segunda-feira, 20 de janeiro de 2020

Como projetar e construir seu próprio TX para radioamadorismo

Este artigo tem como objetivo a simplificação do dimensionamento elétrico de circuitos, assim como recordar as práticas de montagem, a ponto de qualquer  radioamador ter condições, em apenas algumas horas, de montar e ajustar o transmissor aqui descrito.

O memorial de cálculo, ou seja, as "contas" aqui apresentadas não se destinam a empresas ou àqueles que buscam os mínimos detalhes. Na verdade, isto é apenas um guia prático, que tem a finalidade de permitir que o amador ou técnico construa seu próprio TX. O artigo é destinado principalmente ao experimentador, fornecendo subsídios para o completo desenvolvimento e teste dos circuitos.


O oscilador


Embora a boa técnica recomende que os osciladores devam ser projetados para entregar de 100 a 200mW, quando se utiliza um cristal de quartzo como elemento de controle da frequência de oscilação, podemos projetar osciladores que nos entreguem entre 1 e 2 watts de saída.

O cristal de quartzo nos garante que a frequência gerada pouco se desvie do ponto desejado com as mudanças de capacitância, resistência e características do transístor, motivadas pelo aquecimento dos componentes (que por sua vez é devido à essa elevada potência de saída).

O estágio oscilador deverá trabalhar como amplificador, onde o coletor do transístor de oscilação entrega a energia de RF ao circuito de saída — quase sempre um circuito ressonante LC ou mesmo uma resistência. Parte dessa energia é desviada por um circuito divisor L ou C e retorna à entrada do amplificador, garantindo uma rápida partida e a manutenção da oscilação. O nível de energia desviada varia entre 10 e 30% da energia disponível no coletor do transístor.

Para um funcionamento adequado do oscilador, procura-se manter uma realimentação de compromisso, isto é, nem tão pequena que não garanta a oscilação, nem tão grande que sacrifique o rendimento do circuito. Como dado inicial de projeto, podemos calcular 20 ou 30% de energia desviada, para depois ajustá-la, assegurando maior eficiência e estabilidade, além da oscilação perfeita.

A escolha do transístor de oscilação


Para obtermos boa eficiência no estágio de RF, a frequência de transição (produto ganho/largura de banda) apresentada pelo transístor deverá ser de, no mínimo, 7 vezes a frequência em que o estágio irá trabalhar. Em nosso caso, que pretendemos trabalhar até 10MHz, a Ft deve ser de 70MHz, pelo menos (esse valor é dado entre as características técnicas do transístor, no manual do fabricante).

Caso resolvamos utilizar modulação do sinal por interrupção da portadora, a tensão do coletor desse transístor chegará a ser 2 vezes maior que a de alimentação (e a 3 vezes, se a modulação for SSB ou AM). A boa prática, porém, recomenda que se guarde a relação Vceo = 3 ou 4 vezes Vb, onde Vceo é a tensão emissor/coletor do componente e Vb, a tensão de alimentação daquele estágio. Como na maioria dos projetos a tensão da fonte gira em torno de 14V, o transístor a ser eleito deverá apresentar um Vceo superior a 42 e 56V, para CW e A3, respectivamente.

No caso de potências de saída inferiores a 0,5W, o transístor escolhido poderá apresentar uma Pt 2 ou 3 vezes maior que aquela absorvida pelo estágio, se não quisermos entrar no cálculo de dissipação de calor.

No caso de maiores potências, porém, e se desejarmos fazer com que o transístor renda mais (sem sugar o "sangue" do mesmo), procuraremos localizar um modelo com uma potência não inferior a 1,5 ou 2 vezes a potência de saída do estágio; o que significa uma grande margem de segurança para o trabalho de desenvolvimento do circuito, ocasião em que os cálculos e ajustes não são dos mais cuidadosos.

Essa elevada margem de segurança é justificada, também, pela melhor dissipação de calor, o que garante temperaturas inferiores a 140ºC para as junções do transístor.

Finalmente, a corrente de coletor especificada no manual deverá ser superior à de saída do estágio. Assim sendo a corrente máxima desenvolvida no coletor será:

Ic = 1,4 Pt/Vb

No caso de utilizarmos tensão de alimentação de 14V e 1 watt de potência útil de saída, nosso Ic deverá ser de 200mA, ou seja:

Ic = 1,4 x 2/14 = 0,2A

Resumindo, aqui temos a "ficha" do transístor selecionado:

Ft > 70MHz
Vceo > 42V
Pt > 3W
ICmax > 0,2A

Em vista desse resumo, selecionamos os transístores BD135, BD137 ou BD139 para trabalhar em nosso circuito. Foram também decisivos o seu baixo preço e a facilidade de encontrá-los na praça. Na tabela 1 podemos ver suas características, extraídas do manual de transístores da Ibrape.


Cálculos iniciais

Escolhido o transístor, que é o coração do estágio transmissor, vamos começar a calcular os parâmetros do circuito, passo a passo:

1. Determine a potência de saída desejada. No caso, Ps = 1W;

2. Assuma uma eficiência de 50 a 60% para esse estágio, ou seja, η = 0,6. Assim sendo, a potência consumida pelo estágio será de:

Pc = Ps/η = 1/0,6 = 1,66W

3. Dessa forma, a corrente exigida da bateria será de:

IB = 1,66/14 = 118mA

Portanto, a corrente de coletor também será de 118mA. Esse dado nos informa que a base deverá ser polarizada de maneira que o coletor vá drenar 118mA da bateria, mesmo sem estar oscilando.

4. A impedância de carga do coletor será de:

Zc = (Vb)2/2Ps = 142/2 = 98 ohms

Cálculo da polarização do transístor


Como vimos no passo anterior, é preciso polarizar o transístor, de forma que ele venha a drenar 118mA em seu coletor. Isto significa que, se supormos um ganho de corrente (hfe) de no mínimo 40, no modelo escolhido, a corrente de base será de:

Ib = Ic/Hfe = 118/40 ≅ 3mA


A primeira ideia que nos ocorre é a de colocar um resistor que permite à base drenar 3mA diretamente da alimentação (figura 1). Esse artifício poderá ser usado, desde que o transístor seja superdimensionado e não entre em avalanche térmica. O cálculo é o seguinte:

Rb = Vb/Ib = 14/0,003 =
4600 ohms ≅ 4,7 kΩ (no mínimo)

Para garantir uma melhor estabilidade, porém, é melhor utilizar o esquema da figura 2, cujos cálculos são os seguintes:

Re = Vbe/Ic = 0,6/0,5 = 1,1 ohm
R1 = Vbe /2xIb = 0,6/0,006 = 100 ohms
R2 = Vbb/3xIb = 14/0,009 ≅ 1500 ohms

Onde Ic é fornecida pelo manual do fabricante.


Como partimos da premissa do Hfe mínimo, para depois ajustarmos a polaridade do transístor adotado, colocamos no lugar de R2 dois resistores de valor igual ao valor total, sendo um deles fixo e outro, de ajuste, tipo trimpot (no caso, seriam 2 de 1500Ω). Podemos, dessa forma, compensar qualquer variação dos parâmetros do transístor.

O esquema da figura 2 apresenta uma configuração básica do circuito final. O choque CRF2 deverá apresentar uma reatância 45 vezes superior ao valor de R1 — ou seja, 4500Ω — calculado e construído segundo os dados abaixo:

XRF2 = 2π f.LRF2
LRF2 = XRF2/2πf
LRF2 = 4500/6,28.7.106 = 102µH

Baseado nesse valor prático, chegamos aos parâmetros de construção da bobina, com esta outra fórmula (veja a figura 3):


Onde n é o número de espiras da bobina, a é o raio da bobina, em centímetros, e b é a extensão do enrolamento, também em cm.


Nosso choque foi enrolado a mão, com 88 espiras de fio bitola 32, uma espira sobre a outra, numa tentativa de encastelar as camadas, como em um enrolamento tipo "honeycomb". Como fôrma, pode ser usado um pedaço de bambu e a última espira deve ser fixada com uma gota de cola epóxi.

Realimentação


Conforme já vimos, o nível de realimentação do estágio deverá ser, aproximadamente, de ¼ da energia entregue pelo circuito (figura 4). É assim que o capacitor CR deverá "dar fuga" a ¼ da saída, ou seja:

XCR = Zc/4 = 98/4 = 24,5 ohms

O valor da capacitância será:

CR = ½π f XCR = 928 pF

A reatância oferecida por RF1 deverá ser pelo menos, 10 vezes superior à de Zc.


Portanto, XRF1 = 10 x 98 = 980 ohms; para maior simplicidade prática, porém, adotamos o valor de 1250 ohms. Assim sua indutância deve ser de:

LRF1 = XRF1/2πf =
1250/6,28.7.106 ≅ 28µH

Neste caso, foram enroladas 45 espiras de fio 32 sobre um tubo de bambu de meia polegada de diâmetro. As espiras foram enroladas uma sobre a outra, no estilo "honeycomb"; tudo exatamente como no choque CRF2 (figura 3).

Poderíamos ter usado qualquer fio, mas optamos por cerca de 2 metros de fio 32 esmaltado por apresentar uma resistência total de 1,1 ohm, fazendo assim o papel de parte de Re, por vezes difícil de encontrar. Caso o fio disponível fosse mais grosso — ou seja, com menor resistividade — a solução seria aumentar seu comprimento e, consequentemente, sua indutância; isso, porém, não afetaria o desempenho do circuito.

O circuito de acoplamento



Uma vez determinado o valor da impedância do coletor, podemos calcular o circuito tanque, representado na figura 5. Assumindo, então, Rc = 98Ω, Rcarga = 50Ω, QL = 5 (fator de mérito do circuito) e uma relação de transformação de 1:3, vamos ter:

XL = n2Rc/QL = 9 . 98 / 5 = 176 ohms

portanto, L = XL/2πf = 176/6,28.7.106 = 4µH

Resta apenas calcular os valores dos capacitores C1 e C2, o que pode ser feito com as seguintes fórmulas:



Assim sendo, teremos XC1 = 193Ω e XC2 = 72Ω, o que nos fornece C1 = 117pF e C2 = 315pF.

A bobina L deverá ter 12 espiras de fio 24 ou 26, com um diâmetro de 25mm e ocupando 12mm de extensão. Dessa forma, empregando novamente a fórmula de construção dos indutores,


teremos praticamente os 4µH anteriormente calculados (lembre-se que, neste caso, as espiras deverão ficar uma ao lado da outra, bem juntas). A derivação para o coletor terá lugar na 4ª espira a partir de Vcc (12 / 3 = 4).


A função da lâmpada


A lâmpada Lp1 tem várias utilidades: fusível protetor do cristal, controladora do nível de realimentação e indicadora de corrente em excesso no cristal. Ela pode ser qualquer lâmpada piloto de 12V e 50mA.

Geralmente, os cristais encontrados na praça são os tipos HC 6/U, HC 17/U, HC 33, do tipo selado, que permitem uma potência máxima de 2mW. Já os cristais mais antigos, como os FT 243, e outros tipos desmontáveis, podem ser sobrecarregados com 10mW.

Como um cristal de 7 ou 10 MHz nos oferece uma resistência quando em ressonância de aproximadamente 20 ohms, uma corrente de 10mA estaria no limite dos primeiros e uma de 22mA, no dos segundos. Assim, com uma lâmpada colocada em série com o cristal, podemos estimar a corrente que passa pelo menos e fazer ajustes na realimentação, carga, etc., com relativa precisão (com uma corrente em torno de 10mA, o filamento da lâmpada mal começa a ficar rubro).

Além disso, a resistência da lâmpada varia com a corrente (pois seu filamento aquece, alterando sua resistividade), de modo a controlar a manutenção da oscilação. Porém, depois de tudo ajustado, Lp1 deve ser retirada do circuito, já que poderá vir a modificar a tonalidade RST do TX.

Lembre-se de parafusar o transístor ao chassi ou caixa onde estiver montado, a fim de melhor dissipar o calor desenvolvido. Caso não tenha uma superfície metálica à disposição, utilize então um dissipador de alumínio de 100 x 50 x 2 mm.

O circuito


A esta altura, só nos resta apresentar o circuito final, na figura 6, e efetuar os últimos cálculos, a fim de determinar os valores de Cb, Cm, C3 e C4. Como regra geral, a reatância de Cb deve ser inferior a 5 ohms, a de C3 e C4, inferior a 0,5 ohm, e a de Cm, inferior a 1/500 de XRF1; portanto,

Cb = 0,005µF, no mínimo
C3 = C4 = 0,44µF, no mínimo
Cm = 10nF ou 10kpF.

Operação e ajuste


Circuito pronto, resta efetuar alguns últimos retoques. Proceda da seguinte maneira:

1. Introduza uma resistência de carga de 50 ohms no terminal de antena; verifique, então, e ajuste a polarização de base, a fim de obter os 118mA no coletor do transístor, sem colocar o cristal, ainda;

2. Introduza agora o cristal e pressione o manipulador; procure obter o máximo de corrente ou tensão na resistência de carga, ajustando C1 e C2 e procurando um ponto onde C1 tenda sempre a um maior valor de capacidade;

3. A lâmpada Lp1 deverá estar apenas começando a brilhar. Se necessário, vá colocando capacitores de 200pF em paralelo a C4, até obter um bom rendimento e pronta oscilação do circuito, quando manipulado. Em seguida, curto-circuite Lp1 com uma ponte;

4. Troque a carga fictícia por uma antena e... bons QSOs!

Outras modalidades de circuito acoplador


Existem outros dois tipos de acoplamento entre coletor e antena: são os circuitos "T" e "π". O primeiro, bastante simples, está representado na figura A.




No caso, C2 deverá apresentar uma reatância 100 vezes menor que Rc, enquanto a de CRF deve ser 100 vezes maior; assim sendo, vamos ter (com Rc-98Ω) C2 = 0,022µF e LCRF = 220µH.

Quanto ao conjunto formado por L1, L2, C1, Rcarga e Rc, pode ser simplificado, dando origem ao circuito da figura A.

Adotando Q = 5, vemos  ter os seguintes cálculos:


Se optarmos pelo circuito "π" da figura B, os cálculos serão outros:


De acordo com seu valor, L1 poderia ter 11 espiras, montadas num diâmetro de meia polegada, ocupando 12mm de extensão (com fio 24 ou 26).

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