RECEPTORES DE FM Noções Gerais A recepção em FM, hoje em dia, tornou-se tão popular que praticamente todos os fabricantes de aparelhos eletrônicos, quando iniciam um novo projeto de rádio AM ou um sofisticado conjunto de som, colocam como ponto prioritário que o rádio deve ser AM/FM, e que o aparelho de som tenha um receptor de FM. Já é muito comum encontrar, atualmente, pequenos rádios portáteis com as duas faixas de recepção (AM/FM) e também caríssimos conjuntos sonoros que possuem, como maior atrativo visual, a escala ou dial do receptor de FM cuidadosamente iluminada. Realmente, quem gosta de ouvir música em casa, descansando confortavelmente em sua poltrona, preferirá, sem dúvida alguma, um receptor de FM a um AM. Como foi visto no capítulo da transmissão de FM, a modulação em freqüência (FM) leva enorme vantagem sobre o sistema de transmissão em amplitude modulada (AM) quanto à qualidade sonora. Em FM, além de se poder transmitir toda a gama de freqüências audíveis, ela fica praticamente isenta de ruídos atmosféricos, ao passo que na transmissão em AM, só é possível transmitir uma pequena parte das freqüências audíveis, e a qualidade sonora é seriamente prejudicada pelos ruídos atmosféricos. O sistema de transmissão em FM não se limita apenas às emissoras comerciais; a polícia, os táxis e o exército também utilizam este tipo de transmissão, além dos radioamadores, que operam em FM na faixa de 144 MHz. A guarda costeira, por exemplo, obriga a todos os proprietários de barcos de um certo porte, a instalação de um transmissor-receptor de FM para se comunicarem. Se compararmos o sistema de transmissão em FM com o sistema de transmissão em AM, vamos chegar à conclusão de que o primeiro é bem melhor que o segundo, pelo menos num ponto: a propagação de ondas. Realmente, existe uma grande diferença de propagação entre as várias faixas de freqüências utilizadas pelos meios de comunicação, e o nosso próximo passo, agora, será o estudo deste aspecto. Antenas e Propagação das Ondas A energia é um dos conceitos mais difíceis de se definir pela Física, pois ela se apresenta de diversas formas, tais como o calor, energia cinética (de movimento), energia potencial (de posição), energia luminosa, sonora e também na forma que mais nos interessa: a energia eletromagnética, ou seja, as ondas de rádio, televisão, radar, etc..assim, a antena transmissora de uma estação comercial tem a incumbência de irradiar esta energia (ondas eletromagnéticas) em todas as direções possíveis, para que todos os receptores possam captar seus sinais e retirar todas as informações neles contidas. Por outro lado, dependendo da freqüência, as ondas eletromagnéticas possuem uma maneira particular de se propagarem pelo espaço. Por exemplo, as ondas curtas de rádio se propagam de uma tal maneira que podem partir de um ponto da terra e atingir seu outro lado, sem que o transmissor tenha uma potência astronômica; um simples transmissor de 100 w, em ondas curtas, pode, do Brasil, alcançar o Japão, que fica do lado oposto da Terra, com grande facilidade. A figura 1 mostra como isto é 1
possível. Isto ocorre porque as ondas curtas de rádio são refletidas pelas camadas da atmosfera e voltam para a Terra, podendo depois voltar à atmosfera e serem refletidas novamente, até darem a volta ao redor do planeta. Figura 1 As ondas partem do Brasil e atingem o Japão por reflexões sucessivas Já as ondas de FM ou TV não são refletidas pelas camadas atmosféricas e acabam se perdendo no espaço. Por isso, o sistema de transmissão em FM é limitado ao ângulo de visão, ou seja, só se pode captar um sinal de FM quando a antena do receptor tiver visão direta da antena transmissora. Se o receptor estiver atrás de alguma montanha, não terá uma boa recepção, pois a montanha obstruirá o caminho dos sinais. A figura 2 mostra como as ondas de FM e de TV se propagam na superfície terrestre. Figura 2 A boa recepção se limita ao ângulo de visão Portanto, chegamos à conclusão de que, em lugares onde a recepção de FM é muito fraca, a antena receptora deve ser externa e instalada o mais alto possível para captar os sinais diretamente. Há casos, porém, em que a antena receptora não tem visão direta com a transmissora, e a 2
recepção é muito boa; neste caso, os sinais captados são sinais refletidos, isto é, que percorreram outro caminho para chegar até a antena (figura 3). Em grandes centros econômicos como São Paulo, Porto Alegre, Rio de Janeiro, Recife, Lisboa, Coimbra, etc..., a recepção em FM é muito boa devido à grande potência dos transmissores, que podem atingir um raio de 50 Km. A antena de recepção não se torna um elemento crítico, nestes casos, pois a maioria dos usuários utilizam como antena apenas um pedaço de fio, de mais ou menos 1 metro, ligado ao terminal de antena do receptor e sutilmente escondido atrás do móvel, conseguindo excelentes resultados. Figura 3 As antenas localizadas atrás de edifícios também captam a transmissão devido aos sinais refletidos pelos próprios edifícios. Já para as pequenas cidades, onde não existe transmissão em FM, os sinais que chegam até seus receptores geralmente vêm de alguma outra cidade vizinha, às vezes distante dezenas de quilômetros, e por isso chegam com pequena intensidade, ou seja, os sinais recebidos são muito fracos. Para estes lugares, é necessária a utilização de antenas externas para se conseguir uma boa recepção, a figura 4 mostra alguns tipos de antenas para FM Figura 4 Tipos de antenas receptoras mais comuns 3
Basicamente, existem dois tipos de antenas receptoras: o tipo direcional e o tipo onidirecional. O tipo direcional é recomendado para lugares onde o sinal é fraco e provém praticamente de uma mesma direção. Este tipo de antena possui ganho maior numa determinada direção; portanto, basta orientar a frente da antena na direção dos sinais para se obter o máximo rendimento. O segundo tipo, o onidirecional, é um tipo de antena recomendado para grandes centros como São Paulo, Rio de Janeiro, Lisboa, etc.., onde o nível de sinal é muito forte. Neste caso, é necessário que a antena capte sinais em todas as direções, pois muitas vezes os receptores se encontram atrás de prédios, sem visão direta com a antena transmissora. Quando se utiliza a antena direcional, deve-se tomar cuidado com a sua instalação, pois uma má orientação da antena pode tornar a recepção muito ruim. A antena direcional oferece o máximo de rendimento quando a sua frente está dirigida para a antena transmissora, conforme ilustramos na figura 5. Note que ela apresenta um lóbulo de captação bastante acentuado na posição frontal e um lóbulo de captação bastante atenuado na posição traseira, possuindo também dois lóbulos a 60 0 (em relação ao eixo Z), com menor poder de captação. Figura 5 A antena direcional tem maior poder de captação de sinal pela frente, onde seu lóbulo é maior A antena onidirecional, por sua vez, capta sinais praticamente de todas as direções, pois possui quatro lóbulos de captação. Este modelo é muito útil em locais onde existem várias estações transmissoras, como nas grandes cidades, pois ela recebe todos os sinais espalhados na região (figura 6). Quando se utiliza a antena externa, é necessário tomar alguns cuidados especiais, tais como: empregar um bom fio de descida (normalmente, o preço do fio dá uma boa idéia de qualidade), instalar a antena o mais alto possível e, de preferência, longe da rua, para evitar a captação de ruídos ou interferências das velas e platinados dos carros que passam, pois eles geram interferências de grande intensidade, afetando a recepção em FM. Na hora de se escolher a antena, deve-se dar preferência àquelas que possuem parafusos de fixação de latão, pois os parafusos de ferro enferrujam em pouco tempo. Um dos pontos críticos da instalação é a ligação do fio de descida, que deve ser vedada com fita adesiva plástica. A antena deve estar bem firme para evitar que os ventos mais fortes mudem a sua direção, 4
principalmente onde se usa antena direcional. Se a antena estiver muito alta, será necessário colocar estirantes de arame ou nylon, para evitar os movimentos da mesma. A figura 7 ilustra melhor os dois casos, isto é, a instalação de antena direcional e outra unidirecional. Figura 6 A antena onidirecional capta sinais de praticamente todas as direções Figura 7 A) Instalação de uma antena do interior onde o sinal é frágil. B) A instalação de uma antena onde o sinal é relativamente forte e chega de várias direções. Diagrama em Blocos de um Receptor de FM Vamos agora analisar o funcionamento de um receptor de FM através do diagrama em blocos mostrado na figura 8. Posteriormente, veremos o funcionamento de cada um dos estágios isoladamente e com mais detalhes. 5
Considerações Gerais de Funcionamento A antena receptora capta todos os sinais de radiofreqüência existentes na região e os envia ao amplificador de RF (radiofreqüência), cuja função é selecionar apenas um, o qual deve estar contido dentro da faixa de operação do receptor. No caso do receptor de FM, apenas as radiofreqüências situadas dentro da referida faixa (88 a 108 MHz) é que serão selecionadas pelo amplificador de RF. Portanto, a função desse estágio é selecionar uma certa emissora, amplificar seu sinal e posteriormente enviá-lo ao estágio misturador. O estágio misturador, além de receber o sinal proveniente do estágio de RF, que traz a informação de áudio, recebe também um sinal (sem modulação) proveniente do oscilador local, cuja freqüência guarda uma certa proporção com o sinal selecionado, ou seja, toda vez que se sintoniza uma emissora qualquer, automaticamente estamos variando também a freqüência do oscilador local. Por exemplo, se a emissora sintonizada opera em 90 MHz, a freqüência do oscilador local será de 100,7 MHz, e se uma outra emissora sintonizada operar em 102 MHz, o oscilador local passará para 112,7 MHz. A tabela I dá uma idéia mais clara destes ajustes. Figura 8 Diagrama em bloco de um receptor FM Note que a diferença entre a freqüência do oscilador local e a da emissora sintonizada é sempre igual a 10,7 MHz. Isto é feito para que, na saída do estágio misturador, apareça sempre uma freqüência fixa que contenha as informações da emissora. 6
Freqüência da Emissora Freqüência do Oscilador Local Diferença entre as duas 90 MHz 100,7 MHz 10,7 Mhz 92 MHz 102,7 MHz 10,7 MHz 98 MHz 108,7 MHz 10,7 MHz 100 MHz 110,7 MHz 10,7 MHz 102 MHz 112,7 MHz 10,7 MHz 106 MHz 116,7 MHz 10,7 mhz Tabela I Ajuste do oscilador local na sintonia de uma emissora Mas não é apenas a diferença entre as duas freqüências que aparece na saída do misturador, pois sendo um elemento não-linear, provoca uma interação entre os dois sinais, ou seja, o sinal da emissora (que traz a informação) e o sinal que vem do oscilador local. Na saída do estágio, teremos, além do sinal do oscilador local e o da emissora, a soma e a diferença entre eles, mas com uma particularidade muito importante, pois a diferença entre as duas freqüências (o que mais nos interessa) sai modulada com as informações que estavam contidas no sinal da emissora. Após o estágio misturador, está o estágio amplificador de FI (Freqüência Intermediária), cuja função é amplificar somente o sinal diferença, isto é, 10,7 MHz. Este estágio rejeita todas as freqüências que aparecem na entrada menos o sinal de FI (10,7 MHz), pois este sinal tem passagem aberta até o demodulador de FM. A maneira como o estágio de FI rejeita as outras freqüências diferentes de 10,7 MHz será bem discutida mais adiante; por hora, podemos dizer que esse estágio é sintonizado por bobinas e capacitores, formando, assim, um túnel Em torno de 10,7 MHz (figura 9). Figura 9 Curva de resposta do estágio de FI Pode-se notar, pela curva, que na freqüência central de 10,7 MHz é que o amplificador possui maior ganho, até decrescer gradativamente para ambos os lados. Isto significa que poderão passar pelo estágio, a freqüência central (10,7 MHz) e mais uma faixa de cada lado. Após ser amplificado pelo estágio de FI, o sinal de 10,7 MHz é entregue ao estágio demodulador, que deverá retirar as informações contidas no mesmo e eliminar a freqüência de 10,7 MHz (FI), que já não interessa mais. Como já foi explicado no capítulo de modulação em FM, sabemos que o sinal de áudio modulante faz a freqüência portadora variar conforme a sua amplitude; portanto, o sinal de 10,7 MHz que adquiriu esta informação no misturador é um sinal que varia de freqüência em torno de 10,7 MHz, isto é, conforme varia a amplitude do sinal modulante. 7
Para retirar estas informações do sinal de 10,7 MHz, existem vários tipos de demoduladores, tais como: detetor de relação, discriminador de fase, detetor em quadratura, etc. Todos estes demoduladores são sensíveis à variação de freqüência e, se sintonizarmos o detetor na freqüência de FI (10,7 MHz), ele apresentará na saída uma variação de tensão que dependerá da variação de freqüência de entrada. Com isto se consegue reproduzir no demodulador de FM o sinal de áudio (informação) que, no transmissor, modulou a onda portadora, quer dizer, variou a sua freqüência. Após ser demodulada, a informação de áudiofreqüência é amplificada pelo estágio de áudio e reproduzida pelo alto-falante. Dependendo da distância entre o receptor e a estação transmissora ou da potência da mesma, haverá uma certa diferença de intensidade de sinal, que chega na antena. Isto acarretará um problema bastante grave, pois a potência sonora variará em função da intensidade do sinal de antena e, se o receptor não tivesse um meio de nivelar estas diferenças, o problema realmente ocorreria. Para eliminar este problema, o receptor possui o CAG (Controle Automático de Ganho), que será estudado num capítulo posterior. Além de fornecer o CAG, o demodulador de FM fornece também uma tensão DC de referência, para corrigir a freqüência do oscilador local quando este tende a variar; este sistema é conhecido por CAF (Controle Automático de Freqüência). Na figura 10, podemos ver o que ocorre com o sinal, desde o transmissor até a sua demodulação e reprodução no alto falante do receptor. Podemos notar que o som de áudio de 1 KHz emitido pelo cantor, após ser amplificado pelo estágio de áudio, vai modular a onda portadora de 100 MHz, gerada pelo oscilador-modulador. Este sinal já modulado é amplificado pelo estágio de saída de RF e irradiado para o espaço. Figura 10 Processamento completo do sinal desde o transmissor até o receptor 8
No receptor ocorre o processo inverso: o sinal modulado de 1KHz é captado pela antena receptora, amplificado pelo estágio de RF e injetado no estágio misturador, que, por sua vez, mistura este sinal com outro de 110,7 MHz, proveniente do oscilador local, fornecendo na saída o sinal da diferença, ou seja, 10,7 MHz, também modulado por 1 KHz, o processo de mistura de sinais também é conhecido por batimento. O sinal de FI é amplificado pelo estágio amplificador de FI, e injetado no estágio demodulador de FM, que retira a modulação de 1 KHz e elimina a radiofreqüência de 10,7 MHz, que já não interessa mais. Posteriormente, o sinal de áudio de 1 KHz, após ser amplificado pelo estágio de áudio, é reproduzido pelo alto-falante do receptor. Em linhas gerais, este é o funcionamento do receptor de FM. Vamos agora analisar estágio por estágio com mais profundidade, para podermos compreender melhor o funcionamento de todo o conjunto. Amplificador de RF Transistorizado Não é novidade que os semicondutores revolucionaram o campo de eletrônica em geral; as válvulas foram substituídas por transistores e estágios valvulares inteiros foram substituídos por pequenos circuitos integrados, que executam uma série de funções ao mesmo tempo; enormes receptores e transmissores deram lugar a aparelhos miniaturizados de maior confiabilidade. Atualmente, qualquer projeto é feito em função de transistores e circuitos integrados. As válvulas são usadas apenas em amplificadores de altas potências, pois até agora não foi possível fabricar transistores com tais grandezas de potência, mas no mundo inteiro existem programas de pesquisas sobre esse assunto. Baseando-se nesses fatos é que vamos nos dedicar com maior ênfase aos circuitos transistorizados, mostrando a seguir um amplificador de RF, que funciona com transistores. A figura 11 mostra um dos mais usados circuitos de entrada de RF, onde o sinal de radiofreqüência entra pelo emissor de TR 1 e sai pelo coletor. Figura 11 Circuito de entrada de RF transistorizado O transistor TR 1 está polarizado na configuração base comum, ou seja, a base está a terra para o 9
sinal de RF através de C 3. Este tipo de polarização é muito usado em circuitos de entrada de RF para receptores de FM e televisão, pois oferece uma excelente resposta em freqüência, alta impedância de saída, alto ganho e baixa impedância de entrada. Lembre-se que impedância de um circuito é, praticamente, a resistência oferecida por ele às freqüências nas quais está operando. A baixa impedância de entrada do transistor TR 1 é muito importante para se conseguir um bom casamento com a baixa impedância da antena, que normalmente é de 300 ou 75 Ω. Para que se tenha uma idéia mais clara sobre o casamento de impedâncias, basta dizer que só se consegue o máximo de transferência de potência entre dois estágios quando a impedância de saída de um deles é igual a impedância de entrada do outro, no qual o primeiro está ligado. O transformador T 1 funciona como casador de impedância entre a antena (cuja impedância é de 300 Ω) e a entrada do estágio amplificador de RF (emissor), que é da ordem de 75 Ω. Com isto se consegue transferir o máximo de sinal de antena para o emissor de TR 1. T 1, além de casador de impedâncias, forma com C 1 e R 1 um circuito sintonizado de faixa de passagem, que é suficientemente larga para deixar passar todas as emissoras da banda de FM, ou seja, de 88 a 108 MHz. A largura da faixa se consegue graças ao resistor de amortecimento R 1, de 470 Ω (figura 12). O transistor TR 1, além de amplificar o sinal que chega ao emissor, oferece também uma alta impedância de saída, que servirá para não amortecer o circuito sintonizado formado por L 3 e os diodos Varicaps D 1 e D 2, pois este circuito é que selecionará qual a emissora que deve ser sintonizada. A figura 13 mostra o circuito sintonizado L 3, D 1, D 2, e seu circuito equivalente. Figura 12 Curva de resposta em freqüência do circuito de entrada de RF, sem resistor de amortecimento (A) e com amortecimento (B) No capítulo de transmissão de FM, foi explicado o funcionamento do diodo Varicap e, fazendo uma rápida recapitulação, podemos dizer que o Varicap apresenta uma particularidade muito importante, quando polarizado inversamente, que é o aparecimento de uma capacitância cujo valor depende da tensão (DC) inversa aplicada sobre ele. Quanto menor o valor da tensão inversa aplicada, maior será o valor da capacitância oferecida pelo diodo e, ao contrário, quanto maior for a tensão aplicada sobre ele, menor será esta capacitância. O valor mínimo de tensão inversa que se deve aplicar sobre um diodo 10
Varicap é da ordem de 1 V e o valor máximo é de 28 V. Isto ocorre porque valores de tensão abaixo de 1 V provocam grande redução do Q (fator de mérito) do diodo, e tensões acima de 28 V já não variam mais o valor de sua capacitância. Figura 13 Circuito sintonizado com diodo Varicap Como o diodo está polarizado inversamente, quase não circulará corrente por ele, pois a pequena corrente que circula é da ordem de microampéres, sendo, portanto, desprezível. A figura 14 mostra, através do gráfico, como varia a capacitância do diodo Varicap em função da tensão DC inversa aplicada sobre ele; como os diodos estão em paralelo com L 3, basta variar a tensão inversa sobre eles que a freqüência de sintonia do circuito também variará. Figura 14 A capacitância do diodo Varicap é inversamente proporcional à tensão inversa aplicada. No circuito da figura 11, foram usados dois diodos Varicap, ligados em contra-fase ara se conseguir uma faixa de variação de tensão de sintonia bastante ampla. Com isto, a sintonia do circuito fica bem suave, ou seja, uma grande variação de tensão de sintonia provoca uma pequena variação de capacitância entre o ponto A e a terra. Visto que as duas capacitâncias estão em série, a capacitância total será dada pela seguinte relação: CD1x CD2 CT = CD1 + CD2 11
Como se pode notar, se fosse usado apenas um diodo Varicap para uma mesma variação de capacidade, seria necessária uma menor variação de tensão sobre o diodo, e disto se pode concluir que a sintonia ficaria uma pouco mais crítica. O capacitor variável T da figura 13 é um TRIMMER que serve para ajustar o fim da faixa de FM, pois o começo da faixa (88 MHz) é ajustado pela bobina L 3 e, para selecionar uma emissora qualquer, basta variar a tensão de sintonia. Vamos, agora, dar uma rápida analisada no funcionamento do estágio de RF, desde a antena até a saída do sinal para o estágio misturador. A antena capta todos os sinais que estão compreendidos dentro de sua faixa de operação, e os envia ao primário de T 1 (L 1 ); por efeito de acoplamento indutivo, estes sinais são transferidos para o secundário (L 2 ). Como C 2 é um capacitor de passagem, não oferecerá obstáculo algum aos sinais que acabam chegando no emissor de TR 1. Por sua vez, TR 1 amplifica estes sinais, mas somente um deles aparecerá com grande amplitude no seu coletor, pois o circuito sintonizado L 3, D 1, D 2 selecionará apenas uma emissora, cujo sinal será posteriormente injetado no estágio misturador pelo capacitor C 4. 12