Diseño Práctico de un Oscilador de RF para 130MHz

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Artículo Técnico

Resumen

Se tratará el diseño práctico de un sencillo oscilador LC, sin cristal, para la frecuencia de 130MHz. No se usarán modelos complejos ni simulación, solo cálculos simples, enfocándonos en la construcción de la bobina.

Introducción

Los cálculos  matemáticos para el análisis detallado de los circutios de RF son bastante laboriosos. Exitsen diversidad de modelos de los componentes el alta frecuencia, cada cual con sus ventajas y desventajas. También existe la simulación de circuitos, pero el problema mayor de los osciladores sin cristal, está en conseguir las bobinas adecuadas para el circuito resonante.

Aplicando fórmulas simples y una tabla experimental de bobinas, propongo el diseño de un simple oscilador para la frecuencia de 130 MHz, alimentado a 9V. Dicho oscilador podrá luego usarse para la modulación en FM, por ser sensible a desviaciones en la frecuencia.

Diseño

Para el diseño del oscilador, usaremos una configuración en base común (en RF), con una red de realimentación emisor-colector, similar al Colpitts, que se suele usar mucho en osciladores transistorizados sencillos.

Se trata de una configuración de amplificador en clase A con el circuito tanque a la salida y realimentado por el emisor. El punto de equilibrio en continua es fácil de hallar y en oscilación no dista mucho de los valores hallados, excepto que se fuerce a  obtener niveles altos de RF. Hay que tener mucho cuidado al momento de hacer mediciones sobre un circuito que está oscilando en RF.

Los valores para iniciar las pruebas han sido tomados de mis experimentos con osciladores anteriores, usados para transmitir FM.

Algunas pruebas realizadas fueron, las medidas de consumo, de frecuencia y voltajes. Inicialmente la resistencia de polarización de base que usé era de 470 K, valor excesivamente grande, pero que sirvió para obtener las primeras medidas y corroborar los cálculos.

Sabemos que la frecuencia en un circuito tanque se calcula con la fórmula:

Que es fácil de calcular. Lo que resulta difícil de obtener son los valores exactos de L y C que realmente se tiene en el circuito.

En el siguiente diagrama, se han simplificado los componentes que no son críticos para el cálculo de la frecuencia.

Para simplificar los cálculos, y también porque estamos usando un transistor de alta frecuencia (el 9018 con ft de 800MHz), despreciamos sus capacidades internas, por lo tanto podemos prescindir de la red de polarización de base.

La capacidad indicada en el cuerpo de un condensador, es solo una medida referencial, ya que se debe  considerar la tolerancia del componente (que puede ser alta), y la calidad. Para cerciorarnos es mejor medir las capacidades antes de usarlas, con un capacímetro digital, así tendremos una medida más exacta, que a pesar de todo, no corresponderá necesariamente con la capacidad que tendrá en condensador cuando se monte en el circuito impreso, por efecto de otros componentes, y las capacitancias parásitas. Despreciando estas, solo queda considerar el efecto de los demás condensadores involucrados en la red.

Entonces nos queda el condensador de acople emisor-colector de 10p en serie con el de desacoplo de emisor de 100p, que nos da una capacidad equivalente casi 8 picofaradios. Este equivalente a la vez se encuentra en serie con el circuito resonante, por lo tanto se puede considerar que la capacidad total debe ser algo de 8 picofaradios por encima del valor que realmente colocamos en el tanque LC.

Como vemos, hay que tener cuidado a la hora de asumir un valor de capacidad en el circuito resonante. Si el condensador que colocamos es de 22p entonces para calcular la frecuencia usamos 30p. Un cálculo más preciso debería tener en cuenta las capacidades internas del transistor.

La frecuencia elegida para este transmisor está cerca de los 130 MHz,  entonces se debe tener la bobina del valor adecuado. Consideramos como criterio para elegir la bobina, la menor cantidad de espiras para así mejorar el factor de calidad.

Elegimos la bobina de alambre #24 con 3 3/4 de espiras con separación media (ver tabla), que en conjunto con la capacidad equivalente de 30 pF, nos dan casi los 130 MHz que requerimos.

El choque de RF  K1, en serie  con la alimentación, constituye conjuntamente con el condensador de 5nF, el filtro de RF para evitar que la oscilación se escape o sea afectada por la línea positiva.

Hay que tener en cuenta que el voltaje de alimentación y la temperatura influencian en la frecuencia de oscilación, así que se deben cuidar estos parámetros si se desea un funcionamiento estable.  Esta es la desventaja de esta configuración sencilla de oscilador sin cristal.

 Tabla de bobinas

Como una ayuda adicional, para la construcción de las bobinas, presento una tabla que he elaborado en base a mediciones y cálculos aproximados, con el fin de que sirvan de guía para el diseño de osciladores LC.

TABLA DE VALORES EXPERIMENTALES PARA INDUCTANCIAS DE BOBINAS DE COBRE ESMALTADO CON NUCLEO DE AIRE

Numero del alambre	Diámetro interior	Número de vueltas	Inductancia aprox. (nh)
			Espiras juntas	Espiras Separadas
24	3mm	5 3/4	96	72
		4 3/4	80	60
		3 3/4	62	44
		2 3/4	44	34
20	3mm	4 3/4	61	51
		3 3/4	52	43
		2 3/4	39	32
20	4.4mm (11/64»)	5 3/4	125	95
		4 3/4	98	76
		3 3/4	75	57
		2 3/4	56	46

Existen formulas experimentales, como la de Nagaoka, que permiten también obtener los valores de inductancias aproximadas para bobinas.