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EnciclopediaEnciclopediaVVisualisualde lade laElectrónicaElectrónica

INDICE DEL

CAPITULO 7

EL SURGIMIENTO DE LA RADIOLos experimentos de Faraday.....................99Los planteamientos de Maxwell .................99Las ondas de radio y el espectro electromagnético.........................................99La telegrafía sin hilos...................................100Estructura simplificada de una válvula diodo.......................................100Principio básico de operación de un receptor de radio .................................101Las primeras transmisiones .........................102La evolución de las comunicaciones por ondas radiales ......................................103El desarrollo de la radio comercial ..........103Modulación en FM y transmisión en estéreo ....................................................103

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPOLos FETs..........................................................105El JFET ............................................................105Efecto de campo .......................................105El MOSFET de empobrecimiento...............105MOSFET de enriquecimiento......................106Protección de los FETs.................................107Funcionamiento del transistor deefecto de campo.......................................107

INTERCOMUNICADOR POR LA RED ELECTRICAEl circuito transmisor....................................109El circuito receptor......................................110Lista de materiales del transmisor .............112Lista de materiales del receptor ...............112

LOS EXPERIMENTOS DE FARADAY

Aunque se realizaron múltiplesexperimentos sobre electricidad ymagnetismo antes de Michael Fara-day (figura 1), fue este investigadoringlés quien descubrió la estrecharelación que existe entre ambos ti-pos de fenómenos.

Fue precisamente Faradayquien descubrió que cuando enuna bobina circula una corrienteeléctrica, se produce un campomagnético proporcional a la co-rriente circulando, y a la inversa:cuando a una bobina se aplica uncampo magn tico externo, en susextremos aparece una variaci n detensi n (figura 2).

Este descubrimiento, aparente-mente tan sencillo, es la base sobrela cual funcionan prácticamentetodos los aparatos eléctricos quenos rodean en nuestra vida cotidia-na, desde el motor de un auto dejuguete hasta los grandes transfor-madores que sirven para distribuir elfluido eléctrico en las grandes ciu-dades.

LOS PLANTEAMIENTOS DE MAXWELL

En la década de 1860, el físicoinglés James Clerk Maxwell, conuna gran lucidez que asombra in-cluso a los científicos contemporá-neos, puso al descubierto en formateórica la estrecha relación queexiste entre los campos eléctricos ymagnéticos; postulando que unacarga eléctrica en movimiento pro-duciría en su alrededor un campomagnético variable, el cual, a suvez, induciría un campo eléctrico, yasí sucesivamente (figura 3). Esto, asu vez, se traduciría en la genera-ción de una onda electromagnéti-ca que se origina en la carga eléc-trica variable y viaja en todas direc-ciones (estos trabajos se publicaron

en conjunto hasta 1873). Sus cálcu-los teóricos le permitieron determi-nar que esta onda electromagnéti-ca se propaga a la misma veloci-dad que la luz, lo que lo llevó a laconclusión de que la energ a lumi-nosa no era sino otra manifestaci nde este tipo de ondas (un salto ima-ginativo sorprendente para la épo-ca).

LAS ONDAS DE RADIO Y EL ESPECTRO

ELECTROMAGN TICO

Tan sólo faltaba la comproba-ción práctica de estas teorías, y és-ta fue conseguida por los experi-mentos de un físico alemán: Hein-rich Hertz, quien utilizan-do una cámara de chis-pas y un aro metálicoreceptor (figura 4) co-rroboró la existencia delas ondas electromag-néticas. El fundamentode este experimentofue el siguiente: si efecti-vamente en las cargaseléctricas en movimien-to representadas por lachispa eléctrica se ge-neraba una serie de on-das electromagnéticas,el aro receptor captaríaparte de esta onda y latransformaría nueva-mente en señal eléctri-ca, haciendo saltar unachispa de menor tama-ño, pero perfectamen-te sincronizada con lachispa principal entrelas puntas del aro re-ceptor.

Debido a lo rudi-mentario del experi-mento, Hertz tuvo quehacer grandes esfuer-zos para localizar lospuntos en que la induc-

Capítulo 7

99

Capítulo 7

El Surgimiento de la Radio

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 2

ción electromagnética sobre el arometálico estuviera en su punto má-ximo; sin embargo, una vez obteni-da la chispa inducida en el aro me-tálico, eso bastó para demostrar enla práctica la validez de lasteorías de Maxwell. Precisa-mente, en honor a Hertz, seha denominado con su nom-bre una de las variables fun-damentales en el comporta-miento de las ondas electro-magnéticas (y en general detodo tipo de oscilaciones): losciclos por segundo (figura 5).

LA TELEGRAFŒA SIN HILOS

Incluso cuando Hertz des-cubrió la existencia de las on-

das electromagnéticas, todosestos experimentos no pasabande ser curiosidades de laborato-rio; fue hasta que un investiga-dor italiano, Guglielmo Marconi,quien al estudiar los descubri-mientos realizados por Hertz, lle-gó a la conclusión de que lasondas electromagnéticas po-dían utilizarse para la transmisióninstantánea de información adistancia (figura 6).

Para conseguir la transmisiónde datos por medio de ondasde radio, Marconi utilizó una c -mara de chispas, la cual produ-cía en su interior un arco eléctri-

co al aplicarle la señal de un capa-citor. Para comprobar si efectiva-mente se podía aprovechar la on-da resultante a distancia, le pidió asu hermano que llevara la cámaraa un sitio alejado de su casa y de-trás de una colina cercana, de mo-do que no hubiera contacto visualentre ambos: al momento en que seaplicó a la cámara de chispas unaserie de pulsos de activación en có-digo Morse, Marconi fue capaz derecibirlos con gran claridad, que-dando demostrada la posibilidadde la comunicación a distancia sinnecesidad de hilos telegráficos (fi-gura 7).

Marconi viajó por toda Europa yAmérica promocionando su descu-brimiento, hasta que a finales del si-glo pasado y principios del presentefue reconocido como el primero endesarrollar un uso práctico para lasondas electromagnéticas; porejemplo, en 1899 logró establecer lacomunicación entre Europa conti-nental e Inglaterra por medio de on-das radiales, e incluso en 1901 con-

siguió una transmisión transatlánticaentre Europa y América, hecho quedefinitivamente lo consagró comoel padre de la radio (de hecho, pa-ra 1902 ya se había establecido unservicio de radio-cables regular en-tre Europa y América). Como reco-nocimiento a estos descubrimientos,Marconi recibió el Premio Nobel defísica en 1909.

A pesar del gran avance que re-presentó para la época el desarro-llo de la telegrafía sin hilos, aún que-daban diversos aspectos que resol-ver para que pudiera desarrollarseun sistema de radiotransmisión mo-derno, capaz de transmitir no sólopulsos en código Morse, sino tam-bién sonidos, voces, música, etc. Tu-vo que desarrollarse una rama de lafísica para que la radio comercialfuera una realidad: la electrónica.

LAS V LVULAS DE VACŒO

El primer antecedente de un dis-positivo electrónico lo encontramosen los laboratorios de Thomas AlvaEdison, cuyos experimentos lo lleva-ron a desarrollar la lámpara incan-descente; descubrió que si un alam-

El Surgimiento de la Radio

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Fig. 4

Fig. 7

Fig. 5.a

Fig. 5.b

Fig. 6

bre al que se le había aplicado unpotencial positivo era colocadodentro de la ampolla de vidrio al va-cío, se establecía un flujo de elec-trones entre el propio filamento in-candescente y el alambre; pero es-ta corriente sólo aparecía con di-cha polaridad, ya que al invertir lacarga eléctrica del alambre no seproducía el flujo (figura 8).

Este fen meno, conocido y pa-tentado como efecto Edison , inspi-r al ingeniero el ctrico ingl s JohnAmbrose Fleming a desarrollar la pri-mera v lvula electr nica del mundo:el diodo (figura 9). Lafunción principal deeste dispositivo consis-tía en rectificar corrien-tes alternas, y de inme-diato encontró unaaplicación práctica enla radio; se le empezóa utilizar como detec-tor, rectificador y limita-dor de señal, lo que asu vez permitió cons-truir receptores de ra-dio más precisos y sen-sibles.

Sin embargo, la co-municación radial enforma no fue posible si-no hasta la apariciónen 1906 de otro disposi-

tivo electrónico, fruto delas investigaciones delinventor norteamerica-no Lee DeForest: la vál-vula tríodo (figura 10),que añadía una tercerarejilla de control a la vál-vula diodo. Con estasencilla adición, el dis-positivo funcionaba co-mo amplificador o co-mo oscilador (depen-diendo de su conexiónexterna).

La inclusión de laválvula tríodo en los re-ceptores de radio per-mitió captar incluso se-ñales muy débiles, au-mentando de forma sig-nificativa el alcance delas emisiones radiales;además, su utilizacióncomo oscilador permitióel surgimiento de la he-terodinación, técnica

fundamental para el desarrollo dela radio comercial (pues permitió ladivisión y aprovechamiento del es-pectro electromagnético).

Con todo lo anterior, para la dé-cada de los 20’s ya se contaba endiversas partes del mundo con unagran cantidad de estaciones de ra-dio; tanto aumentó el número dereceptores, que pronto la radio seconvirtió en uno de los principalesmedios de comunicación a distan-cia, sitio del que fue desplazada, amediados de los 50’s, por la televi-sión.

PRINCIPIO B SICO DE OPERACI N

DE UN RECEPTOR DE RADIO

Antes de explicar cómo funcio-na un receptor de radio, tenemosque hablar de la primera forma demodulación: la modulaci n en am-plitud o AM.

Como se mencionó anterior-mente, el primer transmisor utilizadopor Marconi utilizaba una cámarade chispas como medio de genera-ción de ondas electromagnéticas.Pero este procedimiento tenía ungran defecto: supongamos que dospersonas accionan una cámara dechispas al mismo tiempo en distintaslocalidades, y que un receptor re-moto trata de recibir las señales ge-neradas por uno de ellas (figura 11).Debido a que prácticamente se tie-ne tan sólo un impulso de energíasin ninguna regla ni limitación, las se-

Capítulo 7

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Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

ñales de ambas emisoras llegarán almismo tiempo hasta el receptor;mas éste no tiene forma de determi-nar cuáles pulsos corresponden a laestación que desea escuchar ycuáles provienen de la otra.

Obviamente, para la efectivautilización de la radio, es necesarioasignar canales exclusivos para eluso de las estaciones emisoras; así elreceptor podría elegir entre ellas,solamente sintonizando el canaladecuado.

Este problema fue solucionadopor el ingeniero norteamericano Ed-win H. Armstrong, quien desarroll lamodulaci n en amplitud; también aél debemos el descubrimiento de lamodulación en frecuencia. En tér-minos generales, la modulación en

amplitud consisteen montar sobreuna señal de fre-cuencia superior laseñal de audio quese va a transmitir (fi-gura 12); y como esposible asignar fre-cuencias de porta-dora distintas a ca-da una de las esta-ciones radiales quelo soliciten, puedehaber varias de és-tas en una comuni-dad sin que se in-

terfieran una con otra.La señal modulada en amplitud,

se envía al aire a través de una an-tena y llega al receptor. Para recibirúnicamente esta señal, se sintonizapor medio de un oscilador interno,se le hace pasar por un filtro pasa-banda, se rectifica (se elimina laporción superior o inferior de la se-ñal) y se pasa por un filtro detector;éste recupera la señal de audio ori-ginal, la envía hacia el amplificadory finalmente hasta el parlante (figu-ra 13).

LAS PRIMERAS TRANSMISIONES

Oficialmente, la primera esta-ción en forma que inició transmisio-

nes en el mundo fue la KDKA dePittsburgh; comenzó sus operacio-nes en 1920, cubriendo en ese añola elección presidencial de EstadosUnidos.

A partir de ese momento, la ra-dio se extendió rápidamente por to-da América y Europa, convirtiéndo-se en uno de los entretenimientosprincipales de un buen porcentajede la población mundial, y en la for-ma más rápida y confiable de ente-rarse de los últimos acontecimien-tos. (Una anécdota muy famosaocurrió con la transmisión de la ver-sión radiofónica de “La guerra delos mundos”, de H. G. Wells; fue lle-vada a cabo en el “Teatro Mercuriodel Aire” por Orson Wells el 30 de oc-tubre de 1938, provocando escenasde pánico masivo entre los radioes-cuchas -que tomaron como verídi-ca la invasión marciana.)

De hecho, incluso en nuestraépoca aparentemente dominadapor la televisión, la radio sigue sien-do uno de los espacios de discusióny análisis más empleados en el mun-do; y todo esto es el resultado de lasinvestigaciones realizadas a finalesdel siglo pasado y principios del pre-sente, por científicos de muy diver-sas nacionalidades que trabajabancon un fin común: transmitir informa-ción a distancia, utilizando las on-das electromagnéticas.

El Surgimiento de la Radio

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Fig. 12

Fig. 13

LA EVOLUCI N DE LAS COMUNICACIO-NES

POR ONDAS RADIALES

Ya en el número anterior habla-mos de los pasos que se dieron en laevolución de la radio; desde elplanteamiento teórico de las ondaselectromagnéticas por parte deMaxwell, su descubrimiento físicopor parte de Hertz y su aprovecha-miento práctico por parte de Mar-coni, hasta la aparición de las pri-meras estaciones de radio comer-ciales. En esta ocasión veremos muybrevemente la forma en que haavanzado la comunicación por me-dio de ondas electromagnéticas,desde principios de siglo hasta nues-tros días.

EL DESARROLLO DE LA RADIO COMER-CIAL

Como ya mencionamos en elapartado anterior, la primera esta-ción de radio comercial que se ins-tauró en el mundo fue la KDKA dePittsburgh, en Estados Unidos. Peroesto no hubiera tenido caso, de nohaberse desarrollado un métodosencillo y económico para captarlas ondas radiales; a la postre, estopermitiría a la radio ganar un sitiopreponderante en todos los hoga-res del mundo. Este método fue des-cubierto por Greenleaf Whittier Pic-kard, quien en 1912 investigó laspropiedades de ciertos cristales pa-ra detectar las ondas hertzianas (locual dio origen a las famosas radiosde cristal, tan populares en los años20’s). Todo ello, aunado a la recien-te aparición de los receptores su-per-heterodinos y el aprovecha-miento de las válvulas de vacío co-mo rectificadores, detectores, am-plificadores y osciladores, permitióque los años 20’s y 30’s se convirtie-ran en la época de oro de la radioen todo el mundo.

Aun así, las primeras estacionesemisoras enfrentaron un grave pro-blema: prácticamente nadie teníauna idea clara de cómo se podíaexplotar de forma eficiente estenuevo medio de comunicación; sedieron casos en que los propietariosy directores de las recién nacidasestaciones, salían hasta las puertas

de éstas para invitar al público engeneral a recitar, cantar, contarchistes o realizar cualquier otra cosaque les permitiera llenar los minutosal aire de que disponían.

A decir verdad, casi todas las es-taciones de radio estaban patroci-nadas por una sola compañía; enconsecuencia, los “comerciales”transmitidos al aire tan sólo promo-cionaban a la empresa dueña de laestación (compañías como Wes-tinghouse y General Electric pusie-ron estaciones a todo lo largo y an-cho de Estados Unidos, con la ideade promocionar sus receptores deradio entre la población). Fue hastamediados de la década del 20,cuando el concepto de una pro-gramación radiofónica se extendióentre los dueños de estacionestransmisoras; se comenzaron enton-ces a explotar géneros tan clásicoscomo la radionovela, los noticieros,los programas de opinión, la músicavariada, etc. (géneros que básica-mente permanecen sin cambioshasta nuestros días).

MODULACI N EN FM YTRANSMISI N EN EST REO

Ahora bien, las transmisiones enamplitud modulada (AM) fuerondurante mucho tiempo el pilar so-bre el que descansó la radio comer-cial; y es que tanto los transmisorescomo los receptores, eran muy eco-nómicos. Pero la calidad del audioobtenido a través de una transmi-sión AM convencional, generalmen-te resultaba demasiado pobre y fá-cilmente era interferida por fenó-menos atmosféricos (tales como tor-mentas eléctricas) o por la apari-ción de las recién instaladas líneasde alta tensión que llevaban el su-

ministro eléctrico a distintas partesdel país; esto sin mencionar los mo-tores eléctricos y otros dispositivosgeneradores de gran cantidad deruido electromagnético, que tam-bién afectaban en forma conside-rable la recepción de las ondas deradio (figura 14).

El problema no podía resolversesimplemente mejorando la calidadde los receptores, ya que el con-cepto mismo de modulación en AMresulta excesivamente susceptible ala interferencia externa. Si recorda-mos la forma en que es transmitidauna señal en AM, veremos que elaudio que se desea enviar se mon-ta sobre una frecuencia portadora,de modo que ambas viajen juntaspor el aire hasta ser captadas por elreceptor; pero como la informaciónútil está contenida en la amplitudde la portadora, cualquier fenóme-no que afecte a dicha magnitudtambién afecta a la informacióntransportada. Por ejemplo, si en lascercanías de un receptor de AM seponía a funcionar un motor eléctri-co, las corrientes internas podíangenerar suficiente ruido electro-magnético, el cual, al mezclarsecon la señal de AM original, daríapor resultado un audio lleno de rui-do y en ocasiones completamenteopacado por la interferencia. Co-mo ya se dijo, tal fenómeno no tie-ne nada que ver con la calidad delos receptores; incluso en nuestrosdías, seguimos escuchando lastransmisiones de AM con constantesinterferencias externas.

Para eliminar en la medida de loposible el ruido inducido por fuentesexternas en la recepción de radio,se tenía que desarrollar un métodoalternativo para la transmisión de in-formación y que no dependieratanto de la amplitud de la portado-

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Fig. 14

ra (la cual fácilmente se veía afec-tada por fenómenos que le son aje-nos). Este se hizo realidad en 1936,cuando el investigador norteameri-cano Edwin H. Armstrong (el mismoque había descubierto la modula-ción en amplitud) planteó todo elproceso de generación, transmi-sión, recepción y detección de on-das sonoras utilizando un nuevo yrevolucionario método: montar laseñal que se deseaba transmitir, noen la amplitud sino en la frecuenciade la portadora; esto es, la canti-dad de ciclos por segundo de la se-ñal portadora variaría de forma pro-porcional a la amplitud de la señalque se deseara transmitir (figura 15).

Pronto se descubrió que esta for-ma de transmisión era práctica-mente inmune a los fenómenos me-teorológicos y ruido externo -que encambio fácilmente afectaban a lasseñales de AM; así se conseguíauna mayor calidad de audio y unarelación señal-ruido mucho másadecuada que con la modulaciónen amplitud. Hasta nuestros días lasestaciones de FM tienen un sonidomás agradable que las típicas seña-les de AM.

Este fenómeno se acentuó conla aparición de las transmisiones enFM estéreo, las cuales aprovechanla alta frecuencia de la banda asig-nada a FM y el ancho de bandaconsiderablemente mayor que se lepermite utilizar a una estación deFM, comparado con una de AM(simplemente revise el cuadrantede la radio, y se percatará que ca-da pocos kilohertz encontramosuna estación de AM; en cambio, lasestaciones de FM están separadaspor 0.8MHz -es decir, una separa-ción de 800kHz entre señales, lo queda un amplio margen de manio-bra).

El concepto detrás de la transmi-sión de señales de audio en estéreoa través de ondas radiales, es suma-mente ingenioso. Como sabemos,cuando se modula una señal mon-tándola sobre una cierta frecuenciaportadora, alrededor de esta últimaaparecen unos lóbulos donde estácontenida precisamente la informa-ción que se va a transmitir; sin em-bargo, si se tiene un amplio rangode maniobra, es posible introducir

señales adicionalesal audio principal,de modo que sirvanpara distintos pro-pósitos. En el casoconcreto de la mo-dulación FM esté-reo, los investigado-res dividieron labanda asignada alos lóbulos lateralesde la siguiente ma-nera (figura 16A):

• En primer lugar,para colocar la se-ñal original que se quiere transmitir,mezclaron las señales correspon-dientes a los canales derecho e iz-quierdo (señal L + R).

• Inmediatamente después, ysólo en caso de que la estación es-té transmitiendo en estéreo, se en-vía una señal “piloto” que sirve paraindicar al receptor que es necesarioprocesar la señal para que se pue-dan recuperar ambos componen-tes de la señal estereofónica.

• A continuación se envía otrabanda de audio, resultante ahorade restar las señales de canal dere-cho e izquierdo (señal L - R). En unreceptor FM monoaural, esta ban-da no es aprovechada, pero enuno estereofónico, dicha banda secombina con la primera para obte-ner finalmente las señales de canalL y de canal R; de esta forma se ob-tiene una señal estéreo de unatransmisión radial. Aun cuando esteprocedimiento tam-bién puede realizarsecon la modulaciónen amplitud, la bajacalidad del audio ob-tenido de la señal AMha desalentado cual-quier esfuerzo por po-pularizar la transmi-sión AM estéreo.

• Para conseguirla separación de ca-nales en el receptor,las señales L + R y L - Rpasan por un proce-so de suma y resta (fi-gura 16B), en dondede la suma de ambasse obtiene exclusiva-mente la señal L, y de

la resta se obtiene la señal R. Cadauna de éstas puede entonces ca-nalizarse hacia una bocina inde-pendiente, para disfrutar así de unaseñal de audio estereofónica prác-ticamente libre de interferencias.

Sin duda alguna, estas son lasdos bandas de radio más utilizadascomercialmente en el mundo; masno son las únicas. Existen tambiénbandas de onda corta, de radio-afi-cionados, de servicios de emergen-cia, etc.

Es más, puesto que en la actua-lidad estamos llegando al límite desaturación del espectro electro-magnético, a los investigadores noles ha quedado otro recurso quecomenzar a explotar frecuenciasmuy altas que hace pocos años seconsideraban inalcanzables. Y todoesto, gracias al avance de la tecno-logía electrónica y de comunica-

El Surgimiento de la Radio

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Fig. 15

Fig. 16

ciones.LOS FET S

Los transistores de efecto decampo son dispositivos electrónicoscon tres terminales que controlan,mediante la aplicación de tensiónen uno ellos, el paso de la corrienteeléctrica que los atraviesa; por esose dice que “la corriente” es contro-lada por un efecto electrostáticollamado efecto de campo .

Es común encontrar a los FET’scomo elementos activos en circui-tos osciladores, amplificadores y decontrol. Debido a que el control deestos dispositivos se hace con ten-siones y no con corrientes eléctricas,el consumo de éstas se minimiza. Es-ta característica es la que los haceespecialmente atractivos para utili-zarse como componentes básicosde construcción de sistemas cuyosconsumos de energía son críticos;por ejemplo, en computadoras por-tátiles, en walkmans o teléfonos ce-lulares, por mencionar sólo algunos.

EL JFET

Un FET de unión cuenta con unasección de semiconductor tipo N,un extremo inferior denominado˙fuente¨ y uno superior llamadodrenaje o drenador¨; ambos son

análogos al emisor y colector de untransistor bipolar.

Para producir un JFET, se difun-den dos áreas de semiconductor ti-po P en el semiconductor tipo N delFET. Cada una de estas zonas P sedenomina ˙ compuerta o puerta¨ yes equivalente a la base de un tran-sistor bipolar (figura 1).

Cuando se conecta una termi-nal y así se separa cada puerta, eltransistor se llama “JFET de doblecompuerta”. Estos dispositivos dedoble puerta se utilizan principal-

mente en mezcladores (tipoMPF4856), que son circuitos espe-ciales empleados en equipos decomunicación.

La mayoría de los JFET tienen susdos puertas conectadas interna-mente para formar una sola termi-nal de conexión externa; puestoque las dos puertas poseen el mis-mo potencial, el dispositivo actúacomo si tuviera sólo una.

Debido a que existe una grananalogía entre un dispositivo JFET yun transistor bipolar, muchas fórmu-las que describen el comportamien-to de aquél son adaptaciones delas denominaciones utilizadas en es-te último (tabla 1).

Efecto de campoEl efecto de campo es un fenó-

meno que se puede observar cuan-do a cada zona del semiconductortipo P la rodea una capa de deple-xión (figura 2); la combinación entrelos huecos y los electrones crea lascapas de deplexión.

Cuando los electrones fluyen dela fuente al drenador, deben pasarpor el estrecho canal situado entrela zona semiconductora; la tensiónde la puerta controla el ancho delcanal y la corriente que fluye de lafuente al drenador. Cuanto más ne-gativa sea la tensión, más estrechoserá el canal y menor será la co-rriente del drenador. Casi todos loselectrones libres que pasan a travésdel canal fluyen hacia el drenador;en consecuencia, ID = IS.

Si se considera que se encuentrapolarizada en forma inversa la puer-ta de un JFET, éste actuará como undispositivo controlado por tensión yno como un dispositivo controladopor corriente. En un JFET, la magni-tud de entrada que se controla esla tensión puerta-fuente VGS (figura

3). Los cambios en VGS determinan

cuánta corriente puede circular dela fuente al drenador; esta es la prin-cipal diferencia con el transistor bi-polar, el cual controla la magnitudde la corriente de base (IB).

EL MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO

El FET de semiconductor óxido-metal o MOSFET, está integrado poruna fuente, una puerta y un drena-dor. La característica principal quelo distingue de un JFET, es que supuerta se encuentra aislada eléctri-camente del canal; por esta causa,la corriente de puerta es extrema-damente pequeña en ambas pola-ridades.

Capítulo 7

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Fig. 1

Transistores de Efecto de Campo

Transistor bipolar Denominación Dispositivo JFET DenominaciónEmisor E Fuente S

Base B Puerta G

Colector C Drenador D

Fig. 2

Un MOSFET de empobrecimientode canal N, también denominadoMOSFET de deplexión, se compone

de un material N con unazona P a la derecha y unapuerta aislada a la izquier-da (figura 4). A través delmaterial N, los electroneslibres pueden circular des-de la fuente hasta el dre-nador; es decir, atraviesanel estrecho canal entra lapuerta y la zona P (esta úl-tima, denominada “sustra-to” o “cuerpo”).

Una delgada capa dedióxido de silicio (SiO2) se

deposita en el lado iz-quierdo del canal. El dióxi-do de silicio aísla la puertadel canal, permitiendo asíla circulación de una co-rriente de puerta mínimaaun y cuando la tensiónde puerta sea positiva.

En el MOSFET de em-pobrecimiento con ten-sión de puerta negativa,la tensión de alimentaciónVDD obliga a los electro-

nes libres a circular de lafuente al drenador; fluyenpor el canal estrecho a laizquierda del sustrato P (fi-gura 5). Como sucede enel JFET, la tensión de puer-ta controla el ancho delcanal.

La capacidad parausar una tensión de com-puerta positiva, es lo queestablece una diferenciaentre un MOSFET de em-pobrecimiento y un JFET.Al estar la puerta de unMOSFET aislada eléctrica-mente del canal, pode-mos aplicarle una tensiónpositiva para incrementarel número de electrones li-bres que viajan por dichoconducto; mientras máspositiva sea la puerta, ma-yor será la corriente quevaya de la fuente al dre-nador.

MOSFET DE

ENRIQUECIMIENTO

Aunque el MOSFET de empobre-cimiento es muy útil en situaciones

especiales (circuitos de carga debatería o control de encendido decamas fluorescentes), no tiene unuso muy extenso; pero sí desempe-ña un papel muy importante en laevolución hacia el MOSFET de enri-quecimiento (tambi n llamado MOS-FET de acumulaci n), que es un dis-positivo que ha revolucionado la in-dustria de la electrónica digital y delas comjputadoras. Sin él no existi-rían computadoras personales, queen la actualidad tienen un uso muyamplio.

En el MOSFET de enriquecimien-to de canal N, el sustrato o cuerpose extiende a lo ancho hasta el dió-xido de silicio; como puede obser-var en la figura 6A, ya no existe unazona N entre la fuente y el drenador.

En la figura 6B se muestra la ten-sión de polarización normal. Cuan-do la tensión de la puerta es nula, laalimentación VDD intenta que los

electrones libres fluyan de la fuenteal drenador; pero el sustrato P sólotiene unos cuantos electrones libresproducidos térmicamente. Apartede estos portadores minoritarios yde alguna fuga superficial, la co-rriente entre la fuente y el drenadores nula.

Por tal motivo, el MOSFET de en-riquecimiento está normalmente encorte cuando la tensión de la puer-ta es cero. Este dato es completa-mente diferente en los dispositivosde empobrecimiento, como es elcaso del JFET y del MOSFET de em-pobrecimiento.

Cuando la puerta es lo suficien-temente positiva, atrae a la región Pelectrones libres que se recombinancon los huecos cercanos al dióxidode silicio. Al ocurrir esto, todos loshuecos próximos al dióxido de siliciodesaparecen y los electrones libresempiezan a circular de la fuente aldrenador.

El efecto es idéntico cuando secrea una capa delgada de mate-rial tipo N próxima al dióxido de sili-cio.

Esta capa conductora se deno-mina «capa de inversión tipo N».Cuando el dispositivo se encuentraen estado de corte y de repenteentra en conducción, los electroneslibres pueden circular fácilmente dela fuente al drenador.

El Surgimiento de la Radio

106

Fig. 5

Fig. 3

Fig. 4

La VGS mínima que crea la ca-

pa de inversión tipo N se llama ten-si n umbral (VGS-Th ). Cuando

VGS es menor que VGS-Th, la co-

rriente del drenador es nula; perocuando VGS es mayor que VGS-Th,una capa de inversión tipo N co-necta la fuente al drenador y la co-rriente del drenador es grande. De-pendiendo del dispositivo en parti-cular que se use, VGS-Th puede va-

riar desde menos de 1 hasta más de5 volt.

Los JFET y los MOSFET de empo-brecimiento están clasificados co-mo tales porque su conductividaddepende de la acción de las capasde deplexión. El MOSFET de enrique-cimiento está clasificado como undispositivo de enriquecimiento por-que su conductividad depende dela acción de la capa de inversiónde tipo N. Los dispositivos de empo-brecimiento conducen normalmen-te cuando la tensión de puerta escero, mientras que los dispositivosde enriquecimiento están normal-mente en corte cuando la tensiónde la misma es también cero.

PROTECCI N DE LOS FET S

Como mencionamos anterior-mente, los MOSFET contienen unadelgada capa de dióxido de silicioque es un aislante que impide la co-rriente de puerta para tensiones depuerta tanto positivas como negati-vas. Esta capa de aislamiento se de-be mantener lo más delgada posi-ble, para proporcionar a la puertamayor control sobre la corriente dedrenador. Debido a que la capa de

aislamiento es tan delgada, fácil-mente se puede destruir con unatensión compuerta-fuente excesiva;por ejemplo, un 2N3796 tiene unaVGS MAX de ± 30 volts. Si la tensión

puerta-fuente es más positiva de +30 volts o más negativa de -30 volts,la delgada capa de aislamiento se-rá destruida.

Otra manera en que se destruyela delgada capa de aislamiento, escuando se retira o se inserta unMOSFET en un circuito mientras laalimentación está conectada; lastensiones transitorias causadas porefectos inductivos y otras causas,pueden exceder la limitación deVGS MAX. De esta manera se des-

truirá el MOSFET incluso al tocarlocon las manos, ya que se puede de-positar suficiente carga estáticaque exceda a la VGS MAX. Esta es

la razón por la que los MOSFET fre-cuentemente se empaquetan conun anillo metálico alrededor de losterminales de alimentación.

Muchos MOSFET están protegi-dos con diodos zener internos enparalelo con la puerta y la fuente.La tensión zener es menor que laVGS MAX; en consecuencia, el dio-

do zener entra en la zona de ruptu-ra antes de que se produzca cual-quier daño a la capa de aislamien-to. La desventaja de los diodos ze-ner internos es que reducen la altaresistencia de entrada de los MOS-FET.

Advertimos que los dispositivosMOSFET son delicados y se destru-yen fácilmente; hay que manejarloscuidadosamente. Asimismo, nuncase les debe conectar o desconec-tar mientras la alimentación esté

conectada. Y an-tes de sujetarcualquier disposi-tivo MOSFET, esnecesario conec-tar nuestro cuer-po al chasis delequipo con elque se está tra-bajando; así po-drá eliminarse lacarga electrostá-tica acumuladaen nosotros, a finde evitar posiblesdaños al dispositi-

vo.

FUNCIONAMIENTO DEL

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO

Los transistores de efecto decampo (T.E.C o F.E.T), representanuna importante categoría de semi-conductores, que combinan lasventajas de las válvulas de vacío(precursoras en el campo de laelectrónica) con el pequeño tama-ño de los transistores. Poseen unaserie de ventajas con respecto a lostransistores bipolares, las cuales sepueden resumir de la siguiente ma-nera:

- Rigidez mecánica.- Bajo consumo.- Amplificación con muy bajo ni-

vel de distorsión, aun para señalesde RF.

- Bajo ruido.- Fácil de fabricar, ocupa menor

espacio en forma integrada.- Muy alta resistencia de entra-

da (del orden de los 1012 a 1015 ohm).

En cuanto a las desventajas, lostransistores de efecto de campoposeen un pequeño producto ga-nancia-ancho de banda y su costocomparativo con los bipolares equi-valentes es alto. Son muchas las cla-ses de transistores de efecto decampo existentes y se los puedeclasificar según su construcción, entransistores FET de juntura (TEC-J o J-FET) y transistores FET de compuertaaislada (IG-FET). A su vez, los FET decompuerta aislada pueden ser: a)de vaciamiento o estrechamientode canal (lo que genera un canal

Capítulo 7

107

Fig. 6

permanente) y b) de refuerzo o en-sanchamiento de canal (lo que pro-duce un canal inducido).

Los símbolos más utilizados pararepresentar los transistores reciénpresentados aparecen en la figura7.

En los transistores de efecto decampo, el flujo de corriente se con-trola mediante la variación de uncampo eléctrico que queda esta-blecido al aplicar una tensión entreun electrodo de control llamadocompuerta y otro terminal llamadofuente, tal como se muestra en la fi-gura 8.

Analizando la figura, se deduceque es un elemento "unipolar", yaque en él existe un sólo tipo de por-tadores: huecos para canal P yelectrones para canal N, siendo elcanal, la zona comprendida entrelos terminales de compuerta y queda origen al terminal denominado"drenaje". La aplicación de un po-tencial inverso da origen a un cam-po eléctrico asociado que, a su vez,determina la conductividad de laregión y en consecuencia el anchoefectivo del canal, que irá decre-ciendo progresivamente a medidaque aumenta dicha polarizaciónaplicada, tal como puede deducir-se del diagrama de cargas dibuja-do en la misma figura 8.

De esta manera, la corrienteque circulará desde la fuente haciael drenaje, dependerá de la polari-zación inversa aplicada entre lacompuerta y la fuente.

Se pueden levantar curvas ca-racterísticas que expresen la co-rriente circulante en función de latensión entre drenaje y fuente, parauna determinada tensión de polari-zación inversa entre la compuerta yla fuente. Para un transistor J-FET decanal N las características de trans-ferencia y salida son las que se ob-servan en la figura 9.

Del análisis de dichas curvas sur-ge que:

IDSS

ID = _________. (VGS - Vp)2

Vp2

donde:IDSS = Máxima Corriente Estática

de DrenajeVp = Tensión de BloqueoLa expresión dada es válida pa-

ra:

VDS ≥ Vp - VGS

Condición conocida como "decanal saturado".

DETERMINACI N DEL PUNTO

DE TRABAJO EST TICO DEL FET

Para saber cómo se determina

el punto de trabajo estático deltransistor (punto Q), nos valemos delcircuito graficado en la figura 10.

Para dicho circuito, suponemosque los diferentes elementos que lointegran, tienen los siguientes valo-res:

VDD = 12 VRD = 1kΩVGG = 2VIDSS = 10mAVp = - 4V

Del circuito propuesto, recorrien-do la malla de entrada, se deduceque:

VGS + VGG = 0

luego:

El Surgimiento de la Radio

108

Fig. 7 Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

VGS = -VGG = -2 V

En condiciones de reposo, la co-rriente de drenaje se calcula:

IDSSIDq = _________ . (VGS - Vp)2

Vp2

reemplazando valores:

10mAIDq = _________ . [(-2V) - (-4V)]2

4V2

IDq = 2,5mA

Para continuar con el cálculo re-corremos la malla de salida, la cualpara simplificar se representa en lafigura 11. De ella resulta:

VDSQ = VDD - IDQ .RD

Reemplazando valores:VDSQ = 12 V - 2,5 mA . 1kΩ = VDSQ = 9,5 V

Para saber si el cálculoes correcto, verificamos lacondición de "canal satura-do", es decir, veremos si eltransistor opera dentro de lacaracterística plana de lascurvas de salida. Para ello, debecumplirse que:

VDS ≥ Vp - VGS

reemplazando valores:

9,5 V ≥ 4 V - 2 V

por lo tanto:

9,5 V ≥ 2V

Lo cual es correcto.

Gráficamente, trazamos la rectade carga estática (R.C.E.) sobre lascaracterísticas de salida y verifica-mos el punto de reposo “Q”, lo cualse verifica en la figura 12.

Un punto de la curva será:

VDS = 0 ; ID = VDD/RDReemplazando valores:

VDS= 0V ; ID =

VDS=12V/1000Ω = 12mA

El otro punto de la recta se cal-cula:

VDS = VDD ; ID = 0

Reemplazando valores:

VDS = 12V ; ID = 0mA

Trazada la recta estática de car-ga, se comprueba que al cortar la

Capítulo 7

109

Fig. 11 Fig. 12

Intercomunicador por la Red Eléctricamisma a la curva de salida paraVGS = -2V, se obtiene IDq = 2,5mA yVDSq = 9,5V.

En principio, podemos de-cir que este circuito es un“timbre portátil”, porque

al ser colocado en una habi-tación, puede ser trasladadoa otro ámbito según los reque-rimientos que se deseen cum-plir, sin tener que instalar ca-bles para su conexión. Laventaja del circuito es que espojsible hacer varios recepto-res que funcionen con un“único” transmisor, o variostransistores que funcionen conun único receptor. Además, sepueden construir dos transmi-sores y dos receptores paraque el sistema funcione comointercomunicador. El dispositi-vo básico entonces, puede

ser considerado como un tim-bre que no precisa cables pa-ra su instalación y está consti-tuido por un pequeño transmi-sor y un simple receptor quefuncionan en una frecuenciade 100kHz.

La señal que genera eltransmisor se conduce haciael receptor a través de los ca-bles de la instalación eléctricade su casa y funciona con labase de la transmisión de se-ñales por medio de una porta-dora que puede ser recepcio-nada por diferentes equiposinstalados en varios puntos dela red. Es por ello, que el circui-to tiene sus limitaciones, en es-pecial se debe conectar el sis-tema de manera tal que lasmasas tanto del transmisor co-mo del receptor queden so-

bre un mismo conductor de lared, de tal manera que co-nectando la ficha sobre el to-ma, simple y llanamente nova a funcionar, por lo cual sedeberá invertir la ficha. Dichode otra manera: si al enchufarel aparato nada capta, la so-lución es invertirlo.

EL CIRCUITO TRANSMISOR

El sistema está formado porun transmisor y un receptor.

El esquema eléctrico deltransmisor se muestra en la fi-gura 1. Está constituido portres transistores y un circuitode alimentación, que no pre-cisa transformador reductor.

En serie con la ficha de co-nexión a la red se conecta el

pulsador P1, de tal maneraque en el momento de accio-narlo, sonará la chicharra delreceptor. El funcionamiento essencillo, al accionar estebotón se aplicará la ten-sión de red al capacitorC5, cuya carga limita latensión que será aplica-da al transmisor. La ten-sión alterna de alimenta-ción es rectificada por losdos diodos DS-3 y DS-4 yse filtra por el capacitorC3.

El diodo zéner DZ1, enparalelo con C3, estabili-za la tensión de alimenta-ción a un valor de 30V. Eltransmisor consiste en unoscilador formado porQ1 y sus componentes asocia-dos, como la bobina JAF1, unaimpedancia de audiofrecuen-

cia de 1mH y dos capacitoresde 4,7nF (C1-C2).

Este circuito genera una fre-cuencia de alrededor de

100kHz, según los valores mos-trados. R2 cumple la funciónde conectar el oscilador con

la masa del sistema.La señal de 100kHz genera-

da por Q1, llegará a las basesde los transistores Q2 y Q3 que

están conectados enpush-pull, y que constitu-yen la etapa amplifica-dora final de potencia.

Los emisores de Q2 yQ3 tienen una señal de100kHz con una amplituddel orden de los 25V picoa pico y por medio de laresistencia R3 y el capa-citor C4, se inserta al ca-ble de la red eléctrica de220V, es decir, que cual-quier receptor conecta-do en la misma instala-ción la puede captar. Elcircuito consume corrien-

te sólo al pulsar el botón P1 ysu valor no llega a los 10mA.Cabe destacar que, si se de-sea transmitir una señal de au-dio, como por ejemplo la vozhumana, en lugar del oscila-dor habrá que conectar unpequeño transmisor de AM delos muchos publicados en Sa-ber Electrónica (Saber Nº 5, Sa-ber Nº 28, etc.), esto reduce sutensión de alimentación pormedio de un regulador zéner yconectará la salida a las basesde Q2 y Q3. Si desea utilizar elaparato sólo como timbre sincable, puede armar el transmi-sor de la figura 1 en una placade circuito impreso como lamostrada en la figura 2.

EL CIRCUITO RECEPTOR

El Surgimiento de la Radio

110

Fig. 1

Fig. 2

CIRCUITOARMADO DELTRANSMISOR

En la figura 3 vemos el es-quema eléctrico del receptor,en el mismo se usan dos transis-tores y un integrado CMOS ti-po CD4528.

El circuito se conecta a untoma cualquiera de la corrien-te eléctrica y posee una eta-pa de alimentación formadapor el capacitor C1, la resis-tencia R2 y los dos diodos rec-tificadores DS1-DS2. El capaci-tor electrolítico de filtro C3 y eldiodo zéner DZ1 estabilizan latensión de alimentación en15V.

C2 cumple la función de“captar” la señal de 100kHzgenerada por el transmisor yconducirla hacia la bobina L1.El arrollamiento de L1 está he-cho sobre un núcleo toroidalcomún que tiene un segundoarrollamiento (L2), de forma talque la señal que está en L1pasará inductivamente a L2. Elarrollamiento secundario harásintonía con la frecuencia de100kHz por medio del capaci-tor C5 de 2,2nF.

La función de Q1 es la deamplificar la señal débil queestá en la bobina L2, para apli-carla a la entrada del circuitointegrado por medio de su pa-ta 10. Este integrado CMOS seutiliza para dividir por 20 la se-ñal de 100kHz, por lo tanto ensu salida (pata 3), se verá unafrecuencia audible, que sepuede emplear en la chicha-

rra piezoeléctrica marcada enel esquema eléctrico comoCP1. El transistor Q2 cumple lafunción “squelch”, que quieredecir, que desecha todas lasinterferencias espúreas que es-tán en la línea de red y blo-quea el funcionamiento del in-tegrado divisor que no están

en la línea de los100kHz emitidospor el transistor.

Si va a utilizar elsistema como in-tercomunicadorde voz deberácambiar este es-quema: conecta-rá en paralelocon C6 un recep-tor de AM sintoni-zado a la frecuen-cia del transmisor.Para ello, deberálevantar R4 y de-sechar Q1, IC1,Q2 y todos sus

componentes asociados.Si va a utilizar el sistema co-

mo timbre sin cables, puedearmar el receptor de la figura3 en un circuito impreso comoel mostrado en la figura 4.

Al montar el circuito trans-misor de la figura 1 debe to-mar en cuenta que Q1 y Q2

Capítulo 7

111

Fig. 3

Fig. 4

son dos NPN clase BC237, yque Q3 es un tipo BC328.

Con un osciloscopio, sepuede verificar si entre los dosemisores de Q2 y Q3 y la masa,está la señal presente de ondacuadrada de unos 25V pico apico, de 100kHz.

ATENCION:Los componentes

están conectados a latensión de red de 220Ven forma directa, demodo que no hay quetocarlos para que nosufra una fuerte des-carga eléctrica.

Para armar el re-ceptor, lo primero quehay que efectuar es elarrollamiento alrededor delnúcleo toroidal de las bobinasL1 y L2.

Para efectuar el arrolla-miento se usará cable recu-bierto de plástico, o alambreesmaltado de 1 mm de diá-metro. Para la bobina L1 sedarán 6 vueltas alrededor delnúcleo, para la L2, 16 vueltasalrededor del núcleo. Seaconseja montar IC1 en un zó-calo.

Para verificar el funciona-miento del timbre, se debe co-locar el transmisor en un toma-corriente y el receptor en otro,dentro de una misma habita-ción, luego se aprieta el botónde llamada, y se verifica la re-producción en el piezoeléctri-co del receptor.

Si no se escucha la chicha-rra, invierta la ficha sobre el to-ma y vuelva a repetir la expe-riencia. Si la masa del transmi-sor y la masa del receptor noestán en el mismo cable de lared eléctrica, el circuito no

funcionará, luego si se inviertela ficha (sólo la del receptor)pero el sistema igualmente nofunciona, quiere decir que hayalgún error.

Si se tiene un Generador deBF, para verificar el funciona-

miento del receptor, se puedeaplicar una señal de externade 100kHz de onda cuadradaen paralelo con la bobina L2.Hay que tomar en cuenta queen todo el circuito impreso cir-cula la corriente de red de220V, por lo tanto no se debentocar las pistas con los dedos,luego, girando la sintonía delgenerador llegará un momen-to en que se produzca el zum-bido del traductor piezoeléctri-co. Si el receptor funciona deesta forma, quiere decir que elerror está en el transmisor, porlo cual se deberá verificar sufuncionamiento.

LISTA DE MATERIALES

DEL TRANSMISOR

R1 = 100kΩR2 = 3k3R3 = 47ΩR4 = 1kΩR5 = 10MΩC1, C2 =4,7nF – capacitores de

poliéster

C3 = 100µF x 25V – cap.electrolítico C4 = 47nF x 400V – capacitor de

poliésterC5=330nF x 400V – capacitor de

poliésterD1 a D4 = diodo 1N4007 diodos rec-

tificadoresDZ1 = diodo zener de 30V x 1

wattJAF1 = impedancia de 1mHQ1 =NPN tipo BC237 o BC548Q2 =NPN tipo BC237 o BC548Q3 =PNP tipo BC328 o BC558S1 = pulsador normal abierto

LISTA DE MATERIALES

DEL RECEPTOR

R1 = 10MΩR2 = 1kΩ

R3 = 47ΩR4 = 3k3R5 = 330kΩR6 = 10kΩR7 = 120kΩR8 = 100kΩR9 = 27kΩR10 = 22kΩC1, C6, C7, C8 = 0,1µF - capacitores

cerámicosC2 = 47nF – capacitor de poliésterC3 = 47µF x 25V – cap. electrolíticoC4 = 4,7nF – capacitor cerámicoC5 = 2,2nF – capacitor cerámicoD1, D2 = 1N4007 – diodos rectifi-

cadoresDZ1 = diodo zéner de 15V por 1WL1, L2 = ver textoQ1, Q2 = BC548 – transistores NPN

de uso generalIC1 = CD4520 – Circuito integrado

CMOS divisor por 10.Tr = Transductor piezoléctrico

VariosPlacas de circuito impreso,

gabinetes para el montaje, cablesde conexión, fichas para 220V,estaño, etc. **********************

El Surgimiento de la Radio

CIRCUITOARMADO DEL

RECEPTOR