Nessa série do “Será que funciona?”, depois dos artigos “Capacitor variável feito em casa.” e do “Amplificador classe A feito em casa.“, a próxima etapa é montar um oscilador do tipo Hartley.
Esse é o tema de hoje.
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Nos capítulos anteriores
Depois que terminei o artigo de como projetar o amplificador classe A, eu dei uma pausa nos projetos.
Isso é normal, sempre faço isso. Costumo guardar todos equipamentos, limpo a mesa e dou um trato no quarto enquanto nesse meio tempo foco na edição do filme, otimização do site, dou uma atualizada do WordPress, participo no meu perfil do Quora e preparo umas aulas. Vou vivendo.
É um período de reflexão que serve para ir pensando nos próximos passos. Daria para produzir mais, mas é meu hobby. Faço sem pressa e quando tenho vontade.
Mistérios da prototipagem
Quando eu vou projetando alguma coisa, costumo fazer de maneira incremental. Vou desenvolvendo e testando um módulo por vez. Se ficou razoável, sempre que possível eu soldo tudo na placa de prototipagem para evitar mau contato e vou testando.
Antena, sempre presente:
Dependendo de como as coisas são feitas, o aterramento de um circuito pode vir a se comportar como uma antena. Isso sempre deve ser levado em consideração e é algo que me motiva ir passando tudo do protoboard para a placa de prototipagem, o quanto antes.
Com esse circuito do amplificador não foi diferente. O aterramento estava zoado e cheio de mau contato no protoboard, ficando bem melhor ao utilizar a placa de prototipagem, com tudo soldado e utilizando aterramento único, conforme figura 1 abaixo:
Nessa de passar do protoboard para a placa de prototipagem, não me pergunte o porquê, mas por algum motivo o amplificador parou de funcionar, só dando o ar da graça depois de se ajustar o valor de R2 de 6K8Ω para 5K6Ω, conforme indicado na figura 2.
Ajustado o valor de R2 e colocado o amplificador para funcionar na placa de prototipagem, com tudo soldado e aterramento ok, o próximo passo será a montagem do oscilador Hartley, cuja conversa começa a seguir e já vou avisando que ainda voltaremos ao assunto da antena ;-).
Como o Hartley funciona:
Enquanto terminava o amplificador, fui pensando se daria para o alterar.
Pensa daqui, pensa dali, resolvi montar um amplificador do zero e na figura 3 abaixo, temos o diagrama final do oscilador:
Osciladores, existem de todo o jeito. A característica desse oscilador Hartley é que ele utiliza um indutor com uma derivação no enrolamento que serve para suprir o sinal de realimentação do circuito.
Esse tipo de oscilador é particularmente bom para produzir um sinal senoidal de relativamente baixa distorção, no espectro de RF entre 30KHz a 300MHz. A principal característica do oscilador tipo Hartley é que ele utiliza uma bobina com derivação, conforme indicado na figura 3, onde temos L1 e L2. A frequência do oscilador pode ser calculada utilizando a fórmula para o cálculo de circuitos ressonantes em paralelo conforme abaixo, lembrando que o valor de L = L1 + L2 e o valor de C = C3
Falando um pouquinho mais sobre esse oscilador, sua frequência de operação é determinada pelo circuito tanque LC composto por (L1+L2) e o capacitor C3.
Esse circuito tanque funciona como uma impedância de carga no coletor de Q1, que opera em base comum.
Essa configuração base comum do amplificador permite que ele tenha um alto ganho apenas em sua frequência de ressonância.
A malha resistiva R1 e R2 fornece a necessária polarização DC para a base de Q1, enquanto que o capacitor C4 tem a finalidade de prover aterramento para sinais AC.
Como o oscilador Hartley opera no modo base comum, ambas: a forma de onda da tensão de saída obtida no coletor de Q1 como o sinal de entrada no emissor de Q1 estão em fase.
Isso permite que uma fração do sinal de saída do nó entre L1 e L2 seja realimentado para o emissor por meio do capacitor de acoplamento C2, formando o necessário feedback positivo para o funcionamento desse circuito.
Outra função de C2, é formar uma constante de tempo de baixa frequência com o resistor de emissor R3, permitindo que haja um nível de tensão DC médio no emissor de Q1, proporcional à amplitude do sinal de feedback .
Esse nível de tensão DC médio no emissor de Q1 funciona como um controle automático do ganho do amplificador, dando ao mesmo o ganho de malha fechada igual a 1, o que é exigido pelo oscilador.
O resistor de emissor R3 não precisa ser desacoplado por um capacitor porque o nó do emissor é utilizado como a entrada do amplificador de base comum.
Para sinais AC, a base de Q1 é conectada ao aterramento via C4, haja visto que capacitores tem baixa reatância para sinais AC.
Mais abaixo vou falar do C5.
Detalhes da montagem:
Oscilador Hartley montado no protoboard:
Dados da construção da bobina L1 e L2 da figura 6 acima:
- L1 tem 5 espiras.
- L2 tem 50 espiras.
- São enroladas em uma forma circular de 3,5mm de diâmetro (palito de fazer a unha).
- Conforme figura 7 abaixo, foi utilizado fio esmaltado com diâmetro de 0,38mm, incluindo o verniz isolante :
Durante a montagem no protoboard, foi utilizado o potênciômetro de 50KΩ para encontrar os valores de R1 e R2, chegando nos valores de 13KΩ e 36KΩ respectivamente.
Testes foram feitos no protoboard e tudo funcionou direitinho.
Passando para a placa de prototipagem:
Ao passar para a placa de prototipagem, as dificuldades começaram. De cara a bobina original se desmanchou quando a tirando do protoboard.
Tive que fazer uma nova bobina, agora revestida com resina acrílica. Ficou bem melhor.
O circuito ficou conforme figura 8 abaixo (sem limpar a resina da solda).
Sem dor, sem aprendizado:
Conforme indicado na figura 9 abaixo, o circuito funcionou, mas fibou bem zoado:
Dá para ver que há uma frequência fundamental de cerca de 4,25MHz e uma série de harmônicas.
Como eu já disse, não é novidade as coisas funcionarem bem no protoboard e não darem muito certo na placa de prototipagem, ou vice versa.
Tem que lembrar que é um circuito para operar na faixa de 4MHz e tudo no circuito pode funcionar como antena, podendo causar acoplamento indevido, fazendo com que se comporte de maneira esquisita.
Para resolver essas harmônicas, comecei verificando as conexões, achei componente sem soldar, troquei o capacitor da bobina de ressonância (C3) e de repente, enquanto testava uns toroides de ferrite, o circuito passou a funcionar bem bonitão, conforme figura 10 abaixo:
Tinha sumido a maior parte das harmônicas, e o sinal estabilizou praticamente do nada.
Embora não me pareceu claro, identifiquei à medida que fui testando que o circuito estava instável por conta de um ruído entre o positivo e o negativo da fonte.
O curioso desse problema é que se os fios da fonte de alimentação estivessem alinhados e próximos um do outro, formava-se uma certa capacitância entre o positivo e negativo, estabilizando o circuito.
Para resolver em definitivo, coloquei um capacitor cerâmico C5 de 0,1uF entre o positivo e o terra na placa, conseguindo estabilizar o oscilador.
Mais bobinas:
Se você chegou até aqui, deve ter notado que não falei ainda qual é o valor das bobinas L1 e L2.
Na verdade, eu não sei =P. As bobinas, quando precisa mesmo, a gente compra pronta.
Aqui nesse exercício, eu fiz a bobina na unha e vamos calcular seu valor a partir da frequência de funcionamento do oscilador, conforme figura 11 abaixo:
Agora que calculei o valor de L1 e L2, eu poderia simplesmente falar lá em cima seus valores, não contar como fiz e pagar uma de “o senhor das bobinas”. SQN.
Da horinha né?
Só que é o seguinte: Na prática o circuito oscilou entre 4,8 e 7,9MHz enquanto nas continhas deveria oscilar entre 7,1 e 12,9MHz. Não estou com tempo agora para identificar o motivo da divergência, mas se você, construtivamente apontar o que está faltando, publico aqui e lhe dou o devido crédito.
Ativando o capacitor variável feito em casa:
Há um tempo atrás, eu fiz o artigo “Capacitor variável feito em casa.“. Nesse artigo eu expliquei como é construido um capacitor variável, fiz um e o mostrei funcionando no capacímetro.
Esse oscilador Hartley foi construido para utilizar aquele capacitor.
É uma brincadeira para ver o que acontece quando alguém se mete a construir um componente eletrônico, na verdade dois componentes eletrônicos (o capacitor e a bobina).
Achei a experiência interessante, lógico que na vida real eu utilizaria os componentes da lojinha e claro vou ficar muito contente se alguém falar por que deu tanta diferença entre a teoria e prática.
Vale a pena conferir o vídeo da montagem da plaquinha, com os testes do funcionamento do circuito que fiz.
Referências:
AMICLAUS, Analog Devices. Activity: The Hartley Oscillator. 2019. Disponível em: https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/comms-lab-hartley-osc?rev=1553685232. Acesso em: 05 nov. 2020.
SANDERS, John; STACY, Andrew (org.). Good Calculators: free online calculators. Free online calculators. 2020. Disponível em: https://goodcalculators.com/resonant-frequency-calculator/. Acesso em: 20 nov. 2020.
Publicado em 06/dezembro/2020 por Renato de Pierri.