Análisis del circuito "Transmisor Personal de AM"

 Análisis del circuito "Transmisor Personal de AM"

Hace unos días, un lector del blog me contactó para que le ayudase a averiguar por qué un circuito transmisor de AM con válvulas que había construido basándose en las instrucciones de una página web de electrónica no funcionaba bien. Analizando el circuito que construyó no me extrañó para nada que no funcionase, y desde luego sin saberlo había perdido el tiempo (y dinero) en construir un transmisor cuyo """diseño""" si es que se puede llamar así no tiene ni pies ni cabeza y vamos a analizar en profundidad ahora, para evitar que nadie más caiga en el futuro en este tipo de circuito.

El circuito citado, se trata el de esta página: "Transmisor Personal de AM", cuyo esquema vemos en esta imagen:

Circuito del "Transmisor Personal de AM"

Con solo ver por encima el esquema ya se pueden apreciar cosas que están mal, como que los símbolos de las válvulas están mal dibujados ya que la 6AV6 es un triodo-doble diodo, no un pentodo como el que se muestra en el esquema. Además, la otra válvula no es una 6AQ6, que sería otro triodo-doble diodo, si no una 6AQ5, pentodo de potencia de audio que esencialmente es una 6V6 con el voltaje máximo de ánodo limitado a 250V. El símbolo, aunque aceptable, no es del todo correcto, ya que la 6AQ5 es un tetrodo de haces dirigidos, no un tetrodo a secas.

Si seguimos analizando el circuito, la cosa cada vez se pone peor, viendo de izquierda a derecha:

• ¿Qué sentido tiene poner ese transformador a la entrada? Sólo tendría mínimamente algo de sentido para por ejemplo aislar galvánicamente la entrada de audio del circuito, pero como la fuente del circuito lleva transformador y por lo tanto no es un de los llamados "universales", no sería necesario.  
  
• Parafraseando: "La señal de audio necesaria para excitar el sistema puede provenir de un amplificador de baja potencia (como un LM386) o de la salida de auriculares de cualquier grabador". Esto da la pista de que realmente ese trafo está ahí para adaptar la impedancia del LM386 a la de la entrada de la válvula. Pues bien, esto no tiene sentido ninguno porque es una idiotez inyectar la señal de salida de un amplificador puesto que es necesario que haya potencia de audio a la entrada, sino simplemente una señal de pocos Vpp que será amplificada por la 6AV6.
  
• Si nos fijamos ahora en la etapa preamplificadora de audio con la 6AV6 vemos que el dibujo está mal, aunque los pines sí que corresponden bien a los que tiene la 6AV6. Alguien que tenga ya un poco de experiencia viendo los circuitos típicos en los que se usa la 6AV6 ya se estaría echando las manos a la cabeza. El motivo: está funcionando sin tensión de BIAS. La idea de este circuito era aplicar lo que se llama bias de contacto, en el que el cátodo va a tierra y los electrones que se fugan de forma natural en la reja de control forman una tensión negativa que se aproxima más o menos a -0,7V en la reja, con lo cual la etapa queda polarizada. El problema está en que para lograr eso la resistencia de reja tiene que ser de un valor muy alto, de hecho, el valor más habitual es que sea de 10MΩ y como vemos aquí es de sólo 1MΩ, con lo cual no se genera bias suficiente y queda polarizada a prácticamente casi 0V. El resultado de esto es que cualquier señal de audio que inyectamos al preamplificador queda distorsionada, haciendo que sea imposible que el transmisor suene bien.
• Si seguimos analizando la etapa preamplificadora, vemos además que la 6AV6 es una válvula de mucha ganancia. El circuito amplifica (suponiendo que se corrija el error del bias) aproximadamente 60 veces la señal de entrada, y la etapa de salida no necesita mucha excitación para modular al máximo (necesita sólo del orden de 10Vpp), con lo que la señal de audio que inyectemos tiene que ser de como mucho 0,16mVpp, más de ese nivel provocaría sobremodulación.
• Otra cosa que llama la atención del esquema es que no hay anotación ninguna de los voltajes e intensidades que hay en el circuito. Por análisis teórico, se puede ver que aproximadamente la alimentación del circuito sería de unos 170V a 26mA.
• Un último punto sobre la etapa preamplificadora, es que no recorta en ningún momento las altas frecuencias de audio. Recordemos que en AM se emite con un ancho de banda de unos 10KHz máximos, lo que significa que la señal de audio que inyectemos debe eliminar las frecuencias de más de 5KHz (realmente incluso menos, siendo 4,5KHz o 3,5KHz como mucho). En el circuito como está, se permite que se amplifiquen todas las frecuencias sin límite ninguno, lo que puede llevar a que se genere una señal de AM que ocupa demasiado ancho de banda y eso es perjudicial para las transmisiones adyacentes y la mayoría de los receptores. No obstante, esto sería una ventaja para aquellos receptores que permitan un ancho de banda más grande (como lo puede ser una radio de galena) ya que la señal tendrá más fidelidad que una transmisión en onda media comercial.
  
• Centrándonos en la etapa de salida... ¡HORROR DE LOS HORRORES! Un circuito autooscilante de potencia y encima modulado por reja de control. Esto significa que va a modular en FM a la vez que en AM, y eso se traduce en una distorsión brutal y horrible en el receptor. Al ser también el oscilador el que va a la antena, cualquier alteración en la antena (como puede ser acercase a ella, o incluso moverse por el viento) provocará un cambio en la frecuencia de transmisión, así como también lo provocaría cambios de temperatura o variaciones en el voltaje de alimentación.
• Si nos fijamos en lo que dice el autor para construir la bobina osciladora: "Consiste en 100 vueltas de alambre AWG28 con una tomada en la mitad del devanado (50 + 50 vueltas) sobre un tubo plástico hueco de 1 pulgada de diámetro." (1 pulgada = 2,55cm y 28AWG = cable esmaltado de cobre de 0,8mm) haciendo cuentas se saca que la inductancia de la bobina que propone es de unos 69µH, el valor del condensador variable no lo especifíca, pero los valores típicos de los condensadores variables de OM son algunos de 365pF max y otros de 410pF max, con una capacidad mínima de sobre 33pF. Si calculamos entonces la frecuencia máxima y mínima que podríamos generar con uno de 410pF, tenemos que va de aproximadamente 1MHz a 3,3MHz. Esto significa que el transmisor no cubre la parte baja de la banda de OM, y además podía llegar a transmitir casi hasta la banda de los 80m, cosa que no interesa a no ser que seas radioaficionado (y si lo eres desde luego este circuito esta PROHIBIDISIMO de usar en estas bandas por las interferencias que provocaría).
• Una solución a este problema sería simplemente aumentar la inductancia de la bobina, es decir, poner más espiras y listo. Se pueden hacer muchas combinaciones posibles, yo recomendaría que la bobina tuviese una inductancia de unos 238µH (lo que equivale si usamos el mismo diámetro de forma y de hilo, a que la bobina tendría que ser de 318 vueltas con toma en el medio).
• El CV no es necesario que sea variable en sí. Si no se quiere que la frecuencia de transmisión sea ajustable bastaría con poner un condensador de un valor de entre los 30-470pF que establezca la frecuencia a la que deseamos transmitir, con lo que se ahorraría este componente para aquellos que les sea difícil encontrarlo.
  
• La configuración del circuito LC oscilador trae problemas de índole práctica, ya que el CV tiene que estar en ambos lados con alta tensión, lo que hace que a la hora de ponerlo en el chasis tenga que estar totalmente aislado de tierra y eso complica bastante la instalación, además del problema de que si tocas el CV será como tocar los 170V de la fuente y perfectamente te podría matar.
• No hay un filtro de armónicos a la salida de antena, ni ningún otro ajuste para adaptar la impedancia de antena. Esto se traduce a que la poca potencia que este generando sea aún menor cuando salga por la antena, además de que todos los armónicos saldrán sin atenuar. Como la antena será corta su eficiencia radiando será mejor cuando más alta sea la frecuencia que transmitimos, lo que provocará con toda seguridad que se transmitan mejor los armónicos que la propia señal fundamental del transmisor. Para más información de este tema y cómo arreglar estos problemas, esta página tiene información muy útil.
  
• Al ser oscilador y modular a la vez, fuerza a que tengamos que polarizar en clase A, con lo cual la potencia generada es aún menor. El condensador de cátodo de 10µF es de un valor bajo para desacoplar todas las bajas frecuencias, mejor que fuese de 100µF o superior. En cuanto la resistencia de cátodo, un cálculo teórico arroja que aproximadamente polariza la 6AQ5 a unos -10V, y eso hace que consuma 25mA de intensidad, que será algo superior contando el consumo de la reja de pantalla.

Como podemos ver, el circuito es un despropósito. Si analizamos ahora la "fuente de alimentación":

Fuente de alimentación del transmisor

• Esos condensadores de 8µF son de una capacidad bajísima, típicos de los de las radios de los años 30. No tiene sentido usar esos valores hoy en día, y dado que rectifica con diodos yo sugeriría mínimo condensadores de 100µF para arriba.
• Ese condensador de 100nF en paralelo con el de 8µF sobra, no tiene sentido ninguno. Originalmente, la idea de poner ese condensador en paralelo es porque los condensadores electrolíticos de aquella época tenían una mala ESR, sobre todo a altas frecuencias, con lo cual si era necesario poner ese condensador. Con los condensadores electrolíticos modernos ya no hace falta ninguna.
  
• La resistencia del filtro en pi de 1K alimenta el previo y el oscilador. Esto es muy mala práctica puesto que provoca realimentación positiva en el previo de audio. Si se añade otro conjunto resistencia-condensador que alimente el previo con un voltaje ligeramente más bajo que el del oscilador se evitaría este efecto.
• Dado que la alimentación del oscilador es crítica para que mantenga cierta estabilidad de frecuencia, recomendaría que se regule esa tensión con zeners o con válvulas reguladoras de voltaje. Así mismo no hay problema ninguno en usar una válvula rectificadora en lugar de los 1N4007 si se desea, sólo asegurarse de que en ese caso el primer condensador de filtro no supera el máximo que establece el datasheet de la rectificadora.
• No pone entre los filamentos de las válvulas un condensador, lo que puede hacer que se fuge algo de la RF generada por la osciladora a la válvula preamplificadora vía el circuito de filamentos. Aunque a estas frecuencias no creo que suponga un problema muy grave, no está nunca de más añadirlo para evitar posibles problemas. Con un valor de 10nF o superior es más que suficiente.
  
• Según el autor: "La fuente de alimentación, que se observa arriba, está formada en torno a un transformador medio raro. Consiste en un primario de 200 V (o la tensión de red del lugar donde empleará el equipo) y dos secundarios separados. Uno de ellos debe tener una tensión de salida de 6.3 V, necesarios para alimentar los filamentos de las lámparas. El otro secundario debe ser de 300 V con punto medio (150 + 150 V), el cual se emplea para la alta tensión de trabajo de las válvulas.". El que llame "medio raro" al transformador de alimentación ya deja da la idea de que no ha visto nunca un trafo de alimentación de un aparato a válvulas. De todas formas, si tanto molesta "esa cosa tan rara" (y también como dato útil para quien no tenga un "transformador medio raro" a mano) se pueden conectar dos transformadores de 230V/6V espalda contra espalda para obtener de golpe la tensión de filamentos y la tensión de 230V aislada galvánicamente. En ese caso hay que reemplazar los dos 1N4007 por un puente rectificador de diodos con cuatro 1N4007, y ajustar la resistencia de filtro en pi adecuadamente para que baje la tensión a los 170V que requiere el circuito.
• Continuando con las palabras del autor: "Recuerde que todos los capacitores deben tener una tensión del doble a la de trabajo. O sea que si el trafo entrega 300 V los capacitores de 8µF deben ser de 600 V.". Con esta afirmación se ve que no ha trabajado nunca con estos transformadores y/o no entiende cómo funciona el circuito rectificador. Es un rectificador de onda completa, que a fin de cuenta es igual que un rectificador por puente de diodos sólo que lleva toma media en el secundario del trafo y así se ahorra el tener que poner 2 diodos, con lo que la tensión de salida que de los diodos sería como la un puente rectificador normal conectado a un secundario de 150V. Si calculamos rápidamente la tensión de pico que tendrán que soportar los condensadores será de unos 212V, con lo cual, si acaso los condensadores tienen que ser de 250V como mínimo, 600V es una exageración, aparte de que hoy en día no se encuentran condensadores baratos a esa tensión.
• Lógicamente si se hace la modificación que dije más arriba, al ser el secundario de 230V los condensadores tendrían que aguantar 350V de tensión como mínimo.

Para dar el broche final al artículo, el autor nos dice lo siguiente: "La lámpara de salida puede ser reemplazada por: 6L6, 6AQ5, 6V6, entre otras. Pero siempre tenga presente que el patillaje es diferente, por lo cual tendrá que consultar los manuales (si es que aún existen).". Para empezar, no se puede sustituir la válvula de salida por las buenas, así como así, por la que quieras ya que se tendría que revisar la resistencia de cátodo para polarizar adecuadamente la nueva válvula y además seguramente hasta cambiar el voltaje de alimentación. Sobre la afirmación que está en negrita demuestra el total desconocimiento del autor con todo lo relacionado con las válvulas.

 Remediando un poco el circuito

A pesar de todo, me he tomado la molestia de modificar todo lo que estaba mal en el esquema, más que nada con propósito educacional porque, aunque esta nueva versión desde luego funcionaría, el circuito tiene problemas de diseño que sólo se solucionarían con un rediseño radical.

Circuito mejorado para que al menos "funcione"

 Lista de cambios y mejoras:

• En el circuito de entrada he añadido un potenciómetro de 47K (tiene que ser logarítmico) para controlar el nivel de modulación, ya que como he dicho anteriormente la señal de entrada tiene que controlarse para evitar sobremodular.
• Se ha cambiado la etapa preamplificadora para que use realimentación negativa y de paso aproveche para implementar un filtro paso bajo de primer orden que corte las frecuencias de entradas superiores a 5KHz. La ganancia de la etapa realimentada es de aproximadamente 16, con lo que aproximadamente con 0,5Vpp de entrada debería de ser capaz de modular al máximo, además de que la realimentación ayuda a que la señal sea amplificada con menor distorsión.
  
• Redibujados los símbolos de las válvulas para que representen el símbolo adecuado. Técnicamente la 6AQ5 no es un pentodo tal como está dibujado, pero con tal de no perder mucho tiempo con el dibujo lo he dejado así.
• Arreglada la polarización de la 6AV6, ahora tiene polarización por diodo. El diodo puede ser cualquiera que tenga una Vf de aproximadamente 0,7V, como por ejemplo un 1N4148 o incluso un 1N4007.
• Como dato adicional, la 6AV6 de ser necesario puede ser reemplazada perfectamente por la mitad de una ECC83, puesto que realmente son el mismo triodo. La 6AQ5 puede ser reemplazada sin modificaciones por la 6V6, o si se prefiere por su versión noval 6BW6. Con estos cambios no hay problema porque se tratan de válvulas idénticas, con lo que no hace falta retocar polarizaciones.
• Aumentado el condensador de cátodo de la 6AQ5 para que desacople mejor las bajas frecuencias.
• Aunque no he alterado el valor de la resistencia de cátodo, sería conveniente probar con otros valores para ver si cambiando el punto de polarización mejora o empeora la señal, ya que sospecho que puede que ese no sea el punto óptimo. Como no voy a construir el circuito (y repito, recomiendo que nadie lo haga), no puedo saber si efectivamente sería mejor otro valor o no.
  

Sigue teniendo fallos como lo de modulación en FM, inestabilidad de frecuencia, armónicos y el problema del CV, pero al menos ya sería capaz de hacer "algo", no como en la versión original que era un despropósito.

Construcción del circuito mejorado

Con el fin de demostrar lo malo que es el circuito, aún con la vertiente mejorada que acabo de diseñar, me he sacrificado y puesto manos a la obra a construirlo en un rato para demostrar el por que no deberíais perder el tiempo construyendo este transmisor.

He usado una fuente de alimentación externa para tener más versatilidad a la hora de probar el circuito y además para ahorrar el trabajo de tener que construir también una fuente de alimentación expresa para un circuito que sé que va a ser un fracaso.

En cuanto a la bobina osciladora, aun sabiendo que la que se describe en el circuito no permite transmitir a frecuencias inferiores a 1MHz he decidido replicarla tal y como se describe, al menos de forma aproximada. He usado alambre de cobre esmaltado de 0,5mm en lugar de 0,8mm porque es el que tenía a mano. En cuanto a la forma de la bobina la he diseñado en un momento y la he impreso en 3D: 

Forma de bobina impresa en 3D

Tiene un diámetro de 2,55cm y de largo unos 7,5cm. No le he diseñado los agujeros para pasar el cable porque ha sido más fácil hacerlos in situ con un punzón.

Una vez impresa en 3D, hago las 100 vueltas con toma media que dice el artículo. Para la toma media basta con que al contar 50 vueltas le haga con el hilo un pequeño nudo y para fijar bien las espiras a la forma y que no se salgan le he aplicado un poco de Loctite:

Bobina acabada

Una vez acabada la bobina, hago el resto del circuito en un segundo. En lugar de usar la 6AV6, que no la tenía a la mano, he usado la 12AV6 que es la misma válvula, pero con filamento de 12,6V. Como chasis he usado el de una radio que estaba desguazada, para aprovechar todos los agujeros miniatura que estaban ya hechos:

Transmisor montado "a la carrera"

Terminado el circuito le coloco un trozo de cable largo como antena, conecto el osciloscopio para ver la modulación, como señal de audio le inyecto un tono de 1KHz desde el móvil y:

Señal de 1KHz modulada al máximo

Como era de esperar una modulación horrible, y eso que el circuito de preamplificación de audio está mejorado.

Investigando con el osciloscopio, toda esa distorsión viene del paso de salida. El paso previo amplifica la señal con los aproximadamente 16 de ganancia teóricos calculados, con fidelidad perfecta y recortando las altas frecuencias. El índice de modulación, por lo que podemos ver en la foto es bastante bajo. Probando a recibir con una radio la emisión, se nota la distorsión, aunque en general el sonido es "aceptable".

Por curiosidad probé a modificar el circuito y dejarlo tal y como aparece en el artículo original. El resultado fue horrible. Como ya sabía, la señal estaba infinitamente más distorsionada que arriba y en los receptores cercanos se escuchaba horrible, no se podía apenas escuchar nada.

Otro punto donde el circuito mostró lo malo que era fue en los armónicos. Como ya se vio en el análisis, la frecuencia de transmisión no podía bajar más de 1MHz, pero daba igual, había armónicos repitiéndose por todas partes.

El rango de transmisión también era pequeño, de unos 100m como mucho y dependiendo bastante de cómo estubiera orientada la antena. De nuevo, era de esperar. Igualmente, con una antena más larga quizá el rango hubiese sido más grande, pero no merecía la pena probar.

Otros diseños similares

Para terminar, si uno busca un poco por internet, se encontrará muchas variaciones de este circuito con sutiles diferencias. Por ejemplo, por internet podemos encontrar el circuito transmisor de 4W de la marca daxon:

 Si uno se fija en el circuito... ¡Sorpresa! Se trata exactamente del mismo circuito con cambios en la fuente de alimentación y algún cambio de valores de componentes. Al menos este circuito debería de funcionar mejor que el que hemos estado analizando.

Si buscamos un poco más...

...Encontramos un circuito que es hasta peor que el primero, aquí directamente a la 6AV6 le han quitado hasta la resistencia de escape de reja, con lo cual otra vez nos encontramos con ningún BIAS en la preamplificadora.

Como conclusión, no creo que los que han publicado estos circuitos lo hayan hecho con mala intención. Simplemente se habrán limitado a copiar el mismo tipo de esquema con modificaciones y en el proceso han copiado cosas mal como valores de componentes y otras cosas.

Para aquellos interesados en crear un pequeño transmisor de AM con válvulas, estoy ultimando un circuito mejor diseñado que estos, aunque como todo no está exento de sus inconvenientes. Pronto aparecerá en el blog, así que estad atentos.

De mientras, como consejo para quien quiera hacer un transmisor pequeño y sencillo de AM, pero infinitamente mejor que este, le recomiendo el descrito en esta página, la válvula 6CQ8 se puede sustituir tal cual por una PCF82/ECF82, que quizás sea más fácil de adquirir que una 6CQ8.