capítulo 6 los componentes

6. Los componentes

En este capítulo se tratarán los principales componentes pasivos y activos para la realización de un receptor de HF sencillo. Los resistores, condensadores e inductores son los componentes pasivos básicos.

Por otra parte, los componentes de estado sólido que se emplean en el presente manual son los transistores de silicio para amplificación de FI, los diodos detectores de germanio, los varactores para la sintonía y los circuitos integrados de 8c que se suelen utilizar para el mezclador y en la etapa de audio.

Si bien se introducirán estos componentes desde el punto de vista descriptivo y de su base o huella, se ha querido ir un poco más allá mostrando sus características más importantes así como unas pocas fórmulas de cálculo.

Los filtros cerámicos son componentes también muy utilizados en la radio de AM, FM y en la radio digital DRM que nos ocupa. Se cierra este capítulo con un breve tratamiento de estos filtros.

6.1 Sobre componentes pasivos

Los componentes pasivos por excelencia son los resistores, condensadores e inductores. A la hora de diseñar un equipo de telecomunicación habrá que tener en cuenta los diversos factores que influyen en la selección de los componentes. En todos ellos los factores más importantes son la tolerancia o precisión con que se define su valor nominal, el coeficiente de temperatura que indica la variación del valor nominal con el aumento de temperatura, los efectos reactivos parásitos que se ponen en evidencia cuando aumenta la frecuencia, la estabilidad ambiental ya sea frente a las acciones mecánicas como vibraciones, a los efectos térmicos o frente a la soldadura, la tensión y corriente de operación y los regímenes máximos admisibles, tamaño y costo.

6.1.1 Resistores Los resistores fijos se pueden clasificar según la aplicación. Los de uso

general que presentan una amplia o permisiva tolerancia y son de bajo costo. Se presentan básicamente en dos versiones constructivas: de composición y de carbón depositado. Los primeros se producen para disipaciones desde 1/8 a 2W con niveles de tolerancia del 5%, 10% y 20%, sus valores nominales varían con una

98 TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM

serie o ley de formación entre 1 y 10M o más. La ley de formación es diferente para las diferentes tolerancias, por ejemplo, para una tolerancia del 20% hay muy pocos valores disponibles la serie es muy raleada.

6.1.1.1 Código de coloresEn la Figura 6.1 se muestra uno de estos resistores con el código de colores

que indica su valor nominal de resistencia.El código de colores para resistores es como sigue: negro=0, marron=1;

rojo=2; anaranjado=3; amarillo=4; verde=5; azul=6; violeta=7; gris=8; blanco=9.La aplicación del código es como sigue: la primera y segunda franja

corresponden al primero y segundo dígitos, en cambio, la tercera franja indica el exponente de base 10 que es utilizado como multiplicador.

Figura 6.1 Resistor de composición y su código de colores y huella

Veamos ahora un ejemplo:

Marrón=1Verde=5Rojo=102

R=15´102= 1500

6.1.1.2 Significado de la toleranciaEl fabricante marca sus resistores con una franja de código (dorado=5%;

plateado=10%) para indicar que el valor real que llega al usuario puede ser mayor o menor que el valor nominal indicado por el código de colores. Si no lleva la cuarta franja debe suponerse que la tolerancia es del 20%. Supongamos que el resistor del ejemplo anterior (1500) lleva una cuarta franja de plata lo que significa una tolerancia del 10%. ¿Qué valor de resistencia cabe esperar?

El 10% de 1500 es 150, por lo tanto los límites son: Rmín<R<Rmx, de manera que R estará acotada entre 1350< R < 1650.

6.1.1.3 La serie numéricaLos valores de resistencia disponibles dentro de una determinada tolerancia

siguen una ley de formación aproximada. Por ejemplo para una tolerancia del 20%,

Capítulo 6 Los componentes

un valor dado de la serie se obtiene redondeando el producto del valor anterior multiplicado por un número entre 1.4 y 1.5, los primeros valores de esta serie (20%) son: 10, 15, 22, 33, 47, 68. Para una tolerancia del 10% la serie de los primeros 12 valores expresados en ohm es: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82; es decir, se intercala un valor entre cada uno de los valores correspondientes al 20% lo que duplica los valores disponibles. Para la tolerancia del 5% existen algunos valores adicionales respecto de los que se obtienen para la tolerancia del 10%.

En todas las tolerancias los valores de las centenas se obtienen multiplicando los valores de las décadas por 10, así para el 20% se tiene: 100, 150, 220, 330, etc., etc., y así sucesivamente hasta obtener el valor máximo de 10 ó 100M.

6.1.1.4 Resistores en frecuencias altasEn frecuencias altas se pone en evidencia la inductancia de los terminales de

cobre, además, según el tipo de resistencia se observa una cierta capacidad distribuida de acuerdo con el siguiente modelo, Figura 6.2.

El fabricante de resistores Allen-Bradley facilita unas gráficas donde puede apreciarse que un resistor de 100k en 1/8W a 5MHz, por ejemplo, modifica su resistencia efectiva a 75k aproximadamente.

Figura 6.2 Dipolo equivalente de un resistor en frecuencias altas

6.1.1.5 Resistores variablesLos potenciómetros son resistencias variables que presentan una pista circular

o rectilínea de material resistivo con un cursor que se desplaza sobre la pista y que está conectado al terminal central.

En la Figura 6.3 entre los terminales (1) y (2) existe una resistencia fija, el contacto (3) está conectado al cursor o contacto deslizante. Si el cursor se está próximo a (1) habrá máxima resistencia intercalada entre (2) y (3); si el cursor está próximo a (2) entonces entre (2) y (3) hay resistencia nula. En la parte derecha de esta figura se muestran las huellas de potenciómetros “mini” y vertical de eje largo.

Existen curvas de variación de R en función del ángulo de giro, si se trata de una pista circular, o en función de la distancia en el caso de pista rectilínea.

Si la resistencia está distribuida uniformemente en todo el recorrido del cursor se dice que el potenciómetro es de característica lineal. Los tipos de características más comunes son la lineal y la logarítmica.

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Figura 6.3 Potenciómetro, modelo y huellas de minipot y de eje vertical

El aspecto físico puede verse en los modelos que se presentan como ejemplo en la Figura 6.4.

El primero, un potenciómetro de eje largo, es más robusto y se utiliza para funciones de control que requieren ajustes con cierta frecuencia. El segundo y tercero son del tipo “preset” y “mini”; se utilizan para ajustes iniciales permanentes u ocasionales, son menos robustos que el primero y de dimensiones más reducidas; suelen montarse directamente sobre la placa impresa.

Figura 6.4 Potenciómetros: izquierda, eje largo; derecha, eje corto y minipot

6.1.2 CondensadoresDentro de los condensadores de uso actual, en cuanto a material se refiere, se

encuentran los condensadores cerámicos, los de tántalo (tantalio), los de poliéster y los electrolíticos. Los condensadores de mica prácticamente se usan poco o casi nada. En cuanto a su forma se dispone de condensadores cerámicos de disco, rectangulares de poliéster o, incluso, cerámicos tubulares. Para valores elevados de capacidad se utilizan los electrolíticos que también son tubulares y presentan polaridad.

En cuanto a la forma de identificación, muchos fabricantes siguen las marcas de identificación de la EIA (Electronic Industries Association); también existe en Europa un sistema propio de identificación en picofaradios (por ejemplo: 5p6 significa 5.6pF). En la Figura 6.5 se muestran algunos tipos de condensadores que siguen la identificación europea. Los esquemas son lo suficientemente explicativos de manera que se obviarán otros comentarios.


Figura 6.5 Identificación europea para condensadores cerámicos de disco

El multiplicador indica el exponente de diez por el que hay que multiplicar las dos cifras significativas, por ejemplo 121=12´101=120pF.

Con respecto a las tolerancia diremos que las letras B, C, D para condensadores menores de 10pF corresponden respectivamente a ±0.1pF, ±0.25pF y ±0.5pF, la letra F corresponde a ±1pF. Para capacidades mayores que 10pF las letras G, H, J, K, M corresponden respectivamente al ±2%, ±2.5%, ±5%, ±10% y ±20%. Las letras siguientes especifican una tolerancia asimétrica: P=–0+100%, S=–20+50%, W=–0+200%, X=–20+40%, Z=–20+80%.

Otros tipos de condensadores, como los de poliéster cilíndricos, utilizan el mismo código de colores que los resistores para su identificación. En la Figura 6.6 se muestran estos condensadores.

En el caso de los condensadores de poliéster la tensión de trabajo viene indicada con un código de color: para 100V marrón; 250V rojo y 400V amarillo.

Figura 6.6 Otros condensadores (a) cerámicos cilíndricos y (b) de poliéster

La tolerancia corresponde al siguiente código: negro ±20%; blanco ±10% y verde ±5%.

Las cifras de identificación siguen el mismo código que las resistencias en ambos tipos de condensador.

6.1.2.1 Condensadores variablesExiste una gran variedad de condensadores cuya capacidad puede variarse

mecánicamente. En la Figura 6.7 se muestra un condensador variable típico, con dieléctrico de aire, utilizado para sintonizar un tanque a diferentes frecuencias.

Está compuesto por un “rotor”, la parte móvil, solidario al eje de rotación, está constituido por n láminas metálicas; la parte fija, el estator, está formada por n+1 láminas caladas, de manera tal, que el eje del rotor pase libremente sin cortocircuitar las placas o láminas fijas. El estator suele estar conectado al terminal

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vivo, mientras que el rotor suele conectarse del lado de tierra para que, al modificar la capacidad, la mano del operador no altere la sintonía del tanque. El ángulo de giro del rotor suele ser cercano a los 180º. Cuando las láminas del rotor se encuentran totalmente enterradas en el estator se tendrá la capacidad máxima y cuando el rotor esté totalmente fuera se tendrá la capacidad mínima o capacidad residual.

Figura 6.7 Condensador variable clásico

Las láminas están separadas por aire como dieléctrico y la forma de las mismas puede ser circular pero a menudo se modifica su perfil para obtener la característica de variación de capacidad en función del ángulo de giro más adecuada.

Estos condensadores variables han sido sustituidos, en la mayoría de los circuitos de sintonía, por los varactores (véase § 6.2.4) por razones de costo y tamaño; los varactores son unos diodos especiales cuya polarización inversa se varía para modificar la capacidad de la juntura.

Para ajustes ocasionales se utilizan unos condensadores variables, Figura 6.8, más pequeños y menos robustos que en la jerga técnica se denominan “trimmers”.

Figura 6.8 Ejemplos de condensadores variables tipo trimmer

Se los consigue de las más diversas formas y tipos; en la Figura 6.8 se muestran algunos ejemplos de ellos. Los dos primeros utilizan dieléctrico de aire y soportes de porcelana, el tercero, más barato, utiliza dieléctrico de poliéster y soporte de material plástico.

6.1.2.2 El Q de los condensadoresEl condensador almacena energía en su campo magnético y disipa energía en

su dieléctrico. El modelo equivalente en altas frecuencias se muestra en la Figura6.9.


Figura 6.9 Modelo equivalente del condendador para altas frecuencias

En el modelo C representa la capacidad, Rs la resistencia de disipación del dieléctrico, Ls la inductancia de los terminales y placas y Rp la resistencia de aislamiento.

Se definen tres parámetros importantes para el condensador: el factor de potencia FP, la resistencia serie efectiva (RSE) , combinación del efecto de Rs y Rp

y el factor de disipación FD. En un condensador ideal la corriente alterna adelanta a la tensión aplicada en

=/2. Pero un condensador del mundo real presenta un ángulo menor de 90º debido a la disipación en la RSE.

El factor de potencia se define como FP=cos() y la RSE se define en función del factor de potencia,

El factor de disipación se define como el cociente entre la resistencia de ca y la reactancia del condensador; FD es el inverso del Q descargado.

Cabe notar que en altas frecuencias (del orden del GHz o mayores el condensador debe considerarse un circuito resonante serie y tratarse como tal. En las frecuencias de trabajo de este texto (hasta 100MHz) los condensadores actuales pueden considerarse prácticamente ideales y sus pérdidas suelen ser mucho menores que las de los inductores y por ello se desprecian.

6.1.3 InductoresLos inductores pueden realizarse con núcleo de aire, es decir, sin núcleo o con

núcleos ferromagnéticos, todo depende de la frecuencia de trabajo, del Q necesario, del espacio disponible, etc. En frecuencias relativamente altas HF, VHF se utilizan núcleos de aire y núcleos de polvo de hierro. En onda media se utilizan núcleos de aire con bobinados multicapa o bobinas con núcleos de ferritas. En la gama de audio se utilizan núcleos de cazoleta, doble “E” de ferritas o de hierro laminado.

6.1.3.1 Inductores con núcleo de aireDada una inductancia L(H), se puede determinar el número de vueltas n de

la bobina con núcleo de aire que la realiza a partir de las fórmulas empíricas y donde l, d, c y a se expresan en cm. Como se observa, la construcción se puede

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efectuar mediante bobinados sobre un soporte o forma cilíndrica. En frecuencias medias o altas, se podrán utilizar bobinados monocapa o multicapa según el valor de la inductancia deseada. Para realizar una bobina monocapa se utiliza la cuyos parámetros se obtienen de la Figura 6.10a.

Para la realización de la bobina multicapa se puede utilizar la Ec. cuyos parámetros se encuentran en la Figura 6.10b.

El cálculo suele ser tedioso habida cuenta que tanto la longitud exacta(l) en la Figura 6.10a y el número de capas en la Figura 6.10b dependen, a su vez, del número de vueltas que es, precisamente, la incógnita a determinar.

Figura 6.10 Soporte y bobinado: a) monocapa; b) multicapa

Hemos desarrollado rutinas que permiten determinar el número de vueltas en forma automática a través de un proceso iterativo que se resuelve con los ficheros Nmonocapa y Nmulticapa en el anexo dispuesto al final del capítulo.

6.1.3.1.1 El Q de los inductores

Los inductores reales introducen pérdidas; en el caso en que su núcleo sea de aire dichas pérdidas se producen como consecuencia de la potencia que disipa el alambre de cobre del bobinado. La forma de poner en evidencia dichas pérdidas es mediante un modelo donde la inductancia lleva conectada en serie una pequeña resistencia: la resistencia efectiva del bobinado. Esta resistencia efectiva depende directamente de la raíz cuadrada de la frecuencia y es mayor en corriente alterna que en corriente continua. Esto se debe a que el flujo magnético que produce un campo circular alrededor del conductor también se encuentra en el interior del mismo. Como consecuencia de este efecto la corriente se concentra en las capas externas del conductor (como si el conductor fuera un tubo) Figura 6.11a, desaprovechando la parte central con el lógico incremento de la resistencia efectiva del hilo de cobre.


Figura 6.11 Modelo equivalente de inductor con núcleo de aire

Los inductores almacenan energía en su campo magnético y disipan energía en la resistencia efectiva de su bobinado.

El cociente entre la reactancia XL de un inductor y su resistencia efectiva serie Rs, permite establecer una medida de la calidad de dicho inductor real, Figura6.11b, este cociente ha dado en llamarse Q y se expresa mediante la Ec. .

La resistencia efectiva Rs suele ser difícil de determinar por lo que se han desarrollado fórmulas semiempíricas que permiten obtener de antemano el Q descargado Qd. En la Ec. rcm es el radio medio de la espira en cm y k una constante que depende de la separación de las espiras y de la relación longitud a diámetro l/D de la bobina de sección circular. La frecuencia se pone en MHz.

Figura 6.12 Gráfica para calcular el Qd de una bobina específica

En el anexo se dispone de una rutina “Qd_ejuntas(r_cm, f_MHz)” que grafica el Qd para una inductancia monocapa a espiras juntas en función de la relación x=l/D, longitud a diámetro de la bobina. Como ejemplo, Figura 6.16, se ha representado el Qd para 17.7MHz y un radio medio de la espira de 0.26cm que corresponde al soporte estándar que se utiliza en este texto.

Al aumentar la frecuencia se hace notar el efecto de la capacidad parásita de la bobina, de hecho, existe una frecuencia de resonancia fr entre dicha capacidad parásita y la inductancia. La inductancia efectiva de un inductor, Ec. , vale,

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Para que la bobina actúe como inductancia su frecuencia de trabajo f debe encontrarse muy por debajo de la resonancia con su capacidad distribuida CL.

6.1.4 Núcleos magnéticosCuando se necesitan valores de inductancia grandes los inductores con núcleo

de aire presentan un tamaño exagerado, en tal caso, se recurre a núcleos de materiales magnéticos. Estos núcleos permiten aumentar la densidad de flujo magnético mediante la reducción de la reluctancia. Los núcleos que se usan en la actualidad están constituidos, en general, por polvo de hierro aglomerado y ferritas, materiales que presentan una permeabilidad mucho mayor que el aire (h>>a). Se requiere, de esta manera, un menor número de vueltas para conseguir la misma inductancia.

En el caso de las inductancias consideradas en el párrafo anterior, el uso de núcleos roscados presenta una ventaja adicional que es la posibilidad de construir inductancias variables al desplazar el núcleo hacia dentro o hacia fuera del inductor.

Obviamente, no todas son ventajas; el núcleo introduce pérdidas, pero si se trabaja en un margen pequeño de variación de frecuencia, estas pérdidas son controlables. Por otra parte, la permeabilidad varía con la frecuencia, con la temperatura y, también, con el nivel de la señal, pero si se hace una adecuada elección del material ferromagnético estos problemas pueden minimizarse. El uso de estos núcleos es, actualmente, imprescindible ya que permiten obtener inductancias grandes, una mayor compacticidad y facilitar el ajuste.

Con los núcleos que se consiguen hoy en día, para la misma inductancia, se requiere un número mucho menor de espiras que con núcleo de aire. Así, para una inductancia de 60H, si se utiliza núcleo de aire, se necesitan unas 155 vueltas de alambre esmaltado, mientras que, con un núcleo toroidal se puede conseguir la misma inductancia con 14 vueltas del mismo alambre que en el caso anterior.

6.1.4.1 Características de los núcleos magnéticosCabe recordar que la permeabilidad magnética es la relación entre la

inducción magnética B y la intensidad de campo magnético H y se expresa en unidades prácticas como, (Webers/Ampère-vuelta).

La permeabilidad magnética proporciona una medida de la eficiencia con que una excitación eléctrica es transformada en un flujo magnético. Si se observa la curva de histéresis se tiene que la relación lineal anterior sólo es válida por debajo de la saturación como se indica en (x) de la curva virgen Figura 6.13.

La capacidad de manejo de potencia de un núcleo se ve afectada principalmente por la saturación del material o el aumento de temperatura del bobinado.


Figura 6.13 Curva de magnetización (histéresis)

La potencia manejable puede expresarse en función del volumen del núcleo Ve, de la frecuencia f, de la inducción máxima Bmx, y de la permeabilidad efectiva eff a Bmx, de acuerdo con la siguiente expresión, donde k es una constante de proporcionalidad,

Se observa que para idénticas condiciones de inducción y frecuencia se obtiene mayor potencia cuando la permeabilidad es menor.

Para determinar la inducción máxima de trabajo puede utilizarse la ecuación de Faraday, Ec. .

Donde E es la caída de tensión eficaz (volts), Ae la superficie de la sección transversal del núcleo (cm2), N el número de vueltas y f la frecuencia (Hz).

El otro factor que determina la potencia obtenible es, como se dijo, el aumento de la temperatura. En este caso el factor determinante será la superficie del núcleo: cuanta mayor superficie menor calentamiento. En el caso de trabajar con frecuencias no muy elevadas y bajas potencias (en recepción) no suele haber problemas de temperatura, pero en frecuencias altas, especialmente en transmisión, el estudio de la potencia deberá ser muy cuidadoso.

6.1.4.1.1 Sobre el Q de inductores con núcleo

Los inductores reales presentan pérdidas, en el caso en que su núcleo sea de aire las principales pérdidas se producen como consecuencia de la potencia que disipa el cobre del bobinado; la forma de poner en evidencia dichas pérdidas es mediante un modelo que presenta una pequeña resistencia en serie con la inductancia.

En la Figura 6.14a se repite el circuito equivalente con núcleo de aire tratado anteriormente; el circuito de la Figura 6.14b muestra un modelo de inductor con núcleo ferromagnético.

Como se observa, en este modelo aparece ahora una resistencia extra Rn en paralelo que simboliza las pérdidas en el núcleo. Realmente, ¿las pérdidas

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aumentan al introducir el núcleo? Para responder a esta pregunta habría que considerar primero el efecto de la disminución de la resistencia efectiva del cobre Rs ya que al trabajar con núcleo, para la misma inductancia, se requiere menor cantidad de espiras y las pérdidas en el cobre son menores.

Figura 6.14 Modelo de inductor: a) sin núcleo, b) con núcleo

Por otra parte, el problema se complica aún más si se tiene en cuenta que las pérdidas aumentan con la frecuencia. Sobre la base de todas estas consideraciones queda claro que sólo estaremos en condiciones de saber realmente cuales son las pérdidas totales cuando resolvamos un problema particular utilizando todos los datos que el fabricante de los núcleos pone a nuestra disposición.

6.1.4.2 Las especificacionesLa empresa Amidon presenta una serie de núcleos de los cuales extraeremos

uno de polvo de hierro, como ejemplo para RF, el núcleo toroidal T.50-6 para un margen de frecuencias entre 2 y 50MHz. Su inductancia específica es de 40H/100vueltas.

En frecuencias bajas o en banda ancha se prefieren las ferritas por su mayor permeabilidad lo que permite realizar inductores en la banda baja de frecuencias con un menor número de espiras, además de reducir el tamaño del núcleo.

En frecuencias altas, por encima de los 3MHz, especialmente en transmisión, se prefieren núcleos de polvo de hierro; estos pueden manejar mayores potencias de RF que las ferritas y vuelven a su estado inicial después de haber sido sobre propulsados, en cambio las ferritas suelen retener el magnetismo en forma permanente. Los núcleos de polvo de hierro, en frecuencias más altas, permiten construir inductores de mayor Q. Se los usa especialmente para tanques de banda estrecha.

6.1.4.3 Núcleos toroidales Estos núcleos presentan la forma de una arandela gruesa o anillo, como si

fuera un “doughnut” pequeño. Suelen estar constituidos por hierro pulverizado, por aleaciones de polvo magnético Mb_Ni_Fe o por ferritas; materiales que son compactados con un aislante cerámico y comprimidos a altas presiones para obtener unos entrehierros uniformes entre las partículas.

En la Figura 6.15 se muestra una disposición típica de inductor con núcleo toroidal donde se pueden ver, en trazo discontinuo, las líneas de flujo en un toroide a y en un solenoide b.


Obsérvese que en el toroide el flujo queda confinado en el interior del núcleo, mientras que en el solenoide se produce un importante flujo disperso.

Figura 6.15 Inductor con núcleo magnético: a) toroidal, b) lineal (solenoide)

En cuanto al tamaño de los núcleos, la casa Aristón por ejemplo, ofrece núcleos toroidales de polvo de hierro cuyo diámetro exterior varía entre 12mm y 40mm y núcleos de ferrita con medidas de diámetro externo entre 4mm y 36mm. Las dimensiones suelen especificarse como consta en la Figura 6.16, que es un ejemplo típico de la casa Amidon.

Con este tipo de núcleo se consiguen inductancias que requieren un número mucho menor de espiras que cuando se utiliza núcleo de aire, prácticamente, el flujo queda confinado en el interior del núcleo evitándose así los molestos blindajes.

Figura 6.16 Presentación de las características para un núcleo específico

6.1.4.4 Diseño con núcleo toroidal La inductancia puede calcularse para operar en la región cuasi lineal, mediante

una fórmula similar a la utilizada para el cálculo de inductores longitudinales. Habrá que conocer el número de N(vueltas) la permeabilidad inicial i, el área de la sección transversal Ae(cm2), y la longitud efectiva del núcleo le(cm), Ec. .

Si bien la Ec. pone en evidencia todos los parámetros del inductor, en la práctica, los fabricantes de núcleos suelen proporcionar al diseñador un factor que incluye a estos parámetros denominado índice de inductancia AL, este factor engloba, para un determinado núcleo, los restantes factores y permite calcular

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directamente la inductancia L(nH) para el caso de utilizar su núcleo toroidal. La Ec. define de alguna manera este factor.

6.1.4.4.1 Núcleos toroidales de polvo de hierro

La casa Amidon cataloga estos núcleos de polvo de hierro con el prefijo “T” y facilita un valor de AL que difiere del anterior en las unidades, Ec. .

Para el cálculo del número de espiras, Amidon utiliza una fórmula que difiere de la anterior en las unidades y contempla un factor de seguridad.

6.1.4.4.2 Núcleos toroidales con núcleo de ferrita

Los núcleos catalogados con el prefijo FT son núcleos de ferrita y conducen a inductancias más altas que las del caso anterior de polvo de hierro. Para la determinación de la inductancia con estos núcleos se utiliza la Ec.

Como se observa, la inductancia se mide ahora en mH y no en H como en el caso anterior, es decir el núcleo de ferrite FT permite obtener una mayor inductancia que con el núcleo T para el mismo número de vueltas.

6.1.4.5 Ejemplo de cálculoAmidon presenta unos datos muy completos para los diferentes materiales en

la versión T según la frecuencia de trabajo, uno de cuyos cuadros, material Nº 2, que cubre mayoritariamente la banda de HF, se exhibe en la Figura 6.17.


Figura 6.17 Características de los núcleos con material Nº 2

Se plantea el problema de construir un inductor de 5H para trabajar a 7MHz con un Q>90 empleando un núcleo de polvo de hierro cuyo diámetro exterior no exceda de 16mm que es el espacio disponible en la placa impresa.

Como se observa en la Figura 6.17, un material No 2 es adecuado para una frecuencia de 7MHz para la que se va a diseñar el inductor.

Por otra parte, se encuentra el núcleo T-50 como uno de los adecuados a la exigencia de espacio pues presenta un diámetro exterior de 0.5 de pulgada, es decir, 12.7mm.

El valor de AL para este núcleo T-50 con un material Nº 2, según la Figura6.17, es AL =49mH/100espiras; el número de espiras o vueltas se determina como,

6.1.4.6 Consideraciones sobre el bobinadoEl método adecuado de realizar el bobinado consiste en distribuir la

monocapa de forma uniforme alrededor de todo el toroide, Figura 6.18, a fin de minimizar las capacidades distribuidas y aumentar, de esta forma, el margen de frecuencias.

Espiras concentradas aumentan la capacidad distribuida y el flujo disperso. Para minimizar la capacidad entre los terminales se sugiere un ángulo de unos 30º

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aproximadamente entre la primera y última espira y, en lo posible, que no haya entrecruzamientos. Todo esto se muestra en la Figura 6.18.

Figura 6.18 Realización práctica del bobinado

Anexo: Rutinas para inductancias solenoidales lineales

Para realizar una bobina monocapa se ha realizado la rutina “Nmonocapa en el entorno MalLab prevista para inductores con núcleo lineal de hierro en polvo que duplica la inductancia con respecto del núcleo de aire (kn=1/2). Si el núcleo aumentara un 30% por ejemplo, el factor kn sería 1/1.3. Para bobinas multicapa se tiene Nmulticapa.

function Nmonocapa(d, l, Lmicro, kn)% Se supone un bobinado con l=d)% Ejemplo: Nmonocpa(0.5, 0.5, 1.4, 0.5) % Es un fichero que determina el número de espiras para bobinas% de una sola capa en base al diámetro de la forma, la longitud % del bobinado y la inductancia deseada; unidades en cm.N_sn=sqrt((Lmicro*(102*(l/d)+45))/d);d_alambre=5/N_sn;N_cn=sqrt((kn*Lmicro*(102*(l/d)+45))/d) % Supuesto: la inductancia con nucleo se duplica d_alambre_mm=5/N_cn

function Nmulticapa(r, d, l, t)% Ejemplo: Nmulticapa(0.25, 0.2, 0.8, 10)% r= radio del soporte en cm% l= long útil (de 10 a 20% menos que la medida del soporte) en cm% d= diámetro del alambre en mm% nl= número de vueltas por capa% n= número total de vueltas% k= número de capas desde 1 hasta el máximo especificado t.

nl=10*l/d;for k=1:t;

n(k)=k*nl; a(k)=(r)+((n(k)/nl)*0.1*d)/2;

Luh(k)=(0.315*(a(k)^2)*n(k)^2)/(6*a(k)+9*l+10*(n(k)/nl)*0.1*d);end

plot(n,Luh,'k-',n,Luh, 'k-'), grid on line (180, 90) xlabel('NÚMERO DE VUELTAS'), ylabel('INDUCTANCIA EN uH'),


gtext({'r=0.25cm,d=0.2mm,l=0.8cm'})

function Qd_ejuntas(r_cm, f_MHz)disp(' Qd_ejuntas(r_cm,x,f_MHz)')disp(' x=L/D: longitud/Diámetro bobina')x=0.2:0.2:2;k=[0.027 0.038 0.0455 0.053 0.06 0.067 0.074 0.081 0.088 0.0945];for j=1:1:10;Qd(j)=k(j)*r_cm*1e3*sqrt(f_MHz);end plot(x,Qd,'k-',x,Qd, 'k-'); grid on xlabel('x=l/D (Longitud/Diámetro de la Bobina)'), ylabel('Q descargado'), title('INDUCTOR MONOCAPA DE ESPIRAS JUNTAS')

6.2 Otros componentes

En esta sección se hablará de los restantes componentes que se utilizarán en los diseños de este manual. Los componentes de estado sólido que interesan son los transistores de silicio, los varactores, los diodos de germanio, los circuitos integrados y los filtros cerámicos.

6.2.1 Sobre transistoresLos transistores utilizados, en este manual de diseño, son los transistores de

silicio NPN tipo BF240 como amplificadores de frecuencia intermedia. Este tipo de transistor presenta unas características idóneas para trabajar en RF. Su frecuencia de transición es de fT=150MHz, muy por encima de los 455kHz, frecuencia de trabajo (FI), en los diseños realizados aquí.

Figura 6.19 Conexionado del transistor y sus posibles huellas

Otra de las características deseables es una muy baja capacidad entre colector y base por razones de estabilidad, en el caso del BF240 es Ccb<0.5pF, ¡más que aceptable! Presenta también una muy buena ganancia estática hFE, mayor de 100. Además es muy barato.

Respecto del conexionado, cabe decir que si se lo mira desde la parte plana con los terminales hacia abajo presenta el siguiente orden de, izquierda a derecha, colector emisor y base como se indica en la parte izquierda de la Figura 6.19.

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En la parte derecha de la misma figura se muestran dos bases para el circuito impreso, la huella, la TO92 y la TO220. Nosotros preferimos la TO92 pues permite una mayor separación entre los ojalillos o pad de la huella.

6.2.2 Sobre circuitos integradosAquí no se hablará del funcionamiento de los circuitos integrados utilizados

en este manual sino sobre la forma en que se presentan las bases o huellas y cómo se identifican los terminales.

Para los detalles del funcionamiento puede recurrirse, en cada caso específico, al capítulo 5 o al anexo de las especificaciones.

En la Figura 6.20 se muestran las huellas de circuitos integrados de 8c y 16c.

Figura 6.20 Disposición de las huellas de CI de 8c y 16c

Para identificar el número correspondiente a un terminal de la huella, o del zócalo, el observador se sitúa mirando el componente desde arriba hacia la marca de inicio, un triángulo en este caso, y comienza a contar desde el primer terminal a la derecha incrementando la numeración, mientras rodea la huella en sentido antihorario, como se muestra en la mencionada figura.

6.2.3 Diodos para detecciónPara la detección en AM pueden utilizarse diodos de juntura pero la

frecuencia de trabajo se ve limitada por la capacidad de la juntura. La capacidad alcanza su máximo cuando la tensión de juntura es mínima. Las capacidades de los diodos de juntura diseñados para detección son del orden de 2 a 5pF. La capacidad puede ser reducida a 1pF o menos si se usan diodos de contacto puntual, razón por la cual en video de TV se sigan utilizando diodos como el OA90 de Ge con contacto puntual.

En la fabricación de estos diodos se utilizan técnicas de grabado que facilitan el anclado del punto de contacto metal semiconductor. El metal suele ser un hilo de tungsteno o bronce fosforoso con una punta muy aguda. El Ge actúa como material P y el metal como N. En el diodo germanio la corriente directa es gradual pero presenta una cierta corriente inversa que es su principal inconveniente, no obstante, se lo utiliza en detección de AM con preferencia sobre otros tipos de diodo.

En la Figura 6.21 se muestra una característica típica de un diodo de contacto puntual de Ge. Se observa que la característica, para polarización en directa,


prácticamente no tiene umbral (es menor de 0.3V) a diferencia del silicio que como se sabe presenta un umbral de 0.6V aproximadamente.

Figura 6.21 Característica I=f(V) típica de un diodo de Ge

Los diodos de Ge que se utilizan como detectores suelen presentarse en encapsulados de vidrio, el cátodo suele indicarse con la identificación del diodo, Figura 6.22 izquierda, o con una línea transversal como se indica a la derecha.

Figura 6.22 Diodo de Germanio tipo OA90

6.2.4 Varactor o VaricapEl varactor es un diodo cuya impureza se controla durante el proceso de

fabricación exagerando expresamente la dependencia capacidad-tensión. El diodo opera como un condensador variable cuando se le aplica una tensión inversa también variable, de esta forma, si se lo conecta en paralelo con el tanque del oscilador se puede gobernar la sintonía variando la tensión continua sobre el varactor.

La capacidad en función de la tensión inversa, aplicada a un varactor típico, se exhibe en la Figura 6.23.

Existen, básicamente, dos tipos de varactores: los denominados abruptos y los hiperabruptos. Los del primer tipo, permiten obtener un Q muy elevado operando sobre un amplio margen de la tensión de sintonía (0 a 60 V) y presentan un bajísimo ruido de fase* debido a su elevado Q.

* El ruido de fase suele caracterizarse en el dominio de la frecuencia. En un oscilador ideal el espectro de la pulsación OL está representado por una línea espectral; en los osciladores reales dicho espectro presenta además, unas faldas laterales (bandas laterales de ruido) que constituyen el denominado ruido de fase.

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Figura 6.23 Característica típica de un varactor (capacidad contra tensión)

El varactor del tipo hiperabrupto presenta, respecto del abrupto, un margen de capacidad mayor para la misma variación de tensión, por ello, se lo emplea preferentemente en la sintonía de banda ancha. Este tipo de varactor, permite sintonizar hasta una octava de frecuencias en un margen de unos 20V. El inconveniente es que, el tipo hiperabrupto, presenta un Q mucho menor que los del primer tipo, por lo cual su ruido de fase es también más elevado.

La característica de capacidad/ tensión de los varactores, polarizados en inversa, se ajusta a la ecuación,

En la ecuación K es una constante, VR la polarización inversa aplicada al diodo, mientras que Vd es el potencial interno que para Silicio es de 0.7V y para el Arseniuro de Galio de 1.2V. El exponente n depende del perfil de difusión:

a) cuando se produce una disminución lineal y gradual de la densidad de impureza, a partir de la juntura, resulta n=1/3;

b) si la distribución de impureza es constante se produce una juntura abrupta y resulta n=1/2;

c) cuando la densidad de impureza aumenta a medida que nos alejamos de la juntura resulta n>0.5 (0.75) y la juntura se vuelve hiperabrupta. Cabe mencionar que el modelado de la curva real no es tan simple pues n varía con la tensión.

Figura 6.24 Características de C-V para diversos tipos de juntura

La Figura 6.24 compara diferentes características de juntura de varactores. En la sintonía por varactor se utilizan diferentes configuraciones, dos de las

cuales se muestran en la siguiente figura.En Figura 6.25, se observa que la tensión se aplica al varactor a través de una

resistencia de valor elevado y, de esta forma, no se carga excesivamente al tanque.El circuito de la Figura 6.25a representa uno de los métodos de sintonía más

utilizados y se lo denomina "high side".


Para eliminar los armónicos pares se utiliza la configuración b) o simétrica. En ambos circuitos de la Figura 6.25 la capacidad Cs representa la conexión

de la serie entre C1 y C2 incluidas las correspondientes capacidades internas del transistor.

Figura 6.25 Sintonía por varactor: a) “high side”; b) “simétrica”

Las pérdidas en el diodo afectarán el Q del tanque, además, el extremo de alimentación de la resistencia Rc queda conectado a tierra por el condensador de desacoplo Cd, de manera que esta resistencia se transfiere al tanque a través de la relación de transformación capacitiva correspondiente.

Se dice que el transformador capacitivo de relación (Cv+Cd)/Cv transfiere la resistencia Rc al tanque como R’c, hecho que se traduce en una caída del Q del tanque. Para determinar la resistencia transferida sobre el tanque se aplica la ecuación .

De todos modos, la resistencia Rc suele ser alta (100k o mayor) y su influencia no suele ser preocupante.

Los varactores de la serie BB (BB105 al BB113) presentan un encapsulado plástico y su aspecto se muestra en la Figura 6.26.

Figura 6.26 Varactor BB105 o similar

6.2.5 Filtros cerámicosLos filtros cerámicos se utilizan en frecuencia intermedia tanto en AM, FM, y

DRM; en AM y DRM es muy común el uso de filtros de 455kHz. Permiten obtener características de repuesta con diferentes anchos de banda, desde 4kHz hasta 20kHz.

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6.2.5.1 Filtros cerámicos de dos elementos

Figura 6.27 Filtro cerámico: aspecto y huellas (arriba, Murata; abajo, TOKO)

En la parte izquierda de la Figura 6.27 se muestran el aspecto físico y las dimensiones de este tipo de filtro. A la derecha de dicha figura se muestra su huella. En la parte superior, la huella del filtro fabricado por Murata (terminales alineados) y, abajo, la correspondiente a un filtro de Toko donde se observa que la conexión a tierra se encuentra desalineada respecto de la entrada y salida. Estas huellas se encuentran en la biblioteca “sigfredo.lib”.

6.2.5.2 Filtros cerámicos de 6 elementosOtros de los filtros utilizados en esta obra son los filtros cerámicos de la gama

alta, existen varios tipos, entre ellos, los de 6 elementos que pasamos a describir.

Figura 6.28 Filtro cerámico de 6 elementos dimensiones y respuestas

La base (huella) es la misma para los filtros Murata de la serie CFW como para los de la serie LFY fabricados por TOKO cuyas dimensiones y características más importantes se muestran en la Figura 6.28.Estos filtros presentan una respuesta de gran pendiente y sus impedancias de

entrada y de salida son del orden de los 1500 a 2000.Para el programa PIA el autor de este libro ha desarrollado la biblioteca “Sigfredo.lib” donde se incluye la base o huella de estos filtros ya que se los utiliza en el receptor de doble conversión del Capítulo 5.

capítulo 6 los componentes

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