Transmissor de FM PLL VCO e amplificador 400mW

Parte 2 do Transmissor de FM PLL incluindo VCO, PLL amplificador 400mW

Essa é a segunda parte doTransmissor de FM PLL VCO , explica a parte de PLL e VCO (Voltage Contolled Oscillador ou  Oscilador Controlado por Tensão), também o circuito de FM modulada para até 400mW.

Todo transmissor precisa de um oscilador, o oscilador precisa ser controlado por tensão e isso é necessário de ser estável. A via mias fácil para se fazer um oscilador de RF estável é implementar algum sistema de regulação de frequência. Um simples e comum sistema é chamado de PLL.

Diagrama em blocos do circuito PLL , VCO e amplificador.

A esquerda temos a interface para ser ligada na unidade de controle — parte 1, na direita (Xtal) é o cristal oscilador. O oscilador é muito estável e será a referência para regulagem do sistema. O oscilador principal (em azul) é controlado por tensão.

Na construção o alcance do VCO é 88 a 108 MHz. Como pode ver pelas setas azuis, parte da energia vai para o amplificador e parte para a unidade PLL. Você pode ver também que o PLL pode controlar a frequência do VCO. O que o PLL faz é comparar a frequência do VCO com a frequência de referência (sendo muito estável) e regula o VCO para travar o oscilador na frequência desejada. A última parte que irá afetar o VCO é a entrada de áudio. A amplitude de áudio faz o VCO modular em frequência (FM).

Seção de hardware e esquema.

Não é bom carregar ou “roubar” muita energia o oscilador, pois isso pode para a oscilação ou gerar sinal de má qualidade. Para isso o autor adicionou um amplificador.  O oscilador entrega cerca de 15mW e o amplificador eleva para uma potência de 150mW. O amplificador pode ser pressionado um pouco mais (talvez 400 a 500mW), mas que não é a melhor solução. Na parte 3 do projeto terá um amplificador de 1,5W.

Por hora termos uma potência de 150mW. 150 não parece muito mais com essa potência pode transmitir sinais de RF até 500 m com facilidade. Em alguns experimentos o autor com 400mW de potência consegue até 4 km em campo aberto e antena dipolo. Nos grandes centros uns 3 a 4 quarteirões, construções e concreto atenuam o sinal de RF.

Hardware e esquema do circuito do Transmissor de FM PLL VCO— clique para ampliar.

O oscilador principal está baseado no transistor Q1, esse oscilador é chamado oscilador Colpitts e ele é controlado por tensão para obter FM(Modulação em frequência) e controle PLL. Q1 deve ser um transistor para alta frequência para melhor funcionamento, mais nesse caso o autor usou um barato e comum transistor BC817 que funciona bem. O oscilador precisa de um circuito LC tanque para oscilar corretamente. Nesse caso o circuito LC consiste em L1 com o Varicap D1 e dois capacitores (C4, C5) na base emissor do transistor. O valor de C1 define o alcance do VCO.

Quanto maior o valor de C1, maior será o alcance do VCO. Visto que a capacitância do varicap (D1) é dependente da tensão sobre ele, a capacidade mudará com alteração da tensão. Desta forma, você consegue uma função VCO. Você pode usar várias categorias de diodos varicaps. No caso do autor ele usou um diodo varicap (SMV1251) que possui uma ampla faixa de 3-55pF para garantir o alcance do VCO (88 a 108 MHz).

Na caixa pontilhada de azul, temos a unidade de modulação de áudio. Essa parte inclui um segundo varicap (D2). Esse Varicap é polarizado por uma tensão DC de 3 a 4 volts. Esse varicap faz parte de um circuito tanque LC por um capacitor (C2) de 3.3pF. O áudio da entrada será acoplado pelo capacitor (C15) e adicionado a tensão contínua. A tensão do áudio é mudada em amplitude, a tensão total sobre o varicap (D2) também irá mudar. Como efeito a capacitância mudar e também a frequência do tanque LC.

Temos uma modulação em frequência do sinal da portadora.  A profundidade de modulação é definido pela amplitude de entrada. O sinal deve ser em torno de 1Vpp. Basta ligar o som para o lado negativo do C15. Agora você quer saber porque não foi usado primeiro o varicap (D1) para modular o sinal?
Poderia fazer isso se a frequência seria fixo, mas neste projeto a faixa de frequência é de 88 a 108MHz.

Se você observar na imagem da curva características do varicap, verá facilmente que a variação de capacidade é maior nas tensões mais baixas do que nas mais altas. Imagine se usar um sinal de áudio com amplitude constante. Se fosse modulada no varicap (D1), com esta amplitude de modulação diferiria dependendo da tensão sobre o varicap (D1). Lembre-se que a tensão sobre varicap (D1) é de cerca de 88MHz a 0V e  108MHz em +5 V. Ao usar dois varicap (D1) e (D2) Recebo a profundidade de modulação mesmo de 88 a 108MHz.

Agora olhando no esquema à direita do circuito LMX2322 temos o ressonador de referência VCTCXO. Esse oscilador é baseado em um muito preciso VCTCXO (Voltage Controlled Temperature controlled Crystal Oscillator) de 16.8MHz. A tensão aqui deve ser de 2,5 volts. O desempenho do cristal VCTCXO nessa construção é tão boa que você não precisa fazer nenhum ajuste de referência.

Uma pequena parte da energia do VCO é realimentada para o circuito PLL via resistor R4 e C6. O PLL irá utilizar a frequência do VCO para regular a tensão de sintonia. No pino 5 do LMX2322 você vai encontrar um filtro PLL para formar o (VTune), que é a tensão de regulação do VCO.
O PLL tentar regular o (VTune) para a frequência do oscilador VCO está configurado para a frequência desejada. Você também vai encontrar o TP (Test Point) aqui.

A última parte é o amplificador de potência de RF (Q2). Alguma energia é passada por (c6) para a base de (Q2). Q2 deve ser um transistor de RF para obter melhores resultados na amplificação de lata frequência. Pode até usar um Bc817 aqui, mais não recomendado. O resistor de emissor (R2 e R16) define a corrente através desse transistor, com R12, R16 = 100Ohms e fonte de alimentação de 9 volts teremos cerca de 150mW de potência de saída com facilidade. Você pode diminuir o valor desses resistores (R12, R16) para obter uma potência maior, porém cuidado para não ver um transistor frito… rsssss

Corrente de consumo do VCO 60ma@9v.

Download da placa para montagem do amplificador em PDF — escala 1:1

Placa lado dos componentes para orientar na montagem do PLL VCO e Amplificador-clique para ampliar.

Cada categoria de componentes está marcado de uma cor, para você não se confundir.

Bom plano de terra é fundamental em sistemas de RF. É usado uma placa dupla camada coma parte de baixa sendo terra e conectada com a parte de camada de cima em vários lugares (5 furos), para obter um bom aterramento.

Realize um pequeno furo na PCI e solde um pedaço de fio em cada furo para conectar a parte inferior com o topo. Os cinco furos estão sendo mostrados destacados me vermelho e marcado como “GND”.

O próximo passo é para conectar a fonte.
V1 (78l05) C13, C14, C20, C21.

Oscilador de referência VCTCXO 16.8MHz
O próximo passo e adicionar o cristal oscilador de referência para funcionar.
Adicione o VCTCXO (16.8MHz), C22, R5, R6.

Teste:
C0necte alimentação principal e tenha certeza que tem +5V volts depois de V1.
Conecte o Osciloscópio ou frequencímetro no pino 3 do VCTCXO  assegure que ele está oscilando a 16.8MHz.
VCO:

Próximo passo é ter certeza do funcionamento do oscilador.
Adicione Q1, Q2,
L1, L2, L3, L4
D1, D2,
C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C18, C19,
R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17

Agora conecte um resistor de 50 Ohms de RFout para GND como carga fantasma.
Você pode conectar um osciloscópio para a saída de RF para verificar o sinal.
Assegure que tenha entre 3 – 4 VDC na junção entre R13-R14.

TP é um “ponto de teste” o qual a tensão (VTune) será definida pelo circuito PLL. Você pode usar essa saída para medir a tensão VCO para testar a unidade. Sendo que não adicionamos o circuito PLL, podemos usar esse TP como entrada para testar o VCO e o alcance do VCO.
A tensão no TP irá definir a frequência de oscilação.

TP é um “ponto de teste” que a tensão (VTune) será definido pelo circuito PLL.
Você pode usar essa saída para medir a tensão VCO para testar a unidade. Visto que o circuito PLL não foi adicionada ainda, podemos usar esse TP como entrada para o ensaio do VCO e a faixa VCO.
A tensão no TP irá definir a frequência de oscilação.

Se você conectar TP ao gnd, o VCO estará oscilando na sua  menor frequência.
Se você conectar TP para +5 V, o VCO estará oscilando na sua maior frequência.
Ao alterar a tensão no TP você pode sintonizar o VCO para qualquer frequência na faixa do VCO.
Se você tem um rádio na mesmo local, você pode usá-lo para encontrar a frequência de VCO.
Neste ponto não há modulação do transmissor, mas você ainda vai encontrar a portadora com o receptor de FM.

A indutância de L1 afeta a frequência do VCO e a faixa de trabalho do VCO.

Aumentando o espaço ou diminuindo L1, você irá mudar a frequência VCO com facilidade.

No teste o autor usou o TP conectado para o gnd e um frequencímetro para verificar em que frequência o oscilador está funcionando. Comprima ou espace L1 até obter 88MHz. Como Tp está conectado para o gnd e sabemos a frequência minima de oscilação do Vco, agora conectamos TP para +5V e verificamos se está funcionando a 108MHz. Se não tiver um frequencímetro a mão podemos utilizar qualquer rádio FM para encontrar a frequência portadora. Se até esse ponto o oscilador de referência e o VCO estão funcionando corretamente, é hora de adicionar os outros componentes.

PLL:
Adicione o circuito integrado LMX2322 , C15, C16, C17, R1, R2, R3, R4
O CI LMX é pequeno e deve ter cautela ao soldá-lo.

Soldando o CI LMX2322
Aí vem o grande desafio.
Clique aqui para ver fotos do autor do projeto ensinando a soldar componentes SMD e DIP.
O Ci  está num pequeno encapsulamento SO-IC e esse pequenino pode atrapalhar sua vida… rsss
Não se preocupe, explicarei como lidar com isso. Use uma  solda de chumbo fino e um soldador bem limpo.
Comece  por um pino para fixar em cada lado do circuito e garante que ele esteja colocado corretamente.
Então soldamos todos os outros pinos e eu não importando se haverá pinos soldados juntos.

Depois é hora de limpar e para isso use uma malha de dessoldamento, até que o circuito fique correto e não haja curtos entre os pinos do LMX.

Mais algumas coisas a não esquecer:

• É importante que você use uma carga fantasma de 50 Ohm quando você testar o aparelho.
• É importante que o varicap seja montado na posição correta (ver esquema).
• É importante que você seja cuidadoso e preciso quando você solda os componentes.
• Verifique se você não tenha solda curto circuitando as trilhas ou pinos dos componentes.

A parte de RF está pronta para ser conectada a parte Controle digital

Como enrolar a bobina L1

O indutor L1 determina a frequência de trabalho:

• 4 voltas termos 70 – 88 MHz.
• 3 voltas termos 88 – 108 MHz.

O autor utilizou fio de cobre esmaltado de 0,8 mm. A bobina tem 3 voltas com um diâmetro de 6,5 mm, usando uma broca de 6,5 mm (como mostrado na imagem).
Primeiro efetua se uma “bobina falsa” para ver qual o tamanho do fio necessário. Enrolando às três voltas e cortando a parte que sobra.

Então estique o fio da “bobina falsa” e corte um pedaço de fio do mesmo tamanho, limpe as pontas do fio usando um estilete, use o ferro de solda para colocar um pouco de solda (como na imagem abaixo). Enrole a nova bobina.

Lista de material para montagem do projeto do VCO , PLL e amplificador do transmissor de FM

O autor do projeto tem kits de componentes para essa montagem, e envia para todo o mundo.

Para encontrar esses componentes: sugiro lojas de eletrônica de sua cidade, lojas de eletrônica que vendem pela internet no Brasil como Solda Fria, Mercado Livre, Loja internacional que entregam no Brasil como Mouser, e também no Ebay e Aliexpress.

Sobre o Varicap SMV1251 que pode ser difícil de achar, tem no Mercado livre por R$ 5,00. Se não encontrar os outros componentes podem te ajudar  a localizar.

Como construir uma antena Dipolo para o transmissor em 45 minutos.

Como construir uma simples mais eficiente antena dipolo em pouco tempo, as varetas da antena é feita de fio de cobre rígido de 6 mm. Pode usar também tubos de cobre ou alumínio. O autor notou que ao usar essa categoria de antena o ganho era maior nas frequências mais altas em torno de 104 a 108 MHz.

O cálculo deu uma vareta com comprimento de 67 cm. Então cortamos duas hastes de 67 cm cada. Foi usado um também um tubo de PVC para dar mais sustentação  à antena.

Foi utilizado um tubo para as hastes e outro como mastro. O autor utilizou fita adesiva para unir os dois tubos. No tubo vertical estão às duas varetas aonde vai ligado o cabo coaxial. O cabo coaxial é enrolado em 10 voltas ao redor do tubo horizontal para formar um balum (Choque de RF) para evitar reflexos. Este balum pode ser melhorado. O autor colocou a antena na varanda (veja foto) e conectou ela ao transmissor e ligou a fonte de alimentação. Ele mora numa cidade de tamanho médio então foi de carro ver até onde ia o sinal de seu transmissor de FM, o sinal recebido foi cristalino. Como tem muitos edifícios ao redor do transmissor, o alcance máximo de transmissão foi afetado.
O transmissor funcionou até 5 km de distância quando a visão era clara. No ambiente urbano chegou a um a dois quilômetros, devido ao concreto da cidade.
Esse é um bom desempenho de um amplificador de 1W com uma antena que me levou 45 minutos para construir.

Fonte de projeto:  http://www.rfcandy.biz/communication/fm_pll_vco.html

Texto traduzido e adaptado com autorização do autor Daniel – engenheiro eletrônico da Suécia

Veja as outras partes
Parte 1 – Unidade de controle Principal
Parte 3 – Amplificador de potência