APRESENTAÇÃO DA 1a EDIÇÃO Este trabalho tem o intuito de facilitar o estudo e o acompanhamento das aulas de Elementos de Telecomunicações do Curso Técnico de Eletrônica. Após consultar a diversas fontes, no conseguimos adotar um único livro, em língua nacional, que apresentasse a abrangência de conteúdo ministrado. Com base nos motivos expostos acima, iniciamos uma pesquisa de livros que abordasse o conteúdo e, a dois anos atras, começamos o trabalho de seleção e tradução de textos. O resultado de nossos esforços estão concentrados em quatro volumes de apostilas que tratam de todo o conteúdo mínimo necessário atual formação do Técnico em Eletrônica, a nível de segundo grau, na disciplina Elementos de Telecomunicações. Esperemos que nosso trabalho no seja em vão e que quem venham a adquirir estes exemplares possam tirar os maiores proveitos na iniciação ao estudo das Telecomunicações. Belo Horizonte, Março de 1982 Wander José Rezende Rodrigues WANDER RODRIGUES 2 Unidade II Modulação em amplitude 1 - Introdução .................................................................................................. 05 2 - Teoria da Modulação em Amplitude .......................................................... 05 2.1 - Espectro da Modulação em Amplitude ............................................. 06 2.2 - Representação da onda de AM ........................................................ 10 2.3 - Relação de potência da onda de AM ................................................ 13 2.4 - Cálculo de Corrente .......................................................................... 16 2.5 - Modulação por várias ondas senoidais ............................................ 18 3 - Geração da onda de AM ............................................................................ 21 3.1 - Requisitos básicos - Comparação de níveis ..................................... 22 3.2 - Amplificadores classe C, modulado em grade .................................. 26 3.3 - Amplificadores classe C, modulado em placa .................................. 28 3.3.1 - Tríodo empregando transformador de modulação ................. 29 3.4 - Amplificadores transistorizados modulados ...................................... 34 4 - Questionário .............................................................................................. 36 5 - Referência Bibliográfica ............................................................................. 44 CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 3 Índice das Ilustrações 01 - Amplitude instantânea da onda modulada em amplitude .......................... 7 02 - Espectro de freqüência da onda modulada em amplitude ....................... 10 03 – Forma de onda modulada em amplitude ................................................. 11 a - Diagrama de fase da onda modulada em amplitude .......................... 13 04 - Corrente necessária para obtenção da onda de AM ............................... 23 a - Pulsos de corrente para o circuito sintonizado .................................. 23 b - tensão de AM no circuito sintonizado ................................................ 23 05 - Diagrama em blocos de um transmissor de AM ...................................... 25 a - modulação em alto nível .................................................................... 25 b - modulação em baixo nível .................................................................. 25 06 - Amplificador em Classe C modulado em grade ...................................... 26 07 - Forma de onda de tensão de grade - corrente de placa para um amplificador em Classe C, modulado em grade ...................................... 27 08 - Circuito equivalente do modulador em placa .......................................... 28 09 - Amplificador em Classe C a triodo, modulado em placa ......................... 30 10 - Formas de onda da modulação em placa ................................................ 31 a - tensão de alimentação de placa ......................................................... 31 CEFET-MG WANDER RODRIGUES 4 b - corrente de placa resultante ............................................................... 31 c - tensão de placa, RF modulada ........................................................... 31 d - tensão de placa total .......................................................................... 31 e - corrente de grade com polarização fixa ............................................. 31 f - tensão de grade com polarização por escape .................................... 31 11 - Modulação em coletor .............................................................................. 35 CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 5 UNIDADE II Modulação em Amplitude 1 – Introdução Esta Unidade trata, em detalhes, da modulação em amplitude, e para esse fim, está subdividida em duas seções. Tendo estudado a Teoria da Modulação estaremos aptos para apreciar que, a onda modulada em amplitude é constituída de um número de componentes senoidais, tendo uma relação específica entre elas. Estaremos aptos para visualizar a onda modulada em amplitude, e calcular as freqüências nela presente, bem como suas relações de potência ou corrente. A segunda parte desta Unidade, apresenta vários métodos práticos de geração da onda modulada em amplitude, tratando-se de cada circuito, com formas de onda e sob o aspecto matemático. Ambos os moduladores em amplitude serão discutidos, os valvulados, onde é comum a presença altas potências, e os geradores de sinais de AM, transistorizados. 2 - Teoria da modulação em amplitude A modulação em amplitude é definida como um sistema de modulação, onde a amplitude da portadora é feita proporcional aos valores instantâneos de amplitude da tensão modulante ou do sinal de informação. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 6 Considerando a tensão da portadora e a tensão modulante de ec (t) e em (t) respectivamente, sendo representadas por: eo (t ) = E c sen ω c t Equação 01 e m (t ) = E m sen ω m t Equação 02 Observe que, o ângulo de fase foi ignorado em ambos as expressões, desde que eles permanecem inalterados pelo processo de modulação em amplitude. Sua inclusão, meramente, complicaria o procedimento, a não ser que tal processo afetasse o resultado final. Entretanto, certamente, não será possível de ser ignorado o ângulo de fase, quando trabalha-se com a modulação em freqüência e com a modulação em fase, em situações vindouras. Pela definição de modulação em amplitude, segue-se que a amplitude máxima Ec de uma portadora não modulada, deverá variar proporcionalmente aos valores instantâneos da tensão modulante, Em sen ωmt, quando for modulada em amplitude. 2.1 - Espectro de freqüência da onda modulada em amplitude Foi-nos mostrado matematicamente que as freqüências presentes na onda modulada em amplitude são as freqüências da portadora e o primeiro par de freqüências, os das faixas laterais, onde a freqüência das faixas laterais definida por: CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE f SB = f c + n f m 7 Equação 03 e para o primeiro par, n = 1,0. Quando uma portadora modulada em amplitude, a constante de proporcionalidade, ka é feita igual a unidade, e as variações instantâneas da tensão modulante são sobreposta à amplitude da portadora. Desta forma, quando não há modulação, a amplitude da portadora será igual ao seu valor não modulado. Quando a modulação está presente, a amplitude da portadora é variada em seu valor instantâneo. A situação é ilustrada na FIG. 01, onde apresenta como a amplitude máxima da tensão modulada em amplitude é variada de acordo com as variações da tensão modulante. A FIG. 01, também apresenta que algo não usual, distorção como acontece, ocorrerá se Em for muito maior do que Ec. O fato de que a relação Em / Ec, freqüentemente será utilizada, leva-nos para a seguinte definição de índice de modulação: ma = ka Em Ec Equação 04 Figura 01 – Amplitude instantânea da onda modulada em amplitude. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 8 O índice de modulação é um número puro, entre zero e a unidade, e várias vezes, é expresso como uma percentagem, neste caso, denominado de percentagem de modulação. Pela FIG. 01 e a equação 04, é possível escrever uma equação para a amplitude da tensão modulada em amplitude. Desta forma, teremos: A = E c + e m (t ) = E c + E m sen ω m t A = E c + m a E c sen ω m t A = E c (1 + m a sen ω m t ) Equação 05 A tensão instantânea resultante da onda modulada em amplitude será: e AM (t ) = A sen θ e AM (t ) = A sen ω c t e AM (t ) = E c (1 + m a sen ω m t )sen ω c t Equação 06 A equação 06 pode ser expandida, por meio de relações trigonométricas do tipo: sen (a + b ) = sen a cos b + sen b cos a sen (a − b ) = sen a cos b − sen b cos a cos (a + b ) = cos a cos b − sen a sen b cos (a − b ) = cos a cos b + sen a sen b proporcionando: e AM (t ) = E c sen ω c t + Termo I CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE + ma Ec cos (ω c − ω m )t − 2 Termo II − ma Ec cos (ω c + ω m )t 2 Termo III 9 Equação 07 Tem-se, desta forma, apresentado que a equação de uma onda modulada em amplitude apresenta três termos. O primeiro termo, é idêntico à equação 01 e representa uma portadora não modulada. Desta forma, torna-se evidente que o processo de modulação em amplitude tem o efeito de adicionar uma onda não modulada sem alterá-la. Os dois termos adicionais produzidos estão delineando as duas faixas laterais. A freqüência da faixa lateral inferior é ( fc - fm ), e a freqüência da faixa lateral superior é ( fc + fm ). A mais importante conclusão a ser observada nesse estágio é que a largura de faixa requerida para a modulação em amplitude, é duas vezes a maior freqüência do sinal modulante. Na modulação por vários sinais senoidais, simultaneamente, como nos serviços de radiodifusão comercial, a largura de faixa requerida é de duas vezes a mais alta freqüência do sinal modulante. EXEMPLO 01 Um circuito sintonizado de um oscilador de um transmissor de AM emprega uma bobina de 50µH e um capacitor de 1 nF. Se a saída desse oscilador é modulado por um audiofreqüência de até 10 kHz, qual será a faixa de freqüência ocupada pelas faixas laterais? fc = fc = 1 2 π LC = 1 2 π 5 x 10 − 5 x 1 x 10 − 9 1 2 π 5 x 10 −14 = 1 2 π 5 x 10 −7 = 7,12 x 10 5 CEFET-MG WANDER RODRIGUES 10 f c = 712 kHz Desde que a maior audiofreqüência modulante é igual a 10 kHz, a faixa de freqüência ocupada pelas faixas laterais está 10 kHz acima e 10 kHz abaixo da freqüência da portadora. Assim teremos o sinal modulado ocupando a faixa de 702 a 722 kHz. 2.2 - Representação da onda modulada em amplitude A onda de AM pode ser representada de qualquer uma das três maneiras, dependendo do ponto de vista a ser considerado. A FIG. 02 apresenta o espectro de freqüência e, também, ilustra a equação 07. A onda é apresentada, simplesmente, como constituída de três componentes de freqüências discretas. Nesta, a freqüência central, isto é, a componente portadora, tem a maior amplitude, e as outras duas são dispostas simetricamente em torno dela, tendo amplitudes iguais, mas nunca podem exceder à metade da amplitude da portadora. Figura 02 – Espectro de freqüência da onda modulada em amplitude. A aparência de uma onda modulada em amplitude é de grande interesse, e ela está apresentada na FIG. 03 para um ciclo completo da onda senoidal de modulação ou sinal modulante. Esta é derivada da FIG. 01, onde CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 11 apresenta a amplitude ou o que pode ser agora chamado de topo envolvente da onda de AM, dado pela equação A = Ec + Em sen ωmt. Similarmente, o máximo negativo da amplitude, fundo ou vale envolvente, é dado por - A = - (Ec + Em sen ωmt). A onda modulada estende-se entre esses dois limites envolventes e tem uma velocidade de repetição, igual à freqüência da portadora não modulada. Relembrando que Em = ma Ec / ka, é possível agora o uso desta relação para calcular o índice de modulação ou profundidade de modulação para a forma de onda da FIG. 03. Segue-se: Em = E max − E min 2 Equação 08 Figura 03 – Forma de onda modulada em amplitude. E c = E max − e m (t ) = E max − Ec = E max − E min 2 E max + E min 2 Equação 09 CEFET-MG WANDER RODRIGUES 12 Dividindo a equação 08 pela equação 09, temos: E max − E min Em 2 ma = = E Ec max + E min 2 ma = E max − E min E max + E min Equação 10 A equação 10 é um método padrão de avaliar o índice de modulação, quando calculado através da forma de onda, tal como pode ser visualizada em um osciloscópio, isto é, quando ambos, portadora e tensão modulante são conhecidos. Esta equação não pode ser utilizada em nenhuma outra situação. Quando apenas os valores eficazes da portadora e da tensão modulante ou corrente de modulação são conhecidos, é necessário compreender e utilizar a relação de potência da onda modulada em amplitude, como será apresentado. Finalmente, se o principal interesse é o valor instantâneo da tensão modulada, o diagrama de fase representando as três componentes individuais da onda modulada em amplitude pode ser traçado. Este não é de interesse específico nesta Unidade, mas poder ser encontrado, como na FIG. 3a. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 13 Figura 3a – Diagrama fasorial de sinal modulado em amplitude. 2.3 - Relação de potência da onda modulada em amplitude Foi apresentado que a componente portadora da onda modulada tem a mesma amplitude, como uma portadora não modulada. Entretanto, a onda modulada contém, certamente, duas componentes de faixa lateral. É obvio, desta forma, que a onda modulada desenvolverá uma potência maior do que a portadora teria, antes de proceder a modulação. Além disso, desde que a amplitude das faixas laterais dependem do índice de modulação, é de anteCEFET-MG WANDER RODRIGUES 14 cipar que, a potência total da onda modulada dependerá, também, do índice de modulação. Essa relação pode ser deduzida. A potência total da onda modulada será: Pt = 2 E car E2 E2 + SB + USB R R R Equação 11 onde todas as três tensões são valores eficazes, e R é uma resistência, por exemplo, a resistência de antena, onde a potência será dissipada. O primeiro termo da equação 11, corresponde à potência da portadora não modulada e é dado por: Ec 2 E car 2 Pc = = R R Pc = 2 E c2 2R Equação 12 Similarmente, PLSB = PUSB = PLSB = PUSB 2 E SB R ma Ec = 2 2 PLSB = PUSB = 2 x1 R m a2 E c2 x 4 2R Equação 13 Substituindo as equações 12 e 13 na equação 11, teremos: CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 15 E c2 m a2 E c2 m a2 E c2 Pt = x x + + 2R 4 2R 4 2R Pt = Pc + m a2 m2 Pc + a Pc 4 4 Pt m a2 =1+ 2 Pc Equação 14 A equação 14 relaciona a potência total da onda modulada em amplitude e a potência da portadora não modulada. Essa equação deve ser utilizada para determinar entre outras quantidades, o índice de modulação, nos momentos não incluídos pela equação 10 da seção precedente. É importante notar pela equação 14 que a potência máxima da onda modulada em amplitude será Pt = 1,5 Pc, quando ma = 1,0. Isso é importante porque esta potência corresponde à máxima potência que os amplificadores apropriados são capazes de manipular sem distorções dos sinais. EXEMPLO 02 Uma portadora de 400W foi modulada com um profundidade de modulação de 75%. Calcular a potência total desenvolvida pela onda modulada. m a2 0,75 2 Pt = Pc 1 + = 4001 + 2 2 = 400 x 1,281 Pt = 512,5 W CEFET-MG WANDER RODRIGUES 16 EXEMPLO 03 Um transmissor de radiodifusão irradia 10 kW quando a percentagem de modulação é 60%. Qual a potência desenvolvida na componente portadora dessa onda modulada em amplitude? Pc = Pt 10 10 = = = 8,47 kW 2 2 1,18 ma 0,6 1+ 1+ 2 2 2.4 - Cálculos de correntes A situação que, muito freqüentemente, aparece em AM é que as correntes modulada e não modulada são facilmente medidas, e então, torna-se necessário utilizá-las para o cálculo do índice de modulação. Isso ocorre, quando a corrente na antena transmissora é medida, e o problema pode ser resolvido como segue-se. Considere It a corrente total, ou corrente da onda modulada, e Ic a corrente não modulada ou corrente da portadora, correntes do transmissor de AM, ambas valores eficazes. Se R é a resistência onde essa corrente flui, então, teremos: Pt I t2 x R I t2 m a2 = = =1+ 2 Pc I c2 x R I c2 It m a2 = 1+ 2 Ic It = Ic x 1+ m a2 2 Equação 15 CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 17 EXEMPLO 04 A corrente na antena de um transmissor de AM é de 8,0 A quando apenas a portadora é transmitida, aumentando para 8,93 A quando essa portadora é modulada por um sinal senoidal. Determine a porcentagem de modulação. Determine também a corrente nessa antena quando a profundidade de modulação for igual a 0,8. It I c 2 m2 =1+ a 2 2 m a2 I t = −1 2 Tc I m a = 2 t I c 2 − 1 Equação 16 [ ] 8,93 2 2 m a = 2 − 1 = 2 (1,116) − 1 8 m a = 2 (1,246 − 1) = 0,492 = 0,701 = 70,1% Para a Segunda pergunta, tem-se It = Ic 1+ m a2 0,8 2 0,64 =8 1+ =8 1+ 2 2 2 I t = 8 1,32 = 8 x 1,149 = 9,19 A CEFET-MG WANDER RODRIGUES 18 2.5 - Modulação por vários sinais senoidais Na prática, a modulação de uma portadora por várias ondas senoidais, simultaneamente, não é uma regra fora do comum. Consequentemente, um maneira terá de ser encontrada para o cálculo da potência resultante, nessa condição. O procedimento consiste no cálculo do índice de modulação total e então, substituí-lo na equação 14, onde a potência total pode ser calculada como anteriormente. Existem dois métodos de cálculo do índice de modulação total. 1 - Considere E1, E2, E3, etc. sendo as tensões simultâneas de modulação. Então a tensão modulante resultante, será a raiz quadrada da soma dos quadrados das tensões individuais, isto é: E t = E12 + E 22 + E 32 + ! dividindo ambos os lados por Ec, teremos: Et = Ec E12 + E 22 + E 32 + ! Ey E12 E 22 E 32 + + +! E c2 E c2 E c2 Ec = Ec mt = m12 + m 22 + m32 + ! Equação 17 2 - a equação 14 pode ser reescrita para enfatizar que a potência total da onda de AM consiste da potência da portadora e da potência das faixas laterais. Isso produz: m2 P m2 Pt = Pc 1 + a = Pc + c a 2 2 CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 19 Pt = Pc + PSB onde PSB é a potência total das faixas laterais, e é dado por: PSB = Pc m a2 . 2 Se várias ondas senoidais modulam, simultaneamente, a portadora, a potência da portadora não será afetada, mas a potência total das faixas laterais, agora, será a soma das potências das faixas laterais individuais. Desta forma, teremos: PSB total = PSB1 + PSB 2 + PSB 3 + ! substituindo, teremos Pc mt2 Pc m12 Pc m 22 Pc m32 = + + +! 2 2 2 2 mt2 = m a21 + m a22 + m a23 + ! Se a raiz quadrada é aplicado em ambos os lados, a equação 17, mais uma vez será o resultado. Vê-se que os dois procedimentos, produzem o mesmo resultado: para cálculo do índice de modulação total, toma-se a raiz quadrada da soma dos quadrados dos índices de modulação individuais. Note, também, que esse índice de modulação total não deve, contudo, exceder à unidade, ou distorções resultarão, como que sobremodulação por uma onda senoidal simples. Se a modulação é por um ou vários sinais senoidais, a saída do amplificador modulador será zero durante parte do pico negativo da tensão modulante, se ocorrer sobremodulação. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 20 EXMPLO 05 Um certo transmissor irradia 9 kW na freqüência da portadora não modulada e 10,125 kW quando sua portadora é modulada por uma audiofreqüência senoidal. Calcule o índice de modulação. Se uma outra audiofreqüência senoidal é transmitida, simultaneamente, a 40% de modulação, determine a potência total transmitida. m a2 Pt 10,125 = −1= − 1 = 1,125 − 1 = 0,125 2 9 Pc m a2 = 0,125 x 2 = 0,250 m a = 0,25 = 0,50 Para a Segunda parte, o índice de modulação total será: mt = m12 + m 22 = 0,5 2 + 0,4 2 = 0,25 + 0,16 = 0,41 = 0,64 m2 0,64 2 Pt = Pc 1 + t = 9 1 + 2 2 = 9 (1 + 0,205) = 10,84 kW EXEMPO 6 A corrente na antena de um transmissor de radiodifusão em AM, modulado a uma profundidade de modulação de 40% por uma audiofreqüência senoidal é igual a 11 A. Aumenta para 12 A como resultado da modulação simultânea por outra audiofreqüência senoidal. Determine o índice de modulação relativa ao segundo sinal senoidal. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE Ic = It m2 1+ a 2 = 11 0,4 2 1+ 2 = 11 1 + 0,08 21 = 10,58 A Utilizando a equação 16 tem-se: I mt = 2 t I c 2 12 2 − 1 = 2 − 1 = 2 (1,286 − 1) 10 , 58 mt = 2 x 0,286 = 0,757 A partir da equação 17 tem-se: m 22 = mt2 − m12 = 0,757 2 − 0,4 2 = 0,573 − 0,16 = 0,413 m a = 0,643 3 - Geração de AM Existem, basicamente falando, dois tipos de esquemas para gerar modulação em amplitude. O primeiro desses, é o gerador de AM comum; na produção de AM em semelhantes dispositivos, a baixo nível de potência, onde o método empregado é, provávelmente, o mais simples dos possíveis. Por outro lado, um outro dispositivo, a transmissão de AM, gera altas potências de modo que, seu primeiro requisito é a eficiência; desde que princípios inteiramente complexos podem ser empregados. Embora os métodos de geração de AM aqui descritos proporcionam conhecimentos para ambas as aplicações, ênfase será aplicada nos métodos de geração de altas potências. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 22 3.1 - Requisitos básicos - Comparação de níveis No método de geração de uma onda de AM da FIG. 4b é necessário, simplesmente aplicar uma série de pulsos de corrente, como os da FIG. 4a a um circuito sintonizado. A oscilação terá uma amplitude proporcional ao tamanho do pulso de corrente e a velocidade de cada dependente da constante de tempo do circuito. Desde que, um trem de pulsos alimenta um circuito tanque, cada pulso causará uma onda senoidal completa, proporcional a amplitude desse pulso. Segue-se por uma outra onda senoidal, proporcionando à magnitude do segundo pulso aplicado, e assim sucessivamente. Levando em conta que, consideremos no mínimo dez pulsos, como um número grande de pulsos por ciclo de áudio, alimentando o circuito prático, como ilustrado na FIG. 4, vê-se que uma aproximação extremamente boa da onda de AM resultará, se os pulsos de corrente originais são proporcionais à tensão modulante. O processo é conhecido como flywheel effect, efeito volante do circuito tanque, e trabalha melhor com um circuito sintonizado onde, o fator de mérito, Q, apresenta um valor moderado. É possível fazer com que a corrente de saída de um amplificador em classe C seja proporcional à tensão modulante, pela aplicação dessa tensão modulante em série com algumas das tensões contínua de alimentação desses amplificadores. Desta forma, é que, moduladores em catodo ou emissor, gradeou base, anodo ou coletor de um amplificador em classe C são, também, possíveis. Da mesma forma, modulação em screen ou em supressora e algumas outras combinações desses métodos são precisamente encontrados na literatura. Cada um apresenta aplicações, vantagens e desvantagens. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 23 Figura 04 – Corrente necessária para obtenção da onde de AM. a – pulsos de corrente para o circuito sintonizado. b – tensão de AM no circuito sintonizado Em um transmissor de AM, a modulação em amplitude pode ser gerada em qualquer ponto após o cristal oscilador. Realmente, num oscilador a cristal poderia obter-se a modulação em amplitude, exceto que isso seria uma desnecessária interferência com sua estabilidade em freqüência. Se o estágio de saída de um transmissor é modulado em placa, ou modulado em coletor em um transmissor de baixa potência, o sistema é denominado de modulação em alto nível. Se a modulação é aplicada em qualquer outro ponto, incluindo mesmo outro eletrodo do amplificador de saída, então ser denominado de modulação em baixo nível. Naturalmente, o produto final de ambos os sistemas é o mesmo, mas os arranjos dos circuitos transmissores serão diferentes. Não é prático o uso de modulação em anodo no estágio de saída de um transmissor CEFET-MG WANDER RODRIGUES 24 de televisão, devido a dificuldades de geração de alta potência de vídeo com a grande largura de faixa requerida para tais transmissões, Bw = 6,0 MHz. Consequentemente, modulação em grade no estágio de saída é a modulação em alto nível empregada nos transmissores de televisão. Nesse caso, ele é denominado modulação em alto nível em radiodifusão de TV, e em qualquer outro sistema é, então, denominado de modulação em baixo nível. A FIG. 05 apresenta um diagrama em blocos típicos de um transmissor de AM, que pode ser modulado em baixo nível ou em alto nível. Ambos têm um cristal oscilador, amplificador buffer e amplificadores de potência de radiofreqüência, RF, subsequentes. Em ambos os tipos de transmissores, a tensão de áudio é processada, isto é, filtrada tanto quanto para ocupar a correta largura de faixa, geralmente de 10,0 kHz, e comprimida um tanto para reduzir a relação entre a amplitude máxima e a amplitude mínima. Em ambos os sistemas de modulação, os amplificadores de áudio e de potência de áudio ou de saída de áudio estão presentes, culminando no amplificador modulador, onde a alta potência de áudio é aplicada. De fato, a única diferença é no ponto onde a modulação toma lugar. Para exagerar a diferença, um amplificador é apresentado seguindo um amplificador de RF para modulação de baixo nível. Vê-se que esse amplificador deve ser um amplificador de RF linear, isto é, em classe B. Entretanto, os estudantes estão lembrados de que isso também será modulação em baixo nível, se o amplificador modulado final for modulado através de um outro eletrodo diferente do anodo. Em geral, na modulação em alto nível, uma grande potência de áudio é requerida para produzir a modulação; assim, o sistema de alto nível é, definitivamente, desvantajoso. Por outro lado, se algum estágio, exceto o estágio final é modulado, cada estágio seguinte deve aumentar a potência das faixas laterais, bem como a potência da portadora. Também, todos esses estágios subsequentes devem ter largura de faixa suficiente para as freqüências das CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 25 Figura 05 – Diagrama em blocos de um transmissor de AM. a – modulação em alto nível. b – modulação em baixo nível. faixas laterais. Ademais, como na FIG. 05, todos esses estágios devem ser capazes de manipular as variações de amplitude causadas pela modulação, tais estágios, dessa forma, não podem ser em classe C, e são, por conseguinte, menos eficazes do que os amplificadores em classe C. Cada um dos dois sistemas é visto tendo uma grande vantagem: baixa potência modulante é requerida em um caso, maior eficiência de amplificação em RF com esboços de circuitos mais simples no outro caso. Finalmente, encontra-se na prática que o amplificador modulado em anodo tende a apresentar melhor eficiência, baixa distorção e maior capacidade de manipular potências do que o amplificador modulado em grade. Por causa dessas considerações, transmissores de radiodifusão de AM quase que, invariavelmente, utilizam modulação em alto nível, e em transmissores de TV a modulação em grade em seu estágio final. Os outros métodos são empregados em baixa potência e outras aplicações, como em geradores de AM e instrumentos de testes e medidas. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 26 3.2 - Amplificadores classe C, modulado em grade Um amplificador em classe C pode ser modulado pela introdução da tensão de modulação em série com a polarização de grade, como ilustrado na FIG. 06. A tensão de modulação é superposta a polarização fixa de grade. Desta forma, a amplitude total de polarização é proporcional a amplitude do sinal modulante, e varia a uma velocidade igual a freqüência do sinal modulante. Isso está apresentado na FIG. 07, como a tensão de RF é superposta à polarização total. A corrente de placa resultante, flui em pulsos como apresentado, e a amplitude de cada pulso, sendo proporcional à polarização instantânea, assim, proporcional à tensão instantânea de modulação. Como na FIG. 04, a aplicação desses pulsos a um circuito sintonizado produzirá a modulação em amplitude. Figura 06 – Amplificador em classe C, modulado em grade. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 27 Como apresentam as formas de onda, o sistema funcionará sem distorção, apenas se a característica de transferência do triodo for perfeitamente linear. Por causa dessa característica de transferência isso nunca poderá acontecer; a saída deverá ser um tanto quanto distorcida, maior de fato, de que em amplificadores modulado em placa. Este fato proporciona também, que a eficiência de placa seja menor. Isso é produzido pela necessidade do arranjo nas condições de entrada, como apresentado na FIG. 07, tanto que a corrente de grade não flui na ausência de modulação, isto é, tanto que modulação a 100% pode ser obtida quando projetado, e é causada pela geometria da figura. Referências sobre a operação do amplificador classe C mostram que sua operação de máxima eficiência é única, quando a grade é levada ao limite, e como esse não é o nosso caso, perde-se em eficiência. Figura 07 – Formas de onda de tensão de grade – corrente de placa para um amplificador em classe C, modulado em grade. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 28 Por causa dessas condições de polarização, a máxima potência de saída para um amplificador modulado em grade é muito menor do que a obtida com a mesma válvula se esta não é modulada, ou se for modulada em placa, como será apresentado. As desvantagens da modulação em grade são contrabalançadas pela baixa potência do sinal modulante necessária, em comparação com a modulação em placa. Os harmônicos gerados, como resultado da não linearidade, podem ser reduzidos pela operação do amplificador em pushpull. Contudo, a modulação em grade não é empregada na geração de AM para transmissores, a menos que outros fatores estejam envolvidos, como discutidos anteriormente. 3.3 - Amplificadores em classe C, modulado em placa Esse é o método padrão, e amplamente empregado na obtenção de modulação em amplitude, para radiodifusão e outras aplicações em transmissores de alta potência. A tensão de áudio é aplicada em série com a tensão de alimentação de placa, de um amplificador em classe C, do qual a corrente de placa é, desta forma, variada de acordo com o sinal modulante. O amplificador modulado dessa maneira, o mais freqüentemente, é o amplificador final de potência do transmissor, mais simplesmente denominado de final ou de PA. Figura 08 – Circuito equivalente do modulador em placa. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 29 A saída do amplificador do sinal modulante pode ser aplicada ao PA por meio de dois elementos de acoplamento: um choque de áudio, XAF, ou um transformador de saída de áudio, ou transformador de modulação. O circuito equivalente da FIG. 08 aplica-se ao último desses métodos de modulação em placa, mas apenas um transformador de modulação é usado hoje em dia. Esse sistema é, às vezes, denominado de modulação em anodo B, isto é, modulação em anodo no amplificador de potência de saída e operação em classe B do modulador, o último tendo transformador de saída. O transformador permite o uso de um modulador em classe B, proporcionando boa eficiência de áudio, e também facilitando a obtenção de 100% de modulação, desde que a saída do modulador possa ser escalonado dentro de um determinado valor. Como resultado dessas considerações, este sistema de modulação é empregado em uma vasta maioria dos transmissores de radiodifusão de AM. 3.3.1 - Triodo empregando transformador de modulação O circuito equivalente da FIG. 08 foi transformado para o circuito prático da FIG. 09 pela inclusão do transformador de modulação com o seu transformador de saída. Neutralização também é apresentado, como foi utilizado para o amplificador modulado em grade, desde que, certamente, será necessária para evitar o efeito Miller nos triodos em altas freqüências. Alimentação em derivação do amplificador em classe C é apresentado, principalmente, para simplificar a explanação; ela poderá ou não ser usada na prática. Note também que, o enrolamento secundário do transformador de modulação é derivado para RF, que evita que alguma parte desvie do circuito tanque de saída pelo choque de RF, XRF. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 30 Figura 09 – Amplificador em classe C a triodo, modulado em placa. Vê-se que a mesma fonte de alimentação Ebb é empregada para ambos os PA e o modulador. Isso significa que a tensão de saída de pico do modulador é feita menor do que Ebb para evitar distorção; um valor de VAF = 0,7 Ebb é considerado um valor ótimo. Desde que a tensão primária de pico a pico do modulador seja agora de 1,4 Ebb, a tensão de áudio igual a Ebb é requerida para produzir modulação completa; a relação do transformador de sintonia nesse caso é de 1,4 : 1,0. Finalmente, embora uma fonte de polarização fixa, Ecc é apresentada na FIG. 09, auto-polarização poderá ser empregada em forma de polarização por escape, e de fato, resulta em melhor operação como ser apresentado. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 31 Figura 10 – Formas de onda da modulação em placa. a - tensão de alimentação de placa. b - corrente de placa resultante. c - tensão de placa, RF modulada. d - tensão de placa total. e - corrente de grade com polarização fixa. f - tensão de grade com polarização por escape. A primeira forma de onda da FIG. 10 apresenta a tensão de placa total, aplicada ao amplificador em classe C, e a segunda forma de onda apresenta a corrente de placa resultante. Esta é vista sendo uma série de pulsos CEFET-MG WANDER RODRIGUES 32 governados pela magnitude ou amplitude da tensão modulante, e então, esses pulsos são aplicados a um circuito tanque; a forma de onda modulada da FIG. 10c é o resultado. O que acontece aqui, obviamente, é muito similar ao que aconteceu com o amplificador modulado em grade, exceto que o trem de pulsos de corrente apropriado é obtido por um método diferente, o qual também, tem como virtude apresentar-se mais linear. As últimas três formas de ondas da FIG. 10 não são empregadas para explicar como o circuito gera a onda de AM, mas para descrever o comportamento desse circuito. A forma de onda da FIG. 10d apresenta a tensão total aplicada entre placa e catodo, sendo obtida pela superposição da tensão modulada de RF da FIG. 10c, combinada com a tensão de alimentação da FIG. 10a. No circuito da FIG. 09, a tensão de RF aparece através do primário da bobina do circuito tanque, onde a tensão de alimentação é desacoplada através do capacitor de acoplamento Cc. A importância da FIG. 10d é a de mostrar como muito maior do que Ebb a tensão de pico de placa pode surgir. A 100% de modulação, de fato, o pico de tensão de RF não modulada é aproximadamente de 2 Ebb, e o pico do ciclo positivo de modulação aumenta para duas vezes. Desta forma, a tensão de placa máxima pode aumentar para aproximadamente de 4 Ebb, no amplificador modulado em placa. Cuidados devem ser tomados para assegurar que a válvula empregada seja capaz de resistir a esta alta tensão. A forma de onda da FIG. 10e, demonstra que a corrente de grade do amplificador modulado varia durante o ciclo da tensão modulante, embora a tensão de RF não o faça. Quando a tensão de alimentação de placa cai para o pico negativo do sinal modulante, a placa é apenas moderadamente positiva, e desde que a grade também é forçada a ficar positiva, a corrente de grade agora aumenta significativamente. No pico positivo do sinal modulante, a aplicação é inversa, e a corrente cai. Note que a variação não é senoidal, desde que a corrente aumenta, grandemente, excedendo a queda. Se essa situação é levada sem controle, dois efeitos desagradáveis resultarão. O primeiro, a conduCEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 33 ção pode tornar-se uma sobrecarga, quando a corrente de grade aumenta, resultando em distorção na onda modulada de saída. Segundo, a grade do amplificador de potência certamente derreterá, com o aumento da corrente de grade. Dois tratamentos são disponíveis, e a FIG. 10f mostra o resultado do melhor dos dois. O primeiro, é ter uma condução com regulação pobre, tanto que, a corrente de grade seja incapaz de aumentar, ao passo que o melhor tratamento é o uso de polarização por escape, para obter similar limitação a aquela empregada pelo limitador de amplitude nos receptores de FM. Quando a corrente de grade tende agora a aumentar, a polarização de grade também aumenta, tornando mais negativa e, desta forma, tendendo a reduzir a corrente de grade. Para um valor inicial da corrente de grade um equilíbrio é agora concluído, tanto que, embora a corrente de grade contudo aumente, esse aumento é muito menos caracterizado e pode estar bem dentro de limites aceitáveis. No pico positivo da modulação, a corrente de grade tender a cair, mas essa caída é agora reduzida por uma redução simultânea na polarização negativa, tanto que a forma de onda de corrente de grade agora vê-se semelhante a uma versão muito achatada da FIG. 10e. Em vez de ser constante a tensão de grande, agora ela varia como na FIG. 10f. Esse auxílio do processo da modulação por causa da grade e agora feito mais positivo às vezes pelo pico da corrente de placa. Assim, torna-se mais fácil de obter um valor alto de corrente da placa e a distorção no pico positivo da modulação é prevenida. Considerando sob um outro ponto de vista, a forma de onda da FIG. 10e é visto sendo muito similar a onda de entrada para um amplificador modulado em grade, como na FIG. 07. Desta forma, temos um amplificador grade-placa modulado no qual, por esse meio, é mais eficiente e menos distorcida sua forma de onda de saída. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 34 3.4 - Amplificador transistorizado modulado Modernos transmissores de AM em alta potência tende para o emprego de transistores a baixo nível de potência, tanto que excitar transistores de RF e AF são processos comuns. Os estágios de saída, e geralmente, os drives de semelhantes transmissores empregam válvulas; desde que nós vivemos uma prioridade no tratamento de amplificadores modulados valvulados. Contudo, isso não extingue a existência de transmissores totalmente transistorizados para aplicações em baixa potência, com umas poucas centenas de watts de saída, obtidos se transistores em paralelos são empregados. Como resultado, amplificadores transistorizados modulado é às vezes empregado; de uma coisa quase todos eles têm em comum, um amplificador final em pushpull para a máxima potência de saída. Os métodos de modulação para amplificadores transistorizados são, em contra partida os mesmos empregados com válvulas tanto que modulação em coletor e base de um amplificador transistorizados em classe C são populares, tendo as mesmas propriedades e vantagens como os seus correspondentes circuitos valvulados. O resultado é que, mais uma vez, a modulação em coletor é preferida freqüentemente. Um circuito típico é apresentado na FIG. 11. Modulação em coletor tem vantagens sobre a modulação em base de melhor linearidade, maior eficiência de coletor e maior potência do sinal modulante. Em adição, a saturação de coletor impede 100 % de modulação de ser obtida empregando somente modulação de coletor, assim, uma forma composta de modulação é empregada em um número de casos. A FIG. 11 apresenta uma das alternativas; aqui o driver, bem como o amplificador de saída é modulado em coletor, mas a parte que o circuito é análogo ao circuito valvulado. Outra alternativa é empregar a modulação de coletor e base em um mesmo amplificador. Embora a polarização por escape possa ser empregada, mais uma vez para essa proposição; existe o perigo de que se a ação de pola- CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 35 rização suficiente é empregada para permitir a modulação em base, a polarização tornar excessiva, e a potência de saída cairá. Como resultado, simultânea modulação de base e coletor, semelhante FIG. 11, é preferível. Note, finalmente, que modulação em dreno e gate de amplificadores FET’s são igualmente possíveis, e são empregados em alguns sistemas. Figura 11 – Modulação em coletor. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 36 QUESTIONÁRIO DA UNIDADE II ASSUNTO: Modulação em Amplitude Nome: ______________________________________ No: ____ Turma: _____ Para cada período abaixo mencionado, analise seu conteúdo e marque F para uma situação FALSA ou V para uma situação VERDADEIRA. Justifique cada resposta dada se verdadeira e faça a correção para as respostas falsas. 01 -( ) A informação ou sinal modulante está presente nas faixas laterais, modificando a amplitude e a freqüência destas componentes. 02 - ( ) Quando modulamos uma portadora com mais de um sinal modulante, o índice de modulação resultante excede a unidade e sobremodulação ocorrerá. 03 -( ) Com um fator de mérito moderado, um circuito tanque restaura a onda modulada, utilizando o processo conhecido como efeito volante do circuito tanque. 04 - ( ) A modulação em grade apresenta melhor eficiência, baixa distorção e maior capacidade de manipular potências. 05- ( ) Devido as condições de polarização, a máxima potência de saída para um amplificador modulado em grade é muito maior do que a potência obtida com a mesma válvula não modulada. 06 - ( ) Um choque de áudio ou um transformador de saída de áudio são as possibilidades de aplicar o sinal modulante ao modulador em grade. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 37 07 - ( ) Para evitar o efeito Miller nos pentodos em alta freqüência, utiliza-se a neutralização nos moduladores em amplitude. 08 - ( ) Regulação pobre ou a polarização por escape de grade são os tratamentos disponíveis para o controle do aumento da corrente de grade durante o processo de modulação. 09 - ( ) Uma das vantagens da modulação em alto nível é requerer uma potência de audiofreqüência elevada, uma vez que a potência das faixas laterais é por ela fornecida. 10 - ( ) Grande largura de faixa e potência elevada são obtidos com a modulação em placa, modulação em alto nível. 11 - ( ) A potência média total da onda modulada em amplitude independe do sinal modulante, apresentando seu valor máximo quando ma = 1,0. 12 - ( ) Quando modulamos uma portadora com mais de um sinal modulante, o índice de modulação resultante excede a unidade e sobremodulação ocorrerá. 13 - ( ) Amplificadores lineares são utilizados para ampliar a onda modulada gerada em um sistema de modulação em baixo nível. 14 - ( ) O índice de modulação, ma, é definido como a relação entre as amplitude máximas Em/Ec. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 38 Responda as questões seguintes objetivamente. Procure não copiar as respostas do texto, mas apresentar a sua interpretação para a questão. 01 - Defina modulação em amplitude e índice de modulação. Use o esboço de uma forma de onda modulada em amplitude senoidalmente, para ajudar a explicar a definição. 02 - Deduza a relação entre a potência de saída de um transmissor de AM e o índice de modulação. Plote o resultado em um gráfico para valores de índice de modulação de zero ao valor máximo. 03 - Através da expressão de valores instantâneos de tensão da onda de AM, deduza uma expresso para valores eficazes dessa onda. 04 - Explique com a ajuda de formas de onda, como um amplificador em classe C, modulado em grade gera um sinal de AM. 05 - Use o diagrama do circuito e formas de onda apropriados para explicar como um amplificador em classe C a triodo, modulado em placa, é capaz de gerar um sinal de AM. 06 - Porque é usado a polarização por escape de grade com a modulação em placa? Explique, usando formas de ondas para mostrar o que acontece se essa polarização não for utilizada? Quais as vantagens subsidiárias da utilização desse tipo de polarização? 07 - Com a ajuda do circuito de um amplificador em classe C, modulado em placa usando um tetrodo, explique as precauções que devem ser tomadas para assegurar a operação apropriada da grade screen em semelhante circuito. CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 39 08 - Quais as limitações básicas dos amplificadores transistorizados modulados? Quando são utilizados? Existem algum circuito transistorizado similar comparado com os circuitos valvulados? Cite-os. 09 - O amplificador em classe C modulado em coletor pode experimentar uma grande dificuldade quando transistorizado. Qual é esta dificuldade? Como pode ser resolvida? Mostre com o diagrama do circuito uma das soluções para esse problema. 10 - Com o emprego de formas de ondas, explique como um adequado trem de pulso alimentando um circuito tanque ou circuito sintonizado resultará em uma onda de saída modulada em amplitude. 11 - Uma portadora de 1.000 kHz é modulada simultaneamente com 300 Hz, 800 Hz e 2 kHz, sinais de audiofreqüência senoidais. Trace o espectro de freqüência, o espectro de potência e o espectro de fase da onda modulada em amplitude. 12 - Um transmissor de AM na radiodifusão irradia 50,0 kW de potência na portadora. Trace um gráfico mostrando a variação de potência do sinal de saída modulada, quando o índice de modulação varia de zero a seu valor máximo. No mesmo gráfico trace a variação da corrente de saída, sabendo que a carga desse transmissor é uma antena de 75 ohms de impedância. 13 - Descreva o que ocorre com a alimentação de placa no circuito amplificador de RF quando processa uma modulação em amplitude com percentagem de modulação maior do que 100 %. 14 - Dada a equação e(t) = 50 sen 18,65 x 105t + 12,5 cos 18,00 x 105t - 12,5 cos 19,30 x l05t de um sinal modulado que chega a antena de um receptor de AM. Pede-se: o índice de modulação, a equação do sinal modulante, a potência média dissipada sob uma carga de 100 Ω por esta onda, o fator de mérito do circuito sintonizado de entrada do receptor. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 40 15 - Um sinal eo(t) = 100 sen 6,28 x 106t é modulado em amplitude por um sinal em(t) = 10 cos 5 x 103t. Sabendo que a constante do modulador vale 0,8, pede-se: o índice de modulação, a potência média da onda modulada em amplitude aplicada a uma carga de 50 Ω, a potência referente a cada faixa lateral, a expressão instantânea da onda modulada em amplitude, os espectros de potência, amplitude e fase do sinal modulado em amplitude. 16 - Qual a maneira prática de determinar o índice de modulação de uma onda modulada em amplitude? 17 - Dê as três representações possíveis de uma onda modulada em amplitude? 18 - Quais as maneiras possíveis de aplicar o sinal modulante no modulador em placa? 19 - Um sinal de voz na faixa de 300 Hz a 3.400 Hz com amplitude de 2,0 Vrms modula em amplitude uma portadora de 630 kHz e amplitude de 20,0 Vrms. Determinar: a potência média dissipada em uma antena de impedância de 75 Ω, os espectros de freqüência, potência e fase do sinal modulado, a potência média dissipada na mesma antena se o sinal for um A3J, a economia percentual de potência utilizando o sistema A3J. 20 - Quais as vantagens práticas do amplificador em classe C, modulado em placa? 21 - Cite algumas das vantagens da utilização do transformador de modulação. 22 - Quais as vantagens da modulação em amplitude em coletor sobre a modulação em base? 23 - Quando a modulação em grade será considerada como modulação em alto nível? Justifique. 24 - Quais as vantagens da modulação em alto nível? CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 41 25 - Qual a finalidade do circuito tanque na saída de modulador em amplitude? 26 - Dados: em1(t) = 10 cos 6,28 x 103t, em2(t) = 20 cos 3,14 x 103t, ec(t) = 50 cos 3,14 x 106t e R = 50 Ω. Para em1(t) modulando ec(t), pede-se: a equação do sinal modulado, a equação expandida em parcelas cossenoidais do sinal modulado, a potência média da onda modulada, a potência média quando em1(t) e em2(t) modulam simultaneamente a portadora, a equação expandida quando em1(t) e em2(t) modulam simultaneamente a portadora. 27 - Explique a afirmativa: " A informação está concentrada nas faixas laterais do sinal modulado pelo sistema AM - A3". 28 - Descreva o processo utilizado para medir o índice de modulação através das figuras trapezoidais. 29 - Um sistema de AM possui: eo(t) = 100 cos 18.849,555 x 103t e em(t) = 25 cos 12.566,37t. Constante de proporcionalidade ka = 1,0. Pede-se: o valor da freqüência em Hertz da FLI e da FLS, o nível de tensão de pico nas faixas laterais, a expressão da onda modulada em amplitude, contendo todos os termos. CEFET-MG WANDER RODRIGUES 42 30 - O diagrama abaixo representa um transmissor modulado em amplitude para uma transmissão de som. Nomear os blocos. 01- ____________________________________________________________ 02 - ___________________________________________________________ 03 - ___________________________________________________________ 04 - ___________________________________________________________ 05 - ___________________________________________________________ 06 - ___________________________________________________________ 07 - ___________________________________________________________ 08 - ___________________________________________________________ CEFET-MG MODULAÇÃO EM AMPLITUDE 43 31 - Descreva a finalidade dos componentes do modulador em amplitude abaixo relacionados: C3 - ___________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ TR1 - __________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ XRF - __________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ C2 – L2 - _______________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ CEFET-MG WANDER RODRIGUES 44 Bibliografia FILHO, Francisco Bezerra. 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