Osciladores de RF e Etapas de Potência (TEL209)
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Osciladores de RF e Etapas de Potência (TEL209)

Este artigo foi originalmente escrito em 1978 para a seção de controle remoto que mantínhamos em revista técnica da época. No entanto, as ideias abordadas ainda são atuais e os conceitos importantes para quem estuda telecomunicações.

Temos dado diversos circuitos de transmissores para rádio controle com potência que variam dentro de uma boa faixa de valores. Alguns utilizam um único oscilador enquanto que outros empregam etapas de amplificação.

Neste artigo abordamos o assunto oscilador e etapas de potência fornecendo elementos para que os leitores entendam a função desses circuitos e possam convenientemente fazer sua escoa, verificar seu ajuste e inclusive realizar seu projeto. Como se trata de assunto em que a parte técnica devera' ser bem explorada, para perfeita compreensão do que expomos exige-se uma certa base em eletrônica.

Os transmissores de rádio controle podem ser do tipo de onda contínua pura ou então de onda modulada. No primeiro caso o transmissor consta de um circuito capaz de produzir um sinal de alta frequência (RF) o qual é diretamente aplicado a antena e irradiado.

No segundo caso o transmissor é composto de um circuito capaz de produzir o mesmo sinal de alta frequência e de um segundo circuito que aplica ao sinal de RF uma modulação a qual é responsável pelo transporte da informação (figura 1).

 

Figura 1- Tipos de controle simples
Figura 1- Tipos de controle simples

 

De qualquer maneira, em qualquer um dos dois tipos de transmissor temos sempre presentes os circuitos capazes de gerar os sinais de rádio para a emissão da informação ao modelo teledirigido.

A eficiência de um rádio controle depende em muito da potência do sinal emitido e, consequentemente da potência do circuito emissor o que nos leva a diversas possibilidades de projeto.

Para um transmissor de pequena potência basta um único circuito para gerar o sinal e aplicá-lo a antena. Com transistores comuns podemos ter potências na faixa de 5 à 50 mW com este procedimento. Para um transmissor em que se deseje maior potência o oscilador sozinho não pode gerar o sinal, devendo então ser utilizada adicionalmente uma etapa amplificadora de RF.

Com a escolha apropriada do transistor a ser usado nesta etapa pode ser obtida potência de mais de 5 W.

Finalmente existem os casos em que se desejam potências maiores com a utilização de transistores não muito potentes, sendo então ligados dois deles de forma a “repartir" o seu funcionamento, caso em que também podem ser obtidas potências da ordem de até 5 W (figura 2).

 

Figura 2 – Etapas de potência
Figura 2 – Etapas de potência

 

No estudo de um circuito oscilador de RF para um transmissor de rádio comando deve-se tomar o máximo cuidado com características importantes que são a estabilidade de frequência, a saída de potência, e quando o mesmo operar em conjunto com uma etapa amplificadora com o perfeito acoplamento de sinal de uma para outra etapa.

No projeto de etapas amplificadoras as preocupações são basicamente as mesmas, exceto pelo fato da frequência já ser determinada pela etapa anterior, mas ao mesmo tempo deve-se tomar cuidado para que os circuitos de entrada e saída sejam corretamente ajustados para transferir o sinal adequadamente de um ponto a outro do circuito.

Em nosso artigo faremos algumas considerações sobre o projeto dos osciladores de RF para transmissores e também sobre as etapas amplificadores de RF.

 

OSCILADORES DE RF

Os osciladores de rádio frequência utilizados nos circuitos de rádio controle são capazes de produzir sinais das frequências em que devem operar os transmissores, geralmente na faixa dos 27 MHz.

Para os casos em que os circuitos são simples e não se exige grande estabilidade de funcionamento os osciladores não possuem nenhum dispositivo especial descontrole de frequência. Nos casos em que a estabilidade de frequência é essencial, para manter a mesma estável são utilizados cristais de quartzo (figura 3).

 

Figura 3 – Cristais de quartzo
Figura 3 – Cristais de quartzo

 

Na montagem de um circuito oscilador de RF que utilize cristal de quartzo duas são as exigências principais:

a) Operação na frequência correta

b) Capacidade de arranque no momento da comutação

Para o primeiro caso é importante que os componentes sejam apropriadamente dimensionados e que seja feito um ajuste correto do circuito quando em Operação.

No segundo caso ocorre que se o funcionamento do oscilador for crítico ou se o mesmo não for apropriadamente ajustado, no momento em que ligarmos sua alimentação pode haver dificuldade para o cristal dar a partida, não oscilando, portanto.

Um recurso para se evitar que o circuito “afogue" quando na partida consiste em 56 sintonizar o circuito de saída do oscilador (a bobina de carga) não na frequência exata do cristal, mas ligeiramente fora, normalmente de modo que a tensão de RF obtida em seus terminais seja de aproximadamente 50% ou 60% do valor máximo.

É claro que nesse caso não se obtém o rendimento máximo do circuito, mas isso pode ser superado facilmente com a utilização de etapas adicionais de amplificação. (figura 4).

 

Figura 4 – Partida do oscilador
Figura 4 – Partida do oscilador

 

Os osciladores mesmo com cristal tendem a sofrer alterações de frequência com variações de temperatura se bem que estas sejam relativamente pequenas. Isso se deve à mudança das características dos componentes com as variações de temperatura. Para o caso prefere-se utilizar transistores de silício que são menos sensíveis a essas variações que os de germânio.

Em alguns casos, em lugar de se utilizar um cristal de quartzo para a frequência exata em que deve operar o transmissor utiliza-se um cristal cortado para metade da frequência. isso significa que em lugar de operar na sua frequência fundamental, o cristal oscilará no seu primeiro harmônico.

Com circuitos apropriadamente projetados os efeitos obtidos com esse tipo de procedimento são tão bons como se o circuito oscilasse em sua frequência fundamental. Assim, usando um cristal de 13,56 MHz podemos perfeitamente obter uma frequência de 27,12 MHz.

Na figura 5 temos um circuito oscilador de dois transistores com cristal para onda fundamental sugerido para casos em que se deseja o máximo de estabilidade na transmissão.

 

Figura 5 – Oscilador com dois transistores
Figura 5 – Oscilador com dois transistores

 

Trata-se de um oscilador do tipo Collpitts, devendo ser escolhidos os capacitores C3 e C4 de modo que suas reatâncias estejam de acordo com as características do transistor usado.

Os capacitores C1 e C2 permitem o ajuste do ponto ideal de funcionamento do oscilador. É importante observar que, com a utilização de dois transistores pode-se obter um isolamento do oscilador em relação à carga de modo que mesmo com as variações de características do circuito de carga o funcionamento do circuito oscilador se mantém estável.

O valor do resistor R5 determina basicamente a potência desta etapa, entretanto, seu valor deve ser mantido dentro de certos limites que são fixados pelas capacidades de operação dos transistores no que se refere à potência.

Este circuito fornece uma tensão de RF de 1,1 V em uma carga de 100 ohms quando alimentado por uma tensão de 12 V. Este valor de potência é suficiente para excitar uma etapa amplificadora final com uma saída de 100 à 200 mW de potência.

O circuito pode operar tanto na faixa dos 27 MHz quanto na faixa dos 36 ou 40 MHz.

Na figura 6 temos diversos circuitos osciladores com cristais para frequência fundamental.

 

Figura 6 – Circuitos osciladores
Figura 6 – Circuitos osciladores

 

O circuito A é do tipo com montagem em emissor comum ou à massa com realimentação Indutiva por meio de transformador de acoplamento.

O circuito B é do tipo com base comum com divisor de tensão capacitivo.

O circuito C é do tipo com montagem em base comum com divisor de tensão indutivo, e finalmente o circuito D é do tipo com montagem em base comum com realimentação capacitiva.

Na figura 7 temos um circuito oscilador para 27,12 MHz com excelentes possibilidades de aplicações práticas.

 

Figura 7 – oscilador para 27,12 MHz
Figura 7 – oscilador para 27,12 MHz

 

Trata-se de um circuito com divisor de tensão indutivo em que se eleva por meio de C1 a capacitância do suporte do quartzo.

Na figura 8 temos um circuito oscilador de RF para cristal de frequência fundamental.

 

Figura 8 – oscilador a cristal (fundamental)
Figura 8 – oscilador a cristal (fundamental)

 

O ponto de funcionamento deste circuito é fixado por meio de um resistor de ajuste R3 de modo a se obter uma corrente de emissor de 10 mA. Esta corrente pode ser facilmente controlada, medindo-se a tensão sobre R1 por meio de um multímetro.

Quando a tensão medida for de aproximadamente 0,5 V é porque a corrente desejada terá sido alcançada.

Para o circuito da figura 7 temos a bobina L1 que consta de 3 enrolamentos: de AB que é formado por um espira de fio esmaltado de 0,4 mm; BC que consta de 1 espira de fio esmaltado de mesma espessura, e CD que consta de 10 espiras de fio de 0,4. A bobina é enrolada num núcleo de ferrite de 6 mm de diâmetro.

Para o circuito da figura 8, a bobina AB consta de 12 espiras de fio esmaltado de 0,8 mm e a bobina CD consta de 2 espiras de fio esmaltado de 0,8 mm. O enrolamento é feito sobre um bastão de ferrite de 7

Na figura 9 temos um terceiro circuito oscilador, sendo este para uma frequência de 40,68 MHz.

 

Figura 9 – oscilador para 40,68 MHz
Figura 9 – oscilador para 40,68 MHz

 

A função de uma etapa de potência de RF de um transmissor de rádio controle é a partir do sinal gerado pelo oscilador, geralmente de pequena intensidade, obter um sinal de maior intensidade e mesma frequência que permita um maior alcance para o transmissor.

Na prática, nos sistemas de rádio controle as potências finais raramente superam os 1 ou 2 watts, se bem que a máxima intensidade de sinal permitida para esta faixa seja de 5 W.

Para a maioria dos casos, entretanto, potências entre 150 mW e 500 mW são mais do que suficiente para sistemas que operam dentro da linha de alcance visual.

Os transistores nas etapas finais de potência podem trabalhar em classes A, B, ou C, conforme 'indica a figura 10.

 

Figura 10 – Pontos de operação
Figura 10 – Pontos de operação

 

Essas classes indicam o ponto da curva característica em que os transistores operam, e em sua função é feita a polarização do transistor.

Na figura 11 e 12 temos as maneiras de se polarizar e acoplar um transistor nos dois tipos de etapa.

 

Figura 11 - Classe A ou B
Figura 11 - Classe A ou B

 

 

Figura 12 – Classe C
Figura 12 – Classe C

 

O primeiro circuito corresponde à classe A ou B, sendo os valores dos componentes que determinam qual é o tipo de operação. O segundo circuito é para classe C.

Na figura 13 temos um primeiro circuito prático para etapa de potência que utiliza transistores do tipo planar-epitaxial com os quais se obtém as máximas potências de saída.

 

Figura 13 – Circuito prático
Figura 13 – Circuito prático

 

Este circuito é projetado para operar numa frequência de 40,68 MHz mas seus componentes, especificamente as bobinas podem ser alteradas para operar na faixa dos 27 MHz. Para 40 MHz as bobinas têm as seguintes características:

L1 - 12 espiras de fio de 1 mm de espessura com tomada na oitava espira. Fôrma de 0,6 cm.,

L2 - 12 espiras de fio de 1 mm em forma de 0,6 cm.

O circuito da figura 14 permite a obtenção de uma potência de saída de 1,3 Watts quando excitado a partir de uma potência de 300 mW.

 

Figura 14 – Etapa de 1,3 W
Figura 14 – Etapa de 1,3 W

 

Neste circuito temos a maneira de se fazer a modulação por meio de um transformador cujos enrolamentos devem apresentar impedâncias de acordo com as características do circuito. O enrolamento do transformador ligado ao transmissor deve ter uma impedância da ordem de 500 ohms.

As bobinas têm características dadas por sua indutância. Os leitores habituados a este tipo de projeto devem estar aptos a calcular seu número de espiras e o diâmetro da forma usada.

Na figura 15 temos mais uma etapa de potência para transmissor de rádio controle, sendo esta calculada para a faixa de frequências em torno dos 27 MHz.

 

Figura 15 – Outra etapa de transmissão
Figura 15 – Outra etapa de transmissão

 

Trata-se de um circuito em classe B com filtro de saída em P1.

Para este transmissor L1 consta de 2 espiras de fio de 0,8 mm de diâmetro enroladas na mesma forma da bobina de saída do circuito oscilador. L2 consiste em 10 espiras de fio de 1,2 mm de espessura enrolada em forma de aproximadamente 1,2 cm.

Para a modulação deste circuito sugerimos o da figura 16 que consta de dois transistores na configuração seguidor de emissor.

 

Figura 16 – Etapa moduladora
Figura 16 – Etapa moduladora

 

 

Artigo publicado originalmente em 1978

 

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