Circuitos de Rádio a Cristal e Transistor: De Detectores Básicos a Receptores AM/FM Integrados

O núcleo de um rádio a cristal consiste em uma antena, uma conexão de terra, um circuito tanque (C1 e L1), um detector de pico e fones. A antena capta sinais de transmissão (b), que viajam pelo circuito até a terra. O circuito tanque, um par LC ressonante, seleciona uma única estação do espectro; C1 é variável para permitir sintonia. Um diodo germânio retifica a radiofrequência (RF) permitindo apenas os semi-ciclos positivos passarem, produzindo o envelope RF (c). O capacitor de filtro C2 remove o componente RF restante, deixando apenas a frequência de áudio (d) que aciona os fones.

Rádios a cristal operam sem qualquer fonte de alimentação externa. Um diodo germânio é preferido sobre silício porque sua queda de tensão direta menor (~0,2 V) oferece maior sensibilidade, especialmente para sinais fracos. Se um diodo de silício for usado, o circuito ainda funcionará, embora com desempenho reduzido.

Embora o esquemático mostre fones magnéticos de 2000 Ω, um fone de ouvido cerâmico "cristal" oferece maior sensibilidade e é a escolha preferida para a maioria dos sinais. Fones magnéticos podem ser substituídos por earbuds de baixa impedância quando acoplados a um transformador de áudio apropriado.

Abaixo está uma variante mais forte que substitui o detector de cristal por um transistor. O transistor PNP germânio é polarizado para conduzir apenas durante os semi-ciclos positivos da entrada RF, atuando assim como detector com amplificação embutida. Esta configuração produz uma saída mais alta capaz de acionar fones de 2000 Ω diretamente. Um transistor NPN de silício também funcionará se o resistor de polarização de base for ajustado adequadamente.

Earbuds modernos de baixa impedância podem substituir os fones originais de 2000 Ω, desde que sejam casados com um transformador de áudio ou amplificador adequado.

O esquemático a seguir adiciona um estágio amplificador de áudio ao detector de cristal, aumentando ainda mais o volume do fone. O design original usa diodo germânio e transistor; um diodo Schottky pode substituir o diodo germânio, e um transistor de silício pode ser usado se o resistor de polarização de base for modificado conforme a tabela anexa.

Para uma perspectiva mais ampla sobre designs de rádio a cristal, rádios simples de um transistor e configurações avançadas de baixo transistor, veja os exemplos abaixo.

O rádio AM de circuito integrado (CI) consolida todos os componentes RF ativos em um único CI, com apenas alguns capacitores, indutores e resistores externos. Um capacitor variável de 370 pF sintonia a entrada RF, enquanto um capacitor de 320 pF ajusta o oscilador local 455 kHz acima da RF. A mistura ocorre no pino 15, produzindo frequências soma e diferença; um filtro cerâmico de 455 kHz seleciona a diferença desejada. A maior parte da amplificação ocorre no estágio de frequência intermediária (IF) entre os pinos 12 e 7, com um diodo no pino 7 recuperando o áudio. Controle automático de ganho (AGC) é derivado do pino 9.

A sintonia mecânica do sintonizador RF e oscilador local, como mostrado em (a), pode ser substituída por sintonia eletrônica com diodo varicap em (b). Usar um diodo varicap reduz volume de componentes; aumentar a tensão de polarização reversa diminui a capacitância, elevando a frequência de sintonia. A tensão de polarização pode ser gerada por um potenciômetro.

Uma redução adicional na contagem de peças é alcançada quando o filtro passa-banda IF é integrado ao CI, eliminando transformadores IF e filtros cerâmicos externos. A entrada RF e oscilador local ainda requerem sintonia L-C, que novamente pode ser substituída por diodos varicap se desejado.

Para recepção FM, um CI TDA7021T da NXP Wireless oferece solução de baixa contagem de peças. Transformadores IF externos são substituídos por filtros RC; o CI fornece os resistores necessários enquanto capacitores permanecem externos. O circuito de sintonia simplificado espelha a Figura 5 do datasheet da NXP, e um sintonizador mais elaborado pode ser encontrado na Figura 8. Uma versão FM estéreo inclui amplificador de áudio capaz de acionar um alto-falante.

Para hobbyistas construindo este rádio FM, o indutor de 56 nH pode ser enrolado com oito espiras de fio #22 AWG nu ou esmaltado em um mandril de 0,125 polegadas, então esticado para 0,6 polegadas. Um capacitor trimmer miniatura serve como elemento de sintonia.

O esquemático a seguir demonstra um amplificador RF de base comum (CB). Como lhe falta uma rede de polarização, opera como amplificador classe C, conduzindo por menos de 180° da forma de onda de entrada. A configuração CB oferece maior ganho de potência em altas frequências RF que um design emissor comum. Com redes π de casamento em ambas entrada e saída, o circuito alcança terminação 50 Ω e filtra harmônicas. Para padrões modernos de emissões radiadas, seções de filtragem adicionais podem ser necessárias.

Um amplificador CB de ganho ainda maior é mostrado abaixo. Com divisores de tensão 1 kΩ–4 kΩ e resistores de polarização de emissor 500 Ω, o transistor opera em classe A. A configuração alcança ganho de 38 dB a 100 MHz com largura de banda de 9 MHz.

Combinar um estágio de entrada emissor comum com um estágio de saída base comum resulta em um amplificador cascode que oferece tanto largura de banda alta quanto impedância de entrada moderada. A rede de polarização, detalhada no Capítulo 4 do texto BJT, é ilustrada abaixo.

Simulações do amplificador cascode podem ser encontradas na seção "Cascode" do capítulo BJT. Para melhor desempenho em alta frequência, use transistores RF ou micro-ondas.

Os diodos PIN formam uma rede atenuadora π. Diodos anti-série reduzem distorção harmônica comparado a um único diodo série. Uma fonte fixa de 1,25 V polariza diretamente os diodos paralelos, fornecendo corrente CC e condução RF através de suas capacitâncias de junção. Variando a tensão de controle (Vcontrol), a resistência pode ser sintonizada de 80 dB atenuação a 10 MHz (Vcontrol = 0,5 V) a 3 dB a 5 V, com resposta plana até 2 GHz.

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