Modulador con Diodo Varactor

República Bolivariana de Venezuela
Ministerio de la Defensa
UNEFA - 8Tel02D
Comunicaciones I
Modulador con Diodo Varactor
Introducción
El presente se realiza como un esfuerzo monográfico que intenta
resumir y condensar las características, propiedades, bondades y
lógica de funcionamiento de uno de los procesos más sencillos de
modulación que existen en el vasto campo de las
telecomunicaciones. Nos referimos a uno de los tipos de
modulación directa más sencilla: La modulación FM con diodo
Varactor.
Como sabemos, el proceso de modular una señal consiste en
modificar una onda portadora, cuyas propiedades se adapten
mejor al medio de transmisión, para representar el mensaje. En el
caso de FM, se varía la frecuencia instantánea de la onda de
acuerdo con la forma de onda de la señal mensaje, manteniendo
constante la amplitud de la portadora. Esta modulación produce
una mejoría en la salida sin necesidad de incrementar la potencia
de transmisión. Es por esta razón que la modulación FM es de
tanta popularidad, porque ofrece las mejores bondades de
generación, entre muchos otros méritos.
La modulación FM directa, por su parte consiste en la generación
de una onda (puede ser con un oscilador de cristal, u otro medio)
cuya frecuencia pueda ser variada en relación al mensaje en
forma de un VCO, u oscilador controlado por tensión. Es en este
punto donde entra el Diodo Varactor o Varicap, un dispositivo muy
particular que fue construido especialmente para los fines de la
modulación en frecuencia, que permite realizar esta labor de
forma sencilla. Es objetivo del presente consiste en explicar la
lógica de funcionamiento de esta variación de la frecuencia
usando el mencionado diodo varactor.
El Diodo Varactor.
El diodo varactor, o Varicap es un componente electrónico muy
especial, pues es dos cosas a la vez. Es, en esencia un diodo,
con sus junturas de material tipo N y tipo P. Pero es también un
capacitor de voltaje variable, pues se diseñan para que exista
cierta cantidad de capacitancia entre junturas. De ahí su nombre
Varactor (Voltage Variable Capacitor).
La capacitancia de un varactor es determinada por el área de los
platos de capacitancia y la distancia entre los mismos, como en
cualquier condensador normal. La región de descarga en un diodo
varactor es el dieléctrico, y está ubicado entre los elementos P y
N, los cuales funcionan como los platos. La variación en la
capacitancia en un diodo varactor se logra ajustando la magnitud
del margen de la polarización inversa en el diodo, lo cual cambia
también el ancho de la zona de descarga. El varactor está
diseñado para que los cambios en la capacitancia sean lineales
con respecto a los cambios en el voltaje aplicado. Esta es una
característica especial de diseño del diodo varactor. Se debe
considerar también que se debe limitar el voltaje aplicado, pues el
varactor no puede tolerar mucho flujo de corriente. Un diseño
correcto de un circuito con diodo varactor, debe evitar la
aplicación de una corriente inversa muy alta.
Representación del Varactor
El Oscilador
Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios
periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo
electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible,
rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos).
En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la
corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el
tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales,
cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la
onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse
multivibrador. Por lo general, se les llama osciladores sólo a los que
funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen
una bobina L (inductancia) y un condensador C (Capacitancia),
mientras que a los demás se le asignan nombres especiales.
Un oscilador electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya
señal de entrada se toma de su propia salida a través de un circuito de
realimentación. Se puede considerar que está compuesto por:
•
Un circuito cuyo desfase depende de la frecuencia. Por
ejemplo:
Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo).
Retardador de fase RC o puente de Wien.
•
Un elemento amplificador
•
Un circuito de realimentación.
Existen muchos osciladores especiales, de los cuales los más
importantes son:
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•
•
•
•
Oscilador de cristal
Oscilador Seiler
Oscilador Pierce
Oscilador Colpitts
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•
•
Oscilador Hartley
Oscilador Vackar
Oscilador de cavidad
La explicación de estos tipos de osciladores no es la intención del
presente.
Los Efectos del Varactor en el Oscilador
Un diodo varactor puede conectarse de diversas maneras para
que afecte a un circuito resonante. Por esta razón, un modulador
por diodo varactor es uno de los sistemas más sencillos de
generar una señal de FM. Un diodo varactor proporciona la
capacidad total al circuito tanque de un oscilador.
Para la explicación de la lógica del funcionamiento de un varactor,
usaremos un diagrama de un modulador con diodo varactor para
analizar los diferentes cambios.
Una señal de audio frecuencia que se aplica a la entrada sufre las
siguientes variaciones:
En el ciclo de alternancia positiva, el área de polarización inversa
del diodo incrementa, y el ancho del dieléctrico (región de
descarga) aumenta, esto disminuye la capacitancia general del
circuito tanque, lo cual incrementa la frecuencia del oscilador. En
el ciclo de alternancia negativa, la polarización inversa disminuye,
resultando en una disminución de la frecuencia del oscilador.
Ahora consideraremos una señal de audio, la cual se inyecta al
sistema como un voltaje a la base del transistor R1. Esto causa un
voltaje variable a través de la resistencia R1, y como el inductor
L1 también está en corto para audio-frecuencias, se crea un
voltaje variable a través del diodo varactor.
Esta variación de voltaje inverso, como ya hemos explicado,
causa que la capacitancia del varactor varíe, lo cual a su vez varía
la capacitancia promedio vista por el oscilador, y por ende, la
frecuencia de operación del mismo.
Este oscilador genera una salida senoidal de radio-frecuencia,
cuya frecuencia exacta se determina por la inductancia y la
capacitancia del circuito sintonizado.
Así, vemos que modulando el voltaje en la base del transistor con
una señal de audio, la frecuencia de salida del oscilador puede
ser variada. El resultado es la modulación en frecuencia.
Muchos moduladores de FM se encuentran disponibles, pero
todos usan el principio básico que hemos estudiado. El punto
principal a recordar es que se debe usar un oscilador para
establecer la frecuencia de referencia (portadora). En segundo, se
requiere de un método para lograr que el oscilador varíe su
frecuencia de acuerdo con la señal de audio-frecuencia. Cuando
esta condición pueda ser cumplida, tenemos un modulador de
FM.
Ventajas del modulador con Varactor.
Según lo anteriormente estudiado, podemos enunciar las
siguientes bondades del diodo varactor:
• La simpleza de la construcción del circuito modulador. El
modulador con varactor, por ser directo, tiene amplios méritos en
lo sencillo de construir y por ende, los bajos costos y fácil
comprensión, estudio y reparación.
• La confiabilidad del circuito. Este modulador ofrece una buena
relación señal a ruido y una buena relación de modulación con
respecto al mensaje.
• Son estables, pues pueden trabajar con cualquier tipo de
osciladores, añadiendo la confianza de un oscilador de cristal.
Por ejemplo.
• No hay límites en la frecuencia de trabajo.
Conclusiones
Luego de realizar el análisis del proceso de modulación con
diodo varactor, podemos concluir principalmente que la
modulación directa en FM es uno de los procedimientos más
básicos del tratamiento de una señal.
Para generar frecuencia modulada, sólo requerimos un
oscilador de cualquier construcción, en compañía de un
diodo de capacitancia variable por voltaje. Esta relación se
puede estudiar como un VCO, ya que dependiendo de la
tensión de la señal mensaje que se haga circular por el
varactor inversamente, podemos variar la capacitancia del
circuito tanque para que afecte la frecuencia de salida del
oscilador.
La importancia de este tipo de modulación radica en que
para las telecomunicaciones resulta vital el conocimiento y
la generación de radioseñales moduladas en frecuencia,
siendo éste uno de los más sencillos y confiables.
Referencias Bibliográficas
Sistemas de Comunicaciones Electrónicos. II Edición.
Wayne Tomasi
Editorial Prentice Hall.
Sistemas Electrónicos de Telecomunicaciones.
Frank R. Dungan.
Editorial Paraninfo.
Madrid 1993.
Introducción a los sistemas de comunicación.
F. Stremler.
Ed. Addison-Wesley Iberoamericana.
USA 1990.
Sistemas de comunicación
Bruce Carlson.
Ed. Mc Graw Hill.
USA 1980.