Telecomunicaciones
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 osciladores 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 electrónicaun oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continuaen 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 osciladoressólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobinaL (inductancia) y un condensadorC (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:
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.
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