Circuitos ÚTILES. 10. Radio FM

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INDICE

Características de la radio
Una radio con cuatro circuitos integrados
¿Qué emisoras podemos captar?
Opciones de sintonización: Condensador variable vs diodo varicap
Opciones de alimentación: Pilas y 220/125v AC
Novedad: Encendido táctil
Esquema de la radio
Lista de componentes
Montaje en protoboard
Montaje
   - Diseño previo de la radio
   - Diseño y elaboración del PCB
   - Fijar componentes al PCB
   - Probar radio en PCB
   - Elegir y mecanizar... sí: Un tupper
   - Acoplar piezas al tupper
Radio terminada




Características de la radio

Había dos versiones de radio que me llamaron la atención. Os pregunté en twitter y en facebook qué versión preferíais y claramente la versión 1 "clásica" fue la que más adeptos tuvo.

Tiene estas prestaciones:

Banda: FM
Rango: 87.5-110 Mhz
Posibilidad de explorar otras frecuencias (1.5 - 110 Mhz)
Sintonía: Con diodo varicap
Potencia audio: 1W aprox.
Sonido: Mono.
Salida de auriculares
Alimentación: 9v, a pilas o alimentador externo 9v
Novedad: Encendido/apagado táctil
La salida de auriculares sirve para conectarla a un amplificador externo
El piloto On/Off se convierte en linterna accionando un interruptor
Sonido claro y limpio

No hay componentes SMD, por lo que se considera un montaje apto para iniciados. Sólamente hay que hacer dos bobinas manualmente, y son muy sencillas de hacer. 




Una radio con cuatro circuitos integrados

Usaremos cuatro integrados:

[Fig 1] Circuito Integrado TLC555

TLC555: Para el encendido y apagado táctil de la radio. Es la versión CMOS del 555, con un consumo en reposo muy reducido (100 µA). 

Es un circuito muy versátil que puede configurarse como temporizador, oscilador, divisor de frecuencia, modulador y, en nuestro caso, como biestable, también llamado flip-flop.

[Fig 2] Regulador 7805

7805: Estabilizador de 5 voltios, positivo. La parte de la radio debe recibir una tensión muy estable para que funcione de modo fiable, máxime cuando el método de sintonía será por diodo varicap, que exige una tensión de referencia fija.

Gracias a este componente podremos alimentar a la radio con cualquier tensión entre 7 y 15 voltios.

[Fig 3] Circuito Integrado TDA7000

TDA7000. Este integrado fue creado por la marca philips para poder construir una radio FM compacta y sencilla. No es necesaria una sección de FI con bobinas sintonizadas ni componentes que tiran para atrás al aficionado. La sintonía se puede hacer mediante el clásico condensador variable o, mejor aún, con diodo varicap, manipulando una tensión (así lo haremos nosotros).

No termino de entender porqué en Internet tanta gente habla mal de este chip como si fuese el parangón de lo obsoleto, de lo inútil, cuando me consta que hay radios comerciales con prestaciones no superiores a las que brinda este chip.

Buena prueba de su demanda es que en cualquier tienda de electrónica te lo sirven. Y si no lo tienen en stock, te lo piden.

[Fig 4] Circuito Integrado TDA2822M. Amplificador de audio

TDA2822M. Amplificador de audio de 1W. Es estéreo, pero se puede configurar para mono. Me ha parecido ver que es más inmune a zumbidos y acoples que el conocido LM386.

Proporciona un sonido limpio y, probablemente, un poquito más potente que el LM386, a pesar de estar siendo alimentado por tan sólo 5 voltios (funciona desde 3 hasta 15 voltios según datasheet)




Dónde conseguir estos cuatro circuitos integrados a precio razonable:

- TLC555: http://bit.ly/2r7aNz5

- 7805: http://bit.ly/2AYqF70

- TDA7000: http://ebay.to/2FAzeYW
En este enlace te saldrá un listado. No te pares en las primeras ofertas de ese listado, ve más allá de las primeras y verás ofertas a aproximadamente un euro cada circuito y sin gastos de envío, con la insignia "vendedor excelente".

- TDA2822M: http://bit.ly/2r7aNz5



¿Qué emisoras podemos captar?

La cantidad de emisoras dependerá de tu ubicación y de cuántas emisoras haya en la zona donde tú estás. En mi caso, una vez lista la radio, llegué a sintonizar más de 20 emisoras. 

En este proyecto tenemos que construir dos bobinas, pero son muy fáciles de hacer. Tienen sólo 4-7 espiras y no tienen núcleo, o mejor dicho, es de aire. En menos de cinco minutos se hacen las dos.

En el vídeo se muestra la forma de ir afinando en la construcción de las bobinas hasta cubrir enteramente el espacio radiofónico reservado a la FM, desde 87.5 hasta 108 Mhz. Para esto nos ayudaremos de otra radio, mejor si es con dial digital, y por comparación, sabremos si nuestra radio está abarcando esa gama de frecuencias de 87.5 a 108 Mhz.

[Fig 5] Dial FM

Si haces las bobinas con otros valores, puedes sintonizar frecuencias fuera de ese margen. Concretamente, si haces L2 con más espiras y/o más diámetro, sintonizarás emisiones por debajo de 87.5 Mhz, llegando incluso a 1.5 Mhz, lo que da bastante juego...

Opciones de sintonización: Condensador variable vs diodo varicap

Hay innumerables esquemas para el TDA7000, la mayoría con la opción del condensador variable para sintonizar. Unos pocos esquemas ofrecen sintonía mediante diodo varicap. Esta última me parece una opción más interesante y sencilla.

[Fig 6] Condensador variable

La sintonización por condensador variable consiste en desplazar una armadura de láminas móviles sobre otra armadura de láminas fijas. Según se introduzcan más o menos esas láminas unas en las otras, la capacidad del condensador varía, y con ello, la sintonización. Este método es el más antiguo, y tiene sus limitaciones:







- Necesita una desmultiplicación mecánica, pues accionar directamente sobre el eje del condensador variable hace casi imposible detenerse con precisión en una emisora concreta. Es el conocido "dial" de las radios clásicas, basado en un hilo de nylon que corría por varias poleas y engranajes. Sistema mecánico sencillo en apariencia, pero que encierra gran complejidad para un aficionado.

- Un condensador variable puede tener un tamaño considerable

- Es un componente complejo y difícil de fabricar: No es barato

- El condensador variable es sensible a factores ambientales. Por ejemplo, el polvo, que con el paso del tiempo se acumula en sus armaduras, cambiando sus características, falseando el funcionamiento de la radio o produciendo ruidos en el audio cuando se acciona dicho condensador.

Por el contrario, la sintonía por varicap es más sencilla de construir, ocupa menos volumen, es inmune a agentes físicos, no necesita mecanismos (excepto el sencillo y barato potenciómetro) y es más económica.

[Fig 7] Diodo varicap

La sintonía con diodo varicap se basa en que cuando se polariza inversamente un diodo, éste no conduce, pero la barrera interna del diodo se comporta como un condensador, y su capacidad varía según la tensión aplicada al diodo. En realidad, este fenómeno ocurre en todos los diodos, pero el diodo varicap se fabrica a propósito para potenciar este fenómeno.




Así que, en lugar de mover un delicado sistema de láminas, simplemente se varía una tensión, algo que se puede hacer con un potenciómetro.

La tensión aplicada al varicap debe ser muy estable. En caso contrario se perderá la sintonía. Esta es la razón de porqué alimentaremos la radio a través de un regulador tipo 7805 que suministra 5 voltios muy estables, evitando las fluctuaciones propias de una pila según se va gastando, o las del alimentador 220/9 voltios. 

Opciones de alimentación: Pilas 9v y alimentador 220/125v AC (9v=)

Esta radio funcionará tanto a pilas como con corriente de red 220/125v

Para la opción "pilas" usaremos una de 9v. El circuito de la radio funciona a 5 voltios muy estables suministrados por un regulador 7805. Pero un regulador, para funcionar correctamente, necesita dos voltios más. Así que nos vamos a 7 voltios, que es un valor no estándar en pilas, pero sí lo es el de nueve voltios. A un 7805 se le pueden aplicar hasta 35v en su entrada, así que 9v no son problema.

[Fig 8] Podemos usar un alimentador desde 7 a 15 voltios

En cuanto a la opción 220v, puesto que el consumo va a ser reducido, prefiero evitar poner una fuente en el interior de la radio. Mejor usaremos un alimentador externo de 220/125 AC a 7-15 voltios DC. 

Así, este proyecto no tendrá ningún riesgo eléctrico, la radio será mas pequeña y pesará menos, y también evitamos que se metan zumbidos de 50Hz en el audio. Además, es una opción más económica.



La tensión del alimentador puede ser en ese rango (7-15v) porque la radio será alimentada invariablemente a 5 voltios gracias al 7805, y el TLC555 (que no se alimenta desde el 7805 sino directamente) puede funcionar en ese rango de tensiones de 7-15 voltios. 

Así que, en cuanto a tensión, esta radio es un poco "todo terreno".



Novedad: Encendido táctil

Como innovación, esta radio dispone de un sistema táctil en el que bastará con rozar una pieza metálica para encenderla y apagarla, sin interruptor, sin piezas móviles. A este sistema táctil le he dedicado un vídeo y un artículo en este blog:

Cómo hacer un interruptor táctil: Vídeo, Blog

Es un circuito con sólo seis componentes de bajo costo. Esquema de la radio

[Fig 9] Esquema de la Radio

Este esquema tiene varias secciones, vamos a verlas por separado:

- Interruptor táctil y fuente de alimentación
Parte derecha-superior del esquema. A cargo de un integrado TLC555 y un regulador 7805 (que también es un integrado). Sirve para encender/apagar la radio, y también proporciona la tensión de funcionamiento de 5 voltios, bien estabilizada.

[Fig 10] Interruptor táctil + fuente

En la parte central-abajo están la pila y la entrada de 7-18v DC que alimentarán a la radio. Si no conectamos nada en el jack será la pila la que haga funcionar a la radio. Si conectamos el jack, se produce la conmutación: La pila se desconecta y será el alimentador externo el que entra en acción.

Sea cual sea la fuente elegida (pila o alimentador), la tensión es enviada a la entrada del interruptor táctil, tal y como indican las flechas (+9v, 0v)

Si tocamos los contactos del pin 2 del 555, se pondrá a nivel alto su salida en el pin 3, activando el transistor Q1 que dará tensión a la radio, poniéndola en marcha. La razón de poner Q1 es que el 555 sólo puede suministrar 100 mA en su pin 3, y la radio va a consumir un poco más, sobretodo si se hace funcionar a volumen alto. 

Muy importante un detalle: Este circuito tiene dos negativos o "masas":

1) El de esta sección del 555
2) A partir del colector de Q1, la masa del resto de la radio.

No deben ser confundidas y no deben estar conectadas entre sí.

Ahora, si tocamos los contactos del pin 6 del 555, si la radio estaba encendida, se apagará.

Un poco más a la izquierda en el esquema nos encontramos con IC2, un regulador para 5 voltios positivo. En su patilla derecha recibe los 7-18 voltios que le proporciona el circuito del 555, y los entrega en la patilla izquierda convertidos a 5 voltios muy estables. Esta tensión de 5v será utilizada en varios puntos de la radio.


- Piloto y linterna
Arriba a la izquierda está D2, un diodo LED de alto brillo que funcionará como piloto para indicar si la radio está encendida o apagada. La función de un indicador o piloto es indicar algo, no iluminar. 

Entonces ¿Porqué poner un LED de alto brillo?

[Fig 11] Piloto indicador y linterna

Porque son más eficientes que los LED comunes. Para que sólo luzca lo suficiente como piloto, lleva una resistencia de 10KΩ en serie (R11) que limitará la intensidad que circula por él a valores de unos microamperios.






Por el coste suplementario de sólo un pulsador o interruptor (SW2) y otra resistencia (R10) de 220Ω que pondremos en paralelo con R11, el LED D2 funcionará a su potencia nominal cuando pulsemos SW2, convirtiendo la radio en una linterna.

Incluso trabajando a plena potencia en modo linterna (con SW2 activado), D2 sólo consumirá unos 10 mA.



- Radio FM
Es el receptor de radio en sí, a cargo de un integrado TDA7000

[Fig 12] Radio

Partes destacadas:

Pines 13 y 14: La recepción de las ondas de radio de FM. La antena puede ser un simple trozo de cable, aunque nosotros procuraremos poner una antena telescópica como las que normalmente se usan en radios de FM. Aquí va la bobina L1 que construiremos así:

[Fig 13] Bobina L1. Definitiva

Sobre un destornillador o cualquier 
otro objeto cilíndrico de 3 mm de grosor bobinaremos 5 espiras y media de hilo de cobre esmaltado de 0.8 mm de diámetro. Hay que lijar ambos extremos de la bobina para retirar el esmalte aislante del cobre. Apretaremos las espiras para que estén juntas (no habrá contacto eléctrico gracias al esmalte). A continuación extraemos la bobina del destornillador. Quedará como la figura 13:

Pines 4-5: La sintonía o búsqueda de emisoras. Como ya comenté, será mediante diodo varicap (D1) del tipo BB105, bastante común. La búsqueda de emisoras se realiza accionando el potenciómetro R5, de 100K lineal, mejor del tipo multivuelta para sintonizar con precisión las emisoras. Foto a la derecha.

[Fig 14] Bobina L2

Esta es la segunda bobina, L2, 
construida del mismo modo que L1 pero con estas dos diferencias:

- 7 espiras y media
- Bobinada sobre un destornillador o cualquier objeto de 3 mm de grosor.








Sobre las bobinas debo decir que probablemente tengáis que hacer varios ejemplares para probar cuál es la mejor, especialmente L2 que es la encargada de la sintonía. Yo también tuve que hacer unas cuantas, pero afortunadamente son fáciles de hacer. La razón de esto es que, a estas frecuencias de varios Mhz, basta con una mínima variación en una bobina para que el circuito funcione de modo distinto.

[Fig 15] Merece la pena sentarse tranquilamente y hacer varias bobinas distintas para probar. 
Siempre usé hilo de 0.8 mm de diámetro, así que lo que cambié fue el número de espiras (de 3 y 1/2 a 7 y 1/2)

y/o el diámetro interno de la bobina (de 2.4 a 4 mm)

Pin 2: Es la salida de audio del TDA7000, aunque sin potencia suficiente para mover un altavoz, ni siquiera unos auriculares. Necesita ser amplificada.


Alimentación +5v: En dos puntos del esquema de la radio veremos la leyenda "+5v" con una flecha apuntando hacia arriba: Debemos conectar estos puntos a la línea de +5v que sale del pin izquierdo de IC2 (7805).


- Amplificador de audio:

[Fig 16] Amplificador de audio

La cuarta y última sección de circuito. A cargo de IC4, un TDA2822M
Toma la señal de audio proveniente del pin 2 del TDA7000 y la eleva hasta un nivel suficiente como para excitar un altavoz y unos auriculares.

La señal pasa por el potenciómetro (R7) que actúa como control de volumen, aplicando esa señal al pin 7 de IC4, que es su entrada de audio.

El TDA2822M es estéreo, pero puede configurarse como mono, caso de este circuito. La alimentación de +5v se aplica al pin 2, y se toma del terminal izquierdo de IC2 (7805) tal y como señala la flecha. El condensador C23 de capacidad generosa (2200 µF ) permite a IC4 procesar el sonido con la menor distorsión posible, especialmente cuando se le hace trabajar en condiciones "duras": A alto volumen y cuando predominan los tonos graves.

Con IC4 en configuración "mono", la salida de audio amplificada es en los pines 1 y 3 que llevaremos al altavoz a través de un interruptor (SW1), de modo que nosotros elegimos si debe sonar el altavoz o no.

En paralelo con esta salida conectaremos una toma de auricular (por supuesto, mono y sin desconectador) y pondremos una resistencia atenuadora (R10) de 100Ω, pues si hacemos sonar los auriculares directamente con la misma señal del altavoz, el sonido será ensordecedor y pueden romperse los auriculares.

C28 tiene por misión bloquear cualquier componente de corriente continua que pudiera haber, dejando pasar sólo la alterna (es decir, el sonido) evitando sobrecargar inútilmente el altavoz, los auriculares y el propio IC4, además, ahorrando pila.

Lista de componentes

[Fig 17] Componentes para hacer la radio

COMPONENTES AUXILIARES

- Un tupper o caja de tamaño adecuado
- Antena telescópica (o un trozo de hilo con una pinza de cocodrilo)
- Pila de 9v alcalina
- Portapilas para pila de 9v
- Velcro para fijar la pila
- Botones para los potenciómetros de sintonía y volumen
- SW1 y SW2: Dos interruptores miniatura empotrables (altavoz, linterna)
- Toma DC con desconectador, empotrable
- Toma auricular 3.5 mm, mono, sin desconectador, empotrable
- 4 Chinchetas enteramente metálicas para hacer los sensores On/Off
- Altavoz 8Ω-16Ω 2-3W
Para sujetar el altavoz al tupper:
- 4 tornillos M3 largo 15 mm, 4 tuercas M3 y 4 arandelas para M3


COMPONENTES PARA EL CIRCUITO

- Circuito impreso virgen, de una capa
- Los materiales y herramientas necesarios para hacer el PCB
Para sujetar el PCB al tupper:
- Cuatro separadores de plástico. Largo 20 mm. Orificio interno 3-4 mm
- 4 tornillos M3 largo 30 mm, 4 tuercas M3 y 4 arandelas para M3

Las siguientes resistencias a 1/4W. Si son de más potencia funcionará igual, pero ocupan más espacio y son más caras. 

- R1 3M3Ω (3,300,000Ω) naranja-naranja-verde
- R2 = R1
- R3 220Ω rojo-rojo-marrón
- R4 10K (10,000Ω) marrón-negro-naranja
- R5 Potenciómetro 100KΩ lineal (mejor si es multivuelta) (Sintonía)
- R6 18KΩ (18,000Ω) marrón-gris-naranja
- R7 Potenciómetro 10KΩ logarítmico (volumen)
- R8 4R7 (también 4Ω7) (4.7Ω) amarillo-violeta-negro
- R9 = R8
- R10 100Ω marrón-negro-marrón

Los siguientes condensadores:
Si son electrolíticos: Para 16 ó 25v.
Si son de poliéster o cerámicos: Para la mínima tensión, por ejemplo: 63v.
Si son de más voltaje no pasa nada, pero serán más grandes y más caros.

- C1 Condensador 10n (10 nano-faradios)
- C2 Condensador electrolítico 100µF / 25v
- C3 Condensador electrolítico 470µF / 25v
- C4 Condensador 100n
- C5        "           3n3

- C6        "           150p (150 pico-faradios)
- C7        "           100n
- C8        "           330p
- C9        "           220p
- C10      "           10n

- C11      "           150p
- C12      "           180p
- C13      "           39p
- C14      "           47p
- C15      "           2n2

- C16      "           4n7
- C17      "           100n
- C18      "           100n
- C19      "           3n3
- C20      "           330p

- C21      "           2n7
- C22      "           electrolítico 4.7µF/16
- C23      "           electrolítico 2200µF/25
- C24      "           100n
- C25      "           electrolítico 1µF/25

- C26      "           10n
- C27      "           100n
- C28      "           electrolítico 1000µF/25

- L1 5 vueltas y 1/2 cobre 0.8 mm sobre objeto de 3 mm de diámetro
- L2 7 vueltas y 1/2 cobre 0.8 mm sobre objeto de 3 mm de diámetro

- D1 Diodo varicap BB105
- D2 Diodo LED de alto brillo, blanco o azul

- Q1 Transistor TIP31 o equivalente NPN

- IC1 TLC555 ó LMC555
- IC2 Regulador 7805
- IC3 TDA7000
- IC4 TDA2822M


Montaje en protoboard

Una vez claras las cosas monté la radio en el protoboard. Quise probarla antes de completar el montaje con el amplificador de audio, por lo que tuve que usar la entrada "auxiliar" de un equipo musical.

Dar con los valores de las bobinas L1 y L2 resultó más fácil de lo esperado, pero dichos valores (en mi caso) no coinciden exactamente con lo publicado en otros muchos esquemas, y es probable que también te suceda a ti.

En el vídeo puedes ver el proceso que seguí para determinar los parámetros de las dos bobinas L1 y L2.

Una vez ajustada la radio me sorprendió el buen funcionamiento, sobretodo teniendo en cuenta que los circuitos de RF no suelen tener buen comportamiento en protoboard.

- sonido claro y limpio
- sintonizaba más de 20 emisoras
- gran estabilidad: Las emisoras sintonizadas no "se iban" con el tiempo
- si apagabas la radio y la encendías horas después, ahí estaba esa emisora...

A continuación monté el amplificador de audio con el TDA2822M, el piloto con la opción linterna, y la salida de auriculares. Todo funcionaba perfectamente.

Estuve un par de días dándole vueltas a este montaje, usándolo, esperando que apareciese cualquier posible fallo oculto. Viendo que era fiable, decidí "pasar a limpio" el esquema y comenzar con el montaje.



Montaje

DISEÑO PREVIO DE LA RADIO
Consiste en elegir una caja (Tupper) de tamaño adecuado y tratar de ubicar los componentes de la radio en él. De momento no se conectan los componentes, sólo se comprueba que su ubicación es correcta, que no chocan entre sí... 


DISEÑO Y ELABORACION DEL PCB
Usando el método del rotulador, seguí los pasos del tutorial de electrónica básica cap.15 para hacer el PCB:

[Fig 18] Boceto del PCB

[Fig 19] Diseño real del PCB

[Fig 20] Diseño rotulado sobre el PCB

[Fig 21] El PCB ha sido sometido al ataque con ácido

[Fig 22] Taladros y serigrafía hecha

SITUAR COMPONENTES EN EL PCB
A través de los taladros hechos en los pads, vamos insertando los componentes en el PCB y soldándolos. Es preferible seguir este orden:

- Puentes
- Resistencias
- Regletas
- Condensadores
- Diodos
- Transistor
- Circuitos integrados
- Bobinas L1 y L2

Las bobinas L1 y L2 son delicadas en el sentido de que si las manipulamos las deformamos, y eso cambiará por completo el comportamiento del circuito.

[Fig 23] PCB terminado con los componentes soldados

PROBAR RADIO EN EL PCB
Una vez terminado el PCB, hay que probarlo antes de proseguir con el montaje, no sólo para confirmar que el circuito está bien sino para comprobar que L1 y (sobretodo) L2 están bien dimensionadas para las nuevas condiciones del circuito. La nueva disposición de los componentes respecto de como estaban en el protoboard provoca que las capacidades e inductancias parásitas cambien, y con ello el comportamiento de la sintonía. Esto es de gran incidencia en circuitos de RF (Radio Frecuencia).

Tal y como me temía, ocurrió: No se podía sintonizar ninguna emisora. Tras cambiar L2 en tres ocasiones, logré centrar la sintonía en el tramo 88-108 Mhz propio de la FM.


ELEGIR Y MECANIZAR... SI: UN TUPPER
Encontré un tupper de tamaño adecuado, y le hice todos los taladros necesarios para fijar todos los componentes:

[Fig 24] Tupper elegido como caja para la radio

- PCB
- Altavoz
- Antena
- Potenciómetros (Sintonía y volumen)
- Interruptor linterna
- Interruptor altavoz
- Toma de auriculares
- Toma de corriente


ACOPLAR PIEZAS AL TUPPER
Con todos los taladros ya hechos, puse cables de largo adecuado en todas las regletas o conectores del PCB, y en un momento armé todo.

[Fig 25] Los cables para conectar los anexos ya están en sus regletas

Radio terminada

[Fig 26] Radio terminada. Vista trasera

[Fig 27] Radio terminada. Vista frontal

El vídeo

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