Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” PRÁCTICA 1: TRANSMISOR DE FM. 0. Introducción En la presente práctica se introduce al alumno en la fabricación de un dispositivo electrónico como es un transmisor de FM. Inicialmente se explicarán los conceptos básicos del proceso de desarrollo de un dispositivo electrónico a la vez que se analiza el modo de funcionamiento de dicho transmisor. Posteriormente se abordarán los detalles del proceso de fabricación y montaje de un circuito. Para terminar se detallan los aspectos a testear una vez montado el dispositivo. Este documento servirá de guía en la fabricación por parte del alumno del transmisor de FM, estando recogidos la lista de elementos necesarios para el transmisor, el esquema circuital y el fotolito para la realización de la PCB. 1. Objetivos Los objetivos de esta práctica se indican a continuación: Conocimiento del proceso de desarrollo de un dispositivo electrónico Conocimiento del modo de funcionamiento de un transmisor de FM Proceso de fabricación de una PCB Proceso de montaje de componentes sobre PCB Testeo de las prestaciones del transmisor de FM 2. Material necesario Material para la fabricación del transmisor de FM Resistencias (todas las resistencias de ¼ W y 5% de tolerancia) R1=100 R2=R3=10k R4=R6=4.7k R5=220K Potenciómetros P1=22k Condensadores C1=3.3pF C2=C4=470pF C3=C5=4.7uF 25V electrolítico C6= condensador de capacidad variable entre 2 y 10pF C7=100nF Práctica 1, página 1/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Transistores TR1= 2N1711 TR2=BC547 Micrófono FOX2213 Inductor en la propia PCB PCB, placa fotosensible positiva de 1.6mm de grosor Los ácidos requeridos para la fabricación de la PCB se proporcionarán al alumno en la clase. Los equipos necesarios para el testeo del transmisor estarán a disposición del alumno en el laboratorio. 3. Proceso de desarrollo de un dispositivo electrónico El proceso de desarrollo de un dispositivo electrónico sigue el diagrama de flujo mostrado en la Figura 1. IDEA Transmitir voz a distancia Diseño del circuito con modelos de componentes. Empleo del simulador Fabricación del prototipo Testeo del prototipo ¿Funciona? Rediseño del circuito Nuevo prototipo Nuevo montaje No Si Diseño completado Práctica 1, página 2/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” 4. Modo de funcionamiento de un transmisor de FM En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un transmisor de FM. Oscilador 1 Oscilador 2 Antena Mezclador Micrófono Amplificador Modulador FM Amplificador El micrófono es el dispositivo encargado de transformar la potencia de la voz (ondas de presión) en una señal eléctrica. La voz humana tiene tonos entre 300Hz y 5KHz, y por tanto la señal eléctrica a la salida del micrófono ocupa un ancho de banda desde 300Hz a 5KHz. Existen principalmente dos tipos de micrófonos; los magnéticos y los de condensadores. Ambos funcionan de forma similar, a través de la presión de la voz se deforma una membrana que hace variar las propiedades eléctricas del componente en cuestión (la inductancia en el caso de un micrófono magnético y la capacidad en el caso de un micrófono condensador). La primera etapa de amplificación es la encargada de amplificar la señal para poder atacar las etapas siguientes. La señal proveniente del micrófono es una señal con poca potencia que necesita ser amplificada antes de entrar en el modulador. La señal a la salida de la etapa amplificadora ocupa el mismo rango frecuencial ya que en esta etapa no se produce translación frecuencial. La señal se desea transmitir con modulación FM, es decir, modulada en frecuencia. Para ello hace falta introducir la señal en una etapa de modulación junto con un tono proveniente del Oscilador 1. La señal proveniente de micrófono actúa como moduladora y la señal del Oscilador 1 será la portadora. El espectro frecuencial de la señal a la salida de la etapa de modulación se encuentra centrado a la frecuencia de la portadora (Oscilador 1) y ocupa en torno a esta frecuencia un ancho de aproximadamente 5KHz. La siguiente figura ilustra el espectro frecuencial de las señales a la salida del micrófono, a la salida de la primera etapa de amplificación y a la salida de la etapa de modulación. Práctica 1, página 3/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” 5KHz P 300Hz F_osc1 5KHz f El bloque posterior al modulador, el mezclador, tiene como objetivo elevar la frecuencia de la señal transmitida hasta un valor libre donde podamos transmitir. El espectro frecuencial está regulado por las Administraciones Públicas que conceden licencias de utilización. Así, de 88MHz hasta los 108MHz se reserva para las emisoras de radio con modulación FM, en torno a los 900MHz se encuentran los canales de telefonía móvil GSM, a 1575MHz el GPS, etc. El espectro frecuencial de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la siguiente figura se muestra de forma esquemática el espectro frecuencial a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y de la salida del Mezclador. P 5KHz F_osc1 5KHz F_osc2 F_osc2 + F_osc1 f A través de la frecuencia de la señal del Oscilador 2 se puede seleccionar en qué canal se desea transmitir dentro del rango entre 88MHz y 108MHz que se tiene reservado. El amplificador a la salida del mezclador permite dotar a la señal de potencia suficiente para cubrir el rango de alcance que se desea. Para aumentar el rango de alcance de un transmisor de FM habrá que conseguir aumentar la potencia con la que se emite, es decir, aumentar la ganancia del amplificador a la salida. La antena es el elemento que transforma las señales eléctricas que se encuentran contenidas en el interior del circuito en ondas electromagnéticos que viajan por el aire. Este dispositivo radia la información al exterior. Práctica 1, página 4/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” 5. Esquema circuital del transmisor de FM El esquema circuital del transmisor de FM que se va a desarrollar en esta práctica se ilustra en la siguiente figura. Antena Pto 3 R3 C6 C2 L1 R4 R6 Pto 4 C7 R5 C1 TR1 + C3 TR2 C5 + Micrófono C4 R2 R1 P1 Pto 5 Modulador, mezclador y amplificador de salida Amplificador de señal Micrófono y acondicionador de señal 6. Fabricación de la PCB La fabricación de PCBs se basa en la propiedad que poseen ciertas sustancias de endurecerse tras ser expuestas a la luz actínica. Se utilizan unas películas sensibles adheridas a la placa, distinguiéndose las fotosensibles positivas y negativas. En el transmisor de FM se utiliza una película fotosensible positiva, es decir, las zonas afectadas por la luz se reblandecen, por el contrario en las placas fotosensibles negativas se endurecen. Práctica 1, página 5/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Una vez diseñado el circuito que se va a fabricar, éste se fotocopiará a una transparencia (máscara), en la fotocopia las zonas en negro deben quedar totalmente opacas incluso si fuera necesario se repasarían las líneas del circuito con un rotulador. El fotolito que se ha de emplear para el transmisor de FM objeto de esta práctica está dado en la figura siguiente: Práctica 1, página 6/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Es necesario que el contacto entre la placa y la trasparencia sea perfecto. El siguiente paso es la insolación de la placa de tal manera que en las zonas no cubiertas por la máscara la película que recubre el cobre se reblandece. Existen distintos focos luminosos para realizar la insolación, como ejemplo mencionar las lámparas de vapor de mercurio, las lámparas de arco y los tubos fluorescentes actínicos que son los que se utilizarán en esta práctica. La insoladora debe estar situada en una habitación oscura para evitar que llegue la luz a la película que recubre el cobre y se vele. La exposición de la placa a la luz actínica será alrededor de 3 minutos. A continuación se procede al revelado de la placa, para lo cual se introduce en una cubeta con revelador de placa positiva (sosa caústica). La sosa caústica que se utilizará en esta práctica es sólida y viene en un bote de 500cc, este bote se rellenará con agua, de tal manera que se tendrá concentrado para 2500cc. Es decir, en la cubeta por cada parte de sosa caústica se utilizarán cinco partes de agua. La duración del revelado puede ser variable pero normalmente se sitúa en torno a los 5 minutos, aunque es necesaria una inspección visual del proceso puesto que el revelado acaba en el momento en el que el motivo a serigrafiar se presenta de forma clara y nítida. A continuación se procederá al ataque del cobre, éste se realizará en una cubeta en la que se vierte en cantidades proporcionales ácido clorhídrico (atacador rápido L) y perborato sódico (atacador rápido S). La duración del ataque del cobre es muy variable dependiendo del tamaño de la placa, no obstante suele estar entre 4 y 10 minutos. Práctica 1, página 7/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Es importante realizar una inspección visual de este proceso puesto que dependiendo del tiempo que actúe el atacador, éste puede comerse gran parte del circuito o por el contrario obtener unas pistas demasiado grandes. Una vez fabricada la PCB se deben realizar los agujeros en la misma para posibilitar el soldado de los distintos componentes. Antes de taladrar los agujeros en la PCB es conveniente utilizar un punzón para marcarle al taladro un camino a seguir puesto que es muy fácil que la broca resbale en la placa Práctica 1, página 8/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Una vez marcado el camino se procederá a taladrar los agujeros con una broca del tamaño elegido. Una vez completa la PCB se soldarán los distintos componentes a la placa. La siguiente figura muestra la forma en que se han de ensamblar los componentes en la placa fabricada. Merece la pena destacar que además de los componentes deben introducirse los dos puentes (mediante sendos cables) que conectan la bobina de antena (realizada en el circuito impreso) al condensador. Práctica 1, página 9/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” Práctica 1, página 10/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” 7. Montaje de la PCB En este apartado se explica el proceso que hay que seguir para montar correctamente los componentes en la PCB. Ante de realizar el montaje hay que: Taladrar la PCB tal y como se ha comentado anteriormente. Merece la pena destacar que el proceso de taladrado ha de ser lento para dar tiempo a la broca a eliminar el cobre de la PCB. Si se forzara apretando demasiado la broca contra la PCB podría llegar a partirse. Identificar la posición donde se deben colocar los componentes y en qué situación. La mayoría de los circuitos no son simétricos lo que supone que es importante conectar cada terminal del componente en el sitio correcto. El montaje de los componentes sobre la PCB se realiza por medio de un proceso de soldado. Como los componentes que se van a emplear son tipo THD (Through Hole Device) se introducirán sus patillas en los agujeros correspondientes y se asegurarán estas conexiones por medio de estaño. La siguiente figura muestra de modo esquemático la forma en que el componente queda fijado a la PCB. Componente THD Gota de estaño Aislante de la PCB Pista de cobre Terminales del componente Para conseguir adherir el estaño al componente es necesario seguir los pasos a continuación indicados: Calentar un soldador de estaño hasta que alcance los 200ºC. Derretir un poco de hilo de estaño sobre la punta del soldador (5mm aproximadamente) de forma que quede como un gota líquida sobre la punta del soldador Colocar la gota del soldador sobre el componente introducido en los agujeros correspondientes. Práctica 1, página 11/12 Laboratorio de Componentes Electrónicos: Práctica 1 “Transmisor de FM” 8. Testeo del circuito Principalmente se pueden testear 3 aspectos del transmisor de FM: el consumo de corriente, la señal moduladora y el espectro frecuencial de la señal radiada por la antena. a) Testeo del consumo de potencia. Para ello se alimentará el circuito a una tensión continua de 12V y se medirá el consumo total y los niveles de tensión en los puntos Base_TR2, Colector_TR2, Base_TR1 y Emisor_TR1. Para esto emplearemos un polímetro actuando como amperímetro y otro actuando como voltímetro. b) Testeo de la señal moduladora. Para ello se alimentará el circuito a una tensión continua de 12 V y se conectará una sonda de un osciloscopio al punto Colector_TR2. En la gráfica del osciloscopio se podrá apreciar la señal eléctrica que modulará en frecuencia a la portadora dada por el oscilador. La señal eléctrica moduladora es la señal resultante de transformar las ondas de presión de la voz en el micrófono. c) Testeo del espectro frecuencial de la señal radiada por la antena. Para medir esta característica del transmisor de FM que se desea construir es necesario alimentar el transmisor con 12 V de tensión continua y conectar a un Analizador de Espectros una antena en su entrada. Seleccionando correctamente la Frecuencia Central de Analizador de Espectros, su “Span” y su “Amplitude” seremos capaces de medir a qué frecuencias estamos radiando. Práctica 1, página 12/12