Primeramente, se realizaron los cálculos para el diseño del Filtro

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE COMUNICACIONES
PROYECTO Nº 1
MODULADOR AM ESTÁNDAR
Realizado por:
CAMELO, Carlos
DI YORIO, Carlos (Coordinador)
INFANTE, Johnny
YEPEZ, Leonardo
Caracas, 4 de febrero de 2005
INTRODUCCIÓN
El siguiente proyecto se basa en el diseño de un Modulador de AM estándar
(Modulador AM Doble Banda Lateral con Transmisión de portadora. DSBFC), con la
finalidad de comprobar algunas características básicas del circuito.
En dicho diagrama circuital, se observará algunas etapas con funciones muy
específicas, y condiciones básicas de funcionamiento. Entre ellas se tiene:

La señal modulante.

La señal portadora.

El transistor operando en clase C.

La fuente de poder de corriente directa.

El amplificador de acoplamiento inductivo y doble sintonía, o doble resonancia.
El uso de transmisores de estado sólido permite obtener potencias altas de salida, las
cuales estaban limitadas para los primeros transmisores de AM quienes usaban tubos de
vacío para los dispositivos activos.
Una de las etapas utilizadas para el diseño del Modulador de AM es el transformador de
doble sintonía, el cual tiene mucha importancia ya que se verá que sirve como filtro de la
señal de la salida.
MODULADOR AM ESTÁNDAR
 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
En la figura siguiente se muestra un diagrama esquemático para un Modulador de AM
DSBFC (Doble Banda Lateral con Transmisión de portadora (Double Side-Band Forward
Carrier)). En dicho esquema, la señal de modulación se aplica al colector, por lo que el
circuito recibe el nombre de modulador de colector.
Para lograr una eficiencia de potencia alta, los moduladores de AM operan en
clase
C. Esto es, se tiene un amplificador de clase C con dos entradas: una señal portadora (νC) y
una señal modulante (νm).
0
V6
R3
TX2
12.5
5
FREQ = 2k
VAMPL = 12.5
VOFF = 0
V5
0
0
R2
TX1
850k
C2
C1
8p
8p
0
R5
1k
Q1
Q2N5058
V2
VOFF = 0
VAMPL = .7
FREQ = 200k
0
Figura 1. Diagrama esquemático del Modulador de AM.
R1V
5.1Mega
El circuito dado opera de la siguiente forma:

Cuando la amplitud de la portadora cruza la barrera de los 0,7 V
aproximadamente, se enciende el transistor Q1 y permite el paso de corriente
por el colector. Si la amplitud de la portadora cae debajo de 0,7 V , Q1 se apaga
y cesa la corriente del colector.

El transistor Q1 cambia entre la saturación y el punto de corte controlado por la
señal de la portadora. Cada ciclo sucesivo de la portadora enciende a Q1 por un
instante y permite que la corriente corra por un corto tiempo, produciendo una
forma de onda negativa en el colector (Esta señal es semejante a la señal
rectificada de media onda repetitiva con una frecuencia fundamental fC).
Figura 2 . Forma de onda del colector sin señal modulante.

Cuando una señal modulante se aplica al colector en serie con el voltaje de la
fuente DC, se agrega y se resta de VCC . Cuando la máxima amplitud pico de la
señal modulante es igual a VCC , la forma de onda de voltaje resultante cambia
de un máximo valor de 2VCC a aproximadamente 0V [VCE sat].
Figura 3. Forma de onda del colector con señal modulante.

La forma de onda del colector contiene las dos frecuencias de entradas (fC y fm)
y sus frecuencias de suma y diferencia (fC ± fm). Debido a que, además
contiene la armónica de orden más alta y otras componentes, entonces debe
limitarse la banda a fC ± fm antes de ser transmitida. Esto se logra colocando
un circuito tanque en el colector de Q1.
Figura 4 . Forma de onda de salida del circuito tanque.

Debido a que el transistor está operando entre la saturación y el punto de corte, la
corriente del colector no depende del voltaje de excitación de la base. El voltaje a
través del circuito tanque se determina por la corriente del colector y la resistencia
del circuito tanque en resonancia, el cual depende del factor de calidad (Q) de la
bobina. Este voltaje de salida es una señal AM DSBFC simétrica con un voltaje
promedio de 0V , Vmáx pico positiva= 2 VCC y Vmáx pico negativa = - 2 VCC .

Cuando Q1 conduce, C1 se carga a VCC + Vm (un valor máximo de 2VCC y, cuando
Q1 está apagado, C1 se descarga por L1). Cuando L1 descarga, C1 se carga a un
valor mínimo de – 2 VCC.

La frecuencia resonante del circuito tanque es igual a la frecuencia de la portadora y
el ancho de banda se extiende desde fC – fm a fC + fm . Por lo tanto, la señal
modulante, las armónicas y todos los productos de orden superior se eliminan de la
forma de onda, dejando una onda AM DSBFC simétrica, para cuando la máxima
amplitud de la señal modulante es VCC.

Este circuito tanque es conectado al colector, con un transformador doble
sintonizado a la frecuencia de la portadora (200 KHz), y el mismo nos sirve como
filtro para que solo pase la señal ubicada en 200 KHz ,además de las bandas
pasantes, ubicadas en 198 KHz y 202 KHz.

Este amplificador de acoplamiento inductivo y doble sintonía se llama de primario
sintonizado y secundario sintonizado, porque los devanados del primario y del
secundario del transformador T1 son circuitos tanques sintonizados. Este
transformador tiene una curva de respuesta la cual depende del efecto del
acoplamiento (entre la resistencia reflejada y la del primario) , de la Q del circuito
tanque y del ancho de banda.
 CÁLCULOS REALIZADOS
Primeramente, se realizaron los cálculos para el diseño del Filtro con Transformador de
doble sintonía, tal como se muestra a continuación.
R2
TX1
V1
10Vac
0Vdc
1Mega
C2
C1
8p
0
R1V
5.1Mega
8p
0
Figura 5. Filtro Prueba de Transformador de Doble Sintonía.
Los Cálculos realizados se muestran a continuación (Ejecución realizada en Maple
9).
> restart;
> wo:=1/sqrt(L*C);
> Z2:=Rc/(1+j*w*Cs*Rl);
> Z1:=Ro/(1+j*w*Cp*Ro);
> eq1:=wo=2*Pi*200e3;
> eq2:=solve(eq1,C);
> plot(eq2,L=60e-3..100e-3);
Figura 6. Gráfica de C respecto a L..
Tomando L=80 mH, C tendrá el valor de:
> subs(L=80e-3,eq2);
Utilizando C=8pF y L del Transformador de 80mH, la nueva frecuencia de resonancia será:
> fr:=evalf((subs(C=8e-12,L=80e-3,wo))/(2*Pi));
Se define Q:
> Q:=wo1*L1/r;
> Q1:=subs(wo1=2*Pi*fr,L1=80e-3,r=R1,Q);
Q2:=subs(wo1=2*Pi*fr,L1=80e-3,r=R2,Q);
> kQ:=k*sqrt(Qa*Qb);
Por medio de ensayo y error, se fijó la resistencia de salida en 5.1M, y fijando kQ en un valor mayor 1, se
realizaron las siguientes pruebas hasta obtener un ancho de banda suficiente para dejar pasar la señal y
filtrar las otras componentes.
> k:=0.1; R2:=5.1e6;
R1=1e6
> kq1:=subs(Qa=Q1,Qb=Q2,kQ);
> evalf(subs(R1=10e6,kq1));
Lo que muestra que se obtendrán los 2 picos. Para este diseño (Diseño de Filtro de Doble Sintonía), se
colocaron los picos un poco separados para que se pudieran apreciar los mismos. En el diseño del filtro del
modulador AM, el kq será más cercano a 1, y por lo tanto será algo complicado diferenciar los picos de
doble sintonía.
A continuación (Figura 3) se muestra el resultado de la simulación del circuito de la
Figura 1, utilizando Orcad Capture Cis 9.1.
Figura 7. Simulación del Circuito de la Figura 1.
Posteriormente, se procedió al diseño del modulador AM con transistor en clase C y
con el Filtro con transformador de doble sintonía conectado, tal como se muestra en la
Figura 1.
Los Cálculos de los valores de los componentes para el modulador AM fueron
extremadamente sencillos y fácilmente deducibles. Primero, se seleccionó un valor para la
fuente DC tal que polarizara el circuito, y que su tensión no fuese excesivamente alta tal
que quemara los componentes eléctricos; este valor podía ser escogido alrededor de 10 V
(El valor seleccionado luego de simular diversas veces el circuito en Orcad 9.1 fue el de
12,5 V, ya que, generaba un valor de tensión de la señal a la salida, en este caso el tono de
prueba de 2 kHz trasladado a 198 kHz y 202 kHz, de aproximadamente 5 V).
Luego, como un requerimiento del proyecto es que el índice de modulación fuera lo
más cercano a 1, el valor de la amplitud de la Fuente de Voltaje llamada V5 tenía que ser
igual al de la fuente DC, esto porque en algún tiempo el valor de la tensión a la salida será
el de la fuente DC menos el valor máximo de la tensión a la salida del transformador TX2
(1:1, y que presenta en el primario la fuente en cuestión).
Se seleccionó un BJT de señal tal que presentara un valor de tensión colector-emisor
máxima mayor a unos 30 V (worst case o peor caso), y que tuviera un Vbe cercano a 0,7;
debido a esto, se seleccionó el 2N5058, ya que es uno de los muchos transistores de señal
que cumple con las especificaciones mencionadas anteriormente.
La Fuente V2 se seleccionó con una amplitud de 0,7 V, esto con la finalidad de que
el circuito estuviese polarizado en clase C (Solo se amplifique apenas una pequeña porción
de los picos de la señal generada por V2).
La resistencia R3 fue introducida en el circuito, debido a que el programa de
simulación utilizado (Orcad 9.1) necesitaba una resistencia entre la fuente V5 y el
transformador TX2 para poder funcionar; en otras palabras, la resistencia R3 es un
requerimiento del simulador, y se supuso muy pequeña para que no afectara el resultado del
circuito.
La resistencia R5 representa la resistencia interna del generador, el único requisito
de la misma es que no fuera muy elevada para que la caída de tensión sobre la resistencia
fuese prácticamente despreciable.
Por último, el filtro con transformador de doble sintonía presentaba los valores de
los componentes para sintonizarlo a 200 kHz, lo único que se varió fue la resistencia R2
disminuyéndola de 1 MΩ a 850 kΩ, esto se hizo con la finalidad de reducir la distancia
entre los 2 picos y acercarlos a 200 kHz. Cabe destacar que la resistencia R2 podía ser de
un Ohmiaje mucho menor para que la potencia entregada a la carga fuera mucho más alta
de lo que se obtuvo, pero como no existía ningún requisito sobre la potencia entregada a la
carga para el diseño del modulador, por facilidad se dejó la resistencia cercana a 1 MΩ para
no variar ningún otro parámetro del filtro con transformador de doble sintonía.
Al Simular el circuito de la Figura 4, se obtienen las siguientes Señales.
 SEÑAL EN LA RESISTENCIA DE CARGA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
Figura 8. Diagrama de Tensión en la Resistencia de Carga en función del Tiempo.
 SEÑAL EN LA RESISTENCIA DE CARGA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
Figura 9. Espectro de Amplitud de la Tensión en la Resistencia de Carga.
Realizando algunos Zoom cerca de 200 kHz para observar más detalladamente la señal.
Figura 10. Acercamiento con los lugares más importantes del Espectro de Amplitud de la Tensión en la Resistencia de Carga.
CONCLUSION
El diseño del modulador AM estándar (Modulador AM Doble Banda Lateral con
Transmisión de portadora. DSBFC) fue culminado exitosamente, debido a que todas y cada
una de las especificaciones exigidas fueron alcanzadas.
Cabe mencionar que dentro de este conjunto de especificaciones, hubo dos en
particular que tuvieron mayor trascendencia dentro del equipo de trabajo, estas fueron:

El uso del transistor bipolar BJT operando en modo clase C; ya que dentro de los
cursos de electrónica esté dispositivo es usado comúnmente en modo clase A y en
ocasiones, en modo clase AB.

El empleo del transformador de acoplamiento inductivo y de doble sintonía, él cual
tiene mucha importancia; ya que se pudo apreciar que esté sirvió para eliminar todas
aquellas componentes de frecuencia que no están dentro de la banda que se extiende
desde fc-fm hasta fc+fm (198Khz-202Khz) siendo fc y fm las frecuencias de la
portadora y de la modulante respectivamente.
En lo que respecta, a la eficiencia del modulador AM estándar visto como sistema, cabe
mencionar que no se hizo énfasis alguno en la misma, ya que no existía ningún requisito
sobre la potencia entregada a la carga del modulador.