF en una placa de una cara y otro igual en una de doble cara, para ver las diferencias en el rendimiento. Estoy convencido que la doble cara funcionará mucho mejor, pero nunca he hecho este experimento.

En microondas, las pistas están expresamente diseñadas para funcionar como líneas de transmisión para la frecuencia exacta que se esté usando. Las dimensiones exactas para estas pistas se calculan para obtener el máximo rendimiento. Afortunadamente para nosotros, los circuitos de HF no requieren tanto cuidado en su diseño.

 

Circuitos impresos

Existen por lo menos cuatro formas de hacer placas caseras para RF. Al principio hacia las placas impresas con la solución de cloruro férrico. Es lento, sucio y trabajoso. Imprimir placas de circuito es un arte que no es fácil de conseguir. Puedes grabar poco o pasarte dentro de una misma placa. Si tienes éxito tendrás un resultado similar a un producto comercial. Desgraciadamente, cuando usas una plantilla de un manual o una revista, supones que podrás conseguir las mismas piezas que usó el autor. ¡Buena suerte! Las piezas que compres, pueden no coincidir con los agujeros de la placa. Para mí, la peor limitación de los circuitos impresos es que no puedo construir y experimentar a la vez. Si necesito añadir otro componente u otra etapa, no voy a tener suerte. En el cacharreo, la clave del éxito es construir y probar una etapa a la vez.

 

Placas hechas con gubia

Mi método favorito para hacer placas para RF consiste en tallar las pistas en una placa de doble cara con una pequeña gubia de tallar madera. La gubia es un formón con una punta ahuecada con un ancho de entre 3 y 6 milímetros.

 

Dos pequeñas gubias de tallar madera

Esta placa QRP fue hecha con el método de la gubia. Casi todo el cobre visible es masa. El angular de aluminio de la derecha, sirve de disipador de calor para el transistor de salida.

 

Cuando empujas la gubia sobre la placa con un ángulo alto y retuerces tu muñeca hacia los dos lados, la gubia excava una pequeña zanga sobre el cobre.  Nota: mantén tu codo alto y la gubia no patinará sobre la superficie hacia tu mano. Obviamente, dos zanjas aíslan una tira de cobre que servirá como cable o pista. A menudo suelo aislar pequeñas islas en las cuales soldaré patillas de algunos componentes. Normalmente sueldo los componentes a la superficie en lugar de taladrar agujeros para cada patilla.

 

Observar la punta ahuecada de la gubia para madera

 


Placas para circuitos integrados

Una gubia para madera sirve para circuitos de RF con componentes discretos, pero no es práctica para circuitos integrados.  Para los circuitos integrados uso placas perforadas y cablecillos. Hay un ejemplo de este tipo de construcción en el capítulo 7. Otro método para trabajar con circuitos integrados sería mediante zócalos para cada tipo de circuito integrado. Estos tienen terminales que conectan con cada pin del integrado, en los cuales puedes soldar puentes para conectarlo a tu placa casera. Para trabajar con integrados de montaje superficial SMD se pueden utilizar pequeñas placas aisladas.

 

Puentes con cable coaxial

Si es necesario, puedes usar cables largos para conectar punto a punto, pero para ello debes usar cable coaxial. A veces conduzco una señal de RF de un extremo a otro de una placa sin ninguna perdida apreciable de potencia o voltaje. Si no hay sitio par una pista ancha, uso un trozo de cable fino RG-174.

Otra aplicación de los puentes con coaxial es apantallar contra la RF una señal de audio o un cable de alimentación. Si conduces un cable a través de la placa llena de corrientes de RF, la señal de baja frecuencia quedará contaminada con señales de RF, al llegar al extremo final. Por ejemplo, en la placa del transceptor  QRP visto anteriormente, la señal continua de key es transportada por la placa mediante un cable coaxial. Debido a la disposición de los conectores en el chasis de mi transmisor, el conector para el manipulador queda en el lado contrario de la placa. El manipulador deberá conmutar el Mosfet de conducción a no-conducción. Para apantallar esta corriente continua de baja potencia se ha usado cable coaxial, como se ve en la foto.

 

Sólo se deberá conectar a masa la pantalla del cable en un extremo. El error más común cuando se usan puentes coaxiales en una placa, es conectar a masa los dos extremos de la pantalla. Esto introduce una corriente circular que puede actuar como una espira de cable en un transformador. Esta corriente podría recoger corrientes desviadas y sería peor el remedio que la enfermedad.

 

Placas con discos y pegamento rápido

Otro método para construir placas de RF es el método del disco y el pegamento “super-glue”. Se cortan pequeños discos o tiras de placas de circuito impreso. Estos discos o tiras se pegan a la placa mediante pegamento rápido para formar nodos de conexión y pistas. Una ventaja de este método sobre el método de loa gubia es que la capa de masa no está interrumpida. Es decir, cuando sueldas una patilla de un componente a masa sabes que toda la placa es masa, y no solo zonas o tiras de masa. Una capa continua de cobre significa que no habrá ninguna diferencia de voltaje entre cualquier zona de la placa. Cuanto más alta sea la frecuencia o el nivel de potencia, más importante se vuelve esta ventaja.

 

Mike Fitzgibbon, N0MF construyó este transceptor QRP casero mostrado en la foto superior usando la técnica del pegamento. Encontré a Mike en el aire cuando estaba usando este transceptor. Entrega alrededor de un vatio en antena y usa un receptor super-regenerativo para poder captar señales débiles como la mía.

 

Método del “insecto muerto”

Este método se parece al del pegamento en que la placa queda como una lámina continua de metal usada como masa.  Las pistas no están cortadas o impresas en el metal. En lugar de usar discos pegados en la placa, las patillas que no van a masa se sueldan juntas, por encima de la placa, según sea necesario. Al estar los circuitos integrados y transistores patas arriba, parecen insectos muertos con sus patas en el aire. Por supuesto, deberás mantener las patillas tan cortas como sea posible. Para corrientes bajas, la inductancia de las patillas no es un problema. Encuentro perfecto este método, para etapas de baja potencia (menos de 100 milivatios), pero no lo recomiendo para amplificadores de potencia RF.

 

 

Método “insecto muerto” contra método de la gubia

Cuando pasas a la “Alta potencia”, superior a 100 milivatios, debes reducir al mínimo la inductancia de los terminales, usando pistas anchas sobre la placa. Una vez monté una etapa amplificadora de potencia para 10 metros usando el método del insecto muerto muy compacto. Funcionaba bien y me dio medio vatio de salida. Aunque era un éxito, lo reconstruí usando el método de la gubia, y pasó a entregarme 1 vatio de salida, con un aprovechamiento del 100 %. Cuando tengo que conectar un terminal de potencia de RF a través de la placa, corto una pista ancha en la placa, o uso un trozo de coaxial. Por ejemplo, para corrientes de RF de 10 amperios, mis pistas deben ser de 1 cm de ancho o más. Si estoy justo de espacio, suelo usar un rectángulo de placa de circuito impreso en un lateral a modo de cable de baja inductancia.

 

Cajas hechas con placa de circuito impreso

A menudo es necesario apantallar un circuito del resto del circuito.  Algunos circuitos necesitan estar completamente encerrados en un contenedor metálico de manera que no radie o reciba señal hacia algún o de algún circuito próximo. Un circuito construido mediante la gubia, puede ser apantallado formando con los bordes una caja; soldando tiras anchas de placa alrededor de la periferia de la placa. Como la superficie de cobre suelda muy bien, es fácil introducir el circuito en una caja sólida abierta por su parte superior. Como el método de la gubia no necesita de agujeros en la placa, el circuito queda completamente aislado por cinco lados.

Para hacer una tapa para la caja, pliega una fina lámina de aluminio o cobre dándole forma de caja con poco fondo, de manera que encaje sobre la parte superior de la caja. Esta tapa deberá quedarse sujeta simplemente por presión.

 

Un transmisor completo controlado por cristal

El diagrama de bloques inferior muestra los módulos básicos de un transmisor QRP entero desde la batería hasta la antena.

 

La mala noticia es que hay muchos bloques de circuito. Dos de los módulos de la derecha son el osciloscopio y el frecuencímetro, son instrumentos de prueba que necesitas para asegurarte que estas operando en la banda correcta. Son piezas que casi seguramente deberás comprar. Mi fuente de alimentación preferida es una simple batería de coche. Es recomendable, pero no imprescindible, regular la tensión de la batería sobre los 11 voltios. De esta manera, el transmisor siempre tiene la misma tensión de alimentación aunque la batería se esté cargando o esté descargada. También puedes construirte o comprar, una fuente de alimentación para enchufar a la red. Construir una fuente de 12 voltios y 10 vatios es muy fácil. Pero más adelante necesitarás fuentes de 100 o 200 vatios que son más complicadas de construir y volverás a la batería de coche. Las fuentes de alimentación se verán en el capítulo 8.

El receptor no aparece en la imagen superior, pero se supone que utiliza una antena independiente. Si conectas tu antena al transmisor y al receptor simultáneamente, el receptor puede quedar dañado. Accesorios como el manipulador telegráfico, el “keyer” y el acoplador de antena en T se verán en el capítulo 9.

 

Amplificadores y osciladores

Para generar una señal radioeléctrica, lo primero que necesitamos es un oscilador. Una bujía genera ondas de radio equivalentes a golpear una campana. En las bandas de aficionado modernas, necesitamos una continua y pura onda sinusoidal, que seria el equivalente a un órgano. Pulsas el manipulador y aparece un tono puro que no para. De hecho, este es el origen del termino “continuous wave” o CW de la telegrafía.  Ya te habrás contestado tu mismo a la pregunta ¿qué hay de continuo en pulsar un manipulador telegráfico?

Las ondas continuas en frecuencias de megahercios se generan muy fácilmente usando osciladores electrónicos. Un oscilador de onda continua es un amplificador que recibe realimentación desde su propia salida. Para poder entender el oscilador, necesitamos ver el funcionamiento de los amplificadores con transistores bipolares.

 

 

¿Qué es un amplificador lineal?

El circuito de arriba es un amplificador RF transistorizado simple basado en un transistor NPN. Si lo prefieres, puedes invertir todas las polaridades y usar un transistor PNP y también funcionaría. Este amplificador está diseñado para ser lineal. Lineal significa que puede amplificar pequeñas o grandes señales, de la misma forma, sobre un amplio margen de frecuencias. Es decir, aunque está diseñado para RF, este amplificador es  de alta fidelidad y es equivalente a los amplificadores de audio que puedes encontrar en un receptor de radio FM. También se le llama al amplificador lineal, “Amplificador de Clase A”.

Como ya vimos en el capítulo 4, un transistor bipolar puede ser visto como una estructura constituida por la unión de dos diodos o dos uniones PN. Cuando un diodo es polarizado directamente, (positivo a la zona P) circula corriente a través del diodo. Sin embargo, la corriente circulará sólo cuando se supere la tensión de polarización directa, que es de unos 0,6 voltios. Igual que en el diodo, cuando se utiliza un transistor NPN, no ocurrirá nada hasta que el voltaje en la base no supere los 0,6 voltios. Cuando esto ocurre, una pequeña corriente de base convertirá la región semiconductora tipo P, en conductora. Una gran corriente circulará libremente de colector a emisor. En el transistor 2N3904 usado en el esquema anterior, la ganancia del transistor es tal que la corriente  que circula será 100 veces mayor que la corriente de base.

Supongamos que queremos amplificar una onda sinusoidal, que consta de semiciclos positivo y negativos. Un amplificador a transistor simple tendría la base conectada a la entrada. Este amplificador amplificaría la parte superior del semiciclo positivo por encima de 0,6 voltios. El resto de la onda estaría por debajo del umbral de conducción. La función de la resistencia de 33 Kohmios es poner el transistor a mitad de camino. Ahora cuando la onda aparezca en la base, la parte negativa de la onda hará que conduzca menos, y la cuando llegue la parte positiva de la onda el transistor conducirá más.

 


¿Qué hace la bobina  “choque” de 470 microhenrios?

El choque produce un voltaje de salida sin gasto de energía. Podríamos haber usado una resistencia, pero esta gastaría energía y se calentaría. Este amplificador está diseñado para generar una alta tensión de RF. La salida será el voltaje que alcanza el colector del transistor. La corriente que circula a través de la bobina no está haciendo nada útil realmente aparte de la caída de tensión entre los 12 voltios de la fuente y el colector. Por consiguiente, usaremos una bobina de alto valor para las bandas de aficionado. La RF no podrá pasar por el choque, pero si podrá pasar la alimentación de corriente continua. La inductancia es lo suficientemente alta de manera que durante un semiciclo la corriente a través de la bobina no puede cambiar. Así, aparecerá un alto voltaje de RF en el colector y se gasta poca energía.

 

Estabilizando el punto de operación del transistor

La resistencia de 33 Kohmios es el componente que pone al transistor “a medias”. Polariza al transistor inyectando una pequeña corriente hacia la base. La resistencia de 120 ohmios proporciona una pequeña realimentación negativa para que el transistor no se ponga demasiado duro cuando se pone caliente. Como la corriente continua circula por la resistencia de 120 ohmios, aparecerá una tensión en el emisor  por lo que decrece la tensión de base a emisor. Esta resistencia, sin ser muy alta, sirve para polarizar el transistor y hacerlo más estable ante los cambios de temperatura.

Si eliminas esta resistencia y conectas el emisor a masa, el amplificador seguirá funcionando, pero el transistor se notará caliente al tacto. La resistencia de 6,2 Kohmios le asegura un camino para irse, y poner al transistor en corte, a la carga de la base del transistor. También estabiliza el punto de operación y asegura que el circuito funcione cada vez que lo construyas.

 

Condensadores “bypass”

¿Para qué se pone un condensador de 0,01 microfaradios (uF) en el emisor? Este es un condensador “bypass”. Un amplificador de RF puede ser visto como dos circuitos sobrepuestos. Un circuito establece los voltajes de corriente continua y las corrientes necesarias para una operación lineal estable. El otro circuito maneja las señales sinusoidales de RF que modulan los voltajes y corrientes estáticos. Como vimos anteriormente, la corriente continua pasa a través de la resistencia de 120 ohmios ocasionando una caída de voltaje entre emisor y masa. La corriente de RF al pasar por la misma resistencia produce una señal de RF en el emisor. Este voltaje debe restarse al voltaje del colector y por lo tanto hace decrecer la señal de salida. Debes recordar que el voltaje a través de un condensador no puede cambiar instantáneamente. El condensador “bypass” se elige de manera que aunque se cargue con la tensión continua, en bandas de aficionado el voltaje en el condensador, no cambie. Para un condensador de estos valores (uF) las fracciones de un microsegundo a las que oscila la señal de RF son insignificantes. El resultado es que en el emisor tendremos un voltaje cero para la RF y toda la tensión de RF aparecerá en el colector. Otra manera de ver el condensador “bypass” es como un cortocircuito para la RF sin afectar a la corriente continua.

 


Cómo se convierte un amplificador en oscilador

 

Tú ya sabes que un sistema de megafonía se convierte en un oscilador de audiofrecuencia cuando pones el micrófono cerca del altavoz. Esto produce una horrible y terrorífica oscilación (acople). Los osciladores electrónicos funcionan introduciendo una parte de la salida en la entrada.

Observa que un amplificador transistorizado de una etapa invierte la polaridad de la señal de entrada. Al aumentar el voltaje en la base disminuye el voltaje en el colector. Por lo menos en teoría, si introducimos la salida de este amplificador  en la entrada, la polaridad opuesta de la salida, cancelaría cualquier señal que empezara a formarse en la entrada. Por esta razón, si deseas construir un oscilador, la señal sinusoidal necesita ser invertida en fase antes de realimentar la base del transistor.

La necesidad de un circuito inversor de fase nos da la oportunidad de usar este circuito inversor como un filtro, de manera que restringa la oscilación a solo una frecuencia. Ya te has encontrado con los circuitos resonantes L-C en paralelo. Un circuito L-C en serie atenúa todas las frecuencias excepto su frecuencia de resonancia. Un circuito L-C serie puesto entre el colector y la base de un transistor amplificador oscilará en una frecuencia especifica definida por los valores de la inductancia y la capacitancia del circuito serie L-C.

 

Circuito resonante L-C serie

En el capítulo 4 vimos una introducción a los circuitos resonantes paralelos. El circuito resonante serie también resuena a una determinada frecuencia y puede ser usado de la misma manera. El circuito resonante paralelo aparece como una resistencia infinita o una impedancia infinita a una frecuencia especifica, cortocircuitando todas las tensiones de RF de frecuencia aplicadas distinta a la de resonancia. Por el contrario, el circuito resonante serie aparece como una resistencia cero (cortocircuito) a la frecuencia de resonancia. Como se ve en la figura superior, sólo circula una frecuencia de RF hasta la resistencia de carga. Para todas las demás frecuencias, aparece como una inductancia grande o como una capacidad pequeña.

 

 


Un oscilador a transistor en funciones

El circuito de la figura superior oscila en el margen de 1 a 30 MHz, dependiendo de los valores de L y C. Desgraciadamente, si lo construyes, encontrarás este oscilador muy inestable para su uso en radio de aficionados. Sin embargo, produce una oscilación potente. Una vez consigas que funcione, podrás observar la importancia de la resistencia de polarización de 33 Kohmios. Cuando desconectes esta resistencia, el oscilador seguirá oscilando como si nada hubiera pasado, bueno casi nada. Si miras bien en tu osciloscopio verás al comienzo de cada semiciclo una distorsión. Sin esta resistencia, el transistor queda en corte cuando la entrada cae por debajo de 0,6 voltios.

Ahora apagamos por un momento la fuente de alimentación, y la volvemos a encender, y veremos que el oscilador no funciona. La salida será solo una línea recta en tu osciloscopio. Sin la resistencia de 33 Kohmios, el amplificador no puede ver su propia salida que es solo ruido de muy poca tensión, y el oscilador nunca arranca. Esto es debido a que el ruido esta por debajo del umbral de los 0,6 voltios. Monta de nuevo la resistencia de 33 Kohmios y verás como la oscilación reaparece de nuevo inmediatamente.

Un amplificador no lineal, sin polarización, recibe el nombre de “Amplificador Clase C”. Son útiles para amplificar señales de telegrafía CW que son mayores que la caída de tensión de la base. La excitación para un amplificador de clase C debe ser mayor que 0,6 voltios, de otra forma no funcionará. Clase C no es útil para amplificar voz o música ya que el umbral de 0,6 voltios, corta una parte de la onda y la distorsiona.

 

Osciladores a cristal de cuarzo - La clave pata la moderna estabilidad

Los relojes de muñeca electrónicos usan cristales de cuarzo para obtener relojes baratos de precisión que rivalizan con los viejos cronómetros mecánicos que en su día  fueron vitales para la navegación.

Análogamente, los televisores a color utilizan cristales como bases de tiempos de manera que el separador de colores pueda separar adecuadamente el rojo, el azul y el verde. Los ordenadores también utilizan cristales para poder correr adecuadamente.

El cuarzo es un cristal de dióxido de silicio natural y cristalino. El vidrio corriente es también cristal de dióxido de silicio, pero los átomos están dispuestos en una estructura amorfa, algo así como una pila sin orden de envases de leche que han caído de un camión. Por el contrario, el cuarzo tiene una estructura cristalina regular, como si los envases estuvieran apilados. El cuarzo no es perfectamente puro, ya que contiene átomos contaminantes atrapados en la estructura del cristal. Estos iones contaminantes no convierten al cuarzo en semiconductor. El cuarzo natural proveniente de Brasil y otros lugares, se encuentra como cristales claros con caras planas y estructura uniforme. Este material puede cortarse y pulirse hasta quedarse en una fina hoja plana cortada en pequeños cuadraditos. Cada cuadrado se monta entre dos placas de metal como si formaran un condensador con el cuarzo como dieléctrico.

Cuando se aplica voltaje al cuarzo los iones del metal cargados contaminan el cuarzo y son atraídos por las cargas de las placas. La fina capa de cuarzo se dobla hacia adelante y hacia atrás con los cambios de polaridad del voltaje.  Si el voltaje es un voltaje de RF los cambios de polaridad son de millones de veces por segundo y el cristal vibra a esa frecuencia.

 

 

Cuando se aplica un voltaje de alterna al cristal, este vibra más fácilmente a la frecuencia proporcional a la masa y las dimensiones físicas del cuarzo. Es decir, cada cristal puede ser cortado para vibrar a una frecuencia especifica. Como es de esperar, los cristales más grandes vibraran a las frecuencias bajas y los cristales finos vibraran a frecuencias altas. Aunque el cristal oscila a millones de vibraciones por segundo, la vibración es mecánica y parece un instrumento musical. Al igual que un instrumento musical, los cristales también tienen sobretonos o frecuencias armónicas más altas. Los cristales de sobretono oscilarán a frecuencias altas de 100 MHz o más.

 

Los cristales de cuarzo oscilan mecánicamente pero simultáneamente oscilarán eléctricamente. Los cristales de cuarzo actúan como un circuito serie L-C. Son equivalentes a los componentes LC que usamos para sintonizar un oscilador. Las capacitancias e inductancias equivalentes CX  y LX dependen de las dimensiones físicas del cristal. Imagínate el cristal de cuarzo como un circuito L-C extremadamente estable. El cristal tiene una resonancia serie y una resonancia paralelo. Si la galleta de cuarzo fuera  un vidrio corriente, la cpacitancia tendría probablemente el mismo valor.

Observa la resistencia RS en serie con CX  y LX.. Esta resistencia es el equivalente eléctrico al rozamiento mecánico que tiene lugar al flexar el cuarzo. Esta resistencia produce calor y si este es importante, expandirá las dimensiones de las piezas mecánicas y ocasionará un desplazamiento en frecuencia. En general, cuanto más grande sea el cristal, la temperatura subirá más lentamente y la frecuencia variará más lentamente.

 

Un surtido de cristales de cuarzo para control de frecuencia

 

En la figura tenemos varios cristales típicos. En la esquina superior derecha tenemos dos viejos cristales grandes. Estos son muy buenos y están funcionando desde hace más de 50 años. Los tres cristales del centro son del tipo HC33 y son de construcción moderna. También en el centro tenemos dos cristales de tamaño medio HC49 que se usan para microprocesadores. Estoy son buenos, pero a menudo no se encuentran para la frecuencia deseada.

A veces es necesario encargar cristales HC49 a medida, de compañías como ICM por un coste de 18 dólares cada uno. Los pequeños cristales de la izquierda, pueden ser usados con precaución. Los cristales pequeños se calientan fácilmente y patinan. Los cristales en forma de bote cuadrado o rectangular que se ven más a la  derecha, son conjuntos completos de oscilador controlado a cristal. Se usan para trabajar con ordenadores no para RF. De hecho, nunca he encontrado un oscilador de estos que no se ponga caliente como una pistola y patine como si estuviera loco. Aunque los hayas probado, no uses osciladores empaquetados.

 

Circuitos comunes de oscilador a cristal

 

Puede haber una docena de circuito osciladores a cristal. El circuito de la figura anterior es prácticamente igual al crudo oscilador LC visto anteriormente. El condensador variable te permite desplazar la frecuencia del cristal un kilohercio o más por encima y por debajo. Este circuito es completamente funcional y puedes verlo en algunos proyectos caseros. Si, si lo deseas puede quitar el condensador variable. Sin embargo, no es muy buena idea aplicar grandes voltajes sinusoidales directamente al cristal. Por ejemplo, si quitas el condensador variable, el voltaje de colector quedará aplicado directamente sobre el cristal. Demasiada tensión de RF en el cristal puede calentarlo y hacer que patine. El calentamiento del cristal causará una oscilación en la frecuencia que empezará a caer en el momento que enciendas el oscilador. En casos extremos, como puede ser en un oscilador con válvula de vacío, el voltaje puede romperlo o arruinar el cristal. Por todo ello, aunque este circuito es sencillo de explicar, no suelo usarlo.

 

Cristales cortados para serie y para paralelo

Los llamados cristales cortados para serie, están diseñados para ser usados con un condensador en serie con el cristal, como hemos visto en la figura anterior. Esto significa que cuando este cristal tenga un determinado valor de condensador en serie, oscilará exactamente en la frecuencia marcada en la caja del cristal. De lo contrario, puede estar desplazado un kilohercio o más. De igual manera, los cristales cortados para paralelo, están diseñados para funcionar con un valor determinado de condensador en paralelo, como se ve en la figura siguiente.

 

El oscilador de la figura anterior tiene el cristal conectado a la base del transistor. Además tiene un condensador en paralelo con el cristal. Cuando pongamos en marcha el oscilador, la frecuencia de salida puede estar desplazada alrededor de cientos o incluso miles de hercios. Ajustando el condensador, el oscilador puede dar la frecuencia exacta que deseemos.

 

El mejor es el Butler

Un oscilador Butler a cristal

 

Probé todos los osciladores de mi transceptor y descubrí que algunos no tenían el desplazamiento por temperatura al encenderlos. El más estable era un oscilador Butler como el de la figura anterior. Observa que el cristal y su condensador están en paralelo con la resistencia de emisor. Realmente no se porqué, pero este circuito es estable al momento de encenderlo. Puede ser debido a que el cristal no está conectado a la unión PN de la base que es la que se calienta. De cualquier manera, los Butler patinan menos de un hercio o dos por minuto. Dos de mis osciladores mostraron un desplazamiento cero durante el primer minuto.

Uno de ellos, el BFO de mi receptor, estaba en el mismo hercio media hora después. Ahora se como se supone que debe funcionar el control a cristal. Incluso no es necesario meter estos osciladores en cajas estancas metálicas. Montado en una placa al aire, es increíblemente estable.

Dependiendo de donde se vaya a usar, el Butler tiene la ventaja que el condensador en serie baja más la frecuencia que el oscilador con cristal en la base mostrado anteriormente. En un ejemplo de transceptor comercial moderno en el Handbook del 98, había una versión de un oscilador Butler. Este oscilador se anuncia como con bajo ruido de fase, sin decir nada sobre la característica de buena estabilidad.

Muchos equipos modernos usan circuitos osciladores anónimos con circuitos integrados como el NE602. Entre otros circuitos, estos integrados contienen osciladores. Para cablearlo solo tienes que conectar un cristal en los pines correspondientes. ¡Sólo el cielo sabe lo que hay allí!. Pero me imagino que esto sólo nos importa a nosotros, los cacharreadores.

 

 

El circuito QRP para 40 metros

El circuito mostrado más abajo es el corazón del transmisor QRP. El oscilador situado a la izquierda, es un oscilador Butler. El amplificador de RF, mostrado a la derecha, es similar al del ejemplo mostrado anteriormente, pero está sintonizado con un circuito L-C para una banda específica. Asimismo, su salida es un transformador que adapta la alta impedancia de salida (alrededor de 600 ohmios) a los 50 ohmios de la antena.

 

 

El oscilador a cristal y el buffer (separador)

El esquema de arriba muestra las etapas osciladora y separadora de un transmisor QRP. Este circuito saca 1/8 de vatio y puede ser usado directamente. Por supuesto, tendrás que usar una antena terrorífica para que te oigan. La potencia que consigas obtener de este circuito, dependerá del cristal que uses.

Yo usé un cristal grande, del tipo HC33, con el cual, mi QRP (incluyendo el amplificador final) sacaba 15 vatios a 12 voltios, en lugar de los 5 vatios. Cuando lo hice trabajar con baterías (9 voltios), ponía en antena 7 vatios.

El oscilador Butler procede de un proyecto del ARRL Handbook de 1986, y lo he usado con éxito muchas veces. El amplificador separador sintonizado, forma parte de un diseño del Handbook de 1979.Este amplificador básico produce una alta ganancia en voltaje y también puede usarse como filtro activo sintonizado. Cuando está acoplado a un secundario de baja impedancia, como en este ejemplo, funciona como amplificador de potencia.

Construir este QRP consiste en varios pequeños proyectos. Construye el oscilador y consigue que funcione, antes de montar el amplificador separador. Lo más importante es que funcione, no su tamaño ni si queda bonito. Al construir un proyecto, utiliza circuitos que entiendas y piezas que tengas.

El esquema anterior no incluye un listado de piezas detallado. Los listados de piezas están muy bien, pero sólo si puede comprar exactamente todas las piezas. Los fabricantes y distribuidores cambian cada año, por lo que es muy frustrante indicar un fabricante en concreto. Las bobinas son las únicas piezas críticas. Deberán ser de polvo de hierro y estar diseñadas para el margen de frecuencias adecuado. Para trabajar con una marca de toroides como Amidon, Micrometals, etc., necesitas el valor de inductancia AL para poder calcular el número de vueltas. Este proceso se explicará más tarde en este capítulo.

 

Características de las bobinas para el oscilador QRP

Banda                 Tipo Toroide             Vueltas Primario              Vueltas Secundario

80 Mts                T 50-15                    41 con toma a 1/3           4 y 5 vueltas

40 Mts                T 50-15                    30 con toma a 1/3           3 y 4 vueltas

                           T 50-2                      51 con toma a 1/3           5 y 7 vueltas

30 Mts                T 50-6                      36 con toma a 1/3           7 y 9 vueltas

20 Mts                T 50-6                      28 con toma a 1/3           3 y 4 vueltas

17 Mts                T 50-6                      22 con toma a 1/3           3 y 5 vueltas

15 Mts                T 50-6                      22 con toma a 1/3           3 y 5 vueltas

12 Mts                T 50-6                      16 con toma a 1/3           3 y 3 vueltas

10 Mts                T 50-6                      16 con toma a 1/3           3 y 3 vueltas

 

El número de vueltas no es crítico, está bien si sintoniza con el condensador variable en su posición central. (Los toroides son Amidon)

 

Bobinas toroidales

El circuito que hemos vito usa bobinas sobre forma toroidal para los bobinados primarios de los transformadores. La toma se hace a 1/3 desde el extremo más cercano a la alimentación. La corriente continua circula hacia el primario y tras un tercio de vueltas deja el bobinado y se dirige al transistor, el cual conduce cada medio ciclo y cortocircuita la corriente a masa. El extremo opuesto del primario se conecta al condensador variable formando un circuito resonante LC. En este extremo de la bobina no hay salida para la corriente continua. Por lo tanto, 2/3 de la bobina se usan sólo para la oscilación resonante de las corrientes de RF. Es decir, gran parte de la inductancia se dedica a oscilar a una frecuencia determinada.

 

Cortos pulsos de corriente continua sobre 1/3 de la bobina sirven para acompañar la oscilación y mantenerla. Es comparable a un adulto empujando a un niño en un columpio. El adulto únicamente empuja brevemente en un extremo del arco que realiza el columpio. El sistema de péndulo del columpio produce la mayor parte de la oscilación. Esta toma intermedia de la bobina hace que la oscilación sea mucho más grande que con una bobina sin ella. Además, la oscilación está mucho más confinada a una frecuencia, es decir, el Q o calidad del circuito resonante, es mucho más alto.

 

Un error que se suele cometer

 

 

El dibujo anterior muestra la manera correcta y la equivocada de bobinar una bobina con toma intermedia. Una bobina de este tipo se supone que es una bobina simple con un cable externo conectado en un punto a lo largo de la bobina. Es decir, la bobina debe ser construida de principio a fin en la misma dirección. En el dibujo la bobina correcta tiene tres vueltas en una dirección y tres vueltas más en la misma dirección.

Si la dirección del bobinado cambia en la toma intermedia, la inductancia de la primera mitad quedará cancelada por la inductancia de la segunda. Es decir, el dispositivo de la derecha no tiene ninguna inductancia. No es una bobina, solamente es un cable.

 

“Q” = es igual a calidad

Las bobinas y condensadores tienen un factor de calidad llamado “Q”. Es igual a la reactancia de un dispositivo dividida por su resistencia. La reactancia es la propiedad que tienen los condensadores e inductancias de oponerse al flujo de corriente alterna y actuar como una resistencia. Las inductancias constan de una longitud de cable de cobre formando una bobina. Debido a la resistencia del cobre, la resistencia de una bobina puede ser considerable, incluso sin tener en cuenta la componente reactiva. Por lo tanto, las inductancias tienen normalmente un Q bajo. Por el contrario, la resistencia de un condensador es despreciable, y por tanto su Q será normalmente alto. En los condensadores electrolíticos, el dieléctrico disipa energía y aparece como una resistencia, con lo cual disminuye su Q.

 

Multiplicadores de frecuencia

Por supuesto, los amplificadores con bobina con toma intermedia, se pueden usar como multiplicadores de frecuencia. Supongamos una onda de 7 MHz en la entrada. Supongamos ahora que el circuito resonante LC está sintonizado a 14 o 21 MHz. Cuando este funcionando, en tu osciloscopio verás una onda de 7 MHz en el colector. Sin embargo, la bobina entera y el condensador están oscilando a un múltiplo de la frecuencia de entrada determinada por el circuito LC. Para usar la frecuencia más alta, coger la señal mediante un condensador pequeño, unos 5 pF,  entre la bobina y el recortador. Un condensador más grande cargaría demasiado el circuito LC y terminaría con la oscilación. Alternativamente, la alta frecuencia puede obtenerse también con un secundario de una o dos vueltas sobre la bobina.

 

Si la inductancia y la capacitancia se llaman reactancia, ¿qué es la impedancia?

Impedancia es la suma o total de todas las reactancias y resistencias de un circuito. Cuando decimos que un circuito tiene una impedancia de 100 ohmios estamos diciendo que el conjunto de todos los componentes del circuito actúa como una resistencia de 100 Ohm a una determinada frecuencia. Por ejemplo, como mencionábamos antes, la mayoría de las antenas, receptores y transmisores de radio de aficionado, están diseñados para trabajar con impedancias de carga de 50 Ohm.

 

Adaptación de impedancias

Si necesitas transferir potencia de un circuito a otro, y no dispones de una fuente de voltaje ideal, conseguirás la mayor transmisión de potencia si adaptas la impedancia de la carga con la impedancia interna de la fuente de voltaje. Es decir, las fuentes de voltaje reales tienen una resistencia interna que limita la energía que puedes extraer de la fuente. Por ejemplo, una batería nueva tiene una baja impedancia interna. Por el contrario, una batería muerta tiene una resistencia en serie con el voltaje, que limita la potencia que se puede obtener de la batería. Sin embargo,  incluso con una batería cercana a su muerte, puedes maximizar la transferencia de potencia, adaptando la resistencia de la carga a la resistencia interna, independientemente de lo elevada que esta sea.

 


El desacoplamiento entre la etapa buffer y la alimentación

La etapa buffer es la que sigue al oscilador. La función del buffer es aislar el oscilador del amplificador o amplificadores finales. Los cambios en la carga de salida de un amplificador, pueden llegar hasta la entrada de este y afectar al oscilador. Esta realimentación produce súbitos cambios de frecuencia y contribuye al  “gorjeo”. El gorjeo es un cambio de tono de la señal en Morse que hace que suene como un pájaro. La manera de evitarlo es añadiendo un amplificador buffer entre el oscilador y el amplificador final.

Idealmente, toda comunicación entre una etapa amplificadora y la siguiente es a través del camino entre el transformador de salida y la base de la siguiente etapa. Desgraciadamente, existen otros caminos por los que se comunicarán dos etapas, a través de la alimentación o a través de pistas de masa. Puedes minimizar la comunicación por masa usando grandes pistas de masa, o usando una capa entera de cobre, como hemos visto en la construcción de placa de circuito.

La comunicación por la alimentación es más difícil. Supongamos una gran onda sinusoidal generada por un amplificador final. Al aumentar la corriente a través del transistor de salida, esta gran corriente carga el voltaje de alimentación y puede hacer que caiga. El amplificador (excitador) que alimenta al amplificador final pierde alimentación justo cuando la necesita para proveer el aumento de corriente. El resultado de esta interacción es que la onda puede temblar y volverse inestable. En un osciloscopio, la onda pierde el foco y se vuelve borrosa. Un frecuencímetro leería por debajo de la frecuencia del cristal y se volvería inestable. La inestabilidad se puede evitar en gran medida desacoplando cada etapa como se ve en la figura siguiente:

 

 

La resistencia y el condensador de cada etapa ralentizan los cambios de voltaje de alimentación en cada ciclo. Esto evita que estos cambios pasen a las etapas anteriores.  Cuanta menos corriente pase por la etapa, más resistencia se necesitará. Si quitamos estos circuitos RC, nuestro QRP funcionará bien sólo si disponemos de una fuente estabilizada de 12 voltios. Sin embargo, si usamos una fuente débil, como baterías viejas, será difícil obtener una onda de salida limpia.

 


Los pasos finales para QRP

Yo estaba sorprendido por la gran señal que conseguí obtener de mi oscilador usando cristales HC-33. Si usas cristales HC-49, la potencia de salida será probablemente menor y se necesitará el primer paso del amplificador de dos etapas descrito a continuación. En mi caso, cuando enchufé mi QRP a 12 voltios, conseguí una salida de 15 vatios.

Ehhh, el QRP son potencias de menos de 5 vatios. Por esto, alimenté mi circuito con 9 voltios procedentes de 6 células alcalinas y conseguí 7 vatios de salida. No tendrás ningún problema en conseguir suficiente potencia de este pequeño transmisor.

 

Amplificador de dos etapas para QRP

 

Los últimos dos de los cuatro pasos a transistor de nuestro QRP están reflejados en la figura. El primer paso es sintonizado y funciona como buffer tras el oscilador. Dependiendo del número de vueltas de las bobinas de los pasos sintonizados, estos podrán funcionar en dos o más bandas. Por ejemplo, con 27 vueltas en el primario, puedes cubrir de 20 a 10 metros. Tendrá que hacer la toma intermedia a 1/3 del número total de vueltas, en este caso, 9 vueltas. El secundario tendrá unas 6 vueltas. La entrada de un amplificador a transistor, es normalmente de baja impedancia. Por lo tanto los transformadores reducirán el voltaje y aumentar la corriente, para adaptar la impedancia.

 

El buffer que sigue al oscilador es un clase A ya que está polarizado con una resistencia de 33K. El circuito RC del emisor mantiene estable al amplificador clase A de manera que no varíe con el aumento de temperatura.  La clase A es mejor cuando los niveles de señal son pequeños. En los dos amplificadores de arriba, el primero (sintonizado) funciona en clase C. La variación de la tensión de entrada debe ser mayor que el voltaje base-emisor (0,6 voltios). Este clase C funciona a altos niveles de potencia, de manera que necesitas un transistor mayor, 2N3053, 2N2222 o equivalentes. Estos transistores tienen un encapsulado parecido a una pequeña lata que ayuda a disipar el calor. Además se le suele acoplar un radiador similar a un sombrero, para disipar mejor el calor. Busca en tu catalogo disipadores, y encontrarás un buen surtido.

 

Transformadores bifilares

 

El transformador para la etapa final de banda ancha es un transformador bobinado bifilar. Este transformador de banda ancha no esta sintonizado y trabajará en cualquier banda de HF. El núcleo toroidal es un T50-61 de ferrita, en lugar de polvo de hierro. La ferrita produce mucha más inductancia que la que puedas conseguir con un núcleo del mismo tamaño de polvo de hierro como el T50-6. Es decir, el factor AL es mucho mayor en un núcleo de ferrita. La alta inductancia significa que la señal de entrada al transformador pasará hasta la salida antes de que el inductor tenga tiempo de cargarse. No hay nada resonante en este transformador.

Aunque el transformador está construido con dos hilos paralelos, los dos están juntos constituyendo un bobinado que orbita por el toroide. Los transformadores de este tipo son una especie de transformadores con toma intermedia. La impedancia puede ser reducida o aumentada conectando la salida a toda la bobina, para altos voltajes o sólo a la mitad de la bobina.

Antes de bobinar uno de estos, examina detenidamente el dibujo. Sólo funciona cuando se construye exactamente como en el dibujo. Hay una forma realmente fácil para echar a perder todo el trabajo. Si conectas uno de los cables consigo mismo, este cable se convierte en una vuelta que disipará la mayor parte de la energía de RF. Por ello, antes de soldar el bifilar al circuito, usa un ohmímetro para confirmar que los tres terminales tienen cero ohmios entre ellos. Si descubres que la toma intermedia es un circuito abierto con respecto a uno de los dos cables, lo has montado mal. Yo he cometido este error dos veces y gaste mucho tiempo en descubrirlo.

 

Amplificadores sintonizados contra amplificadores de banda ancha

El transmisor QRP descrito anteriormente utiliza dos pasos amplificadores sintonizados con trimers y un amplificador final de banda ancha que no necesita sintonización. Los amplificadores sintonizados casi siempre funcionan, esto es una gran ventaja. El inconveniente de los amplificadores sintonizados es que la sintonización puede ser crítica y puede no cubrir toda la banda. Sintonizar todos los pasos de un transmisor es una mala idea. Cuando la batería de mi coche se descarga, a veces mi señal puede chocar en medio de un CQ. En mi osciloscopio puedo ver una perdida de amplitud y distorsión en la onda de salida. La estación que este contactando dirá que mi señal se está rompiendo.

Otra desventaja de los pasos sintonizados es que cuando sintonizas otro paso, por desplazamiento de la fase de la onda, estarás también ajustando el acoplamiento de impedancias con los pasos siguientes. Funciona como un acoplador acoplando una antena. Confieso que realmente no lo entiendo, pero el fenómeno es real y ocurre.

 Por el contrario, por los amplificadores de banda ancha pasa cualquier señal que reciban. Por ello, si todos tus pasos son de banda ancha, no funcionará, aunque hagas un maravilloso trabajo adaptando impedancias en cada paso. Cuando un amplificador de banda ancha está desacoplado pasa a funcionar en “modo ruido”. Es decir, tú metes una onda en la entrada y el amplificador pone una ráfaga de ruido que contiene sólo una imagen fantasmagórica de la onda que esperas amplificar. Si no dispones al menos de un paso sintonizado, no tendrás nada que ajustar cuando el paso final pase a “modo ruido”.

La etapa de salida de nuestro QRP es un amplificador multibanda que utiliza un filtro Chebyshev de cinco elementos, para suprimir los armónicos de alta frecuencia de la onda de salida. Los filtros Chebyshev se explicarán posteriormente. Los valores de los componentes del filtro se encuentran en tablas y fórmulas en los “ARRL Handbook” de 1986 y siguientes. Este amplificador de banda ancha es un circuito universal que puedes añadir a tu bolsa de los trucos. Por ejemplo, en mi QRP de 10 metros, utilicé dos pasos de banda ancha en serie para aumentar la potencia de 3 a 9 vatios. El primer paso utiliza un 2N3053 y no necesita su propio filtro Chebyshev.

 

Transistores de RF caros

El amplificador final utiliza un transistor Motorola MRF476, con un precio de unos 10 dólares. Existen cientos de transistores más baratos, que pueden entregar 5 o 10 vatios a frecuencias de HF. Desgraciadamente, los otros que he probado necesitan de 24 a 80 voltios de tensión de colector, para entregar la misma potencia. La virtud de los MRF’s de Motorola es que entregan mucha potencia en HF para una alimentación de 12 voltios. Esto es muy bueno para mí, a pesar del precio.

 

Choques de RF con perlas de ferrita

 

Observa el choque de RF de la base del MRF476. Consiste simplemente, en un cable recto que pasa a través de una perla de ferrita. Esto elimina bajas frecuencias de la salida y convierte una onda de salida caótica en una onda limpia. Este componente tan simple, se podría ver como un cortocircuito a masa, pero aunque lo utilices en 80 metros, el choque es vital y no reduce la potencia de salida. Si te perece ilógico, desuelda el choque y observa la onda de salida.

 

 

 

CONQUISTANDO LAS BOBINAS

 

Normalmente, las bobinas son el problema

Cuando reúnes las piezas para construir cualquier proyecto típico, puedes descubrir que las piezas más difíciles de encontrar son las bobinas. “¿Dónde puedo comprar un Miller nº 233?”. O puede ser que en el listado de piezas aparezca, “6 vueltas sobre un núcleo  toroidal Stackpole 4-12”. ¿Quién compra núcleos toroidales Stackpole? ¿Dónde encuentro un catálogo? Entonces piensas, ¡ya lo sé! He encontrado  un núcleo parecido al de la foto, ¡voy a usarlo! Con este optimismo, estarás bien encaminado para construir un trasto inútil cuyo destino será el trastero.

 Por el contrario, los condensadores no suelen constituir ningún problema. Si en el encapsulado se lee 330 pF ese debe ser el que es. Los condensadores electrolíticos pueden ser un poco tramposos.  Debes tener en cuenta la polaridad correcta y hay unas cuantas normas  para saber cuando debes usarlos. Pero en términos generales, los condensadores son fáciles. Un simple capacímetro te contará todo lo que desees saber sobre cualquier  condensador no etiquetado que encuentres en tu chatarra.

Todos los que hemos construido alguna bobina, hubiéramos deseado que nuestros multímetros tuvieran escalas de inductancias. Lo siento. Los medidores de inductancias de mano son escasos. Y si tienes uno, probablemente no te dirá mucho sobre perdidas del núcleo, fugas de inductancias, saturación y resistencia del bobinado.

 

Un poco de matemáticas es tan bueno como un inductámetro

Normalmente, los humanos odiamos las matemáticas. Sin embargo, unos simples cálculos y las características de los núcleos toroidales,  son herramientas que te permitirán construir la inductancia exacta que necesites.  ¡Tus circuitos LC resonarán en la banda correcta, tus filtros atenuarán y dejarán pasar las frecuencias correctas, y tus equipos funcionarán!. La habilidad para construir la inductancia correcta es tan vital como el soldador, un buen osciloscopio y un frecuencímetro.

 


Circuitos LC. ¿Qué tamaño de bobina necesito?

La radio tecnología está basada en circuitos LC. Seguramente, muchos circuitos utilizan dispositivos piezoeléctricos como cristales, que solo actúan como circuitos LC.  La parte C es bastante fácil, simplemente como un valor de un condensador. Pero, ¿qué tamaño de bobina necesito?

 

                           w2 = 1 / LC   donde w = 2p  (frecuencia en Hercios)

                                                            L = inductancia en Henrios

                                                            C = capacitancia en Faradios

 

 

Supongamos que estas construyendo un paso amplificador a transistor que tiene un circuito resonante tanque LC.  Tu trimer tiene un rango de 5 a 60 pF. Necesitas una inductancia que resuene con tu condensador, digamos por ejemplo en la banda de 20 metros, en 14,1 MHz. Diseñaremos la bobina para que resuene con 40 pF por ejemplo. De ese modo, puedes ajustar la frecuencia si es necesario. Usando la siguiente fórmula:

 

      (2 x 3.1416 x 14.1 x 106 Mhz)2  =  1/ (40 x 10-12 Faradios) L

 

Resolviendo L:      L  =  3.18 x 10 –6   Henrios  o 3.18 microhenrios

 

Ahora que ya sabemos el valor de nuestra bobina, necesitamos bobinar el hilo sobre una forma toroidal.

 

Usando núcleos de polvo de hierro CWS (Amidon)

  Hay muchas marcas de calidad que suministran núcleos de ferrita y de polvo de hierro. Me gustan las formas Amidon simplemente por que sé donde comprarlas, en www.bytemark.com o en www.coils.com. El factor más importante es que el núcleo tenga un factor de inductancia conocido AL , de manera que puedas calcular cuantas vueltas necesitas para una inductancia determinada.

 

Ferrita contra Polvo de hierro

Los núcleos de ferrita tienen un alto contenido en hierro y producen una alta inductancia para un número determinado de vueltas. En proyectos de aficionado, la ferrita se suele usar para bobinas de un valor muy alto, es decir, se usan para choques de RF y transformadores de ondas. Por ejemplo, los transformadores de salida de los amplificadores lineales de banda ancha, están hechos normalmente con ferritas. El amplificador final del circuito QRP anterior utiliza un toroide de ferrita T50-61. Las ferritas no se suelen usar casi nunca en circuitos resonantes LC.

 

 

Por el contrario, los núcleos de polvo de hierro, contienen mucho menos hierro y más cerámica. Se suelen usar para circuitos resonantes de alto Q y filtros. Observa que los núcleos de polvo de hierro están codificados con colores para definir su permeabilidad. Por el contrario, todas las ferritas son simplemente negras.

Primero: selecciona el tipo de toroide apropiado para la frecuencia y potencia que se vayan a utilizar. Hay muchos grados de núcleos diseñados para diferentes rangos de frecuencias. Para circuitos resonantes o filtros en bandas de aficionado, normalmente uso el tipo 6 de polvo de hierro (código de color amarillo y negro). Para las bandas más bajas de HF (80 y 60 metros) suelo usar el tipo 2 (rojo / negro) o el tipo 15 (rojo / blanco). Estos me dan más inductancia para el mismo número de vueltas y me permiten utilizar un cable de mayor diámetro (menos resistencia). Los de polvo de hierro tipo 17 (amarillo - azul) se utilizan por encima de 30 MHz. El tipo 26 (amarillo – blanco) es para frecuencias muy por debajo de las bandas de aficionado. Se ven muy a menudo en fuentes de alimentación.

El nivel de potencia es proporcional al tamaño del toroide. He tenido mala suerte con tamaños pequeños como el T-37. Producen poca ganancia y son complicados de bobinar. No los uses a menos que te obligue el espacio. Por otra parte, el tipo T-50 funciona bien desde circuitos de recepción hasta unos pocos vatios en QRP. El tipo T-68 es bueno para 10 o más vatios. Los tipos T-106 y T-200 manejan 200 o más vatios y se utilizan en filtros de salida en amplificadores lineales de potencia.

Segundo: calcular el número de vueltas necesarias para una inductancia determinada. El grosor del hilo será el más gordo que nos permita el número de vueltas en el toroide. No te vuelvas loco con cables finos. Por otra parte, para baja frecuencia, una inductancia alta significa muchas vueltas de hilo. La bobina funcionará mejor usando el mayor diámetro de hilo que quepa en el toroide sin superponer vueltas. Para cada tipo de núcleo, existe una constante AL que es proporcional al cuadrado del número de vueltas.

El número de vueltas = 100 (Inductancia en microhenrios / AL ) ½

Por ejemplo, usando un  T-50 tipo 6 diseñamos una inductancia de 3 microhenrios:

El núcleo T-50-6 tiene una constante AL  = 40. Observa que los cálculos se hacen en microhenrios.

                           Número de vueltas = 100 ( 3,18 / 40)  ½  = 28 vueltas

Nota: la fracción ½ de la potencia es una manera de decir “raíz cuadrada de “

 

Deberás conseguir 28 vueltas de hilo de galga 30 aislado sobre el núcleo. Si no te cabe, utiliza un hilo más fino, por ejemplo galga 34. Si el hilo no cubre toda la totalidad del núcleo, usa un hilo más gordo, por ejemplo galga 26.

 

 

Calibrando los condensadores Trimer

Utilizo condensadores variables pequeños, Trimers, para sintonizar los tres pasos primeros de mi módulo QRP. Tienen el tamaño de un grano de uva y se ajustan con un pequeño destornillador. El problema que tenemos con estos dispositivos es que no sabes a que capacidad están ajustados con solo mirarlos. Debido a que el destornillador de ajuste da vueltas y vueltas sin parar, no hay manera de saber cuando están en su máximo o en su mínimo.

Supongamos que sintonizas un paso amplificador y encuentras el punto de máxima señal en una determinada posición. Si sabes que este punto es el de mayor capacidad, probablemente necesitarás más capacidad para conseguir el mayor rendimiento. Puedes conseguir esto soldando un pequeño condensador de 30 pF en paralelo con el trimer. También puedes añadir unas pocas vueltas más en la bobina. Por otra parte, si sabes que el punto de máximo rendimiento coincide con el mínimo de capacidad, puedes deducir que el bobinado primario del transformador tiene demasiadas vueltas y necesitarás reducirlas.

Mi solución es medir la capacidad con un capacímetro y marcar los puntos de máxima y mínima capacidad en el trimer. Con mis trimers cerámicos, el máximo es de 60 pF y el mínimo es de 7 pF. Utilizo un rotulador indeleble de punta fina para marcar el punto de máxima capacidad. El mínimo estará a 180 grados del máximo. Idealmente, cuando tengo el amplificador ajustado a máxima señal, el trimer debería estar por la mitad del margen del trimer. Esto significa que tengo un buen paso amplificador y puedo mejorar el circuito LC más adelante.

 

 

Filtros Chebyshev

 

Los circuitos LC son vitales para sintonizar etapas amplificadoras. Muchos amplificadores modernos son no sintonizados o lineales, y sólo necesitan un filtro para evitar los armónicos. La etapa de salida de casi todos los lineales transistorizados tiene un filtro Chebyshev de 5 elementos para evitar los armónicos por encima de la frecuencia de operación. Los Handbook de la ARRL tienen muchas, muchas explicaciones detalladas sobre el diseño de filtros Chebyshev de diferentes tipos.  Muchos chicos echan un vistazo a estas páginas y piensan, “que demonios, voy a resolver todo esto”. Por otra parte, normalmente necesitarás un filtro paso bajo de 5 elementos y así es como tienes que hacerlo:

Primero: ¿Qué impedancia necesitas? Supongamos que es 50 Ohm, que es la más común.

Segundo: ¿Para qué frecuencia? Supongamos que deseamos atenuar todo por encima de la banda de 20 metros, esto es 14,350 MHz.

Tercero: Calcular la capacidad y la inductancia normalizadas para el filtro:

Capacidad    CS = 1 / 2   p (50 Ohm) (14,350)   =   222 pF

Inductancia     LS  =  50 Ohm / 2 p (14,350)    =   0,55 microhenrios (mH)

Cuarto: Multiplicar los valores normalizados de L y C por los factores para cada uno de los cinco elementos. Los valores de los cinco elementos serán:

L1 = 0,4869 LS  =  (0,4869) (0,55 mH)   =  0,27 mH

C2 = 1.05 Cs = 1.05 ( 222 pF) = 230 pF

L3 = 1.226 Ls = 1.226 (0.55 µH) = 0.67 µH

C4 = 1.05 Cs = 1.05 ( 222 pF) = 230 pF

L5 = 0.4869 Ls = (.4869) (0.55 µH) = 0.27 µH

Para los condensadores, 220 pF es valor que funcionará bien.

 

 

Disipador de calor para el transistor de salida

Utiliza un gran disipador metálico en el MRF476 y mantenlo frío. Nunca he dañado ninguno, incluso con más de 15 vatios RF de salida. Sin embargo, supuestamente el transistor sólo puede disipar 3 vatios, por lo tanto se debería respetar esta característica. La parte metálica del MRF476 es el colector del transistor y debe mantenerse aislado de la masa del disipador. Para ello se utilizan aisladores de mica junto con grasa de silicona.

 

Protección de sobrevoltaje mediante zener en la salida del transistor

El zener de 30 voltios protege a nuestro MRF476 en caso de operación en circuito abierto. El diodo zener no parece esencial, pero tampoco hay que despreciar su función.

 

Conectores para tu módulo QRP

Normalmente utilizo conectores de audio RCA para las conexiones de RF entre módulos de HF. Si, deberíamos utilizar conectores especialmente diseñados para RF como los BNC. Sin embargo, los conectores de audio son más baratos, más fáciles de montar y no se aprecia diferencia en el rendimiento siempre que el nivel de potencia esté por debajo de 10 vatios y para frecuencias por debajo de 30 MHz.  Después de todo, los conectores de audio tienen sólo dos veces la capacidad (4 pF más) de una longitud igual de cable coaxial. Probablemente, los 30 MHz sea la frecuencia más alta que permite el uso de conectores de audio, especialmente para niveles altos de potencia. Los conectores de borde de tarjeta son otra forma de unir los módulos. Por ejemplo, yo utilizo este tipo de conectores para enchufar filtros Chebyshev y así poder cambiar de banda fácilmente. Puedes utilizar pistas anchas y conectar varios pines en paralelo sin preocuparte por la inductancia y la resistencia que serán bajas.

 

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Manipulando transmisores de CW

Algunos diseños QRP colocan el manipulador en serie con el emisor de un transistor en un paso amplificador anterior al amplificador final. Para transmitir se pulsa el manipulador conectando el emisor a masa. Cuando el operador desea muestrear su señal para saber donde está su transmisión con respecto a otra estación, enciende la fuente de alimentación, pero no pone en funcionamiento el transmisor. Sin excitar el paso final, el oscilador y el buffer producen una carga (sin sobrecargar) de señal sobre el receptor.

Supuestamente, un amplificador sin corriente de emisor o sin excitación de base, no puede emitir una señal. Esto suena bien y hace tiempo se utilizaba mucho con las válvulas. Desgraciadamente, a los transistores no les importa y proporcionan radiofrecuencia de cualquier manera. El condensador en los extremos del manipulador o incluso la capacidad del coaxial que va al manipulador, proporciona suficiente corriente alterna para producir paso de corriente a través del emisor y excitar el paso de salida. Lo único que he conseguido con la manipulación por emisor ha sido disminuir la amplitud de la señal entre puntos y rayas. Si la manipulación la hacemos con el oscilador estando los otros pasos activos, funciona bien mientras el oscilador está excitando. Desgraciadamente, cuando levantas la llave, los pasos posteriores, a menudo, autooscilan a la frecuencia que les parece.

 

Un MOSFET de canal P manipula la corriente de alimentación.

Me gusta manipular el transmisor mediante la manipulación de la corriente de alimentación. Este circuito no es elegante pero funciona. En transmisores QRP muy pequeños, como los metidos en cajas de caramelos Altoids, aparece el manipulador en serie con la alimentación.  Esto funciona, pero para manipular 10 o más vatios de corriente continua, es mejor para los contactos del manipulador, interrumpir la corriente con un interruptor de estado sólido (transistor). Yo utilizo MOSFET de canal P. La resistencia y el condensador en el circuito de puerta suavizan la interrupción, para evitar que suene el manipulador. Este circuito debe funcionar ya que nunca he oído ningún clic a pesar de que lo uso desde que abandoné las válvulas.

 

 

Transistores de Efecto de campo MOSFET

Tú te preguntarás, ¿cuál es ese transistor extraño llamado MOSFET? Los transistores de óxido de silicio de efecto de campo, funcionan de manera distinta a los bipolares que vimos en el capítulo 4. Afortunadamente son fáciles de entender. Un transistor MOSFET consiste en un trozo de material semiconductor tipo P y tipo N unidos como un condensador. La capa semiconductora tiene una región muy estrecha en el centro que también funciona como una placa de un condensador. La otra mitad del condensador es la puerta de control, la cual está aislada del transistor mediante una fina capa de vidrio. La puerta de control es la mitad de un condensador donde el canal semiconductor actúa como la segunda placa. La puerta de control es similar a la base de un transistor bipolar. Cuando se aplica voltaje al condensador (es decir, entre la puerta y el material semiconductor), la carga se acumula en la superficie conductora alrededor del aislante de la puerta. Cuando esto se produce, cambia la densidad de iones en el semiconductor y por tanto, cambia su conductividad.

 

 

MOSFET canal N

Al igual que los transistores bipolares, existe una versión complementaria que funciona con polaridades inversas, sustituyendo el material semiconductor tipo P por tipo N.

 

 

MOSFETs de empobrecimiento

Un MOSFET simple, como el mostrado anteriormente, está normalmente a la mitad. Es decir, cuando el voltaje de puerta es cero, el transistor tiene una resistencia e unos 300 Ohmios. Este tipo de MOSFET recibe el nombre de tipo empobrecimiento. Cuando se aplica un voltaje de polaridad de puerta, el transistor se pone en conducción completa. Cuando se aplica la otra polaridad, todos los agujeros se rellenan o todos los electrones libres son expulsados y el transistor se vuelve aislante. Es decir, si el semiconductor s tipo N, el exceso de electrones es expulsado del cristal y el cristal se vuelve aislante. Lo MOSFETs de empobrecimiento se usan normalmente en aplicaciones de baja potencia y en receptores.

 

MOSFETs de enriquecimiento

Este tipo de MOSFETs han sido diseñados expresamente para aplicaciones de potencia. Cuando el voltaje de puerta es cero con respecto al surtidor, el transistor está en corte. Los transistores SMP16P06 o el IRF9541, MOSFETs canal P usados en este libro, son del tipo empobrecimiento. Esto significa que cuando la llave telegráfica está abierta, el transmisor QRP está completamente apagado. Cuando bajamos la llave, el MOSFET pasa a conducir y enciende el QRP. Los MOSFETs de potencia como estos vienen equipados con un diodo interno para proteger el transmisor contra cambios de polaridad. Cuando un MOSFET es correctamente polarizado, el diodo de protección aparece como un circuito abierto y no interfiere. Pero si invertimos la polaridad, el diodo se pone en conducción, cortocircuita el trozo de material semiconductor del MOSFET y evita que se quede frito.

Comparándolos con los transistores bipolares, los MOSFETs tienen dos grandes ventajas:

1. No hay uniones PN en un MOSFET. Esto significa que no hay uniones PN que se puedan romper, o desestabilizarse por  temperatura. Son la mejor opción para aplicaciones de alta potencia, debido a que son difíciles de romper.

2. MOSFETs son dispositivos controlados por voltaje. Una vez se establece un voltaje en la puerta, no se requiere un paso de corriente para mantener el estado de conducción del transistor. Son ideales para aplicaciones en fuentes de alimentación y para controlar grandes corrientes continuas. También se pueden usar en amplificadores de audio de alta potencia. Los MOSFETs de potencia, como el canal P usado para controlar el transmisor QRP, son muy útiles para amplificadores de potencia de alta frecuencia.  La capacidad de entrada significa que para cada variación del voltaje de entrada, se debe cargar y descargar. Para muy altas frecuencias, el circuito excitador necesita aplicar y retirar corriente decenas de millones de veces por segundo. Esto convierte a los MOSFET de potencia como el anterior, en inutilizables para transmisores de alta potencia para RF.

Por ejemplo, de vez en cuando en la revista QST aparecen esquemas de transmisores de 20 a 50 vatios, utilizando MOSFETs de alta potencia. El problema es que no los recomiendan para bandas de aficionado por encima de 40 metros. Por encima de esta frecuencia, la potencia necesaria para entregar la corriente de excitación, tiene que ser muy alta, con lo cual casi se iguala con la potencia de salida. En los últimos años se han desarrollado MOSFETs especialmente diseñados para RF que pueden utilizarse en transmisores de 100 de megahercios. Sin embrago, son muy caros y no he visto ningún transmisor diseñado con ellos.

Nombres como HEXFET y V-MOS son ejemplos de diseños sofisticados de MOSFETs.

 


Interruptores para “anuncio” (muestreo de cómo estamos saliendo)

Suponte que oyes una estación llamando CQ y quieres contestarle. ¿Cómo puedes saber si tu cristal y tu condensador variable pueden alcanzar esa frecuencia? La respuesta es con un interruptor de anuncio. La idea es arrancar el oscilador de manera que puedas escuchar tu propio transmisor en el receptor, pero que tu señal no salga al aire hasta que estés preparado. Utilizando el interruptor de anuncio, alimentas el oscilador y posiblemente el buffer, pero no los amplificadores. Esto se consigue separando la alimentación en dos cables, uno para el oscilador y el segundo para el amplificador.

En el circuito de abajo, los diodos se utilizan para alimentar el oscilador desde cualquiera de los dos cables. En verdad, el diodo en serie con el interruptor de anuncio no es realmente necesario, ya que al abrir el anuncio el oscilador estará apagado siempre que el transmisor esté en reposo. Sin embargo,  el voltaje aplicado al oscilador será el mismo si hay diodos en ambas líneas de alimentación.

 

 

El pulsador de anuncio enciende el oscilador y la etapa buffer a través de un diodo de potencia Schottky capaz de manejar 100 miliamperios o más. Luego, cuando el manipulador activa el amplificador final, el oscilador recibe alimentación de un segundo diodo Schottky conectado a un keyer con un  MOSFET  canal P. He gastado muchas horas intentando conseguir estas funciones sin grandes MOSFETs y diodos,  pero no lo he conseguido. Inténtalo. Quizás seas más listo que yo.

 

Accesorios y comprobaciones en tu QRP

Construir fuentes de alimentación para tus módulos QRP, viene explicado en el capítulo 8. Otros accesorios importantes como el manipulador y el acoplador de antena se discuten en el capítulo 9. En este mismo capítulo se explica como comprobar tu QRP.

 

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