Puente Generador de Ruido HF de 1.8 a 30 MHz

ATENCIÓN:

ESTE INSTRUMENTO DEBE DE SER USADO SOLO EN RECEPCIÓN

El puente de ruido es un buen instrumento que les servirá para poder calibrar la antena a máxima irradiación. Va conectado entre el transceptor y la antena.
La frecuencia de trabajo es entre 1.8 y 30 MHz en AM.
Se deberá de colocar un receptor (en Recep.), preferentemente de banda corrida y ajustando la resistencia variable de 250 ohms y el condensador variable de 365 pF, se podrá saber la impedancia que hay en la antena (Z Desconocida.)
Prenda el receptor, tendrá un ruido que es generado por el diodo zener, mueva el condensador variable y la resistencia variable, hasta tener un sonido blanco (batido cero), ahí podrá tener la resistencia inductiva y capacitancia de la antena.
También podrá poner el condensador variable a 0pF y la resistencia variable a 52 ohms, y mover el dial del receptor, de esta manera podrá ver en que frecuencia exacta esta resonando la antena.
En el primer caso puede ver resistencia y capacitancia, en el segundo caso puede ver la resonancia de la antena.

¿Cuantas veces los aficionados, enfrentados al problema de la creación y de la puesta a punto de un tipo particular de antena, habrán deseado conocer su impedancia exacta y sus componentes reactiva y capacitiva?

El puente con generador de ruido es uno de los aparatos que permiten esos resultados, acá se describe las características siguientes:

1- Medida de los componentes resistiva y reactiva de la carga con una precisión media de 3 ohm.

2- Medida de equivalencia de las impedancias complejas en cualquier punto de un círculo de ROS/1 en un diagrama de Smith para Zo = 50 ohm.

3- Calibrado correcto entre 1.8 y 30 MHz sin recurrir a aparatos de medida de laboratorio.

4- Precio del costo muy modesto para un aparato de calidad, perfectamente reproducible si se sigue las instrucciones y consejos de la realización que se dan en las líneas siguientes.

Diagrama esquematizado del aparato que se compone de 5 elementos:

1- El generador de ruido

2- La impedancia de referencia

3- El puente de medida

4- La impedancia a medir

5- El receptor decamétrico en AM

DIAGRAMA EN BLOQUES 

Este es el esquema del puente propiamente dicho, es el elemento maestro más critico del aparato cuyo funcionamiento puede explicarse como sigue:

La señal de ruido, de banda ancha, es inyectada en las dos ramas al mismo nivel, por intermedio de un transformador tórico T-50-2, la impedancia a medir se une a Rx, y la salida al (receptor) se conecta la antena del receptor en ANT, puesto en la frecuencia en la que deben hacerse las medidas.

Rp y Cp se ajusta para el mínimo ruido o el (nulo) más perfecto, controlado por el oído o por el S-metro. Los dos reglajes son mas o menos afectado mutuamente; por ello se realizará el (nulo) óptimo procediendo por sucesivos retoques.

Obtenido este resultado, la impedancia desconocida en Rx es igual a la representada por la combinación en paralelo de Rp - Cp. Para apreciar los valores positivos y negativos, la posición (0) corresponde al medio recorrido de la aplicación de las láminas, y en el retorno de la rama Rx hay un condensador fijo Cf cuya capacidad es igual la la mitad de Cp/2, o sea el valor de la capacidad con la láminas a media aplicación, Con una resistencia pura en Rx, el puente está equilibrado cuando Rp = Rx. Del mismo modo se puede medir la capacidad exacta por el instrumento.

La ventajas más evidentes del sistema en puente son:

• Frecuencia de medida conocida con precisión (la del receptor).
• Abandono del sistema de inductancia variable difícil de realizar, pero posibilidad de medir las reactancia inductiva.
• Muy débil amplitud de la señal de ruido, a causa de la gran sensibilidad del receptor.

Pero no le falta inconvenientes:

• No hay lectura directa (en ohmios) porque el parámetro es en función de la frecuencia.
• Rp y Cp están en paralelo, y son los parámetros en series los más útiles.
• Necesidad de un valor grande de Cp para ciertas medidas de baja reactancia en frecuencia bajas. Estas apreciaciones negativas no son insuperables, en especial las dos primeras, pues siempre se puede calcular Rp y Cp. La última también se puede resolver mediante una astucia en el cálculo, sobre la que volveremos.

Este puente se ha realizado con 4 arrollamiento, totalmente inoperante, se une a masa por un extremo y queda flotante por el otro. En máximo rigor, éste último debería cerrase  sobre una impedancia idéntica a la del último transistor del amplificador de ruido, pero se puede silenciar esta mejora.

El puente queda protegido de todo acoplamiento parásito por una pantalla metálica dispuesta entre el amplificador y el transformador toroidal, pero los acoplamientos de HF por la masa son difíciles de descubrir y su influencia difícil de prever: El chasis del montaje pertenece al circuito del secundario, al que esta unido mecánicamente, pero trantándose de alta frecuencia, pueden inducirse corriente directa al primario, y en este caso, el acoplamiento primario al secundario por la platina es causa de asimetria. Por ello y como conclusión sobre este punto diremos que es necesario cuidar la puesta a masa del amplificador y del puente de medida para alcanzar la mayor precisión posible.

Pero, incluso si se respeta todas las precauciones, pueden observarse todavía algunas causas asimetría.

ESQUEMA PUENTE DE RUIDO

CONSTRUCCIÓN

Tiene una disposición en una caja de 130 x 60 x 60 mm asociada a dos enchufes normalizados SO-239. El condensador de referencia  Cp es de un modelo en miniatura de aire de 365 pF y el potenciómetro Rp es de uno lineal de pista de carbón de buena calidad y de muy pequeña inductancia. Los compartimientos de disponen de tal modo que la batería de alimentación de 9 V, el amplificador y el interruptor de encendido estén aislados del circuito crítico del puente. 

El tabique de cobre sirve de pantalla, queda fijado de tal manera que dentro de este compartimiento se encuentran los dos SO-239, el toroide T-50-2, el potenciómetro Cp, el condensador fijo Cf y el condensador móvil Cp, según se puede apreciar en la figura anterior.

El el toroide se bobinan 14 vueltas con cuatro hilos de cobre esmaltado de 35/100 mm, todas las conexiones deben ser cortas, excepción del primario que se une al colector del último paso del amplificador, la cual pasa a través de un orificio practicado en la pantalla y a la misma altura del transistor.

Como ya hemos dicho, los punto de masa son críticos, todos los punto de masa se lleva a la lámina móvil del condensador Cp, de allí se llevará un cable aislado que pasará por el mismo agujero que se uso para para el hilo esmaltado y éste se conectará a masa del amplificador. 

Esta es la disposición compacta a adoptar para una mejor simetría.

En esta figura me falta colocar el tabique que hace de pantalla, separa la plaqueta amplificadora de ruido de la izquierda y el potenciómetro de color azul con el puente generador de ruido. 

Se ve abajo una tapa realizada de metal y el cable negro que toma la masa de la placa de cobre, la caja del exterior es de plástico rezagos de una vieja impresora.

  

En cuanto a la parte generadora y amplificadora de ruido, no precisa instrucciones complementarias. Comprende de un integrado NE555 que genera 1000 Hz, la fuente de ruido en el diodo zener de 6.8 V, usted puede probar con otros valores de zener, y dos paso en cascada del 2N2222 montado en emisor y convenientemente desacoplados para una perfecta estabilidad, presentando el conjunto un ancho de banda pasante, con una carga de colector de 680 ohm en el segundo paso, siendo suministrado la alimentación por una batería de 9V.

CIRCUITO

PCB

DIAGRAMA DE LOS COMPONENTES EN LA PCB

PUESTA A PUNTO

La primera prueba se efectuará uniendo el borne del receptor a la salida del (receptor) del aparato y dejando en el aire el borne Antena (Rx). En seguida se pone de manifiesto un pitido enérgico, sensiblemente uniforme entre los 1.8 y 30 MHz, en 10 metros, suele ser superior a S-9.

Como la rama última del puente está abierta, no puede haber equilibrio y, por consiguiente, no debe manifestarse ningún nulo.

Se puede observar algunas variaciones de nivel haciendo girar de derecha e izquierda los ejes de mando de Rp y Cp. Si no fuera así, convendría revisar el diodo zener, la resistencia en serie o el propio amplificador, es conveniente y aconsejable el uso de un osciloscopio.

 La segunda manipulación consiste en insertar en Antena (Rx) una resistencia de carbón de 100 ohm no inductiva de hilo lo mas corto posible. Poniendo el receptor en 80 ó 10 metros aprox., debe obtenerse un nulo absoluto por sucesivos retoques de Rp y Cp, Se observara que en Rp está en 100/250 = 40% de la curva del potenciómetro y que Cp se sitúa sensiblemente en la mitad de su recorrido, este es el cero en CP y debe marcarlo en el cuadrante.

Empiece a colocar distintas resistencia no inductiva en Antena (Rx) de carbón de 50, 100, 150, 200 y 250 ohm, mientras mueve el potenciómetro buscando en nulo, en Cp solo hará un pequeño retoque, deberá  ir marcando en el cuadrante de Rp estos valores según la figura abajo del aparato terminado, si usted quiere puede dividir entre estos números en segmentos de 10 ohm.

Del mismo modo, para calibrar Cp se puede uno ayudar empleando condensadores de buena calidad y precisión (mica). Colocando una única resistencia no inductiva de 100 ohm en Rx, el receptor en 80 o en 10 metros, e ir colocando los capacitores uno a uno en paralelo de valores 50, 100, 150 y 180 pF, buscado los nulos correspondiente girando solo Cp, en Rp solo hará un pequeño retoque, e ir anotando en el cuadrante, esta anotación corresponderá a la reactancia capacitiva sector "C", o sea a partir de 0 hacia la izquierda anti-horario. Usted puede subdividir la escala en 10 pF.

Para concluir con este resultado hace falta ahora suprimir provisionalmente el condensador Cf fijo-patrón, de 180 pF, del puente de medida, debe mantener la resistencia de 100 ohm en Rx, e ir colocando en paralelo condensadores de los siguientes valores: 150, 125 100, 75, 50, 25 y 10 pF, con cada uno de ellos ir buscando el nulo de ruido, ira marcando en el cuadrante el valor, pero esta vez usted vera que el resultado a partir del "0" pero hacia la derecha en sentido horario, correspondiente a la reactancia inductiva sector "L", deberá quedar mas o menos se muestra en la figura arriba.

UTILIZACIÓN

Conectados el receptor, la antena y accionando el interruptor del aparato, se recibirá en toda la banda un pitido o ruido de un nivel S-9, que cubre positivamente todas las señales recibidas. Se sintonizará el receptor para obtener el ruido mas débil o la menor lectora en el S-meter. Nos encontramos en la frecuencia de resonancia. Por ajuste del Cp y Rp se tratará de anular o reducir este ruido. La regulación del receptor y la posición de Rp y Cp, nos dará en lectura directa la frecuencia de resonancia de la antena su impedancia y su reactancia tanto capacitiva como inductiva. esta es la primera manipulación para familiarizarse con el aparato. En efecto, una antena es un circuito resonante. Su impedancia es mínima en la frecuencia de resonancia y aumenta rápidamente a uno y otro lado, como la figura abajo.

Será fácil deducir de esta medida en que sentido se debe modificar la longitud de la antena y su adaptación para llevarla a una frecuencia de resonancia dada y hacer que se presente una impedancia del mismo valor que la del cable que alimenta a la antena, condición con la que la proporción de ondas estacionarias se reducirá al mínimo. Procediendo del mismo modo se podrá determinar con precisión las longitudes eléctricas de cable coaxial cuyo coeficiente de velocidad no se conoce con certeza.
A continuación indicamos como ha de proceder con el impedancímetro con generador de ruido utilizando un receptor decamétrico de todas las bandas.

1. Tomar una longitud cualquiera del cable coaxial a definir (mínimo 3,5 metros, máximo 60 metros), proveerlo de un conector en un extremo, la cual se conectara al puente de ruido y cortocircuitar el otro extremo con una carga fantasma de 50 ohm.
2. Unir el receptor a la toma de receptor del puente.
3. Poner el potenciómetro en 50 ohm y encender el aparato generador de ruido.
4. Se recorrerá toda la gama de 1,8 a  30 MHz cubierta por el receptor y se anotarán, según la longitud del cable, la o las frecuencias que correspondan a una extinción total del ruido generado por el aparato. Si se observan varios nulos, es, evidentemente, el de frecuencia más baja el que hay que retener.

He aquí un ejemplo práctico:

Con un trozo de 25 metros de cable coaxial de 50 ohm, hemos anotado nulos en 3.900, 7.800 y 11.700 KHz, etc., que corresponde a la longitud eléctrica de 76.92 m, 38.46 m y 25,64 m etc. Siendo la semionda de la frecuencia más baja de 76.92 m / 2 = 38,46 m, el coeficiente de velocidad de este cable de 25 m / 38.46 = 0,65, valor que a partir del cual se podrá dimensionar cualquier línea de longitud crítica.

La fórmula sencilla que da el factor de velocidad será:

            F(MHz) = l (m)

K = ----------------------

                   150 

Los demás nulos, tantos más numerosos cuanto más larga sea la muestra a medir, corresponde a 2, 3, 4, etc. semiondas eléctricas.

Otro sistema de Calibración que puede tener en cuenta

Para calibrar el circuito, necesitara tres conectores para coaxial, uno con cero ohm de impedancia, cortocircuito entre masa y el vivo; otro con una resistencia de 50 ohms entre masa y el vivo; y el ultimo con una resistencia de 100 ohms.
También puede colocar una resistencia variable para calibrar la escala del aparato.
Tenga cuidado en seleccionar resistencias no inductivas para la calibración, y recuerde que según la resistencia que tenga, es la resonancia que tendrá. De todos modos, las resistencias de carbón de 1/4 watt, funcionaran bien para la calibración. Puede poner si lo desea una resistencia variable miniatura en el enchufe coaxial, a simple efectos de calibrar la escala.
Para calibrar la escala del condensador, corte un pedazo de cable coaxial RG-58M (52 ohms), de exactamente un cuarto de onda de la frecuencia de 10 MHZ y enchúfelo a la salida del instrumento, podrá calibrar la escala por medio de la frecuencia de trabajo.

Según Radio Shack, la tabla de frecuencia, para calibrar las escalas, con respecto a la capacitancia es la siguiente.

Capacitancia
C ( pF )	F ( Mhz )	C ( pF )	F ( Mhz )
10	9.798	-10	10.219
20	9.612	-20	10.459
30	9.440	-30	10.721
40	9.280	-40	11.010
50	9.130	-50	11.328
60	8.990	-60	11.679
70	8.859	-70	12.064
80	8.735	-80	12.484
90	8.618	-90	12.935
100	8.508	-100	13.407
110	8.403	-110	13.887
120	8.304	-120	14.357
130	8.209	-130	14.801
140	8.119	-140	15.211

Para ajustar la escala de la reactancia y con el cable coaxial cortado a la frecuencia, siga los siguientes pasos:

1) Póngase en la frecuencia de 10 MHz, deje potenciómetro Rp a 0 ohms y no conecte aun el cable coaxial a la salida.
2) Ajuste el condensador variable (Cp) hasta llegar al punto nulo del ruido, no ajuste la resistencia (Rp) hasta que encuentre el punto nulo.
3) Conecte el pedazo de cable coaxial ( de 52 ohms - RG-58 ) a la salida del instrumento, en la frecuencia de recepción, mueva la potenciómetro ( Rp ) hasta encontrar el punto nulo de la frecuencia.

Si el punto nulo no lo puede encontrar y ve que esta por debajo de 10 MHz, es que el cable coaxial que usted corto es demasiado corto.
Normalmente, la reactancia a 10 MHz se puede calcular de la siguiente manera ( tendrá un error de un 5% aproximadamente ):

Xi = ((R0 * (F / 10)) * (Tan((F / 40) * 2 * PI))

R0 = es las características resistivas del cable coaxial

F  = es la frecuencia en MHz. 

El resultado es Xi, que es la reactancia del cable a 10 MHz.


De esto podremos obtener la siguiente tabla.

Reactancia
Xi	F ( Mhz )	Xi	F ( Mhz )	Xi	F ( Mhz )	Xi	F ( Mhz )
10	3.318	140	8.119	-10	19.376	-140	12.861
20	4.484	150	8.217	-20	18.722	-150	12.654
30	5.262	160	8.306	-30	18.048	-160	12.473
40	5.838	170	8.387	-40	17.368	-170	12.313
50	6.286	180	8.460	-50	16.701	-180	12.172
60	6.647	190	8.527	-60	16.063	-190	12.045
70	6.943	200	8.588	-70	15.472	-200	11.932
80	7.191	210	8.645	-80	14.938	-210	11.831
90	7.404	220	8.697	-90	14.459	-220	11.739
100	7.586	230	8.746	-100	14.045	-230	11.655
110	7.747	240	8.791	-110	13.683	-240	11.579
120	7.884	250	8.832	-120	13.370	-250	11.510
130	8.009	260	8.872	-130	13.097	-260	11.446

Encuentre el Punto Nulo 

Ponga el condensador variable (Cp) al medio (0 pF), mueva lentamente la resistencia variable (Rp) hasta obtener el menor ruido en el receptor (vea el S-meter del receptor, y ajuste a menor escala). Si no encuentra el punto nulo, mueva un poco el condensador variable (Cp) y ajuste nuevamente la resistencia variable (Rp). Repita esta operación hasta encontrar el punto nulo, por ultimo usted podrá ver la reactancia y capacitancia que tiene la antena en esa frecuencia.

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Cables Coaxiles

Ante nada, deberemos tener en cuenta que los cables coaxiales deberán tener una longitud determinada, que dependerá de la banda en que estemos trabajando.

Acá tienen una tabla de los distintos cables de comunicación que hay en el mercado, y sus características más importantes.

Tabla FV - Factor de Velocidad

Cable	Impedancia	Factor de Velocidad	Atenuación en dB cada 30 mts.
RG5/U	52.5	0.659	2.9
RG5B/U	50	0.659	2.4
RG6A/U	75	0.659	2.9
RG8A/U	50	0.659	2
RG9/U	51	0.659	2
RG9B/U	50	0.659	2.1
RG10A/U	50	0.659	2
RG11A/U	75	0.66	2.3
RG12A/U	75	0.659	2.3
RG13A/U	75	0.659	2.3
RG14A/U	50	0.659	1.4
RG16/U	52	0.67	1.2
RG17A/U	50	0.659	0.8
RG18A/U	50	0.659	0.8
RG19A/U	50	0.659	0.68
RG20A/U	50	0.659	0.68
RG21A/U	50	0.659	13.0
RG29/U	53.5	0.659	4.4
RG34A/U	75	0.659	1.3
RG34B/U	75	0.66	1.4
RG35A/U	75	0.659	0.85
RG54A/U	58	0.659	3.1
RG55/U	53.5	0.659	4.8
RG55A/U	50	0.659	4.8
RG58/U	53.5	0.659	4.65
RG58C/U	50	0.659	4.9
RG59A/U	75	0.659	3.4
RG59B/U	75	0.66	3.4
RG62A/U	93	0.84	2.7
RG74A/U	50	0.659	1.5
RG83/U	35	0.66	2.8
RG213/U	50	0.66	1.9
RG218/U	50	0.66	1.0
RG220/U	50	0.66	0.7
300 ohms Paralelo	300	0.82	------------
300 ohms Tubular	300	0.80	------------

L =  es la longitud del cable que hemos calculado 

Fv = es el Factor de velocidad del cable a usar. Tenemos que tener en cuenta que usamos un cable coaxial RG-58 o RG-8, el factor de velocidad será 0.66.

Como dijimos que el cable es un cuarto de onda de la frecuencia, al resultado hay que dividirlo entre cuatro, o sea:

Lt = Lc / 4

Si queremos un cable que nos llegue asta el equipo, ya que la longitud que nos dará será muy corta, deberemos multiplicarlo por un múltiplo impar.

Vamos a suponer que tengo un cable coaxial RG-8U, y debera de llegar al equipo que está a unos 25 metros de la antena. 

El equipo y la antena deberán tener una impedancia optima en 146.5 MHz, deberemos de realizar la siguiente cuenta:

L = 300 / 146.5 = 2.04  Mts.
Lc = 2.04 * 0.66 = 1.35 Mts.
Lt = 1.35 / 4 = 0.34 Mts.

Pero como preciso unos 25 Mts aproximado, lo multiplico siempre por el múltiplo impares de la ecuación 300 / 4 = 75,  entonces usted elije 71,73, 75, 77, etc. En este caso lo multiplicamos 73 * 0.34 y nos da 24.82 Mts. es corto, lo podemos multiplicar por el múltiplo impar 75 * 0.34 y nos da 25.50 Mts, ese será el largo total del cable coaxial.