Micrófono inalámbrico de FM – Parte 1

Como una aplicación del artículo en donde se muestra el diseño de un oscilador de 130 MHz, aquí mostraré el diseño de un micrófono inalámbrico usando modulación en frecuencia, y usando el preamplificador de audio descrito aquí.

Teniendo ya diseñado el oscilador, debemos incluir las estapas adicionales de un típico transmisor de FM, pero en modo reducido, porque un micrófono inalámbrico no requiere grandes cantidades de potencia.

El diagrama de bloques del circuito completo sería el que se muestra a continuación:

Debe considerarse que este oscilador debe producir la mayor amplitud de señal RF con suficiente estabilidad. En aras de la reducción del circuito, he considerado usar sólo una etapa amplificadora y de salida a la vez. La etapa de salida debería ser por lo tanto una en clase A y de alta ganancia, de preferencia sintonizada.

Recordando el artículo anterior, el oscilador de RF es el siguiente:

Las primeras pruebas con el acople del oscilador y el amplificador de salida las hice tomando la salida de RF del emisor del oscilador.  Sin embargo aunque se podía detectar la amplificación, la cantidad de señal obtenida era muy débil en comparación a equipos similares. La explicación es simple, la mayor cantidad de RF se genera en el tanque LC, al emisor llega sólo una fracción, a través del lazo de realimentación, que es el que se amplifica y refuerza nuevamente a la oscilación en el tanque. Sin embargo se tiene la ventaja de que esta salida tiene baja impedancia y por lo tanto es fácil acoplarle cargas, relativamente altas, sin afectar mucho la oscilación e inclusive la frecuencia variará muy poco.

Decidí entonces tomar la salida de RF del tanque directamente, pero para evitar problemas con la estabilidad, el acoplamiento debería ser con una capacidad baja, Que en este prototipo es de 5 pF. También realicé pruebas de acoplamiento con valores muy  altos pero como era de esperarse la inestabilidad era tan alta como si se hubiera conectado la antena directamente al tanque LC.

Aún con 5 pf de acople se tiene demasiada variación en el oscilador (específicamente en la frecuencia), debido a la capacidad interna C_bc del transistor Q2. Entonces lo que el oscilador «ve» desde la base es una antena conectada capacitivamente a él. Por lo tanto, a cualquier alteración de las condiciones físicas o eléctricas de la antena (que por lo general es un simple cable), se tienen nuevas condiciones de oscilación (e inclusive si el acoplamiento es con capacidades relativamente altas, se puede perder la oscilación) que producen corrimientos grandes con la frecuencia de transmisión.

Para menguar el efecto, existía  la posibilidad de incluir un condensador extra en paralelo con la antena para así disminuir el efecto de capacidad variable de la antena[1], pero esto originaría que se altere las condiciones de sintonía de la salida. Por lo tanto decidí incluir una impedancia capacitiva en paralelo con la base del transistor de salida. Así esto produciría una capacidad fija en paralelo con una variable (la reflejada por la base de la antena), de modo que el equivalente no es tan variable. Aunque se mejora la estabilidad se tiene que gran parte de la RF que llega a través de C11, se deriva por C15 (figura anterior) ocasionando que disminuya la cantidad de señal que llega realmente a Q2.

Es claro que se podría obtener un mejor efecto separador si se incluye una etapa adicional, pero en este diseño se busca reducir el espacio del circuito.

En otros artículos propondré diseños con más etapas, y variaciones en el circuito de audio.

El consumo del oscilador es mínimo, está por debajo de los 3 mA a 9V (Se puede estimar del análisis en continua que debe estar cerca de 3mA), y entre el oscilador y el amplificador de audio consumen casi 7mA. La etapa de salida determinará el consumo total.

Q2 constituye el elemento activo de la salida. La configuración, como indiqué, es el típico amplificador clase A. También es fácil calcular el consumo en continua de esta etapa. Considerando que la ganancia de cada transistor está cerca de 100, deducimos que la corriente de colector en ausencia de señal debe estar en 25 mA, pero no hay que olvidar que un circuito resonante presenta alta impedancia cuando oscila a su frecuencia central. Por lo tanto el consumo es menor con señal, asumiendo que el circuito se ha sintonizado apropiadamente.

EL CIRCUITO

Agregando la etapa de audio, el circuito quedaría como se muestra a continuación:

El consumo total del circuito es de 27 mA, de los que quedan como 20mA en la etapa de salida. Asumiendo que se encuentra en la mitad de su potencia máxima en la salida. Y que la eficiencia de un clase A es 30% (ayudado por el efecto de resonancia del tanque LC), obtenemos como potencia de salida de 30 milivatios. Aunque existe inestabilidad de frecuencia con la antena y en general con cualquier parte metálica del circuito la oscilación se mantiene siempre.

El circuito de audio es el mismo que el que se mostró en el artículo de preamplificadores para micrófonos, que fue adoptado por sus buenas características de sonido, además de que está bastante acentuado en agudos, que es lo que se necesita, precisamente, cuando se hace la modulación por base, en este tipo de osciladores (Debido a que se comporta como una configuración de Base común en RF, con un filtro pasa-bajos en la base). Las características de este preamplificador de audio son: buena estabilidad, ganancia fácil de configurar, tres filtros de primer orden para conformar el pasabanda con frecuencia de corte inferior en 500 Hz y superior en 15 KHz. El consumo es de sólo 5 miliamperios y el ruido total es bastante bajo por usar el TL082 que es un doble operacional con entrada JFET. El mayor aporte para el ruido blanco lo da el propio micrófono Electret, de forma que conviene usar los de mejor calidad.

La ganancia inicial tuvo que ser reducida para ajustarse al nivel de modulación de esta etapa y el potenciómetro no es necesario en este caso.

Así queda completo el diseño de este circuito de radio. Si bien la frecuencia del oscilador es de 130MHz, se puede calibrar fácilmente para que trabaje en banda comercial de FM, y debido a su poco nivel de potencia de RF, no requiere permisos especiales.

El el siguiente artículo se analizará el desempeño de este circuito y se mostrará un método simple de calibración.

 

[1] Sabemos que toda antena puede considerarse como un circuito pasivo de inductancias y capacitancias. El modelo más simple lo considera como un solo tanque LC. Si la antena se cambia de posición o se acercan objetos metálicos los valores de capacitancias e inductancias asociadas cambian.