Curso de Electrónica - Parte 13 Transmissores e amplificadores de RF

[José Flor - OzFlor]

Índice do curso aqui

Introdução à electrónica básica
Parte 13
Transmissores e amplificadores de RF[/b]

Chamamos de transmissor o dispositivo que produz e irradia as ondas eletromagnéticas de rádio. Esse dispositivo, fundamental, é simples podendo-se construir um transmissor, com o emprego de um só transistor. É claro que os transmissores utilizados nas grandes estações de rádio são complexos, mas a complexidade não se deve ao principio de funcionamento e, sim, à exigência de cada um dos estágios do transmissor, devido à grande potencia libertada, a estabilidade de frequência, à frequência de funcionamento, etc. Basicamente, o transmissor apresenta as seguintes etapas:
1.   amplificador de áudio;
2.   modulador
3.   oscilador de radiofrequência
4.   amplificador de radiofrequências
5.   fonte de alimentação

Essas etapas estão interligadas, como vemos na figura 1.

Figura 1

Ao amplificador de baixa frequência (áudio) acham-se ligados os transdutores de entrada, que podem ser um ou vários microfones, fonocaptadores, cabeças reprodutoras de fita, etc. O sinal proveniente do amplificador de áudio passa pela etapa denominada moduladora, onde ele é elevado em potência e transferido ao estágio amplificador de radiofrequência. Este último estágio recebe, também, a onda de radiofrequência produzida no oscilador. A onda de radiofrequência é amplificada pelo estágio de RF e sobreposta (modulada) ao sinal do modulador, e o resultado – onda de radiofrequência modulada – é levado à antena. Evidentemente, existem transmissores com maior ou menor número de estágios, tudo depende das necessidades individuais. Os transmissores para telegrafia (CW) não necessitam do estágio amplificador de áudio, e no caso de transmissão por portadora não há necessidade nem do modulador. Os transmissores para frequências elevadas, geralmente, possuem um ou mais estágios destinados a multiplicar a frequência fundamental, geralmente, gerada pelo oscilador até o valor de frequência desejado. Dos estágios acima enumerados, só não se tomou conhecimento do modulador e amplificador de radiofrequência. Deixaremos isso mais para a frente.
Trataremos do amplificador de RF que é um estágio comum em funcionamento, tanto ao transmissor como ao receptor. Se tratarmos do assunto transmissão, será apenas para enfatizar os problemas da recepção, uma vez que estes devem ser resolvidos de acordo com o sistema de transmissão. Trocando em miúdos, devemos entender como é feita a transmissão das ondas de rádio, para podermos conceber os circuitos de recepção.

[size=12]I – Modulação[/size]
Chama-se modulação ao processo mediante o qual uma das características de onda é modificada de acordo com as características de uma onda. A onda que tem sua característica modificada é chamada de portadora e a onda modificadora recebe o nome de modulante ou moduladora. Nas transmissões normais de radiodifusão, a onda portadora serve apenas como veiculo de transporte para a moduladora. Uma onda audível, como um grito, por exemplo, tem alcance muito pequeno, e que uma onda de radiofrequência, mesmo de pouca potencia, percorre centenas de quilômetros. Fazendo com que essa onda de RF transporte o grito, ele terá seu campo de atuação alargado. Isto é o que se verifica nas transmissões radiofônicas, onde a onda portadora de frequência elevada transportadora de frequência elevada transporta a onda moduladora, que pode ser o sinal de um microfone, fonocaptador, câmara de TV, etc. No receptor, a onda portadora é eliminada, ficando-se somente com a onda de informação (moduladora), que nos interessa.

II – Tipos de modulação
As três características de uma onda que podem ser modificadas são: amplitude, frequência e fase. De acordo com aquela que for modificada, ter-se-ão os processos de modulação denominados de: modulação de amplitude, modulação de frequência e modulação de fase. A modulação de amplitude é a mais utilizada. As emissoras que recebemos em nosso aparelho de rádio (OM., OC, etc.) são moduladas em amplitude (AM). Nas emissoras de televisão, a onda portadora de informação de imagem é modulada em amplitude e a onda portadora de som é modulada em frequência (FM).

Figura 2


Figura 3


Figura 4

a)   Modulação de amplitude
Tal sistema consiste em modificar a amplitude da onda portadora. É o tipo de modulação da onda portadora. É o tipo de modulação utilizado em todas as emissoras de radiodifusão comerciais, que recebemos em nosso receptor comum de rádio. Estamos chamando de receptor comum à classe de receptores não especiais, dentro da qual situamos os receptores não especiais,dentro da qual situamos os receptores para frequência modulada, banda lateral única, etc. Suponha que um oscilador gere uma onda de radiofrequência, como mostra a figura 2, onde se percebe que a amplitude é constante. Suponha agora, que um gerador de áudio produza uma onda retangular, como mostra na figura 3. se introduzirmos no oscilador de RF a onda retangular do gerador de BF, teremos na saída uma onda como a mostrada na figura 3, ou seja, a onda de RF modulada pela onda de BF. Percebe-se, pela figura 3, que os picos da onda modulada seguem a variação de amplitude da onda moduladora. Essa linha é chamada de envolvente de modulação. Na recepção do sinal, o que interessará é, somente, a envolvente da modulação.
 
b)   Faixas laterais e largura de faixa
Quando aplicamos uma onda modulada de uma única frequência, por exemplo de 1.000 Hz, a uma onda portadora, digamos de 1.000 KHz, o sinal de RF resultante estará formado por três frequências distintas, a saber:
1ª a frequência da onda não modulada (portadora), denominada de frequência central.
2ª uma frequência correspondente à diferença entre a frequência central e a de modulação, denominada frequência lateral inferior;
3ª  uma frequência correspondente à soma da frequência central com a de modulação, denominada frequência lateral superior.
No nosso exemplo, onde a frequência central é de 1.000 KHz e a da portadora é de 1.000 Hz, teríamos, além da frequência central de 1.000 KHz, a lateral inferior de 999 KHz e a lateral superior de 1.001 KHz.
Demos o exemplo com uma frequência de modulação de tom único de 1.000 Hz, para ficar mais fácil o entendimento da questão, entretanto, pode imaginar agora que a onda modulante é gerada pelo sinal de áudio de uma orquestra, que produz todos os tons audíveis, desde 16 a 16.000 Hz. Neste caso, não se têm mais duas frequências laterais singelas, como no exemplo anterior, e sim uma coleção de frequências correspondentes à soma e diferença da frequência central com a de cada tom produzido pela orquestra. Essa coleção de frequências define as faixas ou bandas laterais. No exemplo, a faixa lateral inferior abrange todas as frequências, desde 1.000 KHz - 16.000 Hz até 1.000 KHz - 16 Hz, ou seja, a faixa lateral inferior vai de 984 KHz a 999,984 KHz.
A faixa lateral superior vai de 1.000 KHz + 16 Hz a 1.000 KHz + 16.000 Hz, ou seja, de 1.000,016 KHz a 1016 KHz.
O intervalo de frequência, entre a frequência mais baixa da faixa lateral inferior e a mais alta da faixa lateral superior, é chamada de largura de faixa ou de banda ou, ainda, de canal. No nosso exemplo, a largura de faixa corresponde a 32.000 Hz. Uma emissora de rádio para transmitir todas as frequências do espetro de áudio, deverá ter largura de banda de, no mínimo, 40.000 Hz. Como a largura total da faixa de ondas médias é de 1.070 KHz (1.605 – 535 KHz), podemos concluir que, nela só caberiam cerca de 27 emissoras (1070 / 40KHz). Entretanto, comprovou-se que, para a inteligibilidade da palavra falada e da música, basta um intervalo de frequência de poucos Hz até cerca de 4.500 Hz; então, distribui-se a cada emissora um canal de 10 KHz, sendo que a modulação só pode atingir 9 KHz, ou seja, 4.5 KHz em cada faixa lateral. O ½ KHz restante em cada faixa lateral é para garantir a separação entre emissoras, isto é, para evitar que a modulação de uma interfira com as das imediatamente vizinhas. Com esta restrição de canal é possível colocar 107 emissoras na faixa de ondas médias, sem que haja interferência entre elas. Evidentemente, existem mais de 107 emissoras na faixa de ondas médias, portanto, mais de uma emissora trabalha na mesma frequência, isto é perfeitamente possível, desde que a potência entre elas seja grande e suas potências tais que não haja interferência mútua. Na faixa de ondas curtas (6 a 18 MHz) cabem 1.200 emissoras com canal de 10 KHz, como o aluno pode calcular facilmente.

[size=12]c) Porcentagem de modulação[/size]
na modulação de amplitude, como pode verificar na figura 4, a onda modulada faz variar a amplitude da portadora, aumentando-a ou reduzindo-a. A quantidade em que a portadora é reduzida ou aumentada costuma ser indicada por uma relação entre a amplitude da onda moduladora e da onda portadora. Essa relação é chamada de fator de modulação. Quando esse fator é indicado em porcentagem, dá-se-lhe o nome de porcentagem de modulação ou profundidade de modulação. Assim, se chamarmos de Am à amplitude da moduladora e Ap à da portadora, podemos escrever que a profundidade de modulação m é: m = Am / Ap x 100%. As amplitudes tanto podem ser indicadas em tensão, como em corrente. Exemplo: se a amplitude da onda modulada for 3 V e a da portadora de 10 V, a profundidade de modulação será: m = 3 / 10 x 100% = 30%.
Quando a profundidade de modulação é muito grande, há muita distorção do som detectado (recebido pelo rádio); por isso, ela deve ser mantida dentro de, aproximadamente, 30 a 70%. Nas emissoras comerciais, a profundidade de modulação é aproximadamente 30%. Para que tenha uma idéia do que acontece se a profundidade de modulação é muito grande, na figura 4, mostramos uma onda modulada com m = 30%, e a envolvente que seria detectada no receptor; na figura 5, apresentamos a mesma situação, se a profundidade de modulação fosse de 100%. Observe como se modifica a forma da envolvente. Quando m é maior que 100%, diz-se que há sobremodulação.

[size=12]d) Sistema de modulação[/size]
a onda portadora de um transmissor é gerada de um oscilador eletrônico, de qualquer dos tipos que já descrevemos. Para modular essa onda, injetamos no próprio oscilador ou, no estágio de saída do transmissor, que está ligado à antena, o sinal proveniente de uma fonte qualquer, como um microfone, fonocaptador, etc. Há várias maneiras de modular a onda portadora, dependendo da potência do transmissor, sendo mais utilizadas as seguintes:

[size=12]1ª Modulação direta[/size]
É o tipo mais simples: consiste em ligar, por exemplo, um microfone em série com o circuito de antena, como mostramos na figura 6, onde indicamos o oscilador por um bloco. Este sistema só se aplica a transmissores de reduzida potência, uma vez que a corrente de saída circula também pelo microfone. O microfone mais apropriado para tal fim é o de carvão. Sabemos que a resistência do microfone de carvão varia sobre a ação das ondas sonoras; consequentemente, a corrente de RF; na antena, varia na mesma cadência. Pode-se modular diretamente uma onda, ligando-se um microfone em paralelo com uma carga que esteja em série com a antena. Neste caso, a tensão gerada pelo microfone constitui a onda modulante, que se somará com a portadora. Essa variante é a que mostramos na figura 7.

Figura 6


Figura 7

[size=12]2ª modulação por absorção[/size]
Este processo permite modular potência superior ao processo da modulação direta, mas, mesmo assim, só pode ser usado em transmissões de pequena potência. Na figura 8, mostramos o esquema de um transmissor modulado em amplitude por absorção. O oscilador é do tipo Hartley. Acoplado com o circuito oscilante, temos o enrolamento  de antena e um secundário, no qual se liga o microfone ou amplificador de microfone. Como o aluno sabe, o microfone ou amplificador, se for o caso, comporta-se como uma resistência, e absorve parte da energia do circuito oscilante (daí o nome de modulação por absorção); pois toda resistência do secundário de um transformador se reflete no primário, e vice-versa. A pressão sonora sobre o microfone faz variar sua resistência e consequentemente, a do circuito de antena, no mesmo ritmo, produzindo a modulação.

Figura 8

[size=12]3ª modulação por base[/size]
É possível fazer-se com que a onda moduladora atue no circuito de base do transistor oscilador. Neste caso, a modulação é dita por base. A modulação por base permite modular grandes potências de saída. Na figura 9, mostramos um circuito típico de um oscilador modulado por base. O transistor T1 é uma etapa amplificadora de microfone (áudio). O acoplamento entre p transistor T1 e o oscilador, constituído pelo transistor T2 e circuito LC, em montagem Hartley, é feito através do transformador T. O resistor variável R tem por função variar a profundidade de modulação. O principio de funcionamento desta classe de modulação é também, bastante simples. De fato, analisando o esquema, percebemos que a tensão de áudio é aplicada à base do transistor oscilador. Aí, a onda portadora sofre modificações no mesmo ritmo da onda da modulação. A modulação é limitada pela amplificação do transistor, já que o sinal de modulação deve ter excursão na parte linear da curva de transferência, para que não haja excessiva deformação.


José António Flor de Sousa

[José Flor - OzFlor]

Figura 9

[size=12]4ª Modulação por emissor[/size]
Figura 10. Neste sistema de modulação, o secundário do transformador de saída TRF1 está em série com o retorno do emissor do transistor. Aí colocamos o modulador no emissor da etapa amplificadora de RF, através do transformador TRF2, mas ele poderia estar situado diretamente no emissor da osciladora. Este método de modulação é muito usado em transmissores de pequena potência. Na figura 11, apresentamos um circuito básico semelhante para modulação por emissor.

Figura 10


Figura 11

[size=12]5ª modulação por coletor[/size]
Figura 12. De todos os sistemas de modulação que se conhece, o mais difundido é o de modulação por coletor; por isso, ele é extensamente usado, tanto em pequenos transistores, como nos grandes. Seu principio consiste em juntar, à tensão continua de coletor do transistor oscilador, a tensão de áudio de modulação, o que se consegue intercalando o modulador entre a fonte de alimentação e o coletor do oscilador ou do transistor que se deseja modular.

Figura 12

[size=12]III – Modulação de frequência[/size]
A modulação de frequência consiste em variar a frequência de uma onda portadora, de acordo com as variações de um sinal modulador. As figuras 13, mostramos o que acontece na modulação de frequência. Como se pode aperceber, a amplitude da onda permanece constante. A grande vantagem da transmissão em frequência modulada é ser menos sensível aos ruídos, uma vez que eles se manifestam sempre como variações de amplitude. Devemos acrescentar,entretanto que a eficiência da modulação em frequência depende, quase que inteiramente, do receptor, pois caberá a ele limitar a amplitude a amplitude do sinal e, consequentemente, eliminar o ruído.

Figura 13

[size=12]a) Faixas laterais e índice de modulação[/size]
A transmissão em frequência modulada (FM) pode ser feita em qualquer frequência; entretanto, em nosso país foi reservada a faixa de 88 a 108 MHz (VHF) para as transmissões comerciais de FM. A cada emissora foi distribuído um canal de 200 KHz, no qual a modulação pode ocupar, no máximo, 150 KHz, isto é, 75 KHz em cada lado da frequência central. Deste modo, entre uma emissora e as duas adjacentes (a de frequência imediatamente superior) há uma separação de 50 KHz, o que evita interferência mútua.
A transmissão de FM na faixa de VHF é de reduzido alcance, pelos motivos que já explicamos, de modo que são empregadas apenas em transmissões locais e como links, isto é, ligação entre o estúdio e o transmissor.dada a grande largura de faixa do canal FM, as transmissões são feitas aproveitando-se todo o espetro de áudio, o que permite emissões de alta fidelidade monofônicas (um canal), e estereofônicas (dois canais). A modulação, como vimos, modifica a frequência da portadora, fazendo com que ela se desvie do valor central. A relação entre o desvio máximo de frequência e a frequência de áudio é chamada de índice de modulação. Assim, se chamarmos de mf ao índice de modulação, de ?f à frequência de áudio, resultará: mf = ?f / f. no caso das emissoras comerciais de FM, ?f = 75 KHz, como vimos, e o índice de modulação para a maior frequência de áudio considerada como 15 KHz será: mf = 75 KHz / 15 KHz = 5. É fácil de ver que, para os valores mínimos da frequência de áudio, o índice de modulação aumenta. Para o caso extremo de f = 15 Hz, o índice de modulação será: mf = 75.000 Hz / 15 Hz = 5.000. O índice de modulação varia, também, com a intensidade do sinal modulante. Quanto mais intenso o sinal, maior será o índice de modulação. Por outro lado, o sinal de áudio é mais intenso nas frequências baixas; logo, podemos afirmar que o índice de modulação varia inversamente com a frequência. Para evitar esse inconveniente, os moduladores de FM devem possuir circuitos que igualem os sinais, isto é, que aumentem os agudos e diminuam os graves. Esses circuitos são chamados de equalizadores.

[size=12]b) Modulador transistorizado de reatância[/size]
Um dispositivo simples e satisfatório para a modulação de FM, em transmissores de potencia reduzida, é o modulador transistorizado de reatância. O transistor de reatância tem a propriedade de modificar a impedância de saída, tornando-a indutiva ou capacitiva, de acordo com a tensão aplicada à sua base. Aplicando à base uma tensão variável como a de áudio, por exemplo, a reatância variará na mesma cadencia do transistor de reatância a um circuito oscilador, sua frequência se modificará, porque o transistor atua como um capacitor (ou indutor) variável. Haverá, portanto, modulação em frequência. Na figura 14, mostramos um esquema que ilustra o principio de funcionamento de um modulador em frequência transistorizado de reatância.

Figura 14

[size=12]IV – Modulação de fase[/size]
Neste método modifica-se a fase da corrente no circuito e, com isso, se modifica a frequência, de modo a ter, a modulação de fase, a mesma forma que a de frequência, sendo que a diferença entre esses dois tipos de modulação reside apenas na definição.

José António Flor de Sousa