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COMO FUNCIONA OS PLL?

PLL ou Phase Locked Loop é o nome de um dos mais importantes de todos os circuitos que atualmente encontramos em aplicações eletrônicas de todos os tipos. O PLL está para a freqüência assim como o amplificador operacional esrá para a tensão. Qualquer profissional da eletrônica que trabalhe com circuitos de comunicações, instrumentação digital, DSPs, microcontroladores e microprocessaodres ou mesmo circuitos de sinais analógicos precisa conhecer o princípio de funcionamento dos PLLs. Neste artigo, de forma simples vamos analisar o funcionamento de mais este importante circuito eletrônico básico.

PLLs ou Phase Locked Loop (que alguns traduzem por Elo Travado em Fase) são encopntrados em receptores de AM, FM, modems, sintetizadores de frequências, telefones sem fio, telefones celulares, instrumentos digitais e analógicos e numa infinidade de outras aplicações onde frequências estejam presentes.

O PLL trabalha com freqüências do mesmo modo que um amplificador operacional trabalha com tensões daí sua importância na eletrônica moderna.

PLL Básico

Para entender como funciona um PLL vamos analisar seu funcionamento por partes, começando com uma configuração bastante simples que é mostrada na figura 1.

Diagrama de blocos de um PLL básico.

Neste circuito temos um bloco (que analisaremos melhor depois) cuja tensão de saída depende da diferença de fase entre dois sinais de mesma freqüência aplicados à sua entrada.

Esta tensão é filtrada por um filtro passa-baixas que, nas configuração mais simples nada mais é do que um resistor e um capacitor.

O sinal deste filtro serve para controlar a freqüência do bloco final que consiste num oscilador controlado por tensão ou VCO (Voltage Controlled Oscillator).

Este circuito gera um sinal cuja freqüência pode ser deslocada dentro de uma faixa de valores a partir da tensão aplicada na sua entrada.

O sinal deste oscilador, conforme mostra o diagrama básico é aplicado à entrada através de um elo (loop) de realimentação.

Partindo da situação em que não existe sinal de entrada, a freqüência do sinal na saída é determinada apenas pelas características do VCO e ficará num valor central.

Se aplicarmos na entrada deste circuito um sinal de freqüência f, o detector de fase entrará em ação e comparará a freqüência deste sinal com a freqüência do VCO que é aplicada à entrada.

Supondo que os sinais tenham frequências diferentes, o detector de fase vai gerar um sinal que é a diferença das frequências (f - fo) o qual será aplicado ao filtro.

O resultado, é que como esta freqüência é relativamente baixa, ao ser aplicada ao filtro é criada uma tensão que oscila sensivelmente atuando sobre o VCO.

A reação do VCO a este ripple ou ondulação aplicada a partir do VCO é uma mudança de freqüência que justamente tende a fazer com que sua saída se aproxime da freqüência do sinal de entrada.

No momento em que as frequências se igualam o ripple desaparece e a tensão na saída do filtro passa-baixas se estabiliza "travando" o VCO justamente na freqüência e entrada.

Dizemos que o VCO capturou o sinal ou "travou" o sinal reconhecendo sua freqüência.

Na figura 2 mostramos num gráfico o que ocorre.

O processo de captura.

Qualquer alteração na freqüência do sinal de entrada que ocorra vai gerar um novo sinal diferença na saída do detector de fase e uma mudança de tensão na saída do filtro que levará o VCO a "procurar" a nova freqüência.

Na teoria, um circuito como este seria bastante simples de implementar, mas provavelmente não teria um desempenho conforme o esperado por diversos fatores que devem ser levados em consideração.

Assim, para implementação de um PLL real, precisamos ir além analisando alguns pontos importantes de seu funcionamento.

Faixa de Captura

Ao tomarmos como exemplo os blocos da figura 1, consideramos que a diferença de frequências entre o sinal de entrada e o gerado pelo VCO era suficientemente baixa para que a sua diferença pudesse passar pelo segundo bloco que é o filtro passa-baixas.

Se trabalharmos com sinais muito diferentes, a diferença pode ser uma freqüência alta demais para passar pelo filtro e o sistema não funciona.

Não teremos uma tensão de saída para atuar sobre o VCO.

Isso significa que existe uma faixa bem determinada de frequências, em torno da qual o VCO opera em o circuito pode atuar, travando. Esta faixa de frequências é chamada de "faixa de captura" ou em inglês "lock range".

Obs: é interessante que o leitor se familiarize com todos os termos em inglês usados na descrição do funcionamento dos PLLs pois eles não só são usados nas documentações originais que estão neste idioma como em muitos documentos em português que não traduzem muitos termos técnicos.

A faixa de captura de um PLL é dada pela diferença entre a frequência mais alta e a freqüência mais baixa, em torno de fo (freqüência central do VCO) que pode ser capturada, conforme mostra a figura 3.

A faixa de captura do PLL.

Nos PLLs comuns que podemos obter na forma de circuitos integrados a freqüência central fo pode ser ser selecionada através de resistores e capacitores externos enquanto que a faixa de captura depende do tipo.

Assim, por exemplo, um CI como NE567 pode operar com um fo de até 500 kHz, capturando sinais cuja faixa de frequências em torno de fo chega a ser de até 10 para 1, ou seja, o f1 e 10 vezes menor que o f2 no gráfico da figura 3.

Detectores de Fase

Encontramos dois tipos diferentes de detectores de fase nos PLLs comuns. Estes detectores são chamados de tipo I e tipo II.

a) Detector de fase tipo I

O detector de fase do tipo I consiste num multiplicador de quatro quadrantes. Para entender melhor como funciona este tipo de circuito, vamos imaginar que a na sua entrada sejam aplicados dois sinais digitais de mesma freqüência mas com uma certa diferença de fase, conforme vamos explicar a partir da figura 4.

A ação do detector EX-OR.

Vamos imaginar que estes sinais sejam aplicados a uma porta Ou-Exclusivo, o que nos leva a obter uma saída que seja formada por pulsos cuja largura corresponde justamente à diferença de fase entre os dois sinais.

Estes pulsos, conforme sua largura representam uma tensão média que justamente será proporcional a esta diferença de fase conforme mostra a curva em (b) da figura 4.

Um ponto muito interessante que podemos observar analisando esta figura é que a freqüência do sinal de saída é o dobro da freqüência dos sinais de entrada (conforme veremos oportunamente, esta característica permite que os PLLs sejam usados para multiplicar frequências).

O grande problema deste tipo de circuito é que ele tende a travar quando sinais de frequências múltiplas são aplicados à entrada, conforme mostra a figura 5.

Este tipo de detector é enganado por frequências harmônicas.

 Em outras palavras, este tipo de detector de fase não é capaz de diferenciar um sinal da freqüência fundamental de uma harmônica, podendo travar em qualquer dos dois.

Um outro problema que também deve ser considerado é que se os sinais aplicados na entrada não tiverem um ciclo ativo próximo de 50% o detector do tipo I também não funcionará direito.

O grande positivo na operação deste tipo de circuito é a sua imunidade a ruídos na entrada.

b) Detector de fase tipo II

Este tipo de circuito trabalha com as frontes dos sinais aplicados na entrada. Em outras palavras, ele leva em conta o instante em que os sinais mudam de nível o que significa que eles devem trabalhar com sinais retangulares.

Podemos comparar este detector a uma chave de 1 pólo x 3 posições, conforme mostra a figura 6.

Detector tipo II.

Quando o sinal de entrada tem uma transição negativa faz com que a chave seja levada para a posição de nível lógico 1 (para cima) a não ser que ela já esteja nesta posição. Da mesma forma, uma transição negativa do sinal do VCO faz com que a chave passe para a posição de nivel lógico 0 (para baixo).

Isso significa que os dois sinais têm diferença de fase, a chave atua para cima e para baixo gerando assim um sinal de controle.

Se os sinais tiverem mesma freqüência e fase a chave não consegue mudar de posição em velocidade suficiente e com isso assume uma posição média em que o nível nem é alto e nem baixo (circuito aberto).

Veja que, neste tipo de detector se os sinais estiverem em fase não há sinal de saída, e assim não há há sinal residual quando ele trava.

Também é preciso observar que, para o cfiltro passa-baixas a chave atua como um circuito de carga e descarga do capacitor. O filtro, neste tipo de detector atua de maneira semelhante a um circuito de amostrageme retenção (sample and hold)

Outro ponto importante deste circuito é que a faixa de captura não depende do filtro passa baixas.

O ponto negativo deste tipo de detector de fase está na possibilidade dele ser enganado por ruidos no sinal. Um sinal que tenha oscilações, como o mostrado na figura 7 pode levar o circuito a gerar várias transições indevidas. Sinais livre de ruídos devem ser usados com PLLs que possuam este tipo de detector de fase.

Ruídos na transição enganam o circuito.

Na tabela dada a seguir temos uma comparação de desempenho dos dois tipos de detector:

	Tipo I	Tipo II
Ciclo ativo do sinal de entrada	deve ser próximo de 50%	Irrelevante
Sensível a harmônicas	sim	não
Sensível a ruídos	não	sim
ondulação (ripple)	alto	baixo
Faixa de captura	estreita	larga
Diferença de fase quando o sinal é capturado	90 graus	0 grau
Freqüência quando fora da captura	Freqüência central do V CO	Freqüência mínima do VCO

Filtro Passa-Baixas

O Filtro passa baixas tem duas funções neste tipo de circuito. Ele ao mesmo tempo proporciona um sinal que é uma tensão cujo valor médio corresponde à diferença de fase dos sinais e determina a velocidade segundo a qual a frequencia do VCO muda.

Como a velocidade segundo o qual ele atua sobre o VCO é um fator importante para determinar a imunidade ao ruído presente no sinal de entrada, nos projetos de PLLs os componentes associados ao filtro devem ser escolhidos com o máximo de cuidado.

O tipo mais simples de filtro é o formado por um circuito RC, conforme mostra a figura 8 em (a). No entanto, como esta configuração mais simples não garante o melhor desempenho, costuma-se usar uma configuração um pouco mais complexa que é mostrada na mesma figura em (b).

Os filtroa passa-baixas.

Para maior estabilidade o valor de R2 deve ser da ordem de 1/5 do valor de R1 neste tipo de filtro. Esta eregrinha é apenas uma aproximação pois existem métodos de cálculos que podem ser aplicados em casos em que se deseja uma performance muito mais próxima da ideal.

Usando PLLs

As propriedades do circuito que analisando servem para uma infinidade de aplicações práticas que envolvem a necessidade de se reconhecer um sinal de determinada frequência como ponto de partida para a aplicação.

Vamos analisar algumas dessas aplicações:

a) Regeneração de sinais

Existem aplicações em que se necessita que o sinal aplicado a entrada do circuito seja exatamente o mesmo que se tenha na saída.

Este tipo de comportamento é, em especial, altamente desejável num modem, onde, que precisa recuperar sinais que percorrem longas distâncias através de linhas telefônicas que os deformam.

Os projetistas de circuitos digitais sabem que, quando aumentamos a relação sinal/ruído, ao mesmo tempo temos uma diminuição da faixa passante.

No caso específico dos PLLs a faixa passante está determinada basicamente pelas caracteríisticas do filtro.

Na figura 9 mostramos como é possível implementar demodulador para sinais FSK usando um PLL.

Um demodulador FSK usando um PLL.

Evidentemente, as transmissões de dados usando FSK não mais são usadas, mas o circuito serve como um exemplo de aplicação.

b) Demodulação de FM

Eis uma função bastante interessante que pode ser implementada utilizando-se um PLL. Este tipo de aplicação para os PLLs, em especial é usada em circuitos de comunicações porque eles são muito mais lineares do que os detectores de relação ou de quadratura.

No entanto, o circuito também é um pouco mais caro pela necessidade de se ter um VCO linear e de ser capaz de operar em frequências muito mais altas.

Neste tipo de aplicação, o VCO é ligado de tal forma que sua freqüência central seja a mesma que a freqüência intermediária usada no receptor com o qual ele opera.

A faixa de captura deve ser pelo menos duas vezes mais larga que a faixa de frequências em que se desloca o sinal quando modulado em freqüência, conforme mostra a figura 10.

Demodulando sinais de FM.

Por exemplo, para um receptor de FM comum que tem uma FI de 10,7 MHz e uma largura de faixa de modulação de 75 kHz estes são os valores a serem considerados no projeto, conforme mostrado na figura 10.

Uma outra aplicação semelhante é a mostrada em blocos na figura 11.

Intercomunicador via rede de energia.

O sinal de um amplificador de áudio modula em freqüência um oscilador de alta freqüência. Este sinal modulado em freqüência é aplicado à rede de energia sendo separado por um filtro passa altas na entrada do receptor remoto. Este sinal é aplicado ao PLL que então o demodula para amplificação por um amplificador de áudio. Este é princípio de funcionamento de muitos intercomunicadores de escritório e babás eletrônicas.

c) Multiplicação de frequência

Um amplificador operacional pode ser usado como multiplicador de tensão na configuração mostrada na figura 12.

O amplificador operacional como multiplicador de tensão.

A relação entre os resistores da rede divisora determina o ganho e portanto quantas vezes a tensão de saída é maior (ou menor) que a tensão de entrada (dependendo do fator de multiplicação escolhido).

Como aformamos na introdução, os PLLs fazem com a freqüência o mesmo os amplificadores operacionais fazem com as tensões. Assim, usamos o bloco da figura 13 para multiplicar frequências.

O PLL como multiplicador de frequências.

Uma aplixcação possível para este circuito é gerando a subportadora de 38 KHz nos receptores de FM estéreo a partir do tom piloto de 19 kHz.

Vamos tomar este circuito básico e analisar seu princípio de funcionamento.

Conforme podemos ver, na saída do VCO ligamos um divisor de freqüência, por exemplo, por 2 para jogá-lo a entrada do comparador.

Isso significa que, para que tenhamos a captura do sinal de entrada é preciso que o sinal gerado pelo VCO e portanto aplicado ao divisor de tensão tenha exatamente o dobro desta freqüência.

Se usarmos um divisor por 3, a captura só ocorre se o sinal gerar um sinal com o triplo da freqüência e assim por diante. Fica claro então que o divisor de freqüência vai determinar por quanto podemos multiplicar a freqüência de um sinal e obtê-la na saída do VCO.

d) Translação de Freqüência

Diversos circuitos integrados são disponíveis coma capacidade de gerar uma série de frequências a partir de uma freqüência de referência. O circuito integrado MC14151 da Motorola é um exemplo.

Uma das principais aplicações para estes circuitos é gerar diversas frequências a partir de um único oscilador, que use um cristal por exemplo. Assim, pode-se operar um transmissor ou receptor em diversos canais utilizando-se apenas um cristal de controle.

Na figura 14 mostramos a estrutura em blocos de um desses circuitos.

Um "Translator" usando PLL.

Na figura em que questão temos um circuito que produz sinais de frequências que obedecem as seguintes relações:

(f1 +f2) - f1 = f2

e

(f1 + f2) + f1 = 2f1 + f2

Se o filtro passa baixas deixar passa apenas a frequência diferença então as entradas do comparador de fase estarão na mesma freqüência ocorrendo o travamento do circuito, numa operação estável.

e) Demodulação AM

Sinais modulados em amplitude também podem ser detectados com o uso de PLLs num circuito denominado "sincrodino" e que tem o diagrama de blocos mostrado na figura 15.

Um detector de AM sincródino.

As características de linearidade deste circuito apresentam muitas vantagens em relação à técnica tradicional de detecção que faz uso de diodos.

O PLL gera um sinal retangular que está travado em fase com a freqüência da portadora. O circuito adiconal é um inversor opcional com o ganho -1 ou +1, e que funciona como um retificador sincronizado.

Conclusão

PLLs são usados em uma infinidade de aplicações e o que demos foi uma simples descrição do seu princípio de funcionamento e algumas aplicações em circuitos práticos.

Existem muitos circuitos integrados de PLLs como o 4046, NE567 e outros que podem ser usados em projetos cujas frequências cheguem até alguns megahertz. Tipos especiais podem ser encontrados para aplicações em frequências mais altas, mas seu funcionamento e modo de uso não se altera.

Analisando os data-sheets de tais componentes os leitors podem agora ter muito mais facilidade para entender suas características e como usá-los num novo projeto.

Os sensores plasmônicos ou sensores SPR (Surface Plasmon Ressonance)

Os sensores plasmônicos ou sensores SPR (Surface Plasmon Ressonance) nos fazem antever a chegada do limite na capacidade de detecção de presença de substâncias químicas num ambiente. Essa nova tecnologia, que já está sendo aplicada com os recursos da nanotecnologia permite a detecção de uma molécula única de uma substância, o que significa o limite prático da capacidade de detecção de um sensor. Veja neste artigo como isso é possível e como funcionam os sensores SFR. Saiba ainda o que são os plásmons, uma entidade intermediária entre fótons e elétrons que está levando a um novo ramo da tecnologia, a plasmônica.

Para entendermos como essa nova tecnologia de sensores funciona, será interessante começarmos por entender um pouco o que são essas novas entidades do mundo das partículas elementares, e que na verdade ainda não podem ser consideradas como tal, os plásmons.

A plasmônica é resultante do confinamento de ondas eletromagnéticas em dimensões menores do que metade do comprimento de onda dos fótons que incidem no espaço livre.

Isso pode ser feito numa interface entre nanoestruturas metálicas, normalmente ouro e um dielétrico. O confinamento das ondas eletromagnéticas nestas nanoestruturas gera ondas superficiais no material denominadas "plásmons", conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - Ondas superficiais se propagando num material

Se ocorrer um casamento entre as ondas formadas pelos plásmons e a luz incidente, que consistem também em ondas eletromagnéticas, ocorre um fenômeno de batimento conhecido como ressonância de plásmons localizada de superfície ou LSPR (Localized Surface Plasmon Ressonante). Este fenômeno concentra o campo eletromagnético num volume extremamente pequeno, menor do que algumas centenas de nanômetros cúbicos. Na figura mostramos o que ocorre com duas esferas de metal em nanoescala, concentrando os campos na presença dos plásmons.

Figura 2 - Campo concentrado por nanoesferas.

O importante neste fenômeno é que estas nanoestruturas podem então ser facilmente detectadas pela presença do campo que concentra, bastando usar tecnologias como a microscopia eletrônica.

Basta então colocar uma estrutura apropriada no caminho dos plásmons, normalmente com arestas ou formas abruptas, para que elas possam concentrar os campos de modo a facilitar sua detecção.

Por exemplo, pesquisadores conseguiram criar nanoantenas, que seriam essas estruturas, tão pequenas que são capazes de detectar a presença de átomos individuais de hidrogênio.

Segundo os pesquisadores acreditam, os sensores plasmônicos são promissores na detecção de gases inflamáveis como o hidrogênio, que exige extrema sensibilidade. Este gás pode explodir em concentrações extremamente pequenas, da ordem de 4%.

No entanto, o mesmo tipo de sensor pode ser utilizado em meios líquidos o que o torna aplicável na detecção de uma grande variedade de materiais bioquímicos.

Na detecção de hidrogênio é usado o paládio como elemento catalisador, mas pode-se utilizar outros materiais como o rutênio, platina ou magnésio para a detecção de diversos outros tipos de gases como o dióxido de carbono e óxidos nítricos.

Na indústria química podem ser usados sensores capazes de detectar processos catalíticos bastando encontrar a substância apropriada como elemento catalisador.

Mas, o mais promissor é que o sistema pode ainda ser usado para detectar um evento biológico único, envolvendo uma simples molécula, o que vai abrir possibilidades enormes de sensoriamento na indústria e pesquisa bioquímicas.

Figura 3 - Estrutura de um sistema sensor plasmônico - imagem Universidade da Califórnia

Conclusão

Com os avançados da nanotecnologia possibilitando a construção de estruturas precisas cada vez menores, sensores plasmônicos capazes de detectar moléculas únicas orgânicas ou não estarão disponíveis.

Isso significará a possibilidade de termos equipamentos até então apenas vistos em filmes de ficção científica. O aparelhinho que o médico da Entreprise do filme Jornada nas Estrelas que pelo simples aproximar de um doente permite faz a detecção de sua doença pode estar muito mais perto da realidade do que podemos pensar.

A VOLTA DAS VALVULAS

Usando recursos da nanotecnologia, cientistas da NASA estão criando válvulas extremamente pequenas capazes de oscilar em frequências que os transistores comuns não alcançam.

As válvulas equiparam todos os equipamentos eletrônicos durante muitos anos, reinando absolutas pela sua capacidade de gerar sinais, amplificar e também de chaveamento.

Estes componentes foram praticamente desbancados pelos transistores que podiam fazer a mesma coisa, ocupando menos espaço e gastando menos energia.

As próprias válvulas apresentavam um problema que era resolvido em parte pelos transistores que é o chamado tempo de trânsito.

O fato dos elétrons emitidos pelo catodo precisarem percorrer uma boa distância para chegar até o anodo, passando pela grande que controlava seu fluxo, fazia com que a válvula tivesse uma limitação em relação à velocidade de operação, conforme sugere a figura 1.

Figura 1 - Funcionamento de uma válvula triodo

De fato, as válvulas comuns são muito maiores que os transistores, significando uma boa distância a ser percorrida pelos portadores de carga.

Desta forma, as válvulas comuns estão limitadas na sua operação à frequências da ordem de algumas centenas de megahertz, chegando no máximo a pouco mais de gigahertz.

É claro que técnicas especiais levam a válvulas especiais, como as válvulas de ondas progressivas (TWT) ou aos magnetrons que podem operar em frequências muito mais altas, mas são componentes caros, volumosos e que exigem uma boa quantidade de energia. Na figura 2 temos uma válvula de ondas progressivas.

Figura 2 - Uma válvula de ondas progressivas (Traveling Wave Tube ou TWT)

A volta às válvulas deve-se a nanotecnologia que pode levar a elaboração de válvulas tão pequenas, que o tempo de trânsito chegará a valores menores do que os obtidos em semicondutores.

O que ocorre é que nos materiais semicondutores, o tempo de trânsito dos portadores de carga é menor do que no vácuo. Assim, numa nanoválvula será muito mais rápida do que um nanotransistor.

Desta forma, usando a nanotecnologia, pesquisadores da NASA, do Ames Reserch Center Field na Califórnia, chegaram a uma nanoválvula capaz de operar com frequências na faixa dos Terahertz (1 Terahertz 1 THz equivalente a 1000 GHz).

Uma característica muito importante destas novas válvulas é que, além de serem um ponto de cruzamento entre duas tecnologias, as nanoválvulas podem ser fabricadas com facilidade e à prova de radiação.

De fato, os transistores podem ser inutilizados por pulsos de radiação eletromagnética de grande intensidade (EMP - veja artigo no site), enquanto que as válvulas não.

As nanoválvulas foram criada desenvolvendo-se uma minúscula cavidade em silício dopado com fósforo. A cavidade é envolvida pelos eletrodos semelhantes aos das válvulas, mas separados por distâncias de apenas 150 nm. (nanômetros). Na figura 3 temos sua estrutura.

Figura 3 - Estrutura da nano válvula

Os elétrons são emitidos pelo pela fonte (semelhante ao catodo) enquanto que uma comporta (semelhante a uma grade) controla seu fluxo.

Um fato interessante a ser considerado é que não é preciso fazer vácuo no interior desta cavidade. A distância entre os eletrodos é tão pequena que a chance de um elétron colidir com um átomo do ar no seu interior é tão pequena, que não afeta sua mobilidade.

Duas tecnologias que poderão estar convivendo novamente em equipamentos do futuro.

Esquema de um transmissor de tv.

O mini transmissor de tv 
Se você está interessado em construir transmissor de TV   aqui esta

Podemos transmitir os sinais captados por uma câmera comum de TV ou um programa gerado a partir de um aparelho de videocassete para televisores colocados nas proximidades em casas e apartamentos vizinhos, usando este aparelho. Com uma antena externa é possível alcançar algumas centenas de metros, operando uma estação experimental de TV. Dentro de um clube, condomínio ou mesmo escola, você poderá gerar programas de forma bastante simples.

Construa um transmissor de TV (ART277)

Podemos transmitir os sinais captados por uma câmera comum de TV ou um programa gerado a partir de um aparelho de videocassete para televisores colocados nas proximidades em casas e apartamentos vizinhos, usando este aparelho. Com uma antena externa é possível alcançar algumas centenas de metros, operando uma estação experimental de TV. Dentro de um clube, condomínio ou mesmo escola, você poderá gerar programas de forma bastante simples.

As estações de rádio FM comunitárias estão proliferando e até causando problemas em virtude de não operarem com potências baixas e desobedecerem as restrições impostas pela lei. Na verdade, algumas delas chegam a ter centenas de watts jogados sem qualquer critério numa antena externa de alto rendimento, causando assim, interferências até em serviços de navegação aérea.

O que propomos neste artigo é um pequeno transmissor que pode ser operado como uma emissora de uso doméstico ou experimental de pequeno alcance para sinais de TV. Os sinais desse transmissor podem ser ajustados para operar num canal livre da faixa inferior de VHF entre os canais 2 e 6.

Como a sua potência é pequena, convenientemente usado ele não deverá causar problemas a vizinhos e, evidentemente, não devem ser feitas modificações que levem a um aumento da potência.

Damos também o circuito de uma etapa de potência que poderá ser agregada para os casos de clubes e outros locais em que se deseja um alcance maior, sem o problema de interferência em televisores próximos.

Dentre as possíveis aplicações que um pequeno transmissor de sinais de TV pode ter, destacamos as seguintes:

a) Transmitir sinais de um videocassete u DVD player localizado na sala para um televisor colocado em outra dependência de uma residência, por exemplo, no quarto.

b) Transmitir sinais de um videocassete para diversos televisores ao mesmo tempo, numa escola, por exemplo, de modo que todos possam ver o mesmo programa gravado (uma aula).

c) Transmitir os sinais captados por uma câmera de vídeo para um televisor num serviço de vigilância momentâneo em que não seja possível interligar os aparelhos por meio de fios.

d) Operar uma pequena emissora de TV experimental em clube ou escola.

e) Transmitir os sinais captados por uma câmera numa palestra ou outro evento para uma sala em que esteja um equipamento de vídeo capaz de realizar diretamente a gravação em fita convencional.

f) Como retransmissora: uma antena pode ser ligada a um videocassete em local alto que receba o sinal de uma estação distante. Este sinal será jogado no transmissor que o transmitirá para casas próximas que não podem receber o sinal direto pela sua localização, conforme ilustra a figura 1.

g) Finalmente, temos a possibilidade de retransmitir sinais de um receptor de TV a cabo ou via satélite que se encontre na sala para um televisor num quarto adjacente sem a necessidade de fios.

O circuito do transmissor é bastante simples e emprega componentes relativamente comuns. Existem apenas duas bobinas no projeto, o que facilita bastante os ajustes, principalmente para os leitores que não possuam equipamentos sofisticados à sua disposição. Essas bobinas são os únicos pontos críticos da montagem uma vez que devem ser enroladas pelos próprios leitores.

COMO FUNCIONA

A base do projeto é o circuito integrado LM1889 da National Semicondutor que consiste num modulador/oscilador de FM, usado normalmente na produção da portadora de som de diversos tipos de aparelhos que combinam sinais de áudio e vídeo, tais como câmeras de vídeo, gravadores de videocassete, videogames, etc.

Este circuito integrado, cujo diagrama interno é mostrado na figura 2, contém em seu interior todos os blocos necessários à combinação de luminância, crominância e áudio.

O circuito integrado LM1889 pode ser alimentado com tensões entre 12 e 18 V e, como seu consumo é baixo (da ordem de 45 mA - máx), ele pode ser alimentado pela mesma fonte do aparelho com o qual deve funcionar, ou ainda por uma fonte separada simples.

No nosso projeto vamos usar este circuito para combinar o sinal de vídeo de uma saída de aparelho comum (câmera, videocassete ou outro aparelho) com o sinal de áudio do mesmo aparelho, ou de uma mesa de som, ou ainda de um microfone.

Nesta modalidade de operação, o oscilador interno principal é ajustado para gerar o sinal portador de vídeo na frequência do canal livre a ser utilizado.

O acesso a este oscilador é feito entre os pinos 8 e 9, e a bobina L1, em conjunto com CV1, determina a frequência de operação.

Resistores de 220 ohms ligados aos pinos 8 e 9 polarizam os componentes internos do oscilador.

Um segundo oscilador, com entrada entre os pinos 14 e 15, gera um sinal de 4,5 MHz modulado pelo som de entrada de modo a criar a portadora de som deslocada de 4,5 MHz em relação à portadora de vídeo, como o necessário para a transmissão de som e imagem de TV, veja a figura 3.

As etapas transistorizadas de modulação dos sinais de áudio e vídeo usam transistores comuns, e têm por finalidade levar os sinais de entrada aos níveis necessários à excitação do LM1889.

Por exemplo, para o sinal de vídeo é preciso haver uma intensidade mínima de sinal de 6V quando o circuito integrado LM1889 é alimentado com 15V. Como o sinal obtido na saída de um videocassete ou de uma câmera de vídeo tem tipicamente 1 Vpp de amplitude, é requerido usar uma etapa amplificadora apropriada.

Considerando que a faixa passante necessária à operação com este tipo de sinal é da ordem de 4,5 MHz, transistores comuns de uso geral podem ser usados sem problemas neste circuito.

No nosso projeto optamos por uma etapa com acoplamento direto de modo a reduzir ao mínimo as perdas em baixas frequências, que afetariam a imagem.

Como não se pode prever exatamente qual vai ser o ganho certo dos transistores desta etapa em vista de sua tolerância, é interessante contar com um ajuste para este tipo de modulação.

Este ajuste vai garantir, então, que o sinal de vídeo proporcione uma modulação que percorra a faixa completa entre o nível de branco e o nível de preto do sinal de vídeo, veja ilustração na figura 4.

O circuito integrado LM1889 permite que isso seja ajustado por meio de componentes externos. Para essa finalidade existe um divisor de tensão externo formado por um resistor fixo e um trimpot no pino 12 do circuito integrado.

Tal ajuste é responsável pela restauração da componente DC do sinal de vídeo, que é importante para se obter uma fidelidade de contraste na reprodução.

Para conseguir uma modulação de áudio apropriada é preciso contar com um sinal cuja intensidade depende das características do varicap.

De modo a permitir que os leitores usem os varicaps que tenham disponíveis, o que fazemos é usar uma etapa de entrada amplificadora que permita ajustar o nível de modulação conforme a fonte de sinal e também o próprio varicap.

O processo de modulação é simples de ser entendido.

Um transistor ligado na configuração de emissor comum (amplificador de tensão) amplifica o sinal e o aplica num varicap que está ligado diretamente ao circuito oscilador L2/CV2 que determina a frequência de 4,5 MHz da portadora de áudio.

Esse componente tem então sua capacitância alterada com o sinal de áudio, levando o sinal à modulação de frequência.

O sinal de RF final que contém áudio e vídeo, é retirado do pino 11 do circuito integrado LM1889.

Ele pode ser jogado diretamente em uma pequena antena telescópica para transmissão num raio da ordem de algumas dezenas de metros.

No entanto, para uma aplicação que exija um alcance um pouco maior, pode ser usado um simples amplificador linear com um transistor, veja na figura 5.

Se for usado um amplificador de RF de maior potência, no caso de operação numa região rural por exemplo, deve-se levar em conta que ele precisa ser bem ajustado para não gerar harmônicas capazes de interferir em outros canais.

MONTAGEM

Começamos por mostrar o diagrama completo do transmissor de TV na figura 6.

Os poucos componentes usados neste projeto podem ser instalados numa pequena placa de circuito impresso, conforme disposição apresentada na figura 7.

Os dois únicos componentes críticos para o projeto são as bobinas, que podem ser montadas em formas de FI de rádios ou televisores fora de uso, com núcleos ajustáveis (ou não) de 0,5 cm de diâmetro ou próximo disso.

O uso de núcleo ajustável permite compensar as tolerâncias dos demais componentes e até das espiras (se forem mais ou menos espaçadas), conforme a habilidade de cada montador.

Recomendamos que o leitor use bobinas aproveitadas de aparelhos velhos, pois será bastante difícil encontrar as formas em casas especializadas.

Na figura 8 damos detalhes do enrolamento dessas bobinas.

A bobina L1 é formada por 3 a 5 espiras de fio esmaltado fino (26 a 30, ou da ordem de 0,4 a 0,8 mm de diâmetro), segundo o canal em que deseja operar. Faça experiências de modo a encontrar o ponto ideal de funcionamento.

A bobina L2 é formada por 40 espiras de fio mais fino (30 a 34, ou entre 0,1 e 0,2 mm de espessura).

Essa bobina pode ter as espiras do enrolamento fixadas pingando-se cera de vela, ou ainda por meio de uma cola neutra.

É importante que o leitor raspe as extremidades do fio que serão soldadas nos terminais da bobina.

O trimpot é do tipo usado para montagem horizontal na placa de circuito impresso, e os demais componentes não são críticos.

Apenas alertamos para o uso obrigatório de capacitores cerâmicos onde eles são recomendados.

Na figura 9 temos o circuito da etapa de potência para um alcance maior.

Transistores como o 2N2218 ou equivalentes podem ser usados.

A placa de circuito impresso é apresentada na figura 10.

A conexão entre o circuito principal e a etapa de potência deve ser bem curta, ou com fio blindado.

Como antena pode ser usada uma do tipo telescópico de 30 a 80 cm de comprimento. Para uma estação experimental de clube com maior alcance é conveniente o uso de uma vareta de 1,5 a 3 metros externa.

Uma fonte de alimentação de 15 V com boa filtragem é importante para evitar ondulações da imagem ou roncos do som. Esta fonte é mostrada na figura 11 e pode ser incorporada à própria placa de circuito impresso da montagem principal, assim como a etapa amplificadora.

Para as entradas dos sinais de áudio podem ser usados jaques RCA do mesmo tipo encontrado para esta finalidade em aparelhos de videocassete e televisores.

PROVA E USO

Para testar e ajustar o aparelho sem o uso de equipamentos especiais, empregue como fonte de sinal um videocassete e como receptor um televisor comum, sintonizando-o num canal livre entre o 2 e o 6, de acordo com a figura 12.

Coloque uma fita de programa no videocassete e deixe-a rodando. Se o leitor tiver uma fita de prova com as barras de cores e um sinal de áudio, será melhor ainda.

Inicialmente sintonize a bobina L1 do transmissor de modo a pegar a imagem do videocassete.

Em caso de dificuldade na obtenção da frequência do sinal num canal livre altere C3 que pode assumir valores entre 22 e 100 pF.

Se tiver um osciloscópio, isso vai corresponder à observação do sinal de vídeo com uma amplitude de 5 Vpp no pino 13 do CI.

O trimpot P1 serve também para se fazer um ajuste mais crítico que corresponde a aproximadamente 0,5 V acima do nível de branco do sinal de vídeo, mas este ajuste só poderá ser feito com a ajuda de um osciloscópio.

Visualmente, entretanto, o leitor pode se basear na nitidez e contraste da imagem para obter o melhor ponto de ajuste.

O próximo passo consiste em fazer o ajuste do áudio.

Para isso, com uma chave plástica sextavada atuamos sobre o núcleo de L2 até obter o som nítido da fonte de sinal.

Essa bobina é na realidade ajustada para oscilar em 4,5 MHz, o que pode ser comprovado pelo osciloscópio ou mesmo com um frequencímetro. Se não for conseguida esta frequência, podemos alterar seu número de espiras ou o valor do capacitor C7.

A comprovação de que esta etapa está funcionando, caso não haja som, é que ao se ajustar a bobina ocorrerá uma interferência na imagem.

Lembramos mais uma vez que o alcance de um transmissor não depende apenas da potência, mas também da antena.

Assim, se o alcance esperado não foi obtido, verifique se a antena usada é a mais apropriada.

Observação Importante:

O sinal de vídeo transmitido por este aparelho é o original da fonte de sinal. Assim, se a fonte de sinal for PAL ou NTSC, o sinal recebido também será PAL ou NTSC.

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LISTA DE MATERIAL

a) Transmissor básico

Semicondutores:

CI1 - LM1889 - Circuito Integrado - National Semiconductor

VC1 - BB809, BB119 ou BA102 - Varicap

Q1, Q2, Q3 - BC547 ou BC548 - transistores NPN de uso geral

Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 100 k ohms

R2, R15 - 22 k ohms

R2, R13 - 1 k ohms

R4, R8, R9 - 220 ohms

R5 - 470 ohms

R6, R16 - 10 k ohms

R7 - 82 ohms

R10 - 220 k ohms

R11 - 68 k ohms

R12 - 2,2 k ohms

R14 - 220  ohms

P1 - 10 k ohms - trimpot

Capacitores:

C1, C4, C5 - 10 µF/16 V - eletrolítico

C2, C6 - 1 nF - poliéster ou cerâmicos

C3 - 68 pF - cerâmico

C7 - 120 pF - cerâmico

C8 - 470 µF/25 V - eletrolítico

C9 - 100 nF - cerâmico ou mica

C10 - 33 pF - cerâmico

Diversos:

A - antena - ver texto

L1 - 2 ou 3 espiras de fio 26 ou 28 AWG (0,8mm) em forma de 0,6 cm de diâmetro com núcleo ajustável

L2 - 40 espiras de fio 30 ou 32 AWG (0,1mm) em forma de 0,6 mm de diâmetro com núcleo ajustável

Placa de circuito impresso, fios, solda, caixa, etc.

b) Etapa de potência:

Q1 - 2N2218 ou equivalente - transistor de RF

X1 - Choque de 100 µH ou 40 espiras de fio 28 em forma sem núcleo de 0,5 cm diâmetro

R1 - 10 k# x 1/8W - resistor

R2 - 2,2 k# x 1/8 W - resistor

R3 - 100# x 1/8 W - resistor

C1 - 47 pF - capacitor cerâmico

C2 - 100 nF - capacitor cerâmico

C3 - 100 pF - capacitor cerâmico

c) Fonte

CI1- 7812 - circuito integrado

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede de energia e secundário de 15 + 15 V ou 18 + 18 V x 500 mA ou mais

C1 - 1 000 µF/40 V - eletrolítico

C2 - 100 µF/ 16 V - eletrolítico

C3 - 100 nF - capacitor cerâmico

D1, D2 - 1N4002 - diodos retificadores

Placa de circuito impresso, radiador de calor para o circuito integrado, cabo de força, fios, solda, etc.

Este transmissor foi originalmente publicado pela Revista Saber Eletrônica número 104, tendo recebido algumas melhorias. Na ocasião, o transmissor foi usado como parte de um projeto de transceptor que operou na Escola Politécnica da USP.