Cosas de la electrónica

Cuando me enamoré de la electrónica

El invierno de 1972 fué particularmente crudo en Ancud, al sur de Chile. Llevaba una semana lloviendo sin parar, y yo encerrado en mi micro-pieza me pegaba a la ventana y miraba para afuera. Me sentía como un pez dentro del acuario, la vida era extremadamente aburrida por esos dias. Para colmo estaba de 'vacaciones' de invierno y todos mis amigos se habian ido a su casa. .

Mis únicas entretenciones eran leer y mirer a la vecina de enfrente, que hacía exactamente lo mismo que yo durante todo el día. Nunca me atreví a hablarle.

La biblioteca del liceo era muy buena y no cerraba en vacaciones, y así fué como me devoré todos los libros buenos, los regulares y a esas alturas, ya iba por los fracamente malos. Mi disyuntiva entonces era elegir entre el Quijote de la Mancha (jsmás pude pasar de los primeros capítulos) o un libro que se llamaba 'Del Electrón al Superheterodino'. Con ese título, estuve a punto de mamarme el Quijote, pero, por esas casualidades de la vida terminé leyéndo el librito, que era un antiguo manual de la Phillips para reparadores de radios.

Hasta entonces nunca había tenido curiosidad por cosas técnicas, pero la analogía entre los sistemas hidráulicos y electricos del primer capítulo me alucinó. Era la explicación más clara que había visto en mi vida. Recordando ahora, era algo más o menos así:

La analogía agua-electricidad

Eran dos estanques con agua unidos por una gruesa cañeria, como vasos comunicantes. La cañería tenía una llave y se estrechaba en un punto. La diferencia de presiones entre el vaso de arriba y el de abajo correspondía al voltaje (diferencia de potencial) en los bornes de una batería, el estrechamiento de la cañería a una resistencia y la diferencia de presiones en los extremos del estrechamiento a la caida de voltaje que se produce en la resistencia. La llave era obviamente un interruptor.

Mientras está todo estático es como una batería que no tiene nada conectado entre sus bornes. Si hacemos un hoyito al fondo del estanque de abajo el agua comenzará a fluir desde el estanque superior al inferior y el caudal (corrriente eléctrica) dependerá del ancho (resistencia) de la cañería. Los estanques comenzarán a perder agua y a menos que le echemos al de arriba quedarán vacíos (la batería se descarga). Para mantener el flujo tendremos que "cargar" el estanque superior con un caudal igual o mayor al que se está perdiendo.

Más aún, podríamos colocar un molinillo de agua en algún lado del circuito y así aprovecharíamos la fuerza de este caudal para, digamos, mover un ventilador, o realizar cualquier otro trabajo tal como cuando enchufamos algún utensilio a la corriente eléctrica.

¿Que pasaría por ejemplo si colocamos un aspa que se mueva con la fuerza del agua y ponemos una manguera entre ambos estanques? ¿sería suficiente el flujo para que el aspa rote y mantenga el agua circulando de manera indefinida?. La intuición y la experiencia nos muestran que, lamentablemente, el movimiento perpetuo por este medio no es posible. La fuerza producida en el aspa por la diferencia de presiones nunca será suficiente como para elevar el agua de vuelta al estanque de arriba. Así, todo quedará estático por el horroroso principio ese de que no se puede obtener algo a cambio de nada. Vaya si es injusta la naturaleza ¿no?

El ejemplo es ingenuo, pero hasta el día de hoy me parece asombroso. Muchos años después, cuando estudié la teoría general de sistemas, me asombré con el hecho que todos los fenómenos de la naturaleza presentan analogías, pero nunca tanto como la primera vez, cuando me quedó claro a que me iba a dedicar profesionalmente.

La modulación

La otra maravilla que aprendí en ese librito era el mecanismo de la modulación. Un teléfono o intercomunicador simple no necesita modular, basta con tener un par de aparatos que transformen las ondas de presión en energía eléctica, la señal eléctrica se envía por un par de alambres de cobre y en el extremo receptor se usa un aparato similar que convierte las variaciones de electricidad en variaciones de presión. Constructivamente un microfono y un parlante son la misma cosa, al microfono le hablamos por el diafragma y hacemos variar la corriente en los cables, a un parlante le ponemos corriente variable en los cables y el diafragma produce sonido. Fuiste grande Alexander Graham Bell.

Otra cosa es cuando, en lugar de cable usamos el espacio para enviar señales. Hay tanta diferencia entre enviar una señal a través de un cable y enviarla por el vacío como .entre viajar por una carretera lisa como el vidrio o ir por un camino de barro. El aire es mucho menos conductivo que el cobre. De otro modo estaríamos todos electrocutados.

La corriente alterna (variable en su amplitud) tiene la capacidad de viajar por el espacío. Para llegar con una señal desde A hasta B a través del espacio necesitamos potencia y una frecuencia lo suficientemente alta como para que se 'irradie'. A menor frecuencia más potencia necesitamos y en el caso límite (corriente continua) no se irradia absolutamente nada por mas potencia que pongamos.

Además a ciertas frecuencias especiales las capas superiores de la atmósfera (ionósfera) actúan como reflectores, así que, rebotando en ellas se puede lograr que la señal alcance grandes distancias. Es la famosa 'onda corta'. Si la frecuencia es más alta pasa de largo y se pierde en el espacio exterior, si es más baja no alcanza a llegar y es absorbido por la tierra. Si el alzheimmer no me traiciona, creo que la frecuencia óptima está en la banda de '40 metros', esto es alrededor de los 7.5 Mhz

El problema es que la frecuencia de los sonidos que somos capaces de escuchar es muchísimo mas baja (entre 20 Hz y 18 Khz en las personas excepcionalmente finas de oido), así que, si convertimos directamente las ondas de sonido a eléctricas estas serán de una frecuencia tan baja que solo podrán transmitirse por cable.

La solución para transmitir sonidos por el aire a través de grandes distancias, la encontró Marconi (si no me equivoco): consistía en enviar una señal de frecuencia lo suficientemente alta para que pudiese irradiarse, pero modificandola de manera proporcional a las variaciones del sonido que queremos enviar. La frecuencia alta se llama 'portadora' y la baja 'modulación'. Hablando toscamente podríamos decir que la señal de sonido se 'monta' encima de una señal portadora,,que es la que la traslada a través del espacio.

Hay distintas cosas que podemos modificar en una portadora y por ello distintos métodos de modulación: de amplitud (AM), de frecuencia (FM), de fase (PM) etc.. Veamos la modulación de amplitud, que es la primera que se usó y la más fácil de explicar gráficamente. Pero antes un pequeño entremés:

La naturaleza del sonido

Los sonidos son variaciones de presión del aire y existen sonidos puros y compuestos. Los sonidos puros se forman con una sola frecuencia (como por ejemplo el beep de un computador, algunas bocinas de auto, etc.) y son muy raros en la naturaleza. La mayoría de los sonidos 'reales' se componen de miles de frecuencias distintas emitidas al mismo tiempo, eso es lo que nos permite distinguir a un sonido natural, rico en resonancias de uno artificial, con muchos menos componentes. Así los sonidos naturales como nuestra voz, la música, el ruido, etc. no se componen de una sola frecuencia sino que de una 'banda de frecuencias' con muchas fundamentales y otras armónicas que se producen por rebotes y resonancias de las primeras.

Volvemos a la modulación

Luego de esta aclaración partiremos, para simplificar, con el ejemplo de la trasmision de un tono puro, por ejemplo un 'pito' de 300 Hertz. Para ello usaremos una portadora de 7.5 Mhz, noten la gran diferencia entre ambas frecuencias 300 versus 7500000, esto evita además que se confunda la información con la señal portadora.

Para modular en amplitud mezclamos ambas frecuencias en un dispositivo electrónico no lineal, típicamente un transistor como muestra la figura:

La señal AM del dibujo es exactamente lo que veríamos si ponemos un osciloscopio a la salida del modulador, o sea, intuitivamente podemos pensar que la amplitud de la portadora varía con la misma forma de la 'envolvente' que la modula.

Pero la cosa no podía ser tan sencilla, como los matemáticos nacieron para amargarle la vida al estudiante, en este caso un señor de apellido Lapalce (creo) fundamentó mucho antes que se soñara con la existencia de la radio, que la resultante no era una sola frecuencia sino tres distintas: la original de 7500000 Hz, la lateral superior de 7500000+300 y la lateral inferior de 7500000-300. Entre otras cosas don Laplace describió un método general donde demostraba que cualquieer forma de onda puede también describirse como una serie de ondas sinusoidales puras. La 'Transformada de Laplace' es el método matemático para encontrar esta equivalencia y es lo suficientemente sencillo como para que sea fácil de programar (uno de mis primeros programas calculaba algunas transformaciones de esas)

En la vida real se transmiten sonidos naturales que como vimos antes consisten en miles de frecuencias simultáneas distintas en tono y amplitud, esto complica un poco el panorama en el sentido que la resultante modulada ya no está compuesta solo de tres frecuencias sino de la portadora y dos 'bandas' de frecuencias: la cantidad de estas frecuencias es inmensa pero se toma solo un rango hasta donde las amplitudes son significativas, el resto se desprecian (puaj)

El Superheterodino

Todo este cuento, y este largo preámbulo es para llegar a lo que yo considero la maravilla de las maravillas en los inventos electrónicos: el superheterodino. Este extraño (y ridículo) nombre corresponde a un invento de los años 20 que es la base de todo sistema de comunicación conocido. Las radios, televisores, radares, ecosondas, transmisiones satelitales, teléfonos celulares GPSs, telemetría electrónica y todo lo que yo conozca que transmite por medios inhalámbricos usan este ingenioso sistema. Lo raro es que con toda su importancia nunca he sabido quien fue el inventor, y eso que me conozco bastante bien la historia de la electrónica y los ingenieros nunca han sido ajenos a la vanidad: Marconi, Tesla, Shannon, Lee de Forest, Shokley, Darlington, Gabor y tantos otros fueron insignes vanidosos y pelearon hasta el fin de sus dias por la fama. El inventor del superheterodino en cambio, permanece en la más completa oscuridad.

Una radio a galena

La radio a galena que (en mis tiempos al menos) todos armamos alguna vez tenía cuatro elementos:

Los primeros receptores de radio eran simplemente una extensión del concepto de la radio a galena, solo que agregaban muchos amplificadores para aumentar las señales. Si vamos a recibir una sola frecuencia fija este esquema es aceptable porque sintonizamos nuestro filtro a una banda muy angosta, apenas lo suficiente para la frecuencia portadora y sus bandas laterales, con lo que se logrará una recepción nítida y sin interferencias.

Algo sobre filtros

Un filtro electronico deja pasar solo algunas frecuencias y rechaza las demas, en su version clasica se trata de una bobina conectada con un condensador (existen filtros mucho mas sofisticados, claro). El filtro tiene la característica de oponer la mínima 'resistencia' (el término correcto en corriente alterna es impedancia)a la frecuencia a que están ´sintonizados'. Los filtros tienen dos caracteristicas contrapuestas, ganancia (cuanto pueden 'amplificar' la señal) y ancho de banda (el rango de frecuencias mayor que dejan pasar). Mientras menos ancho de banda, son más selectivos y tienen más ganancia. Y viceversa. Noten que a veces uso palabras que no son muy correctas técnicamente pero hacen más fácil la comprensión intuitiva de a idea.

Así tenemos filtros con gran ancho de banda y poca ganancia, y filtros de banda muy estrecha y mucha ganancia. Recuerden que 'Banda' es la cantidad de frecuencias distintas que deja pasar el filtro.

El problema del receptor a galena

En los receptores antiguos surgía el problema de que, como había que captar diferentes estaciones, el ancho de banda de los filtros se agrandaba demasiado, por ello había que pooner muchas etapas amplificadoras en serie. or otra parte, la frecuencia recibida en el receptor era muy adecuada para transmitirse por el aire, pero representaba un gran problema mantenerla por los cables del receptor, sin que irradiara, esos dos problemas fueron solucionados por el ingenioso esquema del superheterodino. Pero antes un entremés sobre como funcionan los amplificadores

Que es un amplificador

Es mas o menos fácil imaginar que hace un amplificador (toma una señal pequeña y la amplifica), pero ¿como lo hace?. El principio es el siguiente: supongamos que tenemos una señal alterna con 1 volt de amplitud, como nada es gratis en la naturaleza tenemos que alimentar al amplificador con una corriente continua de, digamos, 100 volts, si conseguimos por algún medio hacer que esa corriente continua varíe de la misma manera que nuestra pequeña señal de entrada, tendremos el resultado que esperábamos, una señal de la misma forma que la entrada pero mucho mas grande. Así el principio de un amplificador consiste en controlar un voltaje continuo relativamente alto por medio de una señal alterna relativamente pequeña. Los tubos de vacío (antes) y los transistores (ahora) son los dispositivos prácticos que se usan para amplificar señañes

Volvamos al superheterodino.

como veíamos antes los primeros receptores (se llamaban 'regenerativos') necesitaban un gran blindaje para que no escapara la señal y muchas etapas amplificadoreas en serie. A alguien bastante inteligente se le ocurrió que la solución del problema sería:

¿Como lograr tanta maravilla?. La solución fué también extremadamente ingeniosa. Usando el mismo fenómeno que se produce al modular una señal, a la señal que llegaba al receptor se mezclaba con una frecuencia que tenía exactamente (en el caso de la AM) 455 Khz mas que la que se deseaba recibir. O sea, si la portadora que deseo recibir es una señal de 950 Khz la mezclo con otra señal de 950+455 = 1505 Khz. De esta mezcla entre la señal recibida (modulada) y la inyectada (sin modular) se obtienen tres señales: 950Khz, 1505Khz y, la más importante 455Khz que conserva la misma modulacion que la señal original de 950Khz. Esta frecuencia intermedia se amplifica, ahora de manera eficiente y sin irradiacion y finalmente se recorta por la mitad (se 'detecta') para recuperar la señal original como muestra la figura.

Cosas de la electronica.... bueno...en fin...¿no?