EMISORAS FM DE CONSTRUCCIÓN
ARTESANAL
Saludos Colegas. Desde inicios de la electrónica
y las comunicaciones locales vía antena, la radiodifusión ha representado el medio
de comunicación al alcance de todos, gracias a sus bondades y bajo costo que
implica para radioescuchas.
Para instalar emisoras
FM (Frecuencia Modulada), en el mercado es posible adquirir equipos
transmisores de diversas potencias, sistemas de antenas, estudios y equipos
profesionales en general, lo cual pudiera representar una inversión monetaria
que dificulte dicha instalación en pequeñas comunidades con bajos recursos
económicos. Para quienes prefieren la construcción
artesanal a bajo costo, o simplemente contribuir al conocimiento, en el
presente artículo se describen ideas para construir sencillas emisoras en rango
FM comercial (frecuencias desde 88 MHz, hasta 108 MHz), de excelente calidad de audio
stereo, estables de frecuencias y futuristas (expandibles en potencias), las
cuales pudieran servir de herramienta comunicativa
en pequeñas comunidades aisladas en cuanto a información local se refiere, contribuir
al sano entretenimiento, educación, incentivar valores humanos y al progreso
comunitario.
TEMAS
1)
Notas
generales.
2)
Notas
técnicas y teoría aplicada al tema.
3)
Descripción
de la mini-emisora FM.
4)
Dispositivos
de sonido (mini-estudio).
5)
Construcción
del transmisor.
a)
Modulador
FM.
b)
Fuentes
de poder.
c)
Construir
vatímetro y carga ficticia.
d)
1er.
Amplificador RF.
e)
2do.
Amplificador RF.
f)
Ensamblar
el transmisor y diagramas.
g)
Ejemplos
de circuitos adicionales.
6)
Construcción
de antenas para iniciar la transmisión.
a)
Elemento
Driven, con adaptador ganma matching.
b)
Antena
Slim Jim.
c)
Antena
Slim Jim, sencilla (sin conector).
d)
Antena
Doble Bazooka.
7)
Notas
finales.
NOTAS GENERALES
1. Antes
de construir e instalar emisoras FM, se sugiere previa lectura del Reglamento de Radiocomunicaciones de su país, además de cumplir los procedimientos y
requerimientos necesarios para la adquisición de licencia (no contribuir con la piratería).
2. Es
necesario aclarar que existen diferencias entre posibles usos de emisoras comerciales
y emisoras comunitarias (no son
permitidas por la legislación en muchos países. No para fines de lucro).
3.
Se advierte que hacer uso del
Espectro Radioeléctrico, sin debida participación ni licencia previa, las
sanciones incluyen altas multas (en Venezuela hasta 100 unidades tributarias), decomiso de equipos y en muchos países se decomisa el material, más las
herramientas usadas en la instalación.
NOTAS TÉCNICAS Y TEORÍA
APLICADA AL TEMA
4. La relación entre la potencia RF transmitida
y la intensidad de señal recibida, es logarítmica. Ejemplo: Un receptor equipado con indicación analógica en escala lineal de 1 a 9 unidades, el cual registra con 4 unidades la señal proveniente
desde una emisora FM que transmite con 0.1
Watt de potencia RF, al incrementar
dicha potencia hasta 1 Watt en el
indicador del receptor se apreciará un incremento equivalente a 1 unidad (indicaría 5 unidades). Al aumentar la potencia
del transmisor hasta 10 Watts, incrementa
2 unidades en el receptor, es decir, indicará 6 unidades. Si incrementamos hasta 100 Watts,
en el receptor indicará 7 unidades y si continuamos aumentando la potencia RF
hasta 1000 Watts, en el receptor solo
habrá incrementado 4 unidades, es decir, indicará 8 unidades. Este enunciado teórico nos indica la necesidad de dar mayor prioridad a la
ubicación geográfica de la estación emisora, desde donde se observe visualmente
el área de cobertura, además de usa un sistema de antena de alta ganancia y que
no necesariamente se requieren potencias RF exuberantes en el transmisor.
1.
Las principales razones para definir excelente
cobertura, consisten en:
i) Ubicar la antena en el lugar de mayor
altura con respecto
al área o terreno que se requiere cubrir (vista panorámica privilegiada).
ii) Elegir el mejor patrón de radiación de la antena, el cual está
conformado por lóbulos que determinan las direcciones en las cuales se emiten
señales. En la medida que se aumenta la altura de la antena (respecto
al suelo), se multiplica el número de lóbulos y aunque el campo ocupa el mismo
volumen, se favorecen o incrementan de volumen los lóbulos horizontales,
minimizando la emisión de señales hacia arriba y aprovechando la mayor
irradiación de señales hacia el horizonte.
i) La
tercera razón es la ganancia propia de
la antena. Típicamente se agrupan (enfasar) varios pares de elementos irradiantes para conformar una misma antena
(generalmente se agrupan en arreglos de 2, 4, 8 y más Dipolos de 1/2
longitud de onda cada uno). En la imagen
siguiente se muestra un arreglo de 4 Dipolos de 1/2 λ cada uno, en polarización horizontal, aunque la polarización para antenas FM comercial, es vertical. En el enlace siguiente se muestran más detalles: http://yy5rm.blogspot.com/2011/10/dipolo-doble-monobanda.html
Para minimizar costos iniciales, es
posible construir artesanalmente un par de elementos irradiantes de 1/2 λ cada uno (Driven Element de 1/2 λ) o usar una antena Slim-Jim, la
cual no requiere de mucha altura para conformar lóbulo horizontal de bajo
ángulo de radiación o próximo a cero grados con respecto al horizonte.
1. Generalmente
el lugar geográfico privilegiado para obtener excelente cobertura, es
vulnerable y propenso a descargas atmosféricas (rayos), razón por la que se
requieren puntos de tierra para conectar el pararrayos, el cual se debe ubicar en
el extremo superior de la torre (sistema de antena) y línea de tierra para
equipos de la emisora FM, similar como exigen las normas que protegen al cuerpo
humano, adicionando equipotencialidad eléctrica entre equipos y maquinarias
industriales.
1. La ROE (Relación de Ondas Estacionarias) es
una pérdida causada por desequilibrios de impedancias en el sistema de antena y que pone en riesgo de daños al transmisor,
donde parte de la energía que viaja en un sentido (ondas incidentes), es reflejada en sentido contrario (ondas
reflejadas), lo cual pone en riesgo de daños a las etapas amplificadoras RF del transmisor.
Para mayor transferencia de energía, la impedancia en todo el sistema de antena
debe ser similar (complejo conjugado) a la impedancia del transmisor (50 Ω). La ROE ideal es 1.0 y no debería exceder de 1.5. Para tener una idea abstracta de la ROE,
asumiendo que la antena fuese una carga resistiva “referencialmente” se pudieran dividir ambas impedancias, usando la
mayor como dividendo (arriba) y la menor como divisor (debajo), ejemplo 1: Si la antena es de 75 Ω (75 ohmios) y la dividimos entre la impedancia del resto
del sistema (50 Ω cable coaxial y 50 Ω salida del transmisor), el resultado es 75 Ω / 50 Ω = 1.5 ROE. Ejemplo 2: Si la antena es de 200 Ω y se conecta directamente mediante una línea coaxial de 50 Ω, el resultado será 200 Ω / 50 Ω = 4.0 ROE.
1.
La asimetría en la antena y algunas perdidas (principalmente
en conectores, arneses, empalmes o cualquier otro cambio de geometría en la
línea coaxial), generan calor e irradiación en la línea (el mismo cable
coaxial que llega hasta el transmisor se convierte en parte de la antena y
consume parte de la energía). La
irradiación en la línea causa
interferencias hacia otros equipos electrónicos (televisores, radios, equipos
de sonido, computadoras, teléfonos, etc.) vecinos al paso de la línea, antena
y del mismo transmisor, además de ocasionar presencia de RF en la sala de
radios (comentario personal: desconozco
estudios que certifiquen o demuestren la afectación en la salud humana). Para minimizarla o suprimirla, es necesario
instalar dispositivos chokes RF o ferritas en el extremo del cable coaxial que
conecta hacía la antena, además de instalar filtros debidamente aterrados y
conectados entre puntos de alimentación (13.8 VDC y enchufes 120 ó 220 VAC). De las 2 antenas sugeridas para iniciar emisoras
FM, a bajas alturas la Slim-Jim es de
mayor ganancia, pero de mayor asimetría y no permite montar pararrayos por
sobre ella. Por el contrario, la Doble Bazooka
y Driven Element son simétricas pero requieren de gran altura para mejorar su
patrón de radiación y si permiten montar pararrayos por sobre ellas.
2. Para establecer comunicación, es
necesario que los receptores de radioescuchas estén sintonizados en la misma
frecuencia de la estación transmisora.
3. La frecuencia y la longitud de onda (λ) son inversamente proporcionales, es decir, a mayor frecuencia, menor será la λ y viceversa. Esto
explica porque un mismo tipo de antena, es más pequeña para 108 MHz y de mayores
longitudes para 88 MHz.
La imagen anterior facilita cálculos. En
cada circunferencia se tapa con un dedo la incógnita, quedando la constante (300, 285, 213.73, 178.125, 142.5 y 71.25), dividida entre el dato
disponible. Ejemplos:
·
Se
desea saber la longitud de onda en el espacio (λ), para 88 MHz: 300 / 88 MHz = 3.409 metros.
·
Se
desea conocer la λ en el espacio, para 108 MHz: 300 / 108 MHz = 2.777 metros.
·
La λ en el espacio es 3
metros y se desea
saber la frecuencia: 300 / 3 m = 100 MHz.
· Se
desea calcular la longitud de un Dipolo
de 1/2 λ para 97 MHZ: 142.5 / 97 MHz = 1.469 metros.
· Una Dipolo de 1/2 λ mide 1.5 metros, se desea conocer la frecuencia: 142.5 / 1.5 m = 95 MHz.
· Se
desea calcular una antena de 5/8 λ para 107 MHz: 178.125 / 107 MHz = 1.664 metros.
· Una
antena de 5/8 λ mide 1.7 metros, se desea conocer la frecuencia: 178.125 / 1.7 m = 104.7 MHz.
· Se desea conocer 1 λ en cable coaxial, que tiene una VP de 0.82,
para 97 MHz: 300 / 97 MHz x 0.82 = 2.536 metros (longitud necesaria para: construir los arneses que distribuyen la línea coaxial en arreglos
colineales de antenas. Construir balun
coaxial de relación 4:1 ó 1:1. Calcular
la longitud total de la línea coaxial, etc.).
DESCRIPCIÓN DE LA MINI-EMISORA FM
La Mini-emisora FM descrita en el
presente artículo, permite una cobertura efectiva aproximada desde 1 Kilómetro,
hasta 5 Km a la redonda, la misma está dividida por etapas y dispositivos los
cuales permiten probarse por separado, en la medida que se culminan (dispositivos de sonido, fuentes de poder DC, modulador FM, amplificadores de RF
y antena).
Futuramente es posible incrementar la cobertura, adicionando cualquier circuito amplificador RF adquirido en el
mercado o de construcción artesanal.
Para facilitar la construcción, se sugiere
establecer el siguiente orden de prioridad, o
secuencia:
1.
Adquirir
el modulador FM 4 en 1 y modificarlo.
2.
Adquirir
o construir la fuente de poder.
3.
Construir
e instalar una antena provisional.
4. Comprobar
funcionamiento inicial: Instalar la antena directamente
al modulador FM (con fuente de poder o batería 12 VDC), para así escuchar la calidad de señal en un receptor ubicado a menos de 100 metros de distancia.
5. Construir
medidor de intensidad de señal (vatímetro) y primera etapa amplificadora RF (ajustar y comprobar cobertura).
6. Construir
el segundo amplificador RF.
7.
Ensamblar
el transmisor.
8.
Adquirir
equipos del mini-estudio e instalar la emisora.
9.
Opcional: Adquirir o construir equipos
adicionales.
DISPOSITIVOS DE SONIDO
(MINI-ESTUDIO).
En estudios para emisoras FM, típicamente
se emplean equipos de audio profesional, donde un personal humano debidamente
calificado opera consolas de múltiples canales o entradas de audio. Para
esta Mini-emisora FM, humildemente se sugiere un ordenador personal (PC),
no necesariamente de última generación, equipado básicamente con unidades
CD/DVD, puertos USB y tarjeta de sonido
con sus debidos micrófonos y salidas de audio stereo para conectar hacia la
entrada del modulador FM, parlantes amplificados y audífonos.
Futuramente complementar
el Mini-Estudio incorporando:
1) Tarjeta capturadora de video y sonido, equipada de sintonizadores TV y FM
para retransmitir programas, cadenas nacionales (o similares) provenientes desde
otras emisoras FM y televisoras. Acoplar
audio proveniente desde dispositivos audiovisuales, cámaras, video-Tape, DVD,
VHS, etc.
2) Internet para transmitir radio vía WEB. Relevar audio hacia la estación transmisora,
en especial cuando se cubren eventos remotos.
Retransmitir señales de voz y desde otras emisoras WEB. Operar la radio vía escritorio remoto.
3) Modem
Telefónico (transmitir información vía telefónica en vivo. Recibir o transmitir fax y mensajería de
texto. Igualmente permite operar la radio
vía escritorio remoto).
4)
Es aconsejable adicionar un micrófono auxiliar, debidamente
pre-amplificado, mediante un interruptor tipo selector de dos fases y dos posiciones,
el cual permita deshabilitar la señal de audio proveniente desde el
mini-estudio, en caso que falle el ordenador personal.
MODULADOR FM
Para facilitar la construcción del transmisor FM y evitar circuitería electrónica compleja (sin perder excelencia y calidad), es posible generar la señal RF desde dispositivos moduladores FM 4 en 1 para vehículos, los cuales transmiten señal RF de baja potencia (aproximadamente 1.5 metros distante del equipo reproductor) en rango FM comercial (88 MHz - 108 MHz) y audio stereo. Típicamente se alimentan desde el conector para encender cigarrillos, están equipados de entradas digitales MP3 (USB para pendrive y ranuras para tarjetas de memorias), entrada de audio stereo analógico (conector para Ipods, teléfonos celulares reproductores de música y otros reproductores MP3, etc.), displays para indicación de frecuencia y carpetas del MP3, teclado local, control remoto a pilas, etc. El modulador FM 4 en 1 reemplazaría la construcción de las etapas:
1)
Osciladora
de RF, con estabilizador de frecuencia.
2)
Divisor
programable de
frecuencias, con circuito PLL e indicación en displays.
3)
Circuitos
de modulación de audio stereo.
Para la adquisición del modulador FM, es importante que esté equipado con
entrada de audio analógico stereo. En el mercado existen moduladores FM exclusivamente
MP3, los cuales no incluyen entradas analógicas (fotografía siguiente
Izquierda). Es posible usar moduladores
FM puramente analógicos (fotografía central), pero limitarían muchas bondades
en la Mini-emisora, en especial el rango de frecuencias y menú para ajustes. En la fotografía derecha se muestra un ejemplo
de tipo de modulador 4 en 1 sugerido.
MODULADOR FM
Dentro del mismo modulador FM existe
una pequeña antena que generalmente es un cable, líneas en el circuito impreso
o similar. Allí será necesario adaptar el
cable coaxial para tomar la señal RF, mediante un conector hembra o directamente.
FUENTES DE PODER DC
Es posible usar fuentes de poder para
PC (fotografía siguiente de la izquierda), donde:
1.
+12 VDC
= cables de colores amarillos.
2.
+5 VDC
= cables de colores rojos.
3.
Negativos
= cables negros.
4.
Para
encenderla = conectar el cable de color verde con cualquier cable negro.
La mayoría de moduladores FM 4 en 1 se
alimentan con 12 VDC provenientes desde el encendedor para cigarrillos del
automóvil, pero generalmente en su interior incluyen un circuito integrado
regulador de +5 voltios DC, el cual no dispone de aluminio disipador de calor (fotografía anterior derecha). Para
evitar fallas, es conveniente eliminarlo y alimentar al modulador desde una
fuente de poder externa de
5 VDC.
En el diagrama siguiente se muestra
un circuito de fuente de poder con 2 salidas de voltajes, la cual permite alimentar
el modulador FM con +5 VDC fijos (o regulador para +12 voltios LM7812) y
alimentar las etapas amplificadoras RF con voltaje ajustable desde +6 VDC hasta
+18 VDC, permitiendo controlar la potencia RF de salida en el transmisor:
CONSTRUCCIÓN DEL
VATÍMETRO PARA RF Y CARGA FICTICIA
Para ajustes en el transmisor es
necesario disponer de un medidor de potencia RF, con escala apreciable para 2.5
Watts, o en su lugar construir un instrumento para monitorear dichos ajustes y
comprobar amplificación RF del transmisor FM.
El circuito indicador de salida RF de
la gráfica anterior, se construye con cualquier galvanómetro (G1) disponible
(puede ser un mili-voltímetro analógico), los diodos D1 y D2 deberían ser de
germanio, para este caso se usaron diodos comunes de silicio (1N4148
disponibles en la mayoría de tarjetas y circuitos de desecho). De no disponer de antena para ajustes en el
transmisor, es posible usar una carga ficticia de 50 Ω ó 47 Ω (resistencia de carbón). En la fotografía derecha se muestra un
arreglo serie-paralelo de resistencias, configuración que permite soportar
mayores potencias RF.
PRIMER AMPLIFICADOR RF
El siguiente circuito amplificador
incrementa la potencia RF proveniente desde el modulador FM, con el propósito
de aumentar cobertura efectiva unos cientos de metros y hasta casi un Kilómetro
en línea recta.
El circuito se puede montar en bakelita troquelada (circuito impreso universal, o baquelita troquelada). Los materiales usados no necesariamente deben ser tan perfectos o del valor exacto indicado. En caso de no disponer de capacitores variables con valores sugeridos, es posible compensar modificando ligeramente el número de espiras en las bobinas L3 y L4. Nota: la bobina L1, indicada en la fotografía izquierda, se recortó el núcleo de ferrita y solo 7 espiras.
En el proceso de ensamblaje del
transmisor, es necesario agregar suficientes puntos de masa (tierra),
debidamente interconectados entre ellos y al chasis. En la fotografía anterior izquierda se
aprecian puntos de masa, conectados al chasis por medio de uno de los tornillos
que fijan el circuito hacia los negativos (cables blancos) de los 13.8 VDC y
hacia las mallas de los cables coaxiales ubicados en regletas de entrada y
salida RF del primer amplificador RF (cable color verde).
SEGUNDO AMPLIFICADOR RF
De requerir mayor potencia RF (de 1
a 2.5 Watts) y cobertura, es necesario
adicionar una segunda etapa amplificadora RF. En la WEB se ubican circuitos con transistores similares y de mayores
potencias (hasta 3 Watts), con el defecto de posibles daños en el transistor al
realizar ajustes, ROE o fallas en la antena. Para solventar, al igual que en los circuitos anteriores, para minimizar
problemas de Impedancias y mayor confiabilidad, se ha incorporado resistencia
en el emisor en el transistor TR1 (R3 = 33 Ω. Igualmente se puede reducir el valor o eliminar, pero la diferencia en
potencia de salida es despreciable, en comparación con los posibles daños y
problemas).
La resistencia R2 y
la bobina de choke CH-RF conforman un mismo conjunto, que consiste en enrollar
aproximadamente 20 espiras de alambre de cobre esmaltado (lo más delgado
posible), sobre la misma resistencia R2.
En un mismo circuito impreso se
pueden construir las dos etapas amplificadoras RF, particularmente se sugiere
construirlas y probarlas por separado:
ENSAMBLAR EL TRANSMISOR
Y DIAGRAMAS
Preferiblemente ensamblar el
transmisor FM en caja metálica. Es posible reciclar cajas de equipos de sonidos
obsoletos o desincorporados por daños (DVD, VHS, Deck de cassette,
amplificadores, etc.) y aprovechar muchos de sus componentes (fuente de poder,
circuito impreso, botones y controles del panel, conectores, galvanómetros o
indicadores de barras, cordón de alimentación, etc.). En las fotografías siguientes se aprecian
ejemplos:
DIAGRAMA DEL TRANSMISOR
EJEMPLO DE CIRCUITOS ADICIONALES
ANTENAS PARA INICIAR
TRANSMISIÓN
La imagen siguiente muestra un
ejemplo de sistema de antena típico en emisoras FM, compuesto básicamente de un
arreglo de antena colineal de 4 dipolos (Elementos Driven), montados en una
torre de aluminio de 6 tramos (3 metros cada uno, total 18 metros de altura),
donde cada anclaje soporta vientos para 2 tramos. El pararrayos se conecta hacía la toma de tierra
mediante un cable de cobre suficientemente grueso. El cableado que conforma el arnés del arreglo
colineal, hace posible que sea igual la longitud de línea coaxial, desde el
transmisor, hasta cada Elemento Driven que conforma el arreglo de antena (conectados en fase).
Para iniciar pruebas, es posible
construir la antena con uno o varios elementos de 1/2 λ, debido a que se soportan desde el centro de los mismos y
provisionalmente permiten montar en ventana, balcón o tubo mástil. Las siguientes
imágenes explicativas, detallan la construcción artesanal de un ELEMENTO DRIVEN DE 1/2 λ, CON SU RESPECTIVO
ADAPTADOR GANMA-MATCHIG (enlace = https://yy5rm.blogspot.com/2011/10/dipolo-doble- ):
ANTENA SLIM-JIM
La Slim-Jim es una antena de última
generación, bajo costo, resistente a la intemperie (protegidas dentro de
tuberías PVC), sencilla de construir, probada y utilizada por Radioaficionados
en bandas VHF y UHF, pero en este caso adaptada para frecuencias 88 MHz – 108
MHz. Eléctricamente consiste en una
antena de 1/2 λ, la cual es atacada (acoplada) mediante un adaptador stub
de 1/4 λ, es decir, la longitud total de la antena es 3/4 λ. En este caso se
construye con alambre de cobre desnudo o esmaltado, en forma plegada y
protegido dentro de tuberías PVC de plomería liviana (2 pulgadas de diámetro). Es posible montarla en tubo mástil de hierro
u otro mismo tubo PVC de plomería reforzada. Con 1 Watt RF, la Slim-Jim bien ubicada pudiera
superar los 5 Kilómetros de cobertura efectiva, además sirve de referencia
futura al reemplazar por antenas comerciales y si los resultados no la superan,
algo debe haber quedado mal instalado o dicha futura antena no tiene suficiente ganancia. A continuación imágenes explicativas:
ANTENA DOBLE BAZOOKA PARA
BALCÓN, VENTANA O MÁSTIL
La antena Doble Bazooka para VHF
representa otra posibilidad de economía. Igualmente es de 1/2 λ (L1 en la
gráfica siguiente), básicamente se construye con el mismo cable coaxial e
igualmente protegida dentro de tuberías PVC. Las longitudes dependen del material aislante interno del tipo de cable
coaxial usado como antena. Para RG8/U,
RG213, RG58/U, o equivalentes, con aislantes internos de espuma de teflón (foam), la velocidad de propagación (V.P) es 0.82. Comercialmente existen otros dos tipos: El de aislante de polietileno con V.P.=0.66 (aislante transparente) y el aislante de teflón sólido con V.P.=0.70. Seguidamente imágenes explicativas para cable
coaxial RG58/U:
ANTENA DIPOLO PLEGADO
Entrada aun sin culminar, temporalmente se sugiere descargar el archivo (igualmente es posible descargarlo desde https://www.qrz.com/db/YY5RM ):
Enlaces para descargar el archivo (16-10-2018): https://www.dropbox.com/s/5b08evwvdh0inx3/EMISORA%20FM%20DE%20CORTO%20ALCANCE.pdf?dl=0
Enlaces para descargar el archivo (16-10-2018): https://www.dropbox.com/s/5b08evwvdh0inx3/EMISORA%20FM%20DE%20CORTO%20ALCANCE.pdf?dl=0
(16-10-2018):
https://documentcloud.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:0960fdc1-d86d-4b1b-8d23-dc7ffe9d5c11
https://documentcloud.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:0960fdc1-d86d-4b1b-8d23-dc7ffe9d5c11
