>Telecomunicaciones para dummies 2

>Ya sabemos que las ondas de radio se propagan infinitamente por el espacio más o menos como las capas de una cebolla (si se usan antenas direccionales la propagación puede tomar otras formas pero la esférica es el ejemplo más simple) ¿Cuanta distancia pueden alcanzar? Aunque los campos electromagnétios disminuyen con la distancia su alcance es indefinido, solo debemos tener un receptor los suficientemente sensible.

La electrónica nació con la aparición de tres circuitos básicos: los osciladores, rectificadores y amplificadores que solo fueron posibles cuando se inventaron las válvulas de vacío primero y luego los transistores o IC. Válvulas, transistores e IC hacen exactamente lo mismo, solo que los transistores y circuitos integrados requieren mucha menos energía y son infinitamente más eficientes. Antes que se inventaran las válvulas se usaban motores, máquinas de vapor y chispas para irradiar señales lo que era tremendamente ruidoso y poco eficiente.

La primera válvula que se inventó fue el diodo que, al ponerle corriente alterna la deja pasar para un solo lado. Así un diodo “recorta” las señales alternas por la mitad lo que en la práctica permite transformar corriente alterna en continua pulsante. Esto se llama rectificación o detección.

Luego se inventó el triodo que es como un diodo pero con un terminal de control, esto permitió crear los amplificadores y osciladores. Un amplificador no “agranda” una señal débil, lo que hace es usarla para controlar una corriente continua mucho mayor, que modifica para hacer una copia de la señal débil. Es una idea super ingeniosa. Supongamos que tengo una señal de corriente alterna de 1 milivolt (que es muy poco) entre su máximo y mínimo ¿como podría amplificarla?. Bueno, si con esa pequeña señal puedo controlar una corriente continua digamos de 100 volt para que tome la misma forma que la señal de control, entonces la tendré amplificada. El equivalente moderno del triodo es el transistor

La figura muestra el amplificador más simple con un transistor, la señal de entrada es pequeña y controla a la corriente continua +Vc que es más grande de modo que produce una copia con la misma forma que la señal de entrada, igual como podemos levantar un auto de muchos kilos aplicando muy poca fuerza con ayuda de una gata hidráulica, la amplificación copia la forma de la señal de entrada usando una corriente continua mucho más grande. Si la copia no es exacta se dice que el amplificador distorsiona.

Esto permitió que las señales de radio que en el aire son sumamente débiles (unos pocos milivolts) se puedan copiar usando una corriente mucho mayor, o sea se “amplifican” y pueden hacer sonar un parlante con un volumen ensordecedor.

El oscilador para generar señales alternas de alta frecuencia, se hace con un amplificador, una bobina y condensador conectados para que “resuenen” a una cierta frecuencia y usando la realimentación, que consiste en que la salida se conecta a la entrada. Esto hace que el circuito pueda oscilar a la frecuencia ajustada para el condensador con la bobina. Así se puede convertir una corriente continua en una oscilación de corriente alterna.

Con esto estamos casi listos para entender por que funciona la radio a galena. Pero falta un detalle: las frecuencias. Cuando hablamos frente a un micrófono el aire mueve una membrana que está conectada a un electro imán. Así el movimiento de la membrana produce una corriente eléctrica sumamente débil, pero que importa si ahora tenemos amplificadores. El problema es la frecuencia, los sonidos tienen un rango de frecuencias muy bajas -entre unos 20 Hz a 20.000 Hz- esas frecuencias prácticamente no se propagan porque al ser tan bajas para transmitirse y recibir se necesitarían antenas y equipos enormes.

La propagación empieza a ser eficiente a partir de los 500 Khz más o menos, las antiguas transmisiones en AM son entre 555 Khz y 1750 Khz eso equivale a longitudes de onda de cientos de metros. Luego está lo que se conoce como “onda corta” que son las bandas más eficientes para transmitir porque son frecuencias que rebotan en la ionósfera, así con muy poca potencia se puede dar la vuelta al mundo usando las bandas de 10, 20, 40 u 80 metros.

Pero ¿como transmitir entonces si las frecuencias de sonido no se propagan? Aquí aparece otro invento genial llamado “modulación” que consiste en montar o combinar una frecuencia de audio con otra de frecuencia mucho más alta (llamada “portadora”) que si se propaga, hay varias formas de modular y la más simple es la modulación en amplitud (AM) donde la portadora se “envuelve” con la forma del sonido, al llegar al receptor se detecta (o sea se pasa por un diodo) porque la modulación es simétrica y para recuperar el audio debemos tener solo una mitad, luego la portadora se descarta.

Ahora podemos entender como funciona la radio a galena. En la planta transmisora AM se genera una señal portadora con un oscilador y se mezcla con la señal de audio que queremos transmitir, eso se amplifica y se propaga usando una antena. Como la propagación es esférica la señal la podemos captar en todos lados, para capturarla usamos una antena (podría ser un pedazo de alambre) que va a un condensador y una bobina conectadas en paralelo, estas “atrapan” la frecuencia de la portadora y la dejan pasar con preferencia sobre las demás: eso es un sintonizador o filtro pasa-banda.

Luego el diodo recorta la señal portadora por la mitad y un condensador envía a tierra la portadora que ya no nos sirve. Tenemos entonces la misma señal de audio en nuestros audífonos, que funcionan eactamente igual que el micrófono pero al revés, e les aplica corriente y generan sonido: micrófonos y audifonos funcionan exactamente bajo el mismo principio.

¡ Fantástico! ¿y por que no son todas las radios a galena? Hay muchas razones. Habrán notado que nuestra radio no tiene amplificación así es que los audifonos se tienen que mover con los escasos micro volt que capta la antena. ¿Y por que no agregarle un buen amplificador y ya? Ah, porque si amplificamos con la señal portadora nuestro receptor empezará a irradiar y se convertirá en transmisor perdiendo toda la energía, entre muchos otros problemas.

Entonces fue cuando el ingeniero Armstrong inventó el circuito más ingenioso de todos, el famoso superheterodino, que soluciona la mayoría de los problemas prácticos de los receptores bajando la frecuencia de la portadora a una frecuencia intermedia FI mucho menor, que puede ser amplificada sin que irradie y usando amplificadores de banda estrecha. Hasta el día de hoy el superheterodino se usa hasta en los sistemas más sofisticados de comunicaciones que existen, es el más útil de los circuitos inventados.

Pero la radiación electromagnética no se usa solo en programas de radio AM, también existe la modulación de frecuencia y de fase, que permiten mayor fidelidad aunque alcance más corto, usando frecuencias mucho más altas que ya no rebotan en la ionosfera. Los radares, los telecomandos y el aparato electrónico más complicado que existe -lejos- que es la televisión en colores. Los desafío a que junten a diez ingenieros en telecomunicaciones de primer nivel y le pidan que explique como funciona la tele a color, apuesto que ni uno solo puede hacerlo. Casi ninguno de los ingenieros que yo conozco tiene idea clara de como funciona la tele a color.

Y si después de toda esta lata a alguien todavía le queda interés por saber más de comunicaciones, les recomiendo el extraordinario libro De la Galena a la Banda Lateral Moderna, de Frank W. Harris. Es apasionante, está muy bien escrito y me identifica plenamente por qué me gustó tanto la electrónica y por qué dejó de gustarme. Si a alguien le interesan las comunicaciones se va a divertir mucho leyéndolo. Hasta mañana.

>Telecomunicaciones para dummies

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La radio a galena tuvo la culpa de que me metiera a estudiar electrónica, en lugar de seguir mi verdadera vocación dedicándome a tocar música tropical en un combo. A mediados de los años 60 yo tenía unos 11 años y un amigo de la familia vivía cerca de la estación transmisora de Radio Minería, una de las más importantes del país en esa época, como transmitían en AM la torre era enorme y usaba mucha potencia, entonces escuché que colocando una cáscara de naranja cerca de algo metálico se podía escuchar radio.

Nunca pude comprobarlo pero al poco tiempo leí sobre la radio a galena, me pareció maravilloso poder hacer un receptor que funcionara sin energía y a los pocos días había destripado una radio vieja de la que saqué el condensador variable y la bobina, un auricular de teléfono, un diodo de germanio y un condensador fijo que compré en Casa Royal: me permitieron construir mi primera radio a galena, lo que selló mi maldición con la electrónica.

Años después mi primo Alejandro me mandó de regalo varios componentes electrónicos, en ese tiempo me había dado por fabricar osciladores para hacer “música” con radios a válvulas, tuve suerte de no morir electrocutado pero me dio la corriente tantas veces que desde entonces debo haber quedado medio cucufato.

Tenía la práctica pero no la teoría, hacía xperimentos pero como funcionaban era magia negra para mi. Me tomó varios años llegar a entender el maldito asunto, hasta que en 1972 tuve la suerte de descubrir un libro que lo explicaba todo. Había leído la biblioteca completa del Liceo de Ancud y me faltaban solo dos libros, uno era El Quijote y cuando traté de leerlo no hubo caso, en mi vida había leído algo más absurdo y aburrido, lo dejé y hasta el día de hoy es de los pocos libros conocidos que nunca terminé de leer.

El otro era un librito poco atractivo de la Biblioteca Técnica de Phillips con un título raro: se llamaba “Del Electrón al Superheterodino: curso sencillo para el reparador de radios“, lo leí una y otra vez durante los dos años que me quedaban en Ancud hasta que lo aprendí casi de memoria. Tuve mucha suerte de encontrarme por casualidad con este libro de culto entre los comunicantes.

Me jacto de entender mejor que la mayoría de mis colegas las comunicaciones y fue gracias a ese libro extraordinario, que le dio el marco para todo lo que aprendí en los seis o siete años siguientes. Nunca hubiese entendido bien los fenómenos radiantes de no haberlo leído y bueno, eso me sentenció a convertirme en electrónico, pasión que me entretuvo por muchos años.

La radio es el ejemplo más extraordinario de acción a distancia que existe. Cuando vemos que el capitán Kirk y su tripulación se teletransportan en Star Trek pensamos que es algo que jamás será posible, sin embargo nadie se inmuta porque podemos -por ejemplo- activar un interruptor a miles de kilómetros de distancia con soio apretar un botón remoto. La acción a distancia (todas las fuerzas lo son pero la radio permite hacer trabajos a mucha distancia) es uno de los fenómenos fundamentales y más misteriosos de la naturaleza.

Aprovecharé que el fin de semana para aburrir a los pocos que leen sábado y domingo con telecomunicaciones para dummies, dudo que sea de interés muy general pero creo que es un asunto muy lindo e interesante, por si algún proyecto de electrónico está leyendo le puede interesar.

Radiacción (lat radiatio) tiene que ver con arrojar, despedir, emitir, lanzar como cuando el Dios Zeus lanzaba rayos a los pobres mortales, por eso las telecomunicaciones a veces se simbolizan con rayos. En palabras simples la radiación electromagnética (ondas de radio) es una clase de luz que no podemos ver porque su frecuencia es más baja, si el ojo pudiese ver las ondas de radio no podríamos ver ni una otra cosa. Las ondas de radio y las de luz son lo mismo, solo se diferencian por la frecuencia.

¿Y que es la frecuencia? bueno, para que exista radiación debe haber una oscilación que la genere. Todos los electrones tienen un campo eléctrico estático que los rodea, si con un oscilador hacemos variar el campo eléctrico igual como cuando movemos un péndulo. Un campo eléctrico variable crece y decae, cuando esto ocurre la energía pasa a generar un campo magnético variable, cuando el campo magnético se agota genera uno eléctrico luego todo se invierte y ahí tenemos una onda electromagnética que se irradia.

Esa es la parte complicada en la que no me voy a meter porque no existe nadie en el mundo que entienda realmente la naturaleza de los campos de fuerza. Cuando estudiaba electromagetismo me quejé con mi profesor Tito Torres porque me era imposible imaginarme un campo, me dijo “no te preocupes, nadie en el mundo ha llegado a eso”.

Pero podemos hacer la analogía en una dimensión cuando hacemos vibrar un elástico, o en dos dimensiones con el campo ondulatorio que se produce cuando tiramos una piedra a una laguna tranquila y vemos como se propagan las ondas. Un campo electromagnético es en tres dimensiones y lo podemos imaginar propagándose por el espacio como las capas esféricas de una cebolla que se expande hasta el infinito. Ojalá fuese tan sencillo porque en realidad son dos campos que se alternan desfasados en 90 grados y bueno, mejor lo dejamos hasta aquí. Digamos más o meno así son las ondas de radio.

Ah tantas cosas entretenidas, mañana colocaré la explicación de por que funciona la radio a galena y que es el superheterodino, aunque no le importe a nadie total, es fin de semana. Hasta mañana