Modulador de FM

Escrito por Newton C. Braga
Qui, 17 de Fevereiro de 2011 05:10

Nos projetos de transmissores de FM é preciso pensar muito bem no modo como o sinal gerado vai ser modulado por uma fonte de áudio externa. Nos circuitos mais simples, as próprias características da configuração facilitam a modulação, mas numa aplicação mais crítica precisamos de um circuito apropriado. Neste artigo descrevemos um modulador com varicap que pode ser usado em muitos tipos de transmissores de FM, não importando a sua potência.

Na modulação em frequência o sinal de RF gerado que tem uma frequência fixa quando puro (sem modulação) varia esta frequência entre dois valores fixos, acompanhando a intensidade de um sinal de áudio externo, conforme mostra a figura 1.





A faixa de frequências em que o sinal varia é determinada pela profundidade da modulação que num detector (discriminador) é convertida novamente num sinal de áudio de baixa frequência. Este sinal de áudio recuperado pode ser então amplificado e reproduzido.
Nos transmissores mais simples, quando aplicamos o sinal de áudio num transistor oscilador, conforme mostra a figura 2, este sinal influi na corrente de base e, portanto sobre a polarização do próprio transistor, modificando assim suas características dinâmicas, incluindo-se as capacitâncias entre as junções.




O resultado final é que a frequência gerada pelo oscilador varia sensivelmente com o sinal de áudio aplicado na base do transistor, o que corresponde a uma modulação em frequência.
Também é possível obter um efeito semelhante com um sinal de maior intensidade que atue na corrente de emissor do transistor, conforme mostra a figura 3.





No entanto, estes processos têm diversas deficiências, como, por exemplo, uma falta de controle na produção de harmônicas e mesmo sinais espúrios que podem implicar em interferências ou mesmo em distorções.
Uma maneira melhor de se modular um sinal em frequência é atuar diretamente sobre o circuito ressonante que determina as oscilações e não sobre o transistor.
Um componente que se presta muito bem para esta finalidade é o diodo varicap (diodo de capacitância variável) e é justamente ele que usamos como base para o projeto que apresentamos.
Descrevemos então um simples circuito modulador de FM que tanto pode ser usado com sinais de áudio de uma fonte externa como a partir dos sinais de transdutores tais como microfones ou cápsulas de toca-discos de maior rendimento.
Como ele atua diretamente sobre o circuito oscilante não importam as demais características do transmissor, como por exemplo sua potência.

Características:
Tensão de alimentação: 6 a 12 V
Corrente drenada: 2 mA (tip)
Tensão de sinal no varicap: 2 a 6 V (ajustável)
Faixa de capacitâncias: depende do varicap usado
Faixa de transmissão recomendada: 88 a 108 MHz

COMO FUNCIONA
Os varicaps ou diodos de capacitância variáveis são diodos de silício com junções mais largas que as normais, mas que operam polarizados no sentido inverso.
Nestas condições, como não há condução, a região da junção funciona como o dielétrico de um capacitor, enquanto que as regiões semicondutoras P e N funcionam com as armaduras.
Quando a tensão aplicada ao diodo é mínima, os portadores de carga ficam próximos da junção, diminuindo assim sua espessura, o que faz com que a capacitância seja máxima. É como se as "placas" do capacitor estivessem mais próximas. Quando aplicamos uma tensão maior, os portadores de carga se afastam e a capacitância diminui, como se as "placas" se afastassem uma da outra, conforme mostra a figura 4.





Dependendo do diodo e do tamanho das junções podemos ter variações consideráveis de capacitância nestes diodos, que então podem ser usados como verdadeiros capacitores variáveis de estado sólido, sem peças móveis.
A Philips Components dispõe de diversos diodos varicaps na sua linha de produtos. Suas especificações principais são a capacitância mínima e máxima e a faixa de tensões em que obtemos esses valores extremos.
Para o nosso projeto podem ser usados os seguintes diodos varicap:
BB405 - 1,6 a 9,0 pF com tensões de 0 a 28 V
BBY31 - 1,6 a 9,0 pF com tensões de 0 a 28 V
BB809 - 4,0 a 10 pF com tensões de 0 a 28 V
BBY40 - 4,0 a 10 pF com tensões de 0 a 28 V

É interessante observar que até mesmo diodos de silício comuns como os 1N4002 e 1N4148 também podem operar como varicaps, mas varrendo uma faixa de capacitâncias menor, mas nada impede que sejam experimentados neste projeto, pois essa variação pode ser compensada pela intensidade do sinal modulador.
No nosso circuito a tensão do sinal externo sobre o diodo é que vai modular o transmissor e ela vem do dreno de um transistor de efeito de campo de junção que opera como amplificador.
O ganho deste circuito é obtido em P1 enquanto que em P2 podemos ajustar a profundidade da modulação controlando a tensão sobre o varicap.
Na entrada, tanto podemos aplicar os sinais obtidos diretamente de fontes como pré-amplificadores, fonocaptores, microfones dinâmicos como também de eletretos em que precisamos de uma polarização adicional proporcionada pelo resistor Rx do circuito.
No projeto indicamos uma alimentação fixa com tensão de 9V de bateria, para maior estabilidade e para se evitar o problema de roncos, mas nada impede que fontes, com excelente filtragem na faixa de 6 a 12 V sejam usadas, inclusive as mesmas dos transmissores com o qual o circuito operar.

MONTAGEM
Na figura 5 temos o diagrama completo do modulador de FM.





A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 6.





O varicap pode ser qualquer um dos que indicamos no item anterior e até mesmo podem ser feitas experiências com um ou mais diodos comuns de silício ligados em paralelo como os 1N4002, 1N4148, etc.
Os resistores são de 1/8W ou mais e o FET de junção admite equivalentes como o MPF102, lembrando apenas que a disposição dos terminais deste componente é diferente do original.
Os capacitores eletrolíticos devem ter uma tensão de trabalho de pelo menos 12V e os demais podem ser cerâmicos ou poliéster.
Para P1 usamos um potenciômetro comum enquanto que P2 é um trimpot.

UTILIZAÇÃO
Na figura 7 damos um exemplo de aplicação para este modulador num pequeno transmissor experimental para a faixa de FM de 88 a 108 MHz.





Colocando todos os componentes numa única placa de circuito impresso, modulador e transmissor, temos a disposição mostrada na figura 8.




Para a faixa de frequências indicada a bobina do transmissor é formada por 4 espiras de fio esmaltado 22 ou mesmo fio comum de capa plástica rígido com diâmetro de 1 cm e sem núcleo.
O trimmer, que pode ter qualquer valor máximo entre 20 e 50 pF, faz o ajuste da frequência central de operação do transmissor.
O transistor pode ser o BF494 para uma versão de pequena potência com um alcance de até 100 metros, caso em que o resistor de emissor deve ter valores entre 47 e 100 Ω. Para maior potência, com alimentação de 12V podemos usar o transistor 2N2218. Neste caso, o alcance pode chegar a 1 000 metros, mas o resistor de emissor deve ser de 47 Ω x 1W. O transistor nesta versão deve ter um pequeno radiador de calor.
Para os dois casos, a antena pode ser um pedaço de fio rígido ou do tipo telescópico com comprimento entre 20 cm e 60 cm.
Os capacitores do transmissor devem ser todos cerâmicos de boa qualidade.
Para circuitos transmissores em que o sinal é gerado numa etapa e depois amplificado por uma ou mais etapas de potência, a modulação deve ser feita na etapa osciladora, exatamente como na configuração que mostramos.
Para usar o modulador, aplique o sinal de áudio na sua entrada e ajuste tanto P1 como P2 para obter a melhor modulação sem distorção do sinal no receptor. A sobremodulação causa distorções e, além disso, gera interferências com a perda de potência do transmissor, pois o sinal não se concentra na faixa desejada.


Lista de Materiais:

Semicondutores:
Q1 - BF245 - transistor de efeito de campo de junção (JFET) - ou equivalente
D1 - BB809 - diodo varicap ou equivalente - ver texto
Resistores (1/8W, 5%)
R1 - 1 M Ω
R2 - 2,2 k Ω
R3 - 33 k Ω
P1 - 10 k Ω - potenciômetro
P2 - 100 k Ω

Capacitores:
C1 - 470 nF - poliéster ou cerâmico
C2 - 10 µF x 12V - eletrolítico
C3 - 22 pF - cerâmico
C4 - 100 µF x 12V - eletrolítico

Diversos:
S1 - Interruptor simples
B1 - 6 a 12 V - pilhas, bateria ou fonte
J1 - Jaque de entrada
Placa de circuito impresso, fios, solda, conector de bateria ou suporte de pilhas, etc.

Material Para o Transmissor:
O mesmo do modulador mais:

Semicondutores:
Q2 - BF494 ou 2N2218 - transistor de RF

Resistores: (1/8W, 5%)
R4 - 10 k Ω
R5 - 6,8 k Ω
R6 - 47 Ω - ver texto

Capacitores:
C5 - 100 nF - cerâmico
C6 - 4,7 pF - cerâmico
C7 - 100 nF - cerâmico

Diversos:
CV - 2-20 a 5-50 pF - trimmer - ver texto
L1 - Bobina - ver texto
Placa de circuito impresso, antena de 40 cm a 80 cm (telescópica ou fio rígido), fios, fonte de alimentação, caixa para montagem, etc.


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