quinta-feira, 30 de julho de 2009

Blindagem

Dois circuitos que estão fisicamente próximas entre si, em geral, estão acoplados de certo modo, mas não foi estabelecido acoplamento intencional. As partes metálicas dos dois circuitos formam uma pequena capacitância, que pode transferir energia através de um campo elétrico. Além disso, o campo magnético ao redor da bobina ou conexões de um circuito pode ser acoplado a um segundo circuito através da bobina e das conexões deste último. Em muitos casos, esses acoplamentos indesejáveis devem ser evitados para que os circuitos funcionem corretamente.
O acoplamento capacitivo pode ser facilmente evitado isolando um dos circuitos ou ambos por partes metálicas de baixa resistência conectadas à terra, chamada blindagem. O campo elétrico dos componentes do circuito não penetra através da blindagem. Uma chapa metálica, inserida entre dois componentes também podem ser suficientes para evitar o acoplamento eletrostático. Deve ser suficientemente grande para fazer os componentes mutuamente “invisíveis”. Em RF também utiliza uma blindagem semelhante para evitar acoplamento magnético. O efeito da blindagem aumenta com a frequência, a condutividade e a espessura do material utilizado.
É necessário uma blindagem fechada para uma boa blindagem magnética. Em alguns casos, pode ser preciso blindagem individual, uma em torno de cada bobina. As telas metálicas são bastante ineficazes como blindagem magnética, mas, podem proporcionar uma blindagem parcial se colocado perpendicularmente ao eixo das bobinas que deseja blindar.
O fato de blindar uma bobina reduz sua auto-indução, como parte de seu campo está anulado pela blindagem. Além disso, há sempre uma pequena quantidade de resistência na blindagem, e como consequência, uma perda de energia. Esta perda aumenta a resistência total da bobina. A diminuição da auto-indução e o aumento da resistência reduzem o Q da bobina. Essa redução da auto-indução e do Q será reduzido se a blindagem é suficientemente longe da bobina, o espaçamento entre os lados da bobina e a blindagem deve ser de pelo menos metade do diâmetro da bobina, e o espaçamento máximo igual ao diâmetro da bobina. Quanto maior for a condutividade do material da blindagem, menor o efeito sobre a auto-indução e Q. O cobre é o melhor material para usar, embora alumínio é bastante satisfatório.
Para obter uma boa blindagem magnética para as audiofrequências, é necessária uma blindagem fechada para a bobina com ferro ou aço de alta permeabilidade. Neste caso, a blindagem pode ser muito próxima da bobina sem que haja problemas.

Fonte: The radio amateur's handbook [13ª edição espanhola - 1955]

terça-feira, 28 de julho de 2009

Descoberta bolha de sabão cósmica flutuando no espaço


Nebulosa bolha de sabão

Dois grupos de astrônomos, trabalhando de forma independente, "co-descobriram" um corpo celeste inusitado e sem precedentes. O novo objeto, que se parece com uma gigantesca bolha de sabão cósmica, foi catalogado como uma nebulosa planetária. Apesar do nome, nebulosas planetárias são formadas quando uma estrela com uma massa equivalente a oito vezes a massa do Sol ejeta suas camadas externas na forma de um gás luminoso.

Bolha de Cisne

O novo objeto foi batizada de PN G75.5+1.7, mas já está sendo chamado de Bolha de Cisne, em referência à constelação onde ela se encontra. A bolha de sabão cósmica pode ser um cilindro, do qual estaríamos vendo apenas uma das extremidades. Existem nebulosas de diversos formatos, sendo que a maioria é elíptica. Quando a estrela ejeta seus gases a partir dos pólos, a nebulosa formada pode ter um aspecto cilíndrico. Contudo, a Bolha de Cisne tem uma simetria muito grande, o que aumenta a probabilidade de que ela seja de fato uma bolha.

Perdida nas fotos

Revisando imagens de um mapeamento celeste feito há 16 anos, os pesquisadores perceberam que a Bolha de Cisne já estava nas fotografias. Contudo, ela passou despercebida devido ao seu brilho, que é muito tênue. Os cálculos indicam que hoje ela continua com a mesma luminosidade e o mesmo tamanho. Ainda não está claro quem constará como descobridor da nebulosa-bolha-de-sabão. O astrônomo Dave Jurasevich, do Observatório Monte Wilson detectou o novo objeto mas, em seguida, descobriu-se um comunicado de duas outras astrônomas, Mel Helm e Keith Quattrocchi, que também o detectaram. Em seu site, Keith Quattrocchi reconhece a precedência da descoberta do Dr. Jurasevich, mas ainda não há uma definição formal da União Astronômica Internacional.

Fonte: Inovação Tecnológica

sexta-feira, 24 de julho de 2009

Para inglês não ver

Em 1982, a equipe do cientista inglês Joe Farman estava na Baia de Halley investigando o clima da Antártida. De repente, os pesquisadores notaram que o ozônio na atmosfera havia diminuído em 20%. Era inacreditável. Afinal, desde 1978 os americanos monitoravam esse gás com o satélite Nimbus 7 a nunca haviam percebido grandes alterações. Atônitos, os ingleses culparam o velho espectrofotômetro, medidor da concentração de gases, que já estava em uso havia muito tempo. Fizeram outra medição com um instrumento novo em folha e o resultado se repetiu. No entanto, a fabulosa descoberta demorou três anos para ser divulgada. Os ingleses continuavam em dúvida sobre a existência de um tremendo buraco de ozônio não detectado pelo Nimbus 7. Depois vieram, a saber, que o problema era ignorado pelos americanos simplesmente porque seus computadores não estavam programados para registrar baixas quantidades daquela substância.

Fonte: Revista Superinteressante

A Terra é redonda. Mas o Universo é plano?

Por séculos, os antigos acreditaram que a Terra era plana. As evidências em contrário eram ou ignoradas ou facilmente integradas na visão dominante do mundo. Hoje nós chamamos os defensores da Terra plana de ignorantes, mas estamos prestes a cometer um erro quase idêntico - não com relação ao nosso planeta, mas em relação ao universo inteiro.



"Hoje nós chamamos os defensores da Terra plana de ignorantes, mas estamos prestes a cometer um erro quase idêntico - não com relação ao nosso planeta, mas em relação do universo inteiro," diz o cientista.



Universo plano

Quando se trata do universo, "plano" refere-se ao fato de que os feixes de luz viajam longas distâncias paralelos uns aos outros. Se o universo for "plano", os feixes permanecerão sempre paralelos. Entretanto, matéria, energia e energia escura, todos produzem curvaturas no espaço-tempo. Se o espaço-tempo do universo é positivamente curvado, como a superfície de uma esfera, os feixes paralelos deverão se juntar. Se for negativamente curvado, em um universo em forma de sela, os feixes paralelos deverão divergir. Graças em parte à sonda espacial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), que revelou a densidade da matéria e da energia nos estágios iniciais do universo, a maioria dos astrônomos está confiante em que o universo é plano.

Interpretação incorreta dos dados

Mas esta visão está sendo agora questionada por Joseph Silk e seus colegas da Universidade de Oxford, que afirmam que é possível que as observações da WMAP tenham sido interpretadas de forma incorreta. Em um artigo publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, eles pegaram dados da WMAP e de outros experimentos cosmológicos e os analisaram usando o teorema de Bayes, que pode ser usado para mostrar como a certeza associada a uma determinada conclusão é afetada por diferentes pressupostos iniciais. Usando os pressupostos da moderna astronomia, que pressupõe um universo plano, eles calcularam a probabilidade de que o universo esteja em um de três estados: plano, positivamente curvado e negativamente curvado. Isto produziu uma probabilidade de 98% de que o universo seja de fato plano. Quando eles rodaram novamente os cálculos usando uma postura mais mente-aberta, entretanto, a probabilidade mudou para 67%, tornando o universo plano uma certeza muito menos convincente do que os astrônomos concluem.

Preconceitos

"É uma hipótese plausível que o universo não seja inteiramente plano," diz Silk, acrescentando que os cálculos revelam o quanto os preconceitos dos astrônomos podem afetar suas conclusões. David Spergel, da Universidade de Princeton, e porta-voz da equipe da WMAP, concorda. "Eles desenvolveram uma forma estatisticamente rigorosa de examinar a questão," disse ele. Silk afirma que os astrônomos precisam alcançar um nível de segurança de 99,9999% com relação ao universo plano, o que seria alto o suficiente para resultar convincente quaisquer que fossem as hipóteses iniciais. É possível, entretanto, que nenhuma medição seja capaz de atingir esse nível de precisão.


Fonte: Inovação Tecnológica

domingo, 19 de julho de 2009

Dica - Eletrônica

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Semicondutor ajustável abre novas fronteiras na eletrônica


Acima, uma folha de grafeno bicamada, quase transparente, colocada sobre os eletrodos e fotografada por microscópio eletrônico. Abaixo, o corte transversal mostrando a estrutura do componente.


Cientistas da Universidade de Berkeley utilizaram o grafeno, uma folha de átomos de carbono dispostos de forma parecida com uma tela de galinheiro, para criar um material semicondutor com propriedades ajustáveis. Os transistores e LEDs atuais são construídos com materiais semicondutores - o silício e o arseneto de gálio - que possuem propriedades ópticas e eletrônicas fixas. Agora os cientistas descobriram que, colocando duas camadas de grafeno, uma sobre a outra, é possível criar um material cujas propriedades eletrônicas são totalmente ajustáveis.

De metal a semicondutor

"O avanço real aqui é que, pela primeira vez, você pode usar um campo elétrico para abrir e fechar a bandgap. Nenhum outro material pode fazer isto, somente o grafeno bicamada," diz o Dr. Feng Wang. A bandgap de um material é a diferença de energia entre os elétrons da camada de valência do material e aqueles da camada de condução. É essa quantidade de energia que define as propriedades eletrônicas e ópticas de cada material. Para se ter uma ideia da alteração de propriedades que esse ajuste permite, basta ver que, ao mudar a bandgap do grafeno, ele deixa de ser um metal e passa a se comportar como um semicondutor. Além das implicações diretas para a indústria de semicondutores, este é um objetivo longamente perseguido pelos cientistas e representa um avanço importante no campo da física da matéria condensada.

Componentes eletrônicos ajustáveis

A possibilidade de ajuste da bandgap significa que uma folha de apenas 1 milímetro quadrado de grafeno bicamada poderá conter milhões de diferentes componentes eletrônicos ajustáveis que poderão ser reconfigurados conforme a necessidade simplesmente enviando para cada um deles um sinal elétrico. O grafeno é um material extremamente promissor no campo emergente da eletrônica orgânica e ainda se sabe pouco a seu respeito - o grafeno somente foi descoberto em 2004. A teoria prevê que, entre suas propriedades eletrônicas incomuns, está o fato de que ele possui uma mobilidade dos elétrons mais de 10 vezes superior à do silício, o material básico da eletrônica atual. Mas, desde o início das pesquisas com esse novo material, os cientistas encontraram um problema para seu uso na eletrônica: como ele é um excelente condutor - o que significa uma bandgap igual a zero - isto significa que componentes eletrônicos feitos com ele estarão sempre ligados. E, para se construir qualquer componente eletrônico, como um transístor, é necessário que ele alterne entre as situações ligado e desligado. Enquanto um camada única de grafeno tem sempre a bandgap igual a zero, duas camadas sobrepostas - o grafeno bicamada - podem ter esses níveis de energia controlados por um campo elétrico externo, como esta pesquisa agora demonstra.

LEDs de grafeno

Os pesquisadores conseguiram variar a bandgap do grafeno bicamada de 0 a 250 mili-elétron volts (meV), uma faixa que cobre sua passagem de um comportamento de metal para funcionar como um semicondutor. Para comparação, o semicondutor germânio alcança 740 meV e o silício chega a 1.200 meV. Essa variação do nível de energia do grafeno significa também que ele poderá ser a base para a construção de LEDs capazes de emitir luz na faixa de frequências que vai do infravermelho longo ao infravermelho médio. Em última instância, isso abre a possibilidade de sua utilização em lasers em frequências que vão do infravermelho ao terahertz.

Energia Fermi

A equipe de pesquisadores também demonstrou que é possível alterar outra propriedade crítica do grafeno, sua energia Fermi, que é a energia máxima do estado ocupado de um elétron, estabelecendo a densidade energética do material. "Com eletrodos em cima e embaixo do grafeno bicamada, você pode controlar independentemente os dois parâmetros mais importantes de um semicondutor: Você pode alterar a estrutura eletrônica, variando continuamente a bandgap, e controlar independentemente a dopagem eletrônica variando o nível da energia Fermi," explica Wang.

Fonte: Inovação Tecnológica

quarta-feira, 8 de julho de 2009

Transmissores de AM

A modulação em amplitude é, sem duvida, o meio mais utilizado para a transmissão de informações à distância. A radiodifusão em ondas medias e curtas e a televisão são exemplos bastante significativos da importância deste tipo de modulação. Ela é empregada na radiocomunicação entre aeronaves e torres de controle de vôo e nos serviços de rádio-táxi e faixa-do-cidadão, sem falar nos equipamentos utilizados pelos radioamadores e nos aparelhos de radiocontrole.

Diagramas Básicos de Transmissores de AM

As Figuras 1a e 1b mostram dois circuitos muito simples. São basicamente, osciladores de radiofrequência modulados em amplitude, sendo utilizados cristais para obtenção de uma maior estabilidade de frequência. O dispositivo oscilador pode ser um transistor bipolar de junção, um FET ou uma válvula eletrônica.
O circuito da Figura 1a emprega o método da modulação síncrona. A potência de saída é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, que, por sua vez, consiste da soma de uma tensão continua, E, com a tensão do sinal modulador, em(t).
O circuito da Figura 1b utiliza o método da absorção para conseguir a modulação em amplitude. Um microfone de carvão e acoplado através do transformador de RF ao circuito de antena. Falando-se ao microfone, provocam-se variações em sua resistência, ocasionando uma maior ou menor absorção de potência do sinal de RF. Assim, a potência entregue a antena será a diferença entre a potência produzida pelo oscilador de RF e a absorvida pelo microfone.





Embora os circuitos da Figura 1 funcionem, os mesmos apresentam vários inconvenientes:

a) A conexão de uma antena diretamente ao oscilador prejudica a estabilidade de frequência. Isso ocorre porque a frequência de um oscilador depende de sua impedância de carga que, no caso, é a antena. Como a impedância de uma antena depende da posição de seus elementos em relação ao ambiente que a cerca, variações súbitas e imprevisíveis de impedância poderão ocorrer em caso de vento - ou em operação móvel;

b) A modulação em amplitude, sendo efetuada diretamente sobre o oscilador, gera uma modulação em frequência indesejada. Isso ocorre porque as variações de tensão aplicadas ao oscilador, como no circuito da Figura 1a, provocam alterações nas capacitâncias intereletródicas do dispositivo oscilador, que, por sua vez, fazem variar a frequência do oscilador. No circuito da Figura 1b, as variações da resistência da cápsula microfônica causam, também, alguma modulação em frequência, uma vez que o microfone faz parte da carga do oscilador;

c) A potência de saída é limitada pelo ganho de potência do dispositivo oscilador e pela máxima potência permitida sobre o cristal. Isso limita a potência de saída a cerca de 5o W, na melhor das hipóteses, se for utilizada uma válvula osciladora de potência e um cristal robusto como, por exemplo, o tipo T2. Com transistores, a potência gerada não excedera, provavelmente, uns 5 W, devido ao menor ganho de potência desses elementos;

d) O funcionamento do oscilador em alta potência aquece excessivamente seus componentes, alterando-lhes as dimensões e, em consequência, provocando mudança na frequência gerada. Esse fenômeno é conhecido como deriva térmica.

Fica evidente pelo exposto que os circuitos examinados não conseguem atender de maneira adequada a dois importantes requisitos dos transmissores de rádio, que são:

a) estabilidade de frequência;
b) potência de saída adequada.

Serão analisadas aqui as medidas necessárias para a construção de um transmissor de AM com a estabilidade de frequência e potência necessárias.


Obtenção da Estabilidade de Frequência


Para a obtenção da estabilidade de frequência exigida pelas normas técnicas das telecomunicações, que é da ordem 15 Hz por MHz, e necessária a adoção das seguintes medidas:

a) A modulação deve ser efetuada num estágio posterior ao oscilador, para evitar a modulação em frequência;

b) O circuito oscilador deve trabalhar em regime reduzido de potência, para evitar o aquecimento excessivo e diminuir a deriva térmica;

c) Um estágio separador deve ser incluído entre o oscilador e o amplificador modulado. Isso acontece porque durante o processo de modulação em alto nível ocorrem variações consideráveis na impedância de entrada do amplificador modulado. (Um separador e um amplificador de baixo nível com realimentação interna nula ou bastante reduzida. Isso evita que variações na impedância de carga afetem a impedância de entrada);

d) A utilização de estágios multiplicadores de frequência também contribui para a melhoria da estabilidade da frequência do oscilador de portadora. Isso acontece por dois motivos. O primeiro é porque a estabilidade de um oscilador de RF aumenta quando a frequência de oscilação e pequena em relação a frequência de transição do dispositivo oscilador. Por isso, um ou mais estágios multiplicadores de frequência podem ser utilizados com o objetivo de permitir uma frequência de funcionamento relativamente baixa no oscilador de portadora, mesmo em transmissores que operem na faixa de VHF. O segundo motivo para o uso de multiplicadores de frequência e porque o sinal indesejado proveniente dos últimos estágios esta fora da frequência de operação dos primeiros estágios, evitando com isso a possibilidade de realimentação. O multiplicador de frequência deve operar em baixo nível, uma vez que seu rendimento é menor do que o de um amplificador comum. Dessa maneira, sua localização correta é logo após o estágio separador. Para que o sinal de saída do multiplicador seja o mais puro possível, e necessário usar em sua saída um filtro passa-faixa bastante seletivo, eliminando a frequência fundamental e os harmônicos indesejados.

A Figura 2 mostra a localização correta dos estágios separador e multiplicador, num transmissor de radio.



Figura 2 Localização dos estágios separador e multiplicador


Obtenção de Potência de Saída Adequada

A potência de saída de um transmissor é função de alcance desejado e das normas e portarias que regulamentam as comunicações em determinado pais. Tecnicamente falando, a potência de saída necessária é conseguida pelo uso de amplificadores de potência de RF.
Transmissores de AM de potência superior a 1 W utilizam vários estágios amplificadores para a obtenção da potência desejada. Normalmente, o ganho de um estágio amplificador de potência, a de RF esta compreendido entre 3 e 100 vezes, ou seja, entre 4,8 e 20 dB. O ganho de cada estágio é função de sua potência de saída. Amplificadores transistorizados de potência elevada (acima de 30 W) geralmente fornecem um ganho de potência inferior a 5 (7 dB). Em consequência, um transmissor de AM de 50 W, por exemplo, utiliza pelo menos 3 ou 4 estágios amplificadores após o oscilador (Figura 3). Analisando-se os valores apresentados na Figura 3, percebe-se como o ganho de potência, Gp diminui com o aumento da potência de saída. Por isso, a obtenção de potência muito superiores a 50 W exige, quase sempre, o uso de amplificadores composto (amplificadores que utilizam mais de 1 transistor por estágio), com transistores associados em paralelo, em contrafase ou em ponte. Também torna-se interessante, para potências de saída superiores a 100 ou 200 W, o uso de válvulas amplificadoras, uma vez que proporcionam um ganho de potência bastante superior aos dos atuais transistores de potência de RF. Uma válvula de transmissão típico necessita de cerca de 5 W de excitação em sua entrada, para fornecer 200 W de saída, o que corresponde a um ganho de potência de 40 vezes ou 16 dB.



Figura 3 Distribuição típica de ganho de um transmissor transistorizado


Os transmissores de AM podem ser construídos segundo duas técnicas distintas:

a) Modulação em Baixo Nível;
b) Modulação em Alto Nível.


Transmissores com Modulação em Baixo Nível


Nesse tipo de transmissor, a modulação do sinal é efetuada, como o pr6prio nome indica, nos estágios de baixa potência, antes do último estágio amplificador de RF. Isso implica em que os estágios amplificadores após o modulador deverão operar linearmente. A operação linear obriga um projeto mais cuidadoso dos amplificadores de potência, tanto no que se refere à polarização dos transistores, quanto na dissipação de calor, já que os amplificadores trabalham com menor rendimento.
O transmissor que emprega modulação em baixo nível, por outro lado, tem a vantagem de tomar possível a utilização de diversos tipos de modulação, como, por exemplo, AM, DSB, SSB, FM e RTTY (radioteletipo). Isso ocorre porque o mesmo amplificador de potência pode ser utilizado na amplificação de todos os sinais.
A Figura 4 mostra o diagrama simplificado de um transmissor de AM deste tipo. A potência necessária para efetuar-se a modulação é pequena, tomando-se mais fácil obtê-la. Os estágios amplificadores após o modulador de AM fazem parte do amplificador linear. Os dispositivos amplificadores devem ser polarizados em classe A, B ou AB. A operação em classe C não é permitida por gerar muita distorção por intermodulação, principalmente por produtos de terceira ordem.


Figura 4 Transmissor de AM com modulação em baixo nível


Transmissor com Modulação em Alto Nível


Nesse tipo de transmissor a modulação ocorre somente no último estágio amplificador de potência de RF, ou seja, quando a potência já é suficiente para ser entregue a antena transmissora, tornando desnecessária a amplificação posterior do sinal modulado. Isso significa que os estágios amplificadores de potência de RF amplificam apenas a portadora. Por isso, os amplificadores utilizados são mais econômicos, pois não são necessários cuidados com relação a linearidade dos mesmos. Em contrapartida, a potência necessária para efetuar-se a modulação deve ser, pelo menos, igual à metade da potência de alimentação do amplificador de potência de RF modulado. Assim, um estágio cuja potência de saída seja de 50 W e trabalhe com um rendimento de 70%, necessitara de aproximadamente 36 W de potência, proveniente do sinal modulante.
O transmissor que emprega modulação em alto nível é mais eficiente no que diz respeito à utilização dos dispositivos amplificadores de RF e ao consumo de energia. Por isso, ele é, normalmente, o circuito mais utilizado.
A Figura 5 mostra o diagrama em blocos de um transmissor de AM com modulação em alto nível. Os níveis de potência indicados são típicos e correspondem a um rendimento de 67% do amplificador de potência de RF, de 94% do transformador de modulação e de 50% do amplificador de AF.



Figura 5 Diagrama de blocos de um transmissor de AM para a faixa de 11 metros


Agora, será feita uma analise detalhada do funcionamento de um transmissor de AM de alto nível, transistorizado, utilizado para radiocomunicação na faixa de 11 metros. O circuito analisado é típico para esta aplicação. Seu diagrama esquemático e visto na Figura 6.



Figura 6 Diagrama completo de um transmissor AM para a frequência de 27 MHz


Descrição de Funcionamento do Transmissor


Na entrada de microfone existe um filtro passa-baixa destinado a bloquear o sinal de RF captado pelo microfone. E constituído pelos capacitores C16 e C17 e pelo choque de RF XRF4, Após o filtro, tem-se o estágio de áudio Q5 que opera em classe A, em emissor comum. A saída de Q5 está ligado a um circuito ceifador a um circuito ceifador ou limitador de áudio. Sua finalidade e eliminar ou reduzir os picos do sinal de áudio provenientes do microfone.
O ceifador funciona baseado no fato de os diodos de silício não conduzirem enquanto a tensão aplicada não superar a barreira de potencial da junção, tipicamente de 0,6 V. Como os diodos, D2 e D3, estão conectados em antiparalelo com o percurso de sinal, este será limitado ao pico de 0,6 V. Isso significa que as tensões de áudio superiores a esse valor farão o diodo conduzir, ceifando-Ihes os picos (Figura 7).



Figura 7 Ação de ceifamento executada pelos diodos D1 e D2


Na saída obtém-se o sinal ceifado, ou seja, sem os picos de tensão. A vantagem desse procedimento é melhorar o nível médio de modulação, proporcionando maior inteligibilidade do sinal, para a mesma potência irradiada.
Após o ceifador, segue-se o controle de nível de modulação, R16 Esse potenciômetro dosa a quantidade de sinal de áudio que vai modular o transmissor. Os harmônicos gerados pelo ceifamento são eliminados pelo filtro passa-baixa formado pelo resistor R17 e pelos capacitores C22 e C23. Outra finalidade desse filtro e limitar a resposta em frequência do modulador para a faixa de frequência da voz. Em seguida, o sinal e amplificado por CI1 e aplicado, através do transformador de modulação T1 aos estágios excitador e amplificador de potência de RF, onde ocorre o processo de modulação.
O sinal modulante é aplicado simultaneamente aos estágios excitador e amplificador de potência de RF para que seja conseguida uma profundidade de modulação próxima a 100%, tanto no semiciclo negativo quanta no semiciclo positivo de modulação. Isso é necessário em função de dois problemas:

a) Durante o pico negativo de modulação, os transistores permitem a passagem do sinal da base para o coletor, exatamente como um diodo diretamente polarizado. Isso acontece quando a tensão instantânea que alimenta o amplificador modulado aproximada-se do zero e a tensão de excitação de base e máxima. Para contornar o problema, e necessário que a excitação do amplificador de potência seja reduzida sempre que a tensão de alimentação aproximar-se de zero.

b) Durante o pico positivo de modulação, a potência instantânea fornecida pelo amplificador de potência de RF pode chegar a quatro vezes a potência da portadora. Isso implica em que a potência de excitação devera ser igualmente aumentada.

A solução para ambos os problemas e conseguida pela modulação do estágio excitador. Durante o pico negativo de modulação, o sinal entregue por Q3 e insuficiente para fazer conduzir a junção base-coletor de Q4 e, durante o semiciclo positivo de modulação, aumenta a excitação fornecida por Q3.

1 - Oscilador de Portadora

É utilizado um oscilador a cristal para maior estabilidade de frequência. Neste circuito, o cristal tanto poderá ser cortado para um submúltiplo da frequência de transmissão, quanta poderá ser o 3º sobretom (3º "overtone"), já que existem dois elos de realimentação positiva:

1) O primeiro deles e formado pela capacitância base-emissor de Q1. A colocação do capacitor C3, entre o emissor e a massa, completa o circuito, juntamente com o cristal, que atua como indutor. Dessa maneira, o oscilador operara exatamente como um circuito Colpitts em coletor-comum. Se o cristal utilizado operar numa frequência igual a um submúltiplo da frequência de transmissão, o elo de realimentação base-emissor será o responsável pela oscilação do circuito. O circuito tanque L1/C1 devera estar, então, sintonizado no harmônico da frequência da oscilação. Assim, por exemplo, para uma frequência de transmissão de 27 MHz, o cristal a ser utilizado devera ter uma frequência de oscilação de 9 MHz.

2) O segundo elo é formado pela capacitância coletor-base de Q1. O circuito ressonante L1/C1 é ajustado de forma a ficar ligeiramente indutivo. Juntamente com o cristal, que atua como indutor, forma-se o equivalente a um oscilador Hartley em emissor-comum. Quando se utilizam cristais de 3º sobretom, a realimentação entre coletor e base toma-se a responsável pelo funcionamento do oscilador.

Para o início das oscilações, é necessária uma polarização direta da junção base-emissor, proporcionada por R1 e R2. Os valores desses resistores variam entre 1 k ohms e 100 k ohms. Os valores mais elevados, como, por exemplo, 100 k ohms para R1 e 47 k ohms para R2, são usados para a obtenção de uma grande quantidade de harmônicos na saída do circuito, uma vez que o angulo de condução do transistor fica reduzido. Isso é útil quando o estágio funciona como oscilador/multiplicador. A explicação para isso é a seguinte: tanto a corrente quanto a tensão de emissor aumentam, reduzindo a polarização direta de base. O aumento da corrente de emissor faz aumentar, também, a corrente de base. Como o divisor de tensão tem uma resistência equivalente elevada, isso ira reduzir ainda mais a polarização direta de base, gerando mais harmônicos, devido à redução do angulo de condução do transistor.
Com cristais de sobretom, são utilizados valores menores para R1 e R2, como os indicados no diagrama, justamente para aumentar o angulo de condução do transistor e reduzir a produção de harmônicos.

2 - Separador

Este estágio tem a finalidade de separar o oscilador do excitador. Proporciona algum ganho de potência (5 vezes, aproximadamente). O casamento de impedâncias entre o oscilador e o separador é proporcionado por C2. Q2 é polarizado por R4 e R5 para operação em classe A. C2 é escolhido de forma a conseguir apenas a excitação suficiente, com o objetivo de melhorar as características de isolamento do estágio, evitando a saturação do transistor, o que aumentaria a realimentação da saída para entrada. Entre o coletor de Q2 e a base de Q3 existe uma rede casadora de impedâncias em L. C7 serve também de bloqueio da tensão continua de coletor de Q2.

3 - Excitador

O sinal de portadora proveniente do separador é aplicado à base de Q3 que opera em classe B. A base é polarizada pelo próprio sinal, havendo circulação de corrente apenas no semiciclo positivo do sinal de entrada. A corrente continua resultante, ao circular pelo resistor de base, gera uma tensão negativa. O coletor de Q3 e alimentado por um choque de RF, cuja função é impedir que o sinal amplificando seja desviado para a massa através de C10, o circuito, formado por C8, L3 e C9, atua como casador de impedâncias em T, sendo a impedância de entrada de Q4 menor que a saída de Q3. O fator de qualidade da rede casadora de impedâncias fica em tomo de 8 (QL = 8), sendo determinado pelo valor de C9, juntamente com a impedância de base deQ4. R8 tem seu valor determinado tanto pela necessidade de polarização de base, quanta pelo critério de estabilidade adotado, podendo variar de algumas dezenas de ohms, ate quase 1000 ohms. Um choque de RF pode ser usado no lugar de R8 para aumentar o ganho de potência do estágio, com ligeiro prejuízo para sua estabilidade de funcionamento.

4 - Amplificador de Potência Modulado

Opera em classe B. Na saída do estágio amplificador encontra-se o filtro de harmônico de 1/2 onda, formado por C12, L5, C13, L6 e C15. O capacitor C14, conectado em paralelo com L6, ressona em 54 MHz, ou seja, no 2º harmônico da frequência de transmissão. Isso faz com que C14 e L6 atuem como armadilha de harmônico, criando uma atenuação suplementar nas frequências de atuação (Figura 8).



Figura 8 Curva de resposta do filtro de harmônico, incluindo a ação da armadilha do 2º harmônico

O casador de impedâncias entre o coletor de Q4 e o filtro de harmônicos e do tipo "L". Um detalhe que merece ser abordado refere-se à existência de um filtro passa-faixa LC-serie, oculto no casador em "L" usado neste transmissor. De fato, para que o transistor opere eficientemente, a carga de coletor deve oferecer elevada impedância para as frequências harmônicas da portadora. Esses harmônicos são provenientes da deformação causada pela operação classe B. Embora a rede "L" ofereça alguma oposição a esses harmônicos, ela não é suficiente e deve ser aumentada pela inclusão de um filtro LC série, colocado no percurso do sinal (Figura 9). O mesmo artifício é utilizado no acoplamento entre Q2 e Q3.





Detalhes do Projeto


O projeto deste circuito foi efetuado a partir da seleção dos componentes principais, ou seja, dos transistores e do circuito integrado amplificador de potência de áudio.
Os casadores de impedâncias foram calculados para os valores de impedância assinalados junto as bases e aos coletores, nos diversos estágios do circuito da Figura 6.

Prática

A montagem do transmissor da Figura 6 poderá ser feita para fins de analise, sendo proibida a sua utilização, a não ser por radioamadores habilitados e nas faixas de frequência permitidas. Os transistores Q3 e Q4, assim como o circuito integrado 2002, precisam ser montados em dissipadores de calor de alumínio, sendo que os transistores necessitam de laminas de mica, ou outro material, para isolá-los do dissipador.
Os indutores ajustáveis deverão utilizar formas de plástico com diâmetro externo entre 5 e 7 mm, por 15 a 22 mm de comprimento, com núcleo de pó de ferro roscado com furo de ajuste hexagonal, com permeabilidade relativa de aproximadamente 11. Estes materiais são fabricados pela Sontag e pela Transmóbil, ambas de São Paulo. Os indutores L1 e L2 deverão ser enrolados com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,54 mm. Os demais, com fio esmaltado de diâmetro entre 0,8 e 1,1 mm. Os choques de RF XRF1, XRF2 e XRF4 são fabricados pela Sontag. Os demais são construídos com fio esmaltado de diâmetro entre 0,29 e 0,42 mm.
A montagem do transmissor, em circuito impresso, devera ser feita com trilhas curtas e largas. Todos os componentes deverão ser medidos com o auxílio de uma ponte RLC para radiofrequência. Todos os capacitores utilizados nos filtros e casadores de impedâncias deverão ser de mica prateada, de cerâmica de baixa permissividade ou poliestireno (Styroflex). Os capacitores de desacoplamento da seção de RF deverão ser de disco.
Para o ajuste inicial do transmissor, deverá ser utilizada uma carga não-irradiante de 50 ohms conectada na saída do circuito. O transmissor não devera ser ligado sem carga, sobre pena de danificar-se. A tensão de alimentação devera possuir limitação de corrente, que devera ser ajustada inicialmente em 200 mA.
Alimentado o circuito, deve-se ajustar o núcleo de L1, ate obter-se oscilação, indicada pelo wattímetro. Em seguida, devem-se ajustar os indutores L2, L3 e L4 para o máximo de indicação no wattímetro. Neste ponto, pode-se aumentar o limite da corrente fornecido pela fonte para 750 mA. A potencia de saída devera atingir pelo menos 4 W, para uma corrente total de 700 mA.
Aplicando-se um gerador de 1 KHz, na entrada de modulação, é possível determinar-se o índice e a linearidade da modulação. A frequência exata da portadora, medida com um frequencímetro, poderá ser ajustada pela inclusão de um indutor ou capacitor em serie com o cristal oscilador. O indutor devera ser utilizado se a frequência estiver acima da nominal. O capacitor, se a frequência estiver abaixo.

Observação: Caso não se disponha de uma fonte com limitador de corrente, deve-se utilizar, inicialmente, um resistor de 4,7 ohms em serie com o terminal de alimentação do transmissor. Para o ajuste final, o resistor poderá ser substituído por outro de 1 ohm, ou, então, eliminado.

Pode-se utilizar um osciloscópio com ponta de baixa capacitância, para seguir o sinal através dos circuitos do transmissor, caso o mesmo não funcione de maneira correta, desde a primeira vez. Deve-se iniciar a analise pelo oscilador de portadora, conferindo se, também, as tensões e correntes de polarização nos diversos estágios, comparando-se com os valores indicados no diagrama esquemático.
Nem todos os transistores BD137 operam de maneira adequada, na frequência de 27 MHz. A capacitância entre base e coletor devera ser de aproximadamente 10 pF, com uma polarização de 9 V. Os transistores SID, NEC, ICOTRON e IBRAPE devem ser preferidos. OBD137 pode ser substituído pelo BD329. O 2N4427 pode ser substituído por dois BF494 conectados em paralelo. O 2SC1306 poderá ser substituído por dois BD329 conectados em paralelo. Estas substituições, contudo, alteram um pouco o desempenho do circuito.
O cristal utilizado tanto poderá ser de 3º sobretom, quanto de fundamental. Neste caso o cristal devera possuir uma frequência nominal igual a um terço da frequência transmitida e os resistores R1 e R2 deverão ser mudados para 100 k ohms e 47 k ohms, respectivamente.

Conclusão

A análise do circuito da Figura 6 ressalta a função dos diversos estágios de um transmissor de rádio, bem como a finalidade dos principais componentes utilizados em cada um dos estágios.
É preciso esclarecer que muitos dos princípios aqui abordados - como a utilização de osciladores que operam em baixos níveis de potência, com a finalidade de se reduzir a deriva térmica; a utilização de estágios separadores e multiplicadores de frequência, para a redução do efeito de carga sobre o oscilador de portadora; o cascateamento de amplificadores com a finalidade obter-se maior ganho de potencia; o uso de ceifadores para a limitação dos picos de modulação - são técnicas de uso geral - que ultrapassam os limites da modulação em amplitude ou, mesmo, dos equipamentos transmissores. De fato, estes princípios e técnicas são aplicáveis a todos os tipos de transmissores, de radio ou televisão, e, no caso específico dos osciladores, o uso de separadores e multiplicadores de frequência é justificado, sempre que se busca a melhoria da estabilidade em frequência, mesmo em receptores e outros equipamentos.

Fonte:
Telecomunicações
Juarez do Nascimento
Makron Books

segunda-feira, 6 de julho de 2009

Transístor óptico é construído com uma única molécula

Chips que não geram calor

Pesquisadores suíços criaram um transistor óptico que consegue fazer com luz o que os transistores da eletrônica atual fazem utilizando a eletricidade. O transístor é o bloco básico de toda a eletrônica e de todos os processadores. No interior de um processador ele normalmente funciona como uma chave - a tensão aplicada a um dos seus três eletrodos controla a quantidade de corrente que flui pelos outros dois, podendo variar entre passagem total de corrente (estado ligado) até a interrupção total da corrente (estado desligado). Um dos grandes inconvenientes é que essa passagem contínua de eletricidade gera um calor descomunal - um chip estado da arte pode dissipar até 125 watts por centímetro quadrado, mais de 10 vezes o calor gerado pela chapa de um fogão elétrico. Se a luz puder ser usada, o chips não apenas ficarão muito mais rápidos, porque a luz viaja mais rapidamente do que os elétrons, como também estará resolvido o problema da dissipação de calor.

Transístor óptico

Um passo importante nessa direção foi dado agora pela equipe do Dr. Vahid Sandoghdar, do Instituto ETH de Zurique. Utilizando uma única molécula, os pesquisadores conseguiram fabricar um transístor óptico, que funciona usando fótons, e não elétrons. Os cientistas tiraram proveito do fato de que a energia de uma molécula é quantizada, ou seja, apresenta valores discretos. Quando a luz de um laser atinge a molécula em seu estado natural, ela absorve a luz. Como resultado, a luz do laser é consumida. O sentido inverso da operação também é possível - um segundo raio laser atinge a molécula de forma a fazê-la liberar a energia absorvida anteriormente e retornar ao seu estado "neutro". Isso ocorre porque o feixe de laser altera o estado quântico da molécula, amplificando o feixe de luz. Esta chamada emissão estimulada, que Albert Einstein descreveu há mais de 90 anos, também é a base para o funcionamento do próprio raio laser.

Transístor molecular

O efeito de amplificação do laser já é bastante conhecido, mas sempre utilizando uma quantidade muito grande de moléculas. O trabalho do pesquisador Jaesuk Hwang, autor principal do artigo científico que relatou a descoberta, foi tornar isto possível utilizando uma única molécula. O uso de um feixe de laser para ajustar o estado quântico de uma única molécula, de forma totalmente controlada, permite que se atenue ou amplifique o feixe de um segundo laser. Esse modo de operação é idêntico ao do transístor tradicional, com a diferença de que o transístor eletrônico controla a passagem de corrente elétrica, enquanto o novo transístor óptico controla a passagem de luz.

Processador óptico e computador quântico

Este é um passo importante tanto para a construção de um processadores ópticos quanto para a construção de um computador quântico. Mas é ainda apenas um passo. O transístor óptico é apenas experimental, funcionando em escala de laboratório sob temperaturas criogênicas (-272º C). "Comparando o estado atual desta tecnologia com a tecnologia da eletrônica, nós estamos mais perto das válvulas eletrônicas usadas nos anos 1950 do que dos circuitos integrados de hoje," diz o professor Sandoghdar. O maior desafio a ser vencido nessa caminhada será a fabricação de um protótipo de transístor óptico que funcione em temperaturas mais amenas. "Nesse meio tempo, os cientistas vão aprender a manipular e controlar os sistemas quânticos com objetivos bem direcionados, o que nos levará cada vez mais perto de um computador quântico," conclui o pesquisador.

Fonte: Inovação Tecnológica