Desenvolvimento de Receptor Super Regenerativo

Neste trabalho, os autores fazem uma revisão sobre a literatura disponível a respeito dos receptores de rádio chamados de “super regenerativos” que, devido a simplicidade de seus circuitos eletrônicos e sua sensibilidade, são largamente empregados mesmo nos dias de hoje como receptores de sistemas de rádio-controle, como por exemplo em abertura de portas de garagem, automação residencial, brinquedos rádio-controlados e alarmes de automóveis.

Dois circuitos detetores super regenerativos foram montados em laboratório e seu desempenho foi avaliado, resultando numa análise pouco comum na literatura.

O primeiro circuito foi sintonizado na frequência de 27 MHz (Faixa do Cidadão – PX) e o segundo em 118 a 136 MHz (VHF de aviação comercial).

Ambos se mostraram muito sensíveis e adequados a finalidade a que se destinam, embora poucos seletivos, conforme prevê a teoria.

Esse artigo descreve detalhes de construção dos dois modelos de receptores, bem como faz um análise de suas características elétricas, servindo de base para outros pesquisadores que desejarem estudar esses interessantes e úteis circuitos, que continuam atuais, apesar de existirem há quase 100 anos.

INTRODUÇÃO:

Um receptor de rádio-comunicações tem por função captar o sinal de RF (rádio-frequência) existente no espaço livre, que é em geral de muito pequena intensidade, frequentemente da ordem de microvolts por unidade de área.

Precisa também eliminar sinais indesejáveis (filtragem) e detectar a informação existente nesse sinal, o que chamamos demodulação.

Os primeiros receptores não tinham estágios de amplificação: o sinal de rádiofrequência (portadora) era captado pela antena e aplicado a um circuito ressonante (responsável pela sintonia da frequência) com um detetor de picos e fones de ouvido de altíssima impedância.

O tipo de modulação era invariavelmente o AM (Amplitude Modulada)(ref-2). Frequência Modulada apareceria somente anos depois.

Um circuito muito popular no começo do século XX e final do século XIX era o “rádio a galena”, fig-1, o qual não possuía nenhuma amplificação :

Figura 1

Nos rádios a galena, ao invés de usar um diodo (D1 no esquema acima) utilizava-se um cristal de galena (minério do qual se extrai o chumbo) para separar o sinal de áudio do sinal de RF. Como não existem circuitos amplificadores, o sinal que aparece nos fones de ouvido é muito fraco e exige o emprego de antenas enormes e fones de ouvido de altíssima impedância.

Tal fone de ouvido deveria ser preferencialmente piezoelétrico. Fones magnéticos somente os de altíssima impedância (acima 50 K? ) podiam funcionar.

Em 1912, com o advento das válvulas triodo termoiônicas por Lee De Forest (também chamadas de “Audion”) , Edwin Howard Armstrong desenvolveu o primeiro receptor com estágio de amplificação do sinal de RF presente na antena, patenteando o receptor regenerativo em 1914.

Em 1922, o mesmo Armstrong patenteou o receptor super regenerativo, sendo um aperfeiçoamento do primeiro.

Armstrong inventou ainda o receptor super-heteródino, que seria o sistema receptor mais utilizado no mundo até os dias de hoje.

Ele concluiu que parte da corrente de saída da placa da válvula podia ser alimentada de volta e sintonizada na sua grade , desta maneira reforçando sobremaneira a intensidade dos sinais captados. Isso se constitui em um circuito oscilador de RF, que é a base do detetor super regenerativo.

Lee De Forest manteve uma batalha jurídica contra Armstrong sobre a invenção do regenerativo, até que, em 1934, a Suprema Corte dos Estados Unidos deu ganho de causa a Forest, contrariando toda a comunidade científica. Armstrong suicidou-se em 1954 (ref-2).

Os regenerativos se constituíram num grande avanço na topologia de circuitos de receptores de rádio, geralmente operando na sintonia de freqüências baixas, inferiores a 10 MHz (ref-3).

Fig-1 -Rádio receptor regenerativo, de origem alemã feito pela companhia NORA, em 1923. -ref. (3)

A figura–2 abaixo ilustra um típico receptor super-regenerativo composto por uma única válvula, como os circuitos patenteados do Armstrong (ref. 4)

Fig. 2 -Diagrama elétrico de um receptor Super regenerativo a válvula

Importância Atual:

Modernamente, os receptores super regenerativos voltaram a ter importância sobretudo em sistemas de rádio-controle de curto alcance como por exemplo: sistemas de controle remoto de abertura de portas de garagens, brinquedos rádio-controlados, robôs e walkie-talkies simples, sobretudo devido a simplicidade de seus circuitos, sensibilidade e pelo fato de possuírem uma ampla banda passante, o que torna sua sintonia muito versátil.

Um exemplo de módulo receptor super regenerativo fabricado pela RLP na Argentina, próprio para ser usado em conjunto com microcontroladores é mostrado na figura abaixo:

Fig. 3 -Módulo receptor RLP-434 A, sintoniza em 433 MHz

Esse tipo de módulo é vendido no comércio já pronto e costuma ser sintonizado na faixa de 433 MHz, sendo bastante utilizado em receptores de controle remoto de alarmes de automóveis. Na foto acima, é possível ver com clareza o trimmer, cujo parafuso permite ajustar a frequência central Fo sintonizada (ref-14).

Ainda a título de exemplo, mostra-se outro diagrama de um receptor super regenerativo usando transistores de efeito de campo, sugerido por Alan Yates, capaz de demodular sinais em FM (ref– 5).

Este exemplo não foi testado pelos autores, é apenas ilustrativo.

Exemplo ilustrativo

Conceitos:

A qualidade de um receptor é determinada por sua Sensibilidade e Seletividade.

Sensibilidade é a capacidade que o receptor tem de captar sinais fracos e estações distantes.

Seletividade é a capacidade de separar estações com frequências muito próximas, sem misturá-las.

Considerando-se um circuito tanque sintonizado composto por um indutor de indutância L (dada em henries) e um capacitor de capacitância C (dada em farads) :

A frequência de ressonância fo é dada em hertz, em função da pulsação angular Wo medida em rad/s por:

Denomina-se Banda Passante de um sinal o intervalo de freqüências que compõem o sinal. A Largura de Banda desse sinal é o tamanho de sua banda passante.

Definição de Largura de Banda:

É a largura, medida em hertz, da faixa de frequência para a qual a Transformada de Fourier do sinal é diferente de zero.

Outra definição, menos formal, é a que leva em conta a atenuação dos sinaisnos extremos da Faixa.

A largura de banda de um filtro passa-faixa é a parte da resposta em frequência do filtro que está situada na faixa de 3dB da resposta na frequência central (valor de pico).

Ou seja, ela é a diferença entre f2 e f1 em um filtro passa-faixa.

Fc é a frequência central da banda passante, ou seja, é a frequência de ressonância do circuito LC.

B = f2 - f1

Sua Largura de Banda em radianos/segundo será:

Largura de Banda em Hertz:

O Fator Q (Fator de Mérito):

Para um único circuito LC paralelo sem realimentação regenerativa, a Largura de Banda (B) é igual a Frequência (F) sintonizada dividida pelo fator de mérito ( Q ) do circuito:

B= F/Q

B: Largura de Banda

Q: Fator de Mérito ou Fator de Qualidade do circuito tanque;

Ainda :

Q= Z/R

Onde Z é a impedância Reativa do circuito tanque LC e R representa as perdas por resistência que se traduzem em energia degradada (térmica), responsável pelo amortecimento das oscilações sobre o circuito LC.

A tensão elétrica do sinal no circuito tanque é a tensão de RF presente na antena multiplicado pelo valor de Q.

Um receptor super-regenerativo possui realimentação positiva sobre o circuito tanque LC sintonizado. A Realimentação Positiva pode compensar as perdas de Energia causadas pela resistência R , então tal realimentação pode ser expressa como sendo um “Resistência Negativa” (Rneg); Considerando-se agora a Realimentação, o novo fator de de Qualidade será:

Qreg = Z / (R - Rneg)

Onde:

Qreg : fator de Qualidade com realimentação

Rneg : :resistência negativa

A Taxa de Regeneração é M tal que:

M=Qreg/Q = R/(R-Rneg)

A estabilidade da amplificação depende do coeficiente M, que por sua vez depende do coeficiente de Realimentação do circuito: se R – Rneg < Rneg, teremos instabilidade que se traduz por um apito contínuo na saída de áudio.

Esse problema pode ser resolvido através de algum controle de ganho introduzido no amplificador (melhor seria se fosse um Controle Automático de Ganho – CAG – como os implementados nos usuais receptores superheteródinos) – (ref-9). Em nosso sistema experimental tal ajuste é feito através

de um trim-pot e uma pequena compensação térmica é obtida com o uso da junção PN de um diodo de silício. Variando-se a corrente de base do transistor Q1, varia-se também o valor de M, pois atua-se sobre o ganho do amplificador e consequentemente sobre Rneg.

Um receptor super regenerativo é na verdade um oscilador que opera na mesma frequência que se deseja receber. A teoria sobre osciladores de rádio frequencia é extensa e não será discutida nesse trabalho. Para isso, recomenda-se a leitura das referências 10 e 13

Testes Práticos

Neste artigo, são sugeridos dois circuitos práticos, ambos testados pelos autores em laboratório.

Primeiro Circuito

Este foi publicado originalmente pela Revista Nova Eletrônica, N. 47, de Janeiro de 1981 (ref-8). O artigo original descrevia um simples “walkie-talkie” (transceptor sem fios) para comunicação entre dois pontos situados a pequena distância e operava na frequência central de 27 MHz. O circuito do receptor de rádio é mostrado abaixo, sem o amplificador de áudio. Tecnicamente, é um oscilador do tipo Hartley, cujo sinal de áudio é retirado da derivação central da bobina L1 (ref-10). O acoplamento da antena é feito através de um pequeno transformador de RF, sendo a antena ligada ao enrolamento primário deste.

A bobina L1 é na realidade um transformador de RF com núcleo de ferrite, cujo enrolamento secundário é sintonizado na frequência de 27 MHz e possui uma tomada central (“center-tap”). Tal enrolamento secundário foi montado de modo a possibilitar uma indutância igual a 2,2 uH para que em paralelo com o capacitor de 15 pF ressone na frequência desejada.

Essa indutância pode ser alterada mudando-se a posição do núcleo de ferrite da bobina.

Foi construída com 12 espiras de fio esmaltado 32AWG em forma de plástico com o núcleo de ferrite montado internamente, e tomada na 6a espira, exatamente no meio.

O primário desta mesma bobina foi feito enrolando-se 3 espiras sobre o mesmo núcleo.

Este primeiro circuito não possui ajuste de regeneração. O ganho do transístor foi fixado pelos resistores de polarização ( R1, R2 e R3) e também pelos capacitores C1 e C2.

Os valores experimentados são os mesmos sugeridos no artigo original (ref.-8).

Outros valores, entretanto, foram experimentados em laboratório, mas os valores ótimos são de fato os mostrados no esquema, pois possibilitam o funcionamento mais estável.

Tal receptor é capaz de sintonizar diversas estações de Faixa do Cidadão (PX), possuindo uma largura de Banda da ordem de 200 KHz.

Muitas vezes as estações PX ficam misturadas devido a seletividade insuficiente para separar estações adjacentes.

Como receptor de sistemas de rádio-controle, entretanto, acreditamos que a sensibilidade apresentada seja suficiente, pois o circuito mostra ser capaz de receber sinais da amplitude igual a 25 uV presentes na sua antena.

Tensão de Alimentação................................... 9 V Nominal

Frequencia.................... ............................... 27 MHz

Corrente drenada......................................... 1,5 mA (sem amplificador de áudio)

Sensibilidade...................... ........................... 25 microV para 100 mV na saída de áudio

Minima tensão de operação ..............................6 V (mudar os resistores de polarização)

Largura de Banda............................................200 KHz

Segundo Circuito

Trata-se de um oscilador Clapp modificado (ver referência 10).

Foi desenvolvido pelos autores a partir de diversos receptores comerciais de controle remoto de portões de garagem, e foi ajustado para receber portadoras na frequência de aviação comercial, 118 a 136 MHz. Seu esquema elétrico é mostrado na Figura-4 :

As características elétricas medidas nesse protótipo foram as seguintes:

Tensão de Alimentação......................................... 9.6 V Nominal

Frequencia.................... ...................................... 118 a 136 MHz

Corrente drenada............................ 5 mA Nominal; 6,5 mA máxima (sem amplificador)

Sensibilidade...................... ..............................30 microV para 100 mV na saída de áudio

Minima tensão de operação ..............................6 Volts

Largura de Banda............................................ 1 MHz

Nos testes de bancada, o circuito mostrou-se muito sensível para captar transmissões de rádios VHF de aviação comercial (consegue-se captar transmissões de aviões da TAM e da Gol na cidade de Bragança Paulista e também comunicações oriundas de aeronaves que se aproximam do Aeroporto de Viracopos em Campinas -SP).

Para isso basta calibrar o trimmer de 1-10 pF para frequencia de 127 MHz, que é típica das transmissões de aeronaves comerciais.

Calibra-se o protótipo usando um gerador de RF em 127 MHz.

O trim-pot TP1 deve ser ajustado para máxima sensibilidade sem apitos (auto-oscilação na faixa audível).

A melhor maneira de ajustar este trim-pot é a seguinte: quando sintoniza-se alguma comunicação de avião, ajustar para melhor qualidade de recepção.

O transistor Q1 deverá ser obrigatoriamente um BF 199 ou PE210-d da Philco, mas este segundo não mais é fabricado. Foram feitas experiências com um transístor BF494 em substituição ao BF199, mas a sensibilidade foi muito inferior (o ganho do BF494 é bem menor do que do BF199) exigindo-se talvez mudanças nos resistores de polarização de base. Os capacitores devem ser todos cerâmicos tipo disco exceto C4 que é do tipo eletrolítico.

A bobina L1 forma, juntamente com o capacitor ajustável (“trimmer”) C7 o circuito tanque sintonizável LC paralelo descrito anteriormente e é responsável pela frequência central da banda passante sintonizada.

As bobinas L1 e L2 são enroladas formando um pequeno “transformador de RF”.

L1 é feita com 3 espiras de fio 17 AWG em forma plástica de 10 mm de diâmetro (sem núcleo de ferrite, usou-se núcleo de ar).

L2 é enrolada sobre este mesmo tubo plástico de diâmetro 10 mm, porem L1 é feita com apenas 2 espiras do mesmo fio.

A indutância de L1 ficou em torno de 0,5 uH e de L2 em torno de 0,1 uH quando medidas com medidor de indutâncias apropriado.

A bobina L2 é responsável pelo acoplamento com a antena.

Tal antena não deve ser maior do que um fio rígido de cerca de 50 cm de comprimento.

Antenas maiores (mais longas) podem gerar maior instabilidade de funcionamento no receptor, devido ao desacoplamento de impedâncias no circuito tanque sintonizado.

Um problema inerente aos receptores super-regenerativos é a emissão de radiação de RF pelo próprio receptor (EMI – Eletromagnetic Interference).

De fato, o próprio circuito do receptor oscila na frequência recebida e irradia através de sua antena esse sinal, o qual pode eventualmente causar EMI nos equipamentos eletrônicos próximos, o que limita o uso desse tipo de receptor.

Usou-se uma pequena placa de fibra de vidro para montar o circuito.

Não aconselha-se placa de fenolite, porque a frequência é alta (136 MHz) e a fibra de vidro é o material ideal pois possui alta rigidez dielétrica em altas frequências (VHF e UHF).

XRF1 é um “reator de RF “ de indutância 22 uH (no protótipo foi utilizado da marca SONTAG: www.sontag.com.br ).

Caso tal indutor não seja encontrado no comércio, uma bobina com cerca 20 espiras de fio 32 AWG enrolada sobre um pequeno núcleo de ferrite deverá funcionar da mesma maneira, proporcionando uma indutância dessa ordem.

Conforme já foi dito, tal valor de indutância poderá variar sem que haja mudanças no desempenho do receptor, uma vez que a função de XRF1 é propiciar uma elevada impedância para o sinal de RF e uma baixa impedância para as frequências de áudio.

Para este receptor funcionar, é necessário ainda um pequeno amplificador de áudio (a entrada deste amplificador deverá estar acoplada na “Saída de áudio” do detetor superregenerativo).

No protótipo foi construído um pequeno amplificador com 4 transistores: dois BC548, um BC337 e um BC327. Este amplificador é clássico e não se apresenta o esquema elétrico nesse trabalho por se tratar de um circuito muito comum.

Naquela época (1996) era dificil se conseguir circuitos integrados como o Lm³86 da National em locais afastados dos grandes centros urbanos.

Hoje em dia, entretanto, aconselha-se fortemente que se construa um pequeno amplificador de áudio com Lm³86 para amplificar o sinal de saida deste detetor super regenerativo.

O Lm³86 é um circuito integrado barato e extremamente eficiente para esta função, podendo ser alimentado com bateria de 9Volts ou mesmo com 6 Volts oriundos de quatro pilhas associadas em série.

O datasheet do amplificador com Lm³86 é citado na referência-1.

O potenciômetro de 10K é o controle de volume do receptor.

Um pequeno alto-falante de 8 ? pode ser acionado com facilidade com este amplificador, possibilitando assim um teste “auditivo” do funcionamento do receptor.

Figura 5 – Diagrama Elétrico do amplificador de áudio sugerido

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) National co, datasheet do Amplificador Lm³86, http://www.national.com/pf/LM/Lm³86.html

2) Falcão, página na internet, http://falcao.ist.utl.pt/set2004/pdf/teoricas_cap0.pdf

3) Fazano, página na internet, http://fazano.pro.br/port09.html

4) Wikipedia, enciclopédia on line, http://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative_circuit

5) Kitchen , Charles ARRL Handbook, N1TEV, http://www.vk2zay.net/article/1

6) Philips components, datasheet do transístor BF199 www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/BF199_CNV_2.pdf

7) Revista Nova Eletrônica , Um walkie-talkie sem fios, , n. 47, Janeiro de 1981

8) A.Serra,"Receptor Super-Regenerativo para 27 MHz", página 41, maio/junho de 1979, Revista Eletrônica Popular;

9) Cavalcanti, Josir. “O Receptor, esse desconhecido II”, pagina 22, Revista Eléctron N. 6.

10) Burian Jr Yaro, Osciladores Eletrônicos, Editora Almeida Neves, Rio de Janeiro,. 1972.

11) Burian Jr Yaro, Circuitos elétricos, magnéticos e teoria eletromagnética, 1963.

12) Boylestad Robert , Nashelsky Louis , Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, Ed. Prentice Hall, 8 ed. , 2006.

13) Sobrinho, José Pinto F. , Carvalho, José Antonio D. Osciladores, Ed. Érica, 1 ed., 1992.

14) Comunicación inalámbrica, site na rede: http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php/