TRANSMISSORES. A onda portadora com freqüência alta e constante, tem sua amplitude do sinal de áudio, como mostra a figura 1.

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1 TRANSMISSORES Introdução A radiotransmissão teve seu início em 1895 com a primeira transmissão de sinais elétricos sem fios feita por Marconi na Itália. Embora o primeiro transmissor tenha sido construído por Marconi, ele baseou seu trabalho nas pesquisas de Heinrich Hertz, sobre ondas eletromagnéticas. É óbvia a necessidade de se transmitir voz a longas distâncias, mas a voz humana, tem pequeno alcance, mesmo se amplificada, pois devido a faixa de freqüência que ocupa (300 Hz a 5000 Hz), é muito atenuada por eventuais obstáculos e pela própria atmosfera. Por outro lado, ondas eletromagnéticas de freqüências mais altas são absorvidas pela atmosfera e ainda são refletidas pela ionosfera, podendo por reflexão, circundar a Terra. Além disso estas ondas movem-se com a velocidade da luz, permitindo portanto, contato imediato entre dois pontos quaisquer da Terra. Infelizmente essas ondas de freqüências mais altas não são audíveis para o ser humano e por isso não podem ser usadas sozinhas em telecomunicações. Para contornar esse inconveniente usamos um processo chamado modulação, que descreveremos a seguir: o som é um sinal alternado, com amplitude e freqüências variáveis. Essa amplitude e freqüência são características próprias de cada som. Se conseguirmos fazer com que uma onda de alta freqüência que chamaremos portadora, sofra variações no tempo de sua amplitude, freqüências ou fase, variações essas proporcionais aos valores da onda sonora, teremos modulado a portadora. O processo pela qual alteramos as características da portadora é denominado modulação. Existem três tipos de modulação. Tipos de modulação a)modulação em Amplitude A onda portadora com freqüência alta e constante, tem sua amplitude do sinal de áudio, como mostra a figura 1. Figura 1 - Portadora de alta freqüência modulada em amplitude O sistema mostrado na figura anterior é chamado AM DSB, pois os dois lados da portadora sobrem modulação (DSB= DOUBLE SIDE BAND = Dupla Banda Lateral). Devemos notar que a 1

2 freqüência da onda portadora deve ser bem maior que a da onda moduladora. A relação entre as amplitudes da portadora e do sinal modulante nos dá o chamado índice de modulação, obtido com a fórmula: m E - E max a = E + E min max min 100% Onde: (figura 1) E max = amplitude máxima da portadora modulada E min = amplitude mínima da portadora modulada O índice de modulação mostra o aprofundamento que o sinal modulador imprime para a portadora. Esse índice não pode ser maior que 100%, para evitar futuros problemas de distorções no momento da recuperação do sinal modulador. b) Modulação em Freqüência Neste caso, a onda portadora tem amplitude constante, porém, modificamos sua freqüência instantânea de acordo com a freqüência do sinal modulador, como a figura 2. c) Modulação por Pulsos Figura 2 Onda modulada em freqüência Os sistemas pulsados são aqueles em que transmitem a informação pela variação das características de algum pulso. Dependendo da característica variada podemos ter: 1) MAP = Modulação por variação da amplitude do pulso 2) MLP = Modulação por variação da largura do pulso 3) MPP = Modulação por variação da posição do pulso 4) MCP = Modulação codificada de pulso 2

3 Espectro de freqüência A representação gráfica de um sinal modulado é difícil de ser feita e também difícil de ser interpretada. Por isso, usamos uma simplificação que nos permitirá visualizar rapidamente todos os elementos da onda modulada. Na figura 3 temos um desenho simplificado que é chamado espectro. Numa linha horizontal representaremos os valores das freqüências envolvidas. A cada uma destas freqüências corresponderá uma linha vertical de comprimento determinado pela amplitude daquela freqüência. Isto é mostrado no exemplo seguinte: Denominaremos as representações da figura 3. f 0 = freqüência da onda portadora E 0 = amplitude da portadora f m = freqüência instantânea da onda moduladora m a = índice de modulação Considerando a freqüência da portadora como sendo, KHz, e o tom do sinal modulador de 5 KHz, após a modulação, a portadora será composta por três freqüências: a portadora e as duas bandas laterais, resultantes do batimento entre a freqüência da portadora e a freqüência instantânea do sinal modulante. Figura 3 Espectro para uma onda com modulação tipo DSB Na figura 4, temos representado o sinal modulante, a portadora e a portadora modulada e na figura 5, o espectro de freqüências resultante. Observamos que a banda lateral superior (BLS) está situada a 5 KHz acima da portadora de KHz, isto é, BLS = KHz. A banda lateral inferior (BLI) está situada a 5 KHz abaixo da portadora, ou seja, KHz. Como podemos notar, o transmissor de AM ocupa uma largura no espectro de 10 KHz, e a freqüência máxima permitida para o sinal modulante em AM é de 5 KHz (figura 5). Distribuição de Potência Nos transmissores modulados em amplitude, a potência de cada banda lateral depende do índice de modulação. Para o caso de 100% de modulação, a portadora contém 66,6% de potência total transmitida, enquanto que cada banda lateral contém 16,6%, como podemos verificar na figura 6. Como vimos anteriormente, a onda modulada é composta por três freqüências: a freqüência da portadora e as suas bandas laterais. Quando não possuem modulação, toda potência de saída está contida na portadora. Toda vez que aplicarmos o sinal modulante, isto é, aumentamos o índice de modulação, surgem 3

4 as bandas laterais contendo cada uma delas, um pouco da potência que antes estava contida na portadora. Quanto maior for o índice de modulação tanto maior será a potência distribuída nas bandas laterais. Figura 4 A) Sinal Modulante; B) Portadora; C) Portadora Modulada A potência total aplicada na antena será a soma de potências contidas na portadora e nas bandas laterais. Essa potência será dada por: Figura 5 -Espectro de freqüência para um transmissor modulado em AM DSB com modulação de 100 % Simplificando, temos: 4

5 onde: P t = Potência total na antena P p = Potência da portadora sem modulação m a = Índice de modulação O mesmo processo é válido para a tensão contida em cada banda lateral. Observamos que na figura 7 o espectro é a fórmula pela qual podemos determinar o nível de tensão em cada banda lateral. Exemplo prático: Imaginemos um transmissor de AM, com uma potência total na antena de 500 W, e com um índice de modulação de 80%. Determinar a potência da portadora e a potência em cada banda lateral. Figura 6 Distribuição de potência para uma potência total de 100 W Figura 7 Distribuição de tensão na portadora e nas bandas laterais, em função do índice de modulação m a 5

6 No caso de modulação em amplitude, a potência distribuída em cada banda lateral é simétrica, isto quer dizer que, as potências nas duas bandas laterais são iguais, (P BLI = P BLS ). Além disso, a potência total é a soma das três potências, ou seja: Sinal Modulador Qualquer Podemos considerar como sinal modulante, o sinal que tenha características diferentes de um sinal senoidal simples. Neste caso, o espectro de freqüências terá um formato diferente, pois representaremos somente a amplitude da portadora, sendo a moduladora representada por sua freqüência nas bandas laterais (figura 8). Moduladores Figura 8 Espectro do sinal modulador No processo de modulação em amplitude utiliza-se um circuito modulador, para aplicar a mensagem de áudio sobre a portadora de RF. O sinal modulante é capturado pelo microfone, sendo em seguida amplificado até um nível de potência suficiente para variar a amplitude do sinal da portadora de RF. O sinal da portadora é gerado por um oscilador controlado a cristal, com boa estabilidade de freqüência, e oscilando já na freqüência final da portadora. 6

7 Figura 9 Diagrama em blocos de um transmissor para modulação em amplitude AM O sinal de RF é amplificado no estágio do amplificador de potência de RF, sintonizado na freqüência central da portadora. A onda de RF já com alta potência, é aplicada no modulador, que recebe na outra entrada o sinal modulante e que efetua a modulação. Na figura 10 vemos o circuito simplificado de um modulador. O sinal modulante é aplicado no primário do transformador modulador TR, sendo que o secundário está ligado em série com a fonte de tensãovcc, que alimenta o coletor do transistor T 1. Na base deste transistor é aplicado um sinal de RF puro, isto é, sem modulação, gerado pelo oscilador de RF controlado a cristal. O circuito formado por C 1 e L 1, no coletor T 1, está sintonizado na freqüência da portadora com uma banda-passante de 10 KHz. Como podemos observar na figura 10, o circuito ressonante e o secundário do transformador TR estão ligados em série com a fonte de tensão contínua Vcc. Durante o semiciclo positivo do sinal de áudio, a tensão Vce do transistor T 1 é a soma de Vcc com a tensão de pico do sinal de áudio, isto quer dizer que Vce = Vcc + Vp com os valores deste circuito dará: Vce = V. Esta tensão equivale à tensão de RF sobre o circuito sintonizado de saída. Durante o semiciclo negativo do sinal de áudio, a tensão de fonte Vcc está em oposição ao sinal de áudio; nesta condição a tensão Vce será a diferença entre a tensão de fonte de alimentação Vcc e a tensão de pico do sinal de áudio, ou seja: Vce = Vcc Vp, o que para o circuito estudado dará: Vce = = 100 V. Assim, teremos menor tensão de RF sobre o circuito de saída. 7

8 Figura 10 Modulador a transformador Conforme podemos ver, a tensão Vcc é obrigada a variar até os valores de pico, positivos e negativos do sinal de áudio modulante. Com isso, a amplitude do sinal de RF na saída, varia em função da amplitude do sinal modulante com a mesma velocidade. Verificamos também, que após a modulação, a mensagem está contida na envoltória da portadora modulada. Tipos de Moduladores Os moduladores AM, de uma maneira geral, podem ser enquadrados em dois tipos básicos: a) Modulador Quadrático Todo elemento não linear, que possuir na expressão matemática da função de transferência um termo de grau 2, poderá servir como modulador. Define-se como função de transferência, a expressão matemática que relaciona os valores de entrada e de saída da tensão do elemento. Mostramos na figura 11 o circuito geral de um modulador quadrático, que deve possuir um elemento de características não linear, que tenha em sua função de transferência um termo quadrado. Esta característica está sendo citada na curva abaixo. Iremos operar em torno do ponto de polarização quiescente (Q) e ainda consideraremos pequenas variações em torno deste ponto, de maneira que teremos: 2 = + e b e b e onde: e 1 = sinal de entrada e 2 = sinal de saída b 1 e b 2 = coeficientes que dependem do elemento não linear utilizado 8

9 Figura 11 A) Modulador Quadrático; B) Curva de transferência do dispositivo não linear Devido à característica não linear do elemento do modulador, existe uma interação entre os dois sinais (o modulador e a portadora) que chamamos de batimento. Desse batimento resulta uma série de freqüências que irão atingir o Filtro Passa-Faixas (F.P.F.). Esse filtro irá permitir a passagem somente daquelas freqüências em torno da sua freqüência central (f o ). Desse modo todas as demais são barradas e assim obtemos o sinal de RF desejado. Figura 12 A) Curva característica do Triodo; B) Modulador Quadrático Percebemos, portanto que é possível obtermos um sinal modulado em AM-DSB, utilizando-se um dispositivo não linear, adicionado de um filtro passa-faixas. Como dispositivo não linear, poderemos usar um diodo, um transistor ou uma válvula. Um exemplo de modulador quadrático é mostrado na figura 12. Percebemos também que a curva mostra a característica de transferência grade placa de um triodo. b) Modulador Síncrono 9

10 Esse tipo de modulador baseia-se na amostragem do sinal resultante da soma de sinal modulador com um nível DC. De fato, a portadora é aplicada ao nível DC e é modulada somente quando existir um sinal modulador. Também são usados elementos não lineares na modulação. Observamos na figura 13 dois exemplos de moduladores síncronos. Transmissores Figura 13 A) Modulador Síncrono a Diodo; B) Modulador a Transistor Já visto anteriormente o processo dos moduladores, então, vamos estudar agora os processos completos para a transmissão. Transmissor AM-DSB É o transmissor normalmente usado em radiodifusão, é constituído dos seguintes estágios: 1) Oscilador: gera a onda portadora de alta freqüência. 2) Amplificador de RF: amplia em potência a portadora até o nível suficiente para excitar o estágio modulador. 3) Amplificador de áudio: amplifica em potência o sinal modulador. 4) Modulador: excitado pelo sinal de áudio vindo do amplificador de áudio e pela portadora 10

11 vinda do amplificador de RF, produz o sinal AM-DSB, pelo batimento das duas freqüências. Modulação em amplitude com portadora suprimida (AM-DSB/SC) Vimos que no sistema AM DSB simples, a maior parte da potência é gasta na transmissão da portadora. Isto em princípio constitui um desperdício, porque a portadora em si não contém a informação (vide figura 6). No AM-DSB/SC faz-se a supressão da portadora e toda a potência agora é empregada na transmissão de faixas laterais. Portanto, do ponto de vista do gasto de potência, o sistema AM-DSB/SC é mais vantajoso do que o AM comum. Em contraposição, veremos que no processo de recepção, o sistema com a portadora suprimida apresenta maiores dificuldades técnicas do que o AM comum. Moduladores AM-DSB/SC Para produzir o sinal modulado em amplitude, com portadora suprimida, usamos três tipos principais de moduladores. Na figura 14, notamos o circuito em blocos do transmissor completo. a) Moduladores Balanceados Figura 14 Diagrama em blocos do transmissor AM-DSB O modulador balanceado, como é mostrado na figura 16, é a associação de dois moduladores AM-DSB comuns ligados em posições simétricas, de maneira que a portadora seja eliminada. No circuito, verificamos que os dois sinais a (t) dos moduladores, circulam no primário produzindo no transformador fluxos magnéticos que se somam, enquanto que o sinal da portadora produz 11

12 fluxos de sentidos contrários que se anulam. A corrente i do secundário, será formada, portanto, somente pelas duas bandas laterais. Figura 15 A) Espectro no AM-DSB; B) Espectro de potência do AM-DSB/SC Os elementos assinalados como N no circuito da figura 16, são os elementos não lineares (elementos que não obedecem a lei de Ohm, como por exemplo, os diodos) necessários à modulação. Na prática, obtemos a onda moduladora com circuitos do tipo indicado na figura 17. O sinal modulador a (t), aplicado ao transformador é aplicado aos dois triodos com defasagem de 180 0, ou seja, os triodos recebem sinais simétricos. Esses dois sinais são somados à portadora pelas válvulas, e o sinal já modulado é aplicado ao transformador de saída, onde a portadora é anulada devido à simetria do circuito. No secundário do transformador de saída, teremos o sinal e (t) que será o AM- DSB/SC. A anulação da portadora se dá no núcleo do transformador, pois as válvulas criam no primário correntes de sentidos contrários. Essas correntes criam no núcleo fluxos magnéticos de sentidos contrários que se anulam, não induzindo, portanto, tensões no secundário. Figura 16 Associação de dois moduladores AM-DSB b) Moduladores em Anel Outro tipo de modulador que suprime a portadora é o modulador em anel, com funcionamento análogo ao anterior e cujo esquema é mostrado na figura

13 Na figura 15B observamos o espectro de potência do AM-DSB/SC e podemos notar, que praticamente toda a energia está concentrada nas bandas laterais que transportam o sinal de áudio. c) Modulador em ponte Figura 17 Modulador Balanceado Outro circuito que também nos dá o sinal AM-DSB/SC é o da figura 19 conhecido com o nome de modulador em ponte. Neste circuito, o sinal da portadora é que comanda o funcionamento dos diodos, fazendo com que tenhamos uma chave sincronizada com a portadora, que nos dará um sinal semelhante ao dos outros circuitos. Modulação em SSB A informação é transmitida nas duas bandas laterais do mesmo modo que já foi visto na de modulações em amplitude. No receptor, a demodulação é feita através de um detetor ou demodulador apropriado para sinais modulados em AM. Nesse processo de demodulação, a portadora e uma das bandas laterais são eliminadas, sendo aproveitadas somente uma das bandas laterais onde está contida a mensagem. Como já vimos, a potência útil transmitida era 16,6% da potência total, ou seja, em 500 W, teríamos 121,3 W de informações aproveitáveis e 378,7 W gastos exclusivamente na transmissão. Por outro lado, o espectro ocupado por um transmissor modulado em AM-DSB/SC ocupava uma largura de 10 KHz, ou melhor, 5 KHz para cada lado da freqüência da portadora. Se houvesse um meio de eliminarmos a portadora e uma das bandas laterais, de maneira a transmitirmos somente uma das bandas laterais, ganharíamos 380 W na potência transmitida e ao mesmo tempo reduziríamos a largura da faixa de 10 KHz para 3,4 KHz. Isto é conseguido pelo processo de modulação em SSB (Single Side Band Banda Lateral Única). 13

14 Figura 18 Modulador Balanceado em Anel Nesse processo, a supressão da portadora é feita em parte pelo modulador e, em parte pelo filtro, não fazendo nenhuma falta na demodulação. Figura 19 Modulador em Ponte Temos nas figuras 20A onda modulada em amplitude espectro de freqüência, 20B onda modulada em DSB/SC e 20C onda modulada em SSB. Na figura 20C, temos só a banda lateral superior, sendo que a banda lateral inferior e o resíduo da portadora foram eliminados por um filtro altamente seletivo. Esse já é o sinal modulado em SSB. 14

15 Figura 20 A) Onda modulada em amplitude espectro freqüência; B)Onda modulada em DSB/SC; C) Onda modulada em SSB Modulador SSB 1) Modulador em Anel O tipo básico de modulador usado em SSB é o modulador balanceado. São usados vários tipos, mas o de uso mais comum é o modulador em anel. Na situação da figura 21A, temos um modulador em anel formado por dois transformadores T 1 e T 2, quatro diodos formando uma rede que é cruzada por dois geradores de tensão alternada, sendo um deles o gerador do sinal modulante (f m ) e o outro gerador do sinal da portadora (f p ). A freqüência f p é injetada no ponto médio (CT) de ambos os transformadores, ao passo que o sinal f m é aplicado no primário de T 1. Para que os diodos operem corretamente é necessário que a amplitude do sinal da portadora seja maior do que a amplitude do sinal modulante. A portadora com forma de onda senoidal é aplicada no ponto médio dos secundários dos transformadores. No instante em que o pólo a do gerador f p estiver positivo, em relação ao ponto b, acontece o seguinte: os diodos D 1 e D 2 ficam polarizados diretamente, equivalendo a uma resistência muito baixa ou um curto-circuito. Os diodos D 3 e D 4 ficam polarizados inversamente, equivalendo a um circuito aberto, este acontecimento é mostrado na situação 21B. Nestas condições, a corrente do gerador f p circula do pólo negativo b para o pólo positivo a, através do circuito, dividindo-se em duas partes iguais. Uma metade da corrente circula pelas metades superiores do T 1 e T 2 e a outra metade da corrente, circula pelas partes inferiores dos transformadores. Considerando que os enrolamentos dos transformadores são divididos exatamente no meio,as correntes que circulam nas metades são iguais em amplitude mas em fase oposta, sendo que uma tensão cancela a outra. Assim não há tensão da portadora induzida no secundário de T 2. Isso é mostrado nas situações A, B e C da figura 21. Pelo fato dos diodos D 1 e D 2 estarem conduzindo, forma-se um caminho de baixa resistência para o sinal modulante e este passa diretamente, para o secundário do T 2, aparecendo na saída. 15

16 Figura 21 Modulador balanceado em Anel, trabalhando em AM-SSB No próximo semiciclo do gerador da portadora, o pólo b fica positivo em relação ao pólo a e os diodos D 3 e D 4 conduzem, ao passo que D 1 e D 2 ficam abertos. Nesta condição também não aparece tensão da portadora na saída e o circuito equivalente é visto na situação C da figura 21. Pelo fato da portadora ser de alta freqüência, os diodos são comutados em alta velocidade e, durante um ciclo do sinal de áudio, temos vários ciclos da portadora. Situações A e B da figura 22. 2) Modulador em Ponte ou Shunt Embora com menor eficiência, o chamado modulador em ponte é também usado para modulação em SSB. O princípio de funcionamento difere em alguns pontos do modulador em anel. Pelo fato de ser de fácil construção, o modulador em ponte ainda é bastante usado, principalmente por radioamadores 16

17 que operam em SSB. Na figura 23, temos o esquema de um modulador em ponte formado por dois transformadores T 1 e T 2, e por quatro diodos ligados em ponte entre os pontos c e d. Nos pontos a e b, opostos da ponte, é ligado o gerador da portadora (RF). A freqüência da portadora tem como principal função, comandar o ponto de condução ou não condução dos diodos. No semiciclo positivo da portadora, em que o ponto b fica positivo em relação ao ponto a, todos os diodos conduzem curto-circuito aos pontos c e d. O sinal de áudio presente no secundário de T 1 é curto-circuitado, não aparecendo na saída. O circuito equivalente, nas condições descritas está apresentado na figura 23B. Figura 22 A) A amplitude da portadora tem que ser sempre maior que a da moduladora; B) Sinal de RF modulado em SSB Já, no semiciclo seguinte da portadora, o ponto a fica positivo e o ponto b negativo. Nesta condição todos os diodos ficam polarizados inversamente, com alta resistência equivalendo a um circuito aberto. Isto é mostrado na figura 23C. Em conseqüência o sinal de áudio aparece na saída. Podemos chegar a conclusão de que, se os quatro diodos que formam a ponte forem iguais entre si, isto é, com as mesmas características, então é formado um curto-circuito perfeito, impedindo assim que o sinal de RF da portadora apareça na saída, caindo portando toda a tensão do gerador na sua própria resistência interna Rg. A principal vantagem desse tipo de modulador é muito simples, não precisa usar transformador com center tap. A principal desvantagem é, que a eficiência depende do equilíbrio ou casamento entre os quatro diodos que formam a ponte. O sinal de saída só aparece durante o semiciclo da portadora durante o momento em que os diodos não conduzem. Isto é mostrado na figura 23D. Resumindo, no processo de modulação SSB, estão envolvidas pelo menos duas freqüências: 1) Freqüência da Portadora: é a onda de alta freqüência (RF) que serve como condutor ou meio de transporte, para a mensagem através do espaço. 2) Freqüência Modulante: na realidade é a informação ou mensagem que se deseja transmitir. Está posicionada na faixa de freqüências de voz humana (baixa freqüência). 17

18 Figura 23 Modulador em ponte ou Shunt Assim, por exemplo, se na entrada do modulador na figura 24, aplicarmos uma freqüência de 455 KHz, gerada pelo gerador da portadora e uma freqüência de 5 KHz gerada por um oscilador de áudio, na saída, teremos três freqüências: a portadora de 455 KHz e as duas bandas laterais. A banda lateral superior será formada pela soma de f p + f m (455 KHz + 5 KHz = 460 KHz) e a banda lateral inferior será formada pela diferença de f p f m, (455 KHz 5 KHz = 450 KHz). Neste ponto o sinal de RF já está modulado em DSB e após o filtro, estará modulado em SSB. Portanto, verificamos que na saída do modulador estarão presentes somente as freqüências de 450 a 460 KHz. O filtro passa-faixa, colocado após o modulador, elimina uma das bandas laterais, deixando somente, uma delas, normalmente a superior. O diagrama em blocos seria o mostrado na figura 24. Se no lugar do gerador do sinal modulante FM, ligarmos um canal de voz com freqüência de 0,3 a 3,4 KHz, na saída teremos também duas faixas laterais, sendo que uma é formada pela soma da portadora com o canal de voz, ocupando uma faixa de 455,3 e 458,4 KHz formando a banda lateral superior e a outra formada pela diferença entre a portadora e o canal de voz, passando de 451,6 a 454,7 KHz, formando assim a banda lateral inferior. Este mecanismo observamos na figura 25. Na entrada do amplificador, ao invés de um oscilador, temos um microfone para captar a voz. O sinal de voz é amplificado e limitado em freqüência no amplificador e a seguir é aplicado ao 18

19 modulador balanceado através da entrada 1. Na entrada 2 é aplicada a portadora de RF. Na saída 3 temos um sinal modulado em DSB, com as duas bandas laterais, mas com a portadora já suprimida. Figura 24 Exemplo de Modulação em SSB Na saída do modulador temos um filtro mecânico com alta seletividade, onde rejeita umas das bandas laterais, deixando passar a outra. O sinal, após ter sido filtrado, é amplificado através de uma série de amplificadores sintonizados na freqüência de FI, com banda passante de 455,3 a 458,4 KHz. Figura 25 Modulação em SSB pela voz humana 19

20 Como essa freqüência não está dentro da faixa de transmissão, o sinal de FI é aplicado a um conversor que é passado para a faixa de RF, desejada. A conversão é feita com o auxílio de um oscilador de RF, a uma freqüência fixa, a qual determina a freqüência final do transmissor. A figura 26 mostra o diagrama em blocos de um transmissor de SSB. Figura 26 Diagrama em blocos de um transmissor em SSB Na saída do conversor temos diversas freqüências resultantes do batimento entre as duas freqüências, sendo que a separação entre elas é de aproximadamente 0,9 MHz. Os amplificadores de potência sintonizados, que seguem o conversor, eliminam a banda não desejada sem nenhuma dificuldade. Esses amplificadores elevam a potência de saída para o nível desejado, que para sistemas comerciais em SSB geralmente não ultrapassam a 200 W. A saída do amplificador de potência é ligada a antena de onde a potência é irradiada para o espaço. Amplificadores Sintonizados Examinaremos aqui, os tipos mais comuns de amplificadores de RF. Estes amplificadores têm ganho numa faixa de freqüência que se estende a ambos os lados de uma freqüência central, chamada freqüência de sintonia, do amplificador. Estes amplificadores constituem-se de um elemento ativo (válvula ou transistor), com uma impedância de carga rapidamente variável com a freqüência. No caso de transmissores, essa impedância é constituída por um circuito ressonante série, paralelo ou ainda por outro estágio amplificador. No caso de se necessitar potência de saída muito elevada, na ordem de quilowatts, usam-se válvulas (normalmente pentodos), onde a entrada e a saída do circuito podem ser consideradas isoladas com boa aproximação, devido a pequeno valor da capacitância grade/placa. Em circuitos com transistores essa aproximação nem sempre é válida. Nestes casos teremos que examinar o problema de estabilização do circuito. O amplificador sintonizado típico é constituído por um pentodo ou por um transistor operando na região linear de suas características, tendo um circuito ressonante paralelo como carga de placa ou coletor, conforme mostra a figura

21 Amplificadores de RF Banda Larga Figura 27 Amplificador sintonizado típico a transistor Até o presente momento, os amplificadores de RF que havíamos visto eram todos os do tipo sintonizado, isto é, tinham um ganho muito grande em torno de uma freqüência central F 0, e um ganho muito pequeno nas demais freqüências. Cada vez com maior freqüência, está sendo usado um outro tipo de amplificador de RF, o qual é de banda larga, amplificando os sinais de uma faixa de freqüência bem grande, com um ganho praticamente constante por toda a faixa (figura 28). Como podemos observar no gráfico da figura 28, a potência de saída varia entre o valor mínimo de 15 W e o valor máximo de 17,2 W, o que representa uma variação de quase 15%, mas isso em uma faixa de 25 MHz. Sendo o amplificador de RF p responsável pela amplificação do sinal até este atingir a potência final de saída do transmissor, e como o circuito é totalmente transistorizado, notamos que são empregados dois transistores, para se poder atingir um nível razoável de potência de saída, já que cada transistor pode dissipar uma potência relativamente bem menor que uma válvula. É portanto comum o emprego de ainda mais transistores nesse mesmo ponto do circuito, funcionando em paralelo de maneira a aumentar a potência de saída final do circuito. O estágio de potência dos transmissores é um dos poucos em que o transistor ainda deixa um pouco a desejar, principalmente nas altas freqüências, onde pelo menos por alguns anos ainda, a válvula tem o seu lugar garantido. Podemos ter amplificadores de RF também com outros dispositivos eletrônicos, como o da figura 29, que utiliza transistores de tipo MOS-FET para modular e amplificar uma onda de RF em DSB. Observação: Qualquer que seja o tipo do amplificador, ele deverá ter como carga um circuito ressonante. Circuitos Ressonantes Os circuitos ressonantes são formados por um indutor L, por um capacitor C e por um resistor equivalente Rs ou Rp, resistor esse que pode ser ligado ao circuito ou simplesmente ao resistor equivalente da associação de R indutor com R capacitor. 21

22 Figura 28 Esquema e gráfico: Variação da potência de saída de um amplificador de banda larga Podemos ter circuitos ressonantes série ou paralelo, sendo que cada um desses circuitos apresentam características particulares. 22

23 Figura 29 Amplificador de RF com transistores do tipo MOS-FET Antes de entrarmos propriamente nos estudos dos circuitos ressonantes em série, vejamos o comportamento dos circuitos LC em correntes alternadas. Como se sabe, a reatância indutiva (X L ) do indutor varia em função da freqüência, de modo diretamente proporcional, isto é, aumentando-se a freqüência, aumenta o valor de X L. Esse valor é dado pela fórmula: X L = 2π fl onde : f = freqüência de onda aplicada ao indutor L = valor da indutância da bobina X L = reatância indutiva Por outro lado, a reatância de um capacitor varia de modo inversamente proporcional com a freqüência e tem seu valor dado pela fórmula: X = 1 C 2π fc onde: f = freqüência do sinal que passa por C em Hertz C = capacitância em Farads X C = reatância capacitiva em Ohms As fórmulas das reatâncias indutivas e capacitivas, têm o fator 2π porque a forma de onda aplicada ao circuito é senoidal e o período de uma senóide possui aquele valor. Como podemos verificar através da fórmula, o valor da reatância capacitiva (X C ) diminui com o 23

24 aumento da freqüência e vice-versa, enquanto que o valor da reatância indutiva (X L ) aumenta com a freqüência. Essas variações de X C e X L estão representadas na figura 30. Notamos que existe um ponto onde X L é igual a X C. A freqüência f 0 que determina esse ponto denomina-se freqüência de ressonância do circuito LC série. Como X L e X C têm sinais contrários, na freqüência de ressonância, um valor anulará o outro, fazendo que somente reste ao circuito o efeito, resistivo do enrolamento da bobina e da corrente de fuga do capacitor, efeito esse que representaremos por Rs. Conhecidos os valores de L e C, podemos calcular o valor da freqüência de ressonância. Como nessa freqüência X L = X C, temos: πf 0. L = de onde teremos 0 2πf 0. C f = ( 2π) 2. LC Extraindo a raiz quadrada de ambos os termos obteremos: 1 f = 0 2 π LC que nos dá a freqüência de ressonância de um circuito LC série. Num circuito real, devemos levar em consideração o efeito de Rs, e se formos calcular a corrente que circulará no circuito, quando a ele for aplicada uma tensão Eg, de freqüência fg, devermos lembrar que estando a tensão e a corrente defasados de 90 0, a impedância total do circuito será: Z = ( XL XC) 2 + Rs 2 e a corrente será: Eg I = Z Resumindo, em freqüências baixas, X L tem pequeno valor, enquanto, que X C tem um valor alto. Em freqüências altas, X L, tem valor alto e X C valor baixo. Existirá uma freqüência intermediária em que os valores de X C e X L coincidem, anulando-se. Nesta freqüência, agirá no circuito somente a resistência equivalente Rs. Figura 30 Variações entre a reatância capacitiva em OHMS (X C ) e a reatância indutiva (X L ) 24

25 a)circuitos Ressonantes Série As variações de impedância e de corrente de um circuito LC série estão representadas na figura 31. A banda-passante (Bp) mostrada no gráfico da figura 31, é definida como sendo o espaço compreendido entre a freqüência de corte inferior F 1 e a freqüência de corte superior f 2. Por outro lado, essas freqüências são definidas como aquelas onde a corrente cai a 0,707 Imax, na qual o Imax é a corrente do circuito na freqüência de ressonância f 0. Assim, por exemplo, se a corrente máxima de um circuito LC for 20 ampéres, nas freqüências f 1 e f 2, então cairá para 20 x 0,707 = 14,4 A. As freqüências de corte também são conhecidas como ponto de meia potência, ou ponto de 3 db, isto é, a potência dissipada em um resistor ideal é igual ao produto da tensão pela corrente, ou seja, P = V x I. O ponto de 0,707 é válido tanto para corrente como para tensão e assim na freqüência de corte teremos: P = E x I = 0,707 V x 0,707 I = 0,499 VI 0,5 Pmax Calculando em db, temos: Q = X L XC fo fo 1 = ; Q = = ou Q =. Rs Rs Bp f2 - f1 Rs L C Como se trata de um decréscimo de tensão, corrente e potência, teremos 3 db nos pontos f 1 e f 2. A banda-passante será determinada por: Bp = f 2 f 1. Fator de Mérito Q Figura 31 Variações de um circuito LC Série O fator de mérito ou fator de qualidade é definido como sendo a quantidade de energia armazenada na bobina, sob forma de campo magnético, dividida pela energia dissipada em forma de calor na resistência Rs. Como para indutores ideais Rs = 0, o fator de mérito só é definido para indutores reais e na 25

26 freqüência de ressonância onde X L = X C. Neste caso, obtemos o valor de Q com as seguintes fórmulas: Q = X Q = fo L fo 1 = XC ; = ou Q = Rs Rs Bp f2 - f1 Rs L C O fator de mérito está relacionado com a qualidade dos componentes. Quanto mais ideais forem, menor será o Rs e o maior será o valor de Q. Como Q expressa, uma relação entre grandezas da mesma espécie, então será um número puro. Seletividade A seletividade é definida como sendo a propriedade que os circuitos ressonantes tem de selecionar uma faixa de freqüências desejadas, rejeitando as demais freqüências que estão acima ou abaixo desta faixa. A seletividade está relacionada com a banda-passante do circuito. Esta por sua vez depende do fator de mérito do circuito e do Rs, pois Bp = f 0 /Q. Exemplo prático: num circuito LC série alimentado por uma tensão de 100 V; são dados: L = 50 micro H C = 500 pf Rs = 25 Ω Eg = 100 V Determinar : a) f 0, b) X L e X C, c) Q, d) Bp, e) f 1 e f 2, f)i max, g) I em f 1 e f 2, e h) Z 0. a) f 0 = = = = π LC 6, x10 x500x10 6, 28. 2, 5x = = = = , 5 1 MHz 7 7 6, 28x1, 58x10 9, 92x10 9, 92 b)para f 0, X L = X C = 2.π.f 0.L = 6,28x10 6 x50x10-6 = 314 Ohms c) Q = X L Rs = = 12, 5, d) Bp f 0 1 MHz = = = Q 12, 5 80KHz d) Bp f 0 1 MHz = = = Q 12, 5 80KHz e) 2 0 f Bp 80 KHz = f + = 1000 KHz + = = 1040 KHz 2 2 Bp 80 KHz f = 1 f 0 = 1000 KHz = = 960 KHz

27 f) E Im ax = Z e na ressonância, Z = Rs, portanto, I m ax E 100 = = = 4A Rs 25, 00 g) I (-3 db) = I max. 0,707 = 4,00 x 0,707 = 2,82 A h) Na ressonância Z = Rs, portanto Z = 25,00 Ohms. c) Circuitos Ressonantes Paralelo O circuito ressonante paralelo é formado por um indutor ideal L, um capacitor ideal C e por um resistor equivalente Rp. O circuito ressonante paralelo tem as propriedades do circuito ressonante série com algumas diferenças, assim como a impedância Z, corrente e tensão. Também no circuito ressonante paralelo temos uma freqüência de ressonância chamada f p ou f o para a qual X L = X C. Como a tensão do gerador Eg está aplicada a um circuito paralelo, as tensões no indutor, capacitor e no resistor Rp serão a própria tensão Eg, ou melhor, E L = E C = E R = E. Figura 32 A) Circuito ressonante paralelo; B) Circuito Equivalente quando X L = X C (ideal) e C) Gráfico das correntes I C e I L na ressonância A corrente que circula no indutor está defasada de 90 0 em relação a E L, e a corrente no capacitor está defasada em relação a tensão E C. Como podemos notar, I L e I C, estão defasados de e como têm o mesmo valor, anulam-se, sobrando apenas I Rp que normalmente tem valor muito pequeno pois Rp é grande. Considerando os componentes como ideais, não existirá o resistor Rp e toda a tensão do gerador aparecerá entre os pontos A e B. Como temos tensão entre aqueles pontos e não circula corrente, a impedância é máxima e tende a infinito. Assim podemos concluir que a impedância em um circuito ressonante paralelo ideal, na freqüência de ressonância é máxima, ao passo que a corrente é mínima (figura 32). Na figura 33 temos o gráfico da impedância Z. Como vemos, em f 0, a impedância tende para infinito. No mesmo gráfico podemos notar que a corrente em f 0 é praticamente nula. Acima e abaixo de f 0 a corrente volta a aumentar, ao passo que a impedância Z diminui. 27

28 Figura 33 Variação da impedância Z, tensão E L e E C e corrente I C e I L em função da freqüência do gerador Quando os componentes são ideais, a defasagem entre eles é exatamente de 180 0, havendo total cancelamento das correntes I C e I L. Assim, a impedância total depende da qualidade dos componentes, que determinam por sua vez o fator do mérito Q. No circuito paralelo, a impedância será definida pela fórmula: Z = X L. Q ou Z = X C. Q As demais fórmulas são válidas tanto para o circuito ressonante série como para o paralelo. Na figura 34 vemos o gráfico com a curva de resposta do circuito usado no exemplo numérico seguinte. Exemplo: num circuito LC paralelo são dados: L = 100 Micro-M C = 200 pf Q = 50 Eg = 50 V Pede-se: a) f 0, b) X L e X C, c)rp, d)e L e E C, e)f 1 e f 2, f)e C e E L (-3dB) e g) I em f 0 e Z 0. a) f 0 = = = = π. LC 6, 28x 100x10 x200x10 6, 28x 2x = = = = KHz x1 41x x ,,,, b) X L = 2.π.f 0.L = 6,28x1130x10 3 x100x10-6 = 709,6 Ohms Como na ressonância X L = X C temos: X C = 709,6 Ohms 28

29 XL c) Q =, portanto, Rp XL 709, 6 Rp = = = 14, 19 Q 50 d) E L = E C = E g. Q = 50 x 50 = 2500 V f KHz e) Bp = = = Q 50 22, 6 KHz f Bp = f + = , 6 = , 3 KHz f Bp = f = , 6 = f) A tensão no ponto de 3 db é : 1118., 7 KHz V (-3 db) = 0,707.E max = 2500 x 0, V g) Z 0 = Q. X L = 50 x 709,6 35,5 KΩ Coeficiente de Acoplamento Figura 34 Gráfico com curva de resposta do circuito A banda-passante de um circuito ressonante série ou paralelo normalmente é fixa, pois depende de Rs e de X L. Como estes dois fatores são invariáveis, não é possível aumentar ou diminuir a bandapassante. 29

30 Para tornar variável a largura da banda-passante, utilizamos dois enrolamentos, sendo um formado por L 1 e o outro por L 2. No enrolamento primário (L 1 ) teremos um capacitor C 1 em paralelo e no enrolamento secundário (L 2 ) teremos outro capacitor C 2, também em paralelo com o enrolamento. Resultando assim o circuito mostrado na figura 35. Figura 35 Transformador do tipo normalmente utilizado Quando temos um transformador de RF, com primário e secundário ressonantes na mesma freqüência, o processo de transferência de energia de um enrolamento para o outro é feito através de um acoplamento indutivo. O grau de acoplamento entre o primário e o secundário é definido como sendo a quantidade de energia do primário, que é transferida ao secundário, por efeito de acoplamento mútuo. Tanto o primário como o secundário possuem propriedades individuais, tais como banda passante, Rp e Q. Quando aproximamos um enrolamento do outro, todas as propriedades de cada um são alteradas, devido à influência do acoplamento mútuo que surge entre os enrolamentos. Há transferência de energia do primário para o secundário, quando todas as linhas de força do primário envolvem todo o enrolamento secundário. O acoplamento depende da distância física que existe entre os enrolamentos, sendo que quanto maior a distância, menor o acoplamento. Os enrolamentos estão dispostos como mostrado na figura 36. Variando-se portanto a distância d, muda-se o tipo de acoplamento. Podemos obter os seguintes tipos de acoplamento: Acoplamento Super-Acoplado É mostrado na curva A da figura 37. Ocorre quando os enrolamentos, estão muito próximos um do outro, havendo máxima transferência de energia entre os enrolamentos. Neste tipo de acoplamento existem dois picos de tensão máxima de saída, sendo um acima e outro abaixo de f 0. 30

31 Figura 36 O coeficiente de acoplamento varia em função da distância d Exatamente na freqüência de ressonância, tanto o primário, como o secundário tornam-se puramente resistivos, absorvendo energia por efeito Joule, transformando a energia elétrica em energia térmica. Devido a isso, na freqüência de ressonância, a tensão de saída é mínima, apresentando uma vala ou depressão no centro da curva, com dois picos de tensão máxima acima e abaixo de f 0. Esse tipo de acoplamento oferece uma banda passante bastante larga nos pontos f 1 e f 2, que correspondem aos pontos de 3 db, sendo portanto muito usado em circuitos para TV e FM. Figura 37 Curva de transferência entre primário e secundário de um transformador de RF Acoplamento Crítico Quando os dois enrolamentos estão mais afastados que no caso anterior, a quantidade de energia transferida do primário para o secundário é bem menor, só acontecendo próximo a f 0. A banda passante é mais estreita e com ganho máximo de f 0. Em conseqüência, temos uma boa seletividade, rejeitando bem as freqüências que estão acima e abaixo de f 0. Esse tipo de acoplamento é bastante usado em receptores de AM e SSB, principalmente em ondas curtas. A curva deste acoplamento é a curva B da figura

32 Acoplamento Frouxo Quando os enrolamentos estão muito afastados um do outro, há pouca transferência de energia entre o primário e o secundário. A curva é muito estreita e com pouco ganho de tensão, é a curva C da figura 37. Resumindo, a banda passante e o ganho dependem do grau de acoplamento entre os enrolamentos, que por sua vez dependem da distância entre os mesmos. O grau de acoplamento pode ser ajustado de acordo com a banda passante desejada, bastando para isso variarmos a distância d entre os enrolamentos. Com isso, estudamos já as partes de um transmissor, ou seja, os moduladores e os amplificadores sintonizados. Junto com os osciladores e os amplificadores de áudio vistos em outras lições, temos um transmissor visto em todas as suas características. Certamente existem centenas de circuitos diferentes de transmissores mas todos eles possuem os estágios estudados, variando apenas na disposição dos seus circuitos, na alimentação e também nos recursos. 32

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