O rádio ocupa hoje uma posição de destaque nas tecnologias eletrônicas. Se partirmos das aplicações básicas que fizeram história como rádios AM, ondas curtas e FM constatamos que a partir daí novas tecnologias nos levam a aplicações que hoje são indispensáveis no nosso dia a dia como o celular, as aplicações de informática sem fio, sensoriamento remoto e muito mais. Neste artigo, bastante didático analisamos um pouco da história e funcionamento do rádio.
Houve época em que toda a eletrônica se traduzia numa palavra”rádio. De fato, naqueles tempos, o único aparelho que podia ser denominado eletrônico, e de uso comum, era o rádio. Presente em muitos lares permitia o “milagre” de se ouvir vozes de pessoas distantes.
Com a evolução da eletrônica, novos equipamentos surgiram como os amplificadores para fonógrafos, gravadores, a TV e depois tudo que hoje conhecemos, uma infinidade de aplicativos a nossa disposição.
Assim, se quisermos ter uma visão da história da eletrônica, nada melhor do que usar o rádio como referência. A história do rádio está intimamente ligada a história da evolução de novas tecnologias.
Neste artigo tratamos um pouco do rádio, explicando sua origem, os diversos tipos de circuitos e algumas características importantes para projetos. Daremos até alguns circuitos práticos simples para os que desejarem fazer experimentos, ou demonstrações com finalidades didáticas.
O Início
Maxwell, através de equações matemáticas, previu a existência de ondas eletromagnéticas, da mesma natureza que as ondas de luz, que podiam se propagar no espaço com a velocidade próxima de 300 000 km/s, mas de freqüência muito mais baixa.
Lendo os trabalhos de Maxwell, um cientista alemão chamado H. R. Hertz, em 1887, realizou as primeiras experiências práticas que provaram a existência de tais ondas.
A prova foi simples, consistindo na montagem do primeiro transmissor do primeiro receptor de rádio. Produzindo faíscas elétricas num canto do laboratório, estas faíscas geravam ondas eletromagnéticas que, provocavam o aparecimento de outras num dispositivo colocado do outro lado do laboratório.
Esta experiência também serviu para a elaboração da primeira antena que consistia em placas de metal.
Guglielmo Marconi, lendo os trabalhos publicados por Hertz, relatando suas experiências, percebeu que estas ondas poderiam, ser usadas para levar mensagens, trabalhando a partir de então no aperfeiçoamento da descoberta.
Marconi desenvolveu então dispositivos capazes de gerar e receber ondas eletromagnéticas.
A partir de 1895, com apenas 21 anos de idade, Marconi deu início a uma série de experiências que culminaram com a transmissão com êxito de mensagens a navios situados a 20 km de distância da costa.
Depois, Marconi criou um sistema capaz de transmitir direcionalmente os sinais eletromagnéticos e, finalmente em 1901, um sistema capaz de transmitir sinais entre a Inglaterra e a Terra Nova, sendo essa a primeira transmissão através do Atlântico.
A primeira transmissão de radiodifusão documentada ocorreu em 1906, tendo sido realizada por R. Fessenden nos Estados Unidos.
Na véspera de natal de 1906, usando um alternador de radiofreqüência, que operava em 50 kHz, construído pela General Electric, foi realizada a primeira transmissão de radiodifusão.
O microfone usado para modular este primeiro transmissor era ligado diretamente à antena, controlando assim toda a potência aplicada. O resultado era que o microfone precisava ser refrigerado a água, tal o calor desenvolvido.
Landell de Moura
Da mesma forma que existe uma grande controvérsia em relação à invenção do avião, caso em que os americanos defendem os irmão Wright e nós Santos Dumont, podemos dizer que para o rádio existe também uma boa discussão sobre o assunto.
Os russos defendem Popov enquanto que “oficialmente”, Marconi é o inventor do rádio. No entanto, existem provas de que muitos pesquisadores transmitiram e receberam ondas de rádio antes de Marconi.
É o caso do padre brasileiro Landell de Moura que enviou sinais de rádio entre pontos diferentes da cidade de São Paulo, antes de Marconi e também teria transmitido a voz e imagens na mesma época sem o devido reconhecimento.
Somente agora suas descobertas estão sendo revistas com a atribuição do devido valor que possuem. Sugerimos aos leitores interessados que visitem o site de Luiz Netto sobre Landell de Moura em http://www.rlandell.hpg.ig.com.br/ ou ainda que leiam o livro de Hamilton Almeida, Padre Landell de Moura: um herói sem glória. O brasileiro que inventou o rádio, a TV, o teletipo...” (Editora Record).
Os Circuitos Receptores
A partir do primeiro receptor de Hertz, que consistia simplesmente numa espira com duas esferas separadas por uma distância muito pequena, onde era possível observar as faíscas, foi criado um dispositivo denominado “coesor”. O coesor era um tubinho cheio de limalha de metal, onde a presença de sinais de rádio fazia saltar faíscas, tornando-o condutor.
Depois disso, diversos dispositivos foram criados para detectar as ondas de rádio, chegando às técnicas avançadas que hoje são utilizadas.
Rádio de Galena
Um dos primeiros tipos de rádio que existiu não utilizada nenhum dos modernos dispositivos eletrônicos que conhecemos como transistores ou circuitos integrados. Estes rádios tinham uma estrutura bastante simples, conforme mostra a figura 2.
Uma enorme antena (A), consistindo em fio estendido com comprimento de 10 a 50 metros de comprimento, captava o máximo de energia das ondas eletromagnéticas emitidas pela estação.
Estas ondas induziam na antena correntes de altas freqüências que então eram levadas a um circuito seletor. O seletor mais simples que podemos descrever consiste numa bobina e num capacitor variável, ligados em paralelo, conforme mostra a figura 3.
Este circuito até hoje é usado na maioria dos receptores de rádio. O número de voltas de fio da bobina e a quantidade de placas do capacitor determinam a faixa de freqüências das estações que podem ser selecionadas.
Para o caso das estações de AM (amplitude modulada) de ondas médias onde as estações têm freqüência entre 530 e 1605 kHz,usando capacitores variáveis entre 270 e 465 pF, o número de voltas da bobina estará tipicamente entre 80 e 120.
Este circuito tem a propriedade de deixar passar para a terra as correntes de todas as freqüências captadas, exceto as da freqüência da estação que desejamos ouvir.
O sinal separado, da estação selecionada, é então levado a um detector de envoltória ou simplesmente detector. O detector nada mais é do que um retificador que conduz a corrente num único sentido de modo que, através de uma filtragem (filtro passa baixas), possamos separar a corrente de baixa freqüência da modulação (som) da corrente de alta freqüência que a transporta (portadora).
Isso ocorre porque o som do microfone na emissora é aplicado à “onda” que lhe transporta. A onda eletromagnética é, portanto apenas um meio de transporte para os sinais de freqüências menores que correspondem aos sons, conforme mostra a figura 4.
Atualmente temos componentes próprios que podem ser usados como detectores, como os diodos semicondutores. No entanto, antigamente, as coisas eram mais difíceis.
O detector tinha de ser fabricado com um cristal de galena, uma espécie de óxido de chumbo, que era montado numa base de material condutor. Um fio extremamente fino, chamado “bigode de gato”, era usado para encontrar os pontos sensíveis do cristal.
O operador do rádio deveria, com muita calma e habilidade, encostar o bigode de gato em diversos pontos do cristal, até encontrar o “ponto sensível” que possibilitaria de detecção dos sinais de rádio. Sem dúvida, ouvir rádioi exigia habilidade naqueles tempos!
A corrente que temos depois do diodo já é de baixa freqüência, devendo ser filtrada antes de ser levada a um fone. O fone nada mais é do que um reprodutor de som.
Formado por uma bobina de fio fino, com a passagem da corrente é criado um campo magnético que, atuando sobre uma placa de metal chamada diafragma, a faz vibrar. Estas vibrações são transferidas para o ar na forma do som originalmente enviado a partir da estação, conforme mostra a figura 5.
Veja que o princípio de funcionamento desse receptor é muito simples, mas apresenta muitos inconvenientes: toda a energia que vai para o fone deve ser captada pela antena. Assim, o volume do som depende da eficiência a antena na captação dos sinais.
Mesmo estações fortes ou próximas só podem ser ouvidas com o fone muito próximo do ouvido. O uso de um alto-falante é praticamente inviável com esse tipo de receptor.
Para os leitores que desejam experimentar com esse tipo de receptor, damos um circuito prático, onde a única modernização é a troca do cristal de galena (difícil de obter) por um diodo de germânio de qualquer tipo.
Esse tipo de componente já tem um “bigode de gato” interno soldado no ponto de máxima sensibilidade, evitando assim o inconveniente de se precisar encontrar o ponto sensível. O circuito é mostrado na figura 6.
A bobina é enrolada num cabo de vassoura ou tubo de PVC de aproximadamente 2,5 cm de diâmetro. Ela consta de 100 voltas de fio esmaltado 28 ou 26 (40 + 60). O capacitor variável CV é aproveitado de qualquer rádio antigo fora de uso e o fone deve ser de cristal ou magnético de alta impedância.
Sugerimos o uso de uma cápsula piezoelétrica. Não devem ser usados fones de walkman ou radinhos modernos que são de baixa impedância.
A antena deve ter pelo menos 10 metros de comprimento, consistindo num fio comum encapado. A ligação à terra pode ser feita num cano de água ou qualquer objeto de metal acessível de grande tamanho como a esquadria de uma janela.
A Válvula, o Transistor e a Amplificação Direta
Thomas Alva Edison havia descoberto um importante efeito em suas lâmpadas: quando uma placa adicional era colocada no interior da lâmpada, uma corrente podia ser detectada nesse elemento. Essa corrente, conforme se verificou posteriormente, era formada por elétrons que deixavam o filamento aquecido, conforme mostra a figura 7.
J. A. Fleming, um inglês que visitava Edison justamente quando ele fez essa descoberta, observou que o dispositivo em questão funcionava como um diodo, deixando a corrente circular apenas num sentido.
Posteriormente, trabalhando nessa mesma válvula, o americano Lee de Forest, em 1906, colocou uma espécie de grade entre o filamento aquecido e a placa. Aplicando tensões nesta grade ele podia controlar a corrente que circulava entre o filamento e a placa, conforme mostra a figura 8.
Essa configuração, denominada válvula triodo, poderia ser usada num circuito conforme mostra a figura 9, para amplificar um sinal de rádio detectado e dessa forma obter muito maior volume num fone de ouvido. Um rádio de maior sensibilidade poderia ser obtido com essa configuração.
Esse tipo de rádio, em que o sinal detectado (retirado do diodo) era aplicado diretamente a uma válvula amplificadora, recebeu o nome de receptor de “amplificação direta”.
O transistor, que foi inventado somente em 1948, na verdade funciona como um amplificador de sinais semelhante a válvula triodo, com a vantagem de que não usa um filamento.
Pelo fato das correntes circularem num transistor através de um meio sólido (o material semicondutor) dizemos que se trata de um dispositivo de estado sólido, que substituem as válvulas com vantagens, quer seja pelo seu tamanho diminuto, quer seja pela pouca energia que precisam para funcionar.
Na figura 10 temos um receptor de amplificação direta, equivalente à configuração valvulada que mostramos na figura 9, mas que usa um transistor.
Se o leitor quiser montá-lo, a bobina é formada por 80 espiras de fio esmaltado 28 ou mais fino, com tomada na 30ª espira, e o variável pode ser aproveitado de qualquer rádio antigo.
O diodo é de germânio e o fone deve ser de alta impedância ou de cristal com um resistor em paralelo. A antena deve ter pelo menos 5 metros de comprimento.
Entretanto, já nos tempos das válvulas verificou-se que a recepção dos sinais poderia ser melhorada através do uso de diversos artifícios, que também podem ser usados em circuitos transistorizados (com finalidades experimentais).
No caso dos transistores, o que ocorre é que quando eles surgiram, as técnicas de recepção já estavam suficientemente desenvolvidas para se adotar a melhor. Assim, as outras ficaram apenas como curiosidades históricas.
Receptores Reflex
Verifica-se que uma válvula triodo tanto podem amplificar os sinais detectados como os próprios sinais de alta freqüência captados pela antena. Num receptor reflex utiliza-se a mesma válvula para amplificar duas vezes o sinal: na primeira vez o sinal amplificado é o de alta frequência, vindo do circuito de sintonia.
Logo depois da amplificação, este sinal é detectado, voltando então a componente de baixa freqüência à mesma válvula, onde recebe nova amplificação. Daí ele pode então ser aplicado ao fone de ouvido. Na figura 11 temos um circuito de um receptor desse tipo.
O mesmo circuito na versão transistorizada é mostrado na figura 12.
Receptores Regenerativos
Outra técnica interessante usada na recepção de sinais de rádio consiste na regeneração. O que se faz é amplificar o sinal uma vez e depois “jogá-lo” de volta à entrada do mesmo amplificador, para que ele receba nova amplificação. Uma mesma válvula (ou transistor) tem então sua capacidade de amplificação multiplicada, com resultados bastante interessantes. Na figura 13 temos um rádio desse tipo usando uma válvula.
A bobina L3 sintoniza o sinal, enquanto que L1 é usada para “jogar” de volta o sinal amplificado. Este tipo de circuito tem uma característica interessante: se a regeneração for muito forte, ou seja, muito do sinal “for jogado de volta” na entrada, ele entra em oscilação, ou seja, o sinal começa a “rodar” pelo circuito num processo que impede a audição de qualquer estação, aparecendo apenas um forte apito no fone.
Existe então um controle que “dosa” a regeneração de modo que ela seja máxima, mas não o suficiente para ocorrer a oscilação. Isso o operador pode perceber facilmente, pois no momento em que o ponto crítico é ultrapassado, o fone “apita”.
Na figura 14 temos um circuito de um receptor transistorizado regenerativo.
A bobina L2 consiste em 20 + 80 espiras de fio 28 num bastão de ferrite e L1 20 espiras sobre L2. Os transistores podem ser os BC548
Diversas Etapas
É claro que, em lugar de se usar apenas uma válvula ou transistor para amplificar o sinal, é possível usar diversos. O sinal passa de um para o outro sendo amplificado, até atingir a intensidade desejada.
Com um número suficiente de válvulas ou transistores pode-se chegar a intensidade suficiente para excitar um alto-falante. Na figura 15 temos circuitos de rádios com diversas etapas, usando transistores. Evidentemente são circuitos que têm apenas finalidade didática.
Tente montar o circuito transistorizado. A bobina tem 80 voltas de fio esmaltado 28 com tomada na 30ª espira e o capacitor variável é do tipo usado em rádios AM. O diodo é 1N34 e os transistores BC548. O alto-falante é de 4 ou 8 Ω com 5 cm e B1 é formada por 4 pilhas pequenas.
A antena pode ser um pedaço de fio estendido de 3 a 5 metros de comprimento, já que temos muito maior sensibilidade do que nos receptores dados anteriormente.
Mas, mesmo com diversas etapas, os rádios ainda não podem ser considerados ideais, pois apresentam problemas como:
Instabilidade: muitas etapas tendem a gerar oscilações por sinais que voltam às etapas de entrada. Apitos e ruídos podem ocorrer.
Falta de seletividade: o rádio não consegue separar estações que transmitem em freqüências próximas.
Para solucionar estes problemas existem outras técnicas que apareceram com o tempo, algumas das quais muito engenhosas.
Neutrodinos, Sincrodinos e Outros
Nesta fase da história do rádio, passou-se a ter uma preocupação maior com a estabilidade dos circuitos. Assim, um primeiro passo foi o que levou aos receptores denominados neutrodinos. Um processo de neutralização evitava que ocorressem oscilações por realimentação entre as diversas etapas do circuito.
No receptor sincrodino, o circuito gerava um sinal sincronizado com o da estação, dando assim maior estabilidade ao circuito. No entanto, esse rádios logo foram superados por uma categoria de circuito que existe até hoje: o superheteródino.
O Superheteródino
Como conseguir aliar alta sensibilidade a uma ótima seletividade e tudo isso num circuito de grande estabilidade? A resposta para este problema está no circuito superheteródino.
Rádios de todos os tipos e até mesmo receptores de TV e telecomunicações modernos se baseiam nesta configuração que se revela satisfatória para a maioria dos casos em que a recepção dos sinais deva ser feita de forma estável e sensível.
Na figura 16 temos a estrutura em blocos de um receptor superheteródino, a partir da qual procuraremos explicar o funcionamento da maneira mais simples possível.
Os sinais são captados pela antena e levado a um circuito de sintonia, onde o sinal da estação que se deseja ouvir é separado. O primeiro passo desse sinal é ser processado por uma etapa chamada misturadora.
A função da etapa misturadora ou misturador é simplesmente combinar o sinal da estação selecionada com um sinal que é gerado no próprio receptor. Este sinal deve ter uma freqüência, que no caso do AM, deve ser 455 kHz maior que o sinal captado e no caso do FM, 10,7 MHz maior.
A mistura dos dois sinais provoca um fenômeno denominado batimento ou heterodinagem: obtemos na saída da etapa dois sinais que correspondem à soma e diferença de suas freqüências. Como a diferença é fixa, 455 kHz ou 10,7 MHz, as etapas seguintes podem perfeitamente trabalhar com freqüências fixas, não se necessitando mais de circuitos de sintonia variável.
Nos receptores de AM temos então etapas amplificadoras seguintes operando em 455 kHz e nos de FM, operando em 10,7 MHz. Estas etapas são denominadas “de FI” ou “Freqüência Intermediária”.
O sinal de FI que leva então a informação do sinal original captado, tendo apenas uma freqüência, pode ser amplificado por uma ou duas etapas adicionais até ficar suficientemente intenso para poder ser detectado.
A detecção é feita então da maneira convencional: nos rádios AM usamos um diodo que detecta a envolvente, ou seja, separa a modulação do sinal original de sua portadora, conforme mostra a figura 17.
Nos rádios de FM utiliza-se um circuito denominado discriminador, pois a modulação é feita de modo diferente. De qualquer forma, a partir dessa etapa temos no circuito apenas sinais de baixas freqüências ou áudio que correspondem aos sons originais emitidos.
Podemos então amplificá-los ainda mais, mas agora usando um amplificador comum de áudio. O volume ou potência do som que obteremos na saída vai depender das características deste amplificador.
Nos rádios de FM estéreo, existe ainda um circuito adicional que é o decodificador (multiplex) que faz a separação dos sons dos dois canais que são enviados a dois amplificadores diferentes.
Assim, para rádios portáteis ou do tipo walkman, temos pequenos amplificadores com potências da ordem de milésimos de watt (mW), para os rádios maiores e de carro, as potências aumentam para vários watts e finalmente nos grandes sons, essa potência podem superar os 100 W. Na figura 18 temos um circuito típico de receptor superheteródino.
(Clique na imagem para ampliar)
O leitor não deve tentar montar esse rádio. O que ocorre é que as técnicas industriais que levam à produção em massa fazem uso de circuito integrados que unem todas as funções em chips (circuitos integrados) e eles são fabricados por máquinas automáticas que barateiam sua produção.
Conclusão
Circuitos integrados podem reunir milhares ou milhões de componentes possibilitando a elaboração de receptores extremamente complexos e eficientes. As novas técnicas que vão possibilitar a transmissão da informação na forma digital para o rádio comum já estão a caminho.
Assim, tudo o que vimos passará definitivamente para a história, uma história muito interessante que alguns de nós viveram uma boa parte, testemunhando até a época em que o rádio era considerado uma das maravilhas da tecnologia e a TV ainda era uma simples curiosidade acessível a poucos.