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Harmônicas e Filtros - Como obter mais de seu transmissor (ART091)

Um dos problemas que ocorre com a montagem de transmissores simples, com circuitos elementares não muito elaborados é que às vezes os montadores não conseguem obter o máximo de rendimento, além de haver a produção de sinais interferentes num nível indesejado. Esses sinais acabam por interferir em aparelhos próximos como receptores de TV e rádios. O uso de antenas impróprias, ausência de filtros e ajustes imperfeitos é a principal causa desses problemas cujas soluções serão abordadas neste artigo. Este artigo é parte do livro Transmissores Para Iniciantes, de nossa autoria (esgotado).


O matemático francês Fourier demonstrou que qualquer forma de onda pode ser analisada como resultado de uma forma de onda senoidal (denominada fundamental) à qual se sobrepõem uma série de sinais de forma senoidal de menor intensidade e de freqüências múltiplas denominadas harmônicas, conforme mostra a figura 1.




Em suma, qualquer sinal pode ser sempre decomposto numa senóide de freqüência igual a deste sinal, denominado fundamental, e em componentes senoidais denominadas harmônicas. Foi somente com o avanço da eletrônica que se descobriu a profundidade dessas afirmações, pois elas permitem explicar fenômenos importantes que ocorrem quando geramos sinais elétricos com as mais diversas formas de onda. De fato, se um oscilador, por exemplo, um pequeno transmissor de FM, produzir um sinal na freqüência de 100 MHz, mas cuja forma de onda não seja perfeitamente senoidal, ou seja, uma oscilação que seja considerada pura, também "aparecem" junto com este sinal, mas com menor intensidade, sinais de freqüências múltiplas como 200, 300, 400 MHz, etc.

É por este motivo, que, se ajustarmos indevidamente um transmissor deste tipo para uma freqüência de 50 MHz, poderemos captar seu sinal em 100 MHz. Na verdade, estaremos captando uma "harmônica" que, no entanto, terá menor intensidade e por isso não poderá ir além de poucos metros de distância. Veja então que as intensidades das harmônicas vão diminuindo à medida que a freqüência aumenta, de modo que, a partir de seu valor já fica difícil fazer sua detecção, e as interferências que causam são bem menores, conforme mostra a figura 2.



É por causa deste problema que muitos transmissores para a faixa do cidadão, em torno dos 27 MHz, causam muitos problemas de interferências, principalmente na recepção dos canais baixos de TV em VHF, como o 2. Se mal ajustados, a primeira harmônica desses transmissores cai justamente em torno de 54 MHz, que é a freqüência de operação justamente do canal 2. Muitos leitores, ao tentar ajustar seus pequenos transmissores de FM, acabam por gerar sinais que podem cair justamente nos canais mais altos da faixa de TV causando com isso interferências em aparelhos próximos que usam antenas internas ou externas.

Mas, o problema maior destas harmônicas, não é só a interferência que causam. Estas oscilações indesejáveis acabam por "roubar" a potência do transmissor, já que toda a energia gerada deve ser distribuída entre diversos sinais. Em outros casos podem ainda ser produzidas oscilações denominadas "espúrias" cujas freqüências vão coincidir com a de canais de TV ou mesmo na faixa de FM, e que acabam por causar sérios problemas para quem tenta ajustar o aparelho: mais de um sinal é produzido em freqüências próximas da desejada e daí a dificuldades em identificar o mais forte. Ajustando o transmissor na freqüência indevida, a potência cai e o alcance é reduzido drasticamente. Mesmo potentes transmissores valvulados não passam de algumas centenas de metros quando isso ocorre. Esse problema é mais acentuado nos transmissores que possuem diversas etapas de amplificação e portanto diversos circuitos ressonantes que devem ser ajustados individualmente, conforme mostra a figura 3.



Pequenas diferenças de ajustes nas bobinas, polarização indevida de transistores que deformam os sinais ajudando na produção de harmônicas são alguns dos problemas que podem ocorrer.
É muito comum que, para se obter maior rendimento de um transistor ou uma válvula, sua polarização seja feita de modo que esses componentes operem em classe C, o que ‚ mostrado na figura 4.



Nessas condições o componente permanece no corte (sem conduzir) até que um dos semiciclos do sinal alcance pelo menos 0,6 V (no caso dos transistores) e com isso polarize a junção base - emissor no sentido de levar esse componente à saturação (condução total). O resultado desta modalidade de operação é uma forte deformação no sinal amplificado, o que tem como conseqüência o aparecimento de uma grande quantidade de harmônicas, que tanto podem roubar a potência do transmissor, como podem causar fortes interferências em aparelhos próximos, dependendo da freqüência e da potência, conforme mostra a figura 5.



Evidentemente, além das proibições que existem em relação a operação de aparelhos nessas condições, mesmo por radioamadores licenciados, o leitor pode ainda ter de enfrentar a ira de vizinhos que desejam ver seus programas favoritos de TV, sem problemas. Linhas trançadas na imagem, instabilidades de sincronismo (imagem rodando), som perturbado, ondulações na imagem são alguns problemas típicos causados pela interferência de transmissores. Como resolver o problema?



SOLUÇÕES
Não basta montar o aparelho e simplesmente ligar de qualquer modo a um condutor que se denomine antena para se ter uma transmissão eficiente, pura e com bom alcance, e isso é válido principalmente para os transmissores de maior potência ou de maior número de etapas. O acoplamento à antena é o primeiro ponto importante a ser considerado: com o uso de um sistema ajustável de acoplamento do transmissor à antena podemos transferir para esta antena a maior potência possível os sinais gerados e isso somente na freqüência desejada, reduzindo assim, de modo automático, a irradiação de harmônicas ou espúrias.
Na figura 6 temos uma sugestão de circuito de acoplamento de antena que ajuda a transferir a máxima energia do transmissor e reduzir a intensidade das harmônicas.



Para a faixa de FM e VHF, em pequenos transmissores até uns 5 W de potência, a bobina é formada por 3 ou 4 espiras de fio 22 a 28 enroladas sobre a bobina da última etapa amplificadora e o trimmer pode ter capacitâncias máximas na faixa de 20 a 50 pF. O circuito deve ser ajustado para se ter a máxima potência na antena. Um medidor de intensidade de campo como o da figura 7 pode ser usado para avaliar a energia irradiada.


                                      

Para a faixa de ondas médias, onde as freqüências são mais baixas, a bobina é formada por 12 a 15 espiras de fio esmaltado 28 sobre a bobina da última etapa de amplificação do transmissor e o capacitor CV é um variável com capacitância máxima de 120 a 300 pF. O circuito em questão serve para transmissores de 500 kHz a 3 MHz. Veja que este circuito deve ser montado de modo a funcionar blindado e com cabos coaxiais na interligação da antena e transmissor. Uma sugestão de montagem para a versão de alta freqüência é mostrada na figura 8.



Um outro problema que ocorre nas saídas dos transmissores é que sua baixa impedância dificulta a obtenção de um fator Q elevado. Isso significa que, sendo a seletividade baixa, não só passam com facilidade os sinais da freqüência sintonizada como também de outras freqüências. Esse problema pode ser minimizado com a utilização de filtros. Para a faixa de FM e VHF, por exemplo, temos o filtro da figura 9 que consiste em uma configuração em T do tipo passa baixas.



Sintonizado na freqüência que desejamos transmitir, que será considerada para ele como baixa, ele bloqueará as freqüências mais altas que correspondem às harmônicas. As bobinas L1 e L2 são formadas por 4 ou 5 espiras de fio 20 ou 22 em forma de 1 cm de diâmetro sem núcleo. Outro tipo de filtro, de excelente desempenho neste tipo de aplicação, é o filtro PI (nome da letra grega que é usada para indicar a constante 3,14) e que é mostrado na figura 10.



Nesse circuito tanto podemos ter a sintonia dos trim-pots como da própria bobina. A mesma configuração utilizada num circuito transmissor valvulado é mostrada na figura 11.



Para a faixa de FM, a bobina L1 deste filtro é formada por 5 espiras de fio 20 ou 22 em forma de 1 cm podendo ser feita uma tomada em cada espira para se obter o ponto de ajuste ideal. Os trimmers podem ter capacitâncias máximas entre 20 e 50 pF. Nos circuitos valvulados esses trimmers devem ter boa tensão de isolamento, dando-se preferência aos tipos com dielétrico de mica. O mesmo circuito pode ser ampliado de modo a se obter a chamada configuração PI-L mostrada na figura 12.



Para a antena, uma opção interessante a ser utilizada com pequenos transmissores de FM é a da antena dipolo de meia onda que deve ser acoplada ao transmissor por meio de linha balanceada (fita de 300 ohms), conforme mostra a figura 13.



Para esses tipos de saídas também temos diversas opções de acoplamento ajustáveis que permitem encontrar o melhor ponto de funcionamento e que são mostrados na figura 14.




Veja que esses circuitos são indicados para linhas de transmissão de 300 ohms, mas podem ser facilmente adaptados para operar com cabos coaxiais de 50 ou 75 ohms, conforme a antena. Para a faixa de FM, a bobina L2 tem 6 ou 7 espiras de fio 22 a 26 enroladas sobre L1.



CONCLUSÃO
Conforme os leitores podem perceber existe pouca relação entre o alcance de um transmissor e sua potência. Diversos fatores, que se não forem observados, podem comprometer o alcance até mesmo do mais potente dos transmissores. Nos Estados Unidos existe um clube de radioamadores cuja finalidade principal é ver quem consegue o maior alcance com o transmissor de menor potência. Por enquanto o considerado "vencedor" conseguiu um contacto a mais de 10 000 quilômetros com um transmissor cuja potência é menor do que menor dos transmissores que descrevemos mos nossos artigos, da ordem de apenas 0,01 W! Vale o velho ditado de que "tamanho não é documento".

Boa antena, casamento perfeito de impedâncias entre todos os elementos, montagem perfeita são alguns dos requisitos que levam seu transmissor ao melhor desempenho. Lembramos que muitos projetos que descrevemos não satisfazem nossos leitores que acham ainda que é preciso ter muitos watts para ir longe, inclusive desafiando a própria lei, quando é muito mais importante ter uma boa transferência de potência “limpa” e com  isso uma transmissão livre de problemas.

Também observamos que para as tecnologias modernas de transmissores de alguns milésimos de watts como as usadas nas redes sem fio, links de segurança, controles são válidas as mesmas considerações. O que muda nesses casos é apenas a freqüência que, por ser mais elevada, é ainda muito mais crítica quanto aos eventuais problemas que podem aparecer. Aprendendo com transmissores experimentais de baixa potência o leitor estará apto a trabalhar e entender o que ocorre com transmissores de altas potências ou que operam em freqüências muito altas da ordem de gigahertz e que se tornam cada vez mais comuns.

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