Cómo emplear transformadores de alimentación para modulación
 (2004-11-14) (última actualización 2011-03-18)

Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
 www.solred.com.ar/lu6etj
SOLVEGJ Comunicaciones

Realmente este es un artículo que debería haber escrito hace treinta años, pero hace treinta años estábamos más interesados en equipos de BLU, repetidoras de VHF, autopatches, etc. Poco después el packet radio y las aplicaciones de la TRS-80 o una Sinclair 1000 o 2068 a la radio atrapaban nuestra atención. Viendo que a los nuevos entusiastas se les presentan los viejos problemas es hora de atender a esas cuestiones...

Este escrito lo dedico a un radioaficionado me enseñó a serlo en mis comienzos, recurrí a él para que me solucionara el problema que tenía en la etapa de salida; me escuchó atentamente y respondió: - Tu problema está en el Pi, ahora andá y estudiá como funciona el Pi...- Yo esperaba que me diera la solución servida pero en cambio me señaló el camino... fue don José Silvestri, LU2AKE...

Es posible emplear transformadores fabricados para fuentes de alimentación de baja tensión como transformadores de modulación cuando se utilizan amplificadores de audio transistorizados como moduladores de alto nivel de etapas de salida de RF valvulares convencionales.
La impedancia de carga normal para la cual se diseñan los amplificadores de audiofrecuencia comunes suele ser 8 ohms. La impedancia de entrada de una etapa de salida de RF en equipos comunes de radioaficionados a válvulas es habitualmente de algunos miles de ohms. El transformador de modulación deberá, entonces ser capaz de adaptar estos valores para poder acoplar estas unidades.

Actualmente es impensable la idea de dirigirse a algún comercio de electrónica del ramo y solicitar "Un trafo de modulación para un equipo de AM..." el dependiente del negocio probablemente no tendrá ni la menor idea de qué le estamos hablando, por lo tanto se nos presenta una excelente oportunidad de ejercer nuestra verdadera naturaleza como Radioaficionados resolviendo nosotros mismos el problema. Lindo sería proyectar el transformador, realizar sus bobinas, armarlo, testearlo en el Radio Club con algunos instrumentos ante la mirada de admiración de los Novicios/Aspirantes y la atenta observación de nuestros "mayores" en el hobby, para luego si, salir al aire con él. Quizás en estos tiempos sea una expectativa algo romántica (que no descarto).
Para los más ansiosos una alternativa rápida podría ser adquirir un transformador de modulación que aún no se enteró que lo es (y tampoco el vendedor, con lo cual nos costará más barato).

Afortunadamente el rango de impedancias necesario para adaptar los moduladores transistorizados a las etapas de RF valvulares se aproximan bien al rango de relaciones de espiras de los transformadores de alimentación estándar de 220 V a 18; 15; 12; 9 o 6 V en los trasmisores para el Servicio de Radioaficionados.

Parámetros importantes del transformador de modulación

Primero aclararemos que cuando nos referimos al transformador como transformador de modulación, denominaremos "secundario" al devanado que se conecta a la etapa de RF (el que tiene más impedancia y mayor número de espiras) y "primario" al que conectaremos al amplificador de audio, al contrario que su nomenclatura habitual como transformador de poder en que el bobinado primario es el de más espiras y el que se conecta a la línea de 220 V.

La propiedad más importante de nuestro transformador será su capacidad para adaptar la impedancia de operación del amplificador de audio (modulador) a la impedancia de la entrada de la etapa de RF. Ello dependerá fundamentalmente de la relación de espiras entre el primario y el secundario necesaria para producir esa adaptación. Establecidas/conocidas la impedancias de trabajo del modulador y la etapa de RF, la relación de transformación quedará automáticamente determinada, por lo tanto estaremos buscando aquellos transformadores de alimentación que satisfagan esa relación.

Otro factor a tener presente es su capacidad para operar sin distorsiones inaceptables. Felizmente esta condición se satisface bastante bien con las mismas demandas que se piden de un buen transformador de poder, por lo que en general esta situación no es problema siguiendo los consejos dados a continuación.
Una consideración importante es que el secundario del transformador usualmente tendrá corriente continua circulante (la que toma la etapa de salida de RF) y esta CC producen en el núcleo una magnetización continua que normalmente no existe en un transformador de poder, de aquí que tendremos que emplear transformadores de poder diseñados para potencias superiores a las de audio pues ellos tendrán mayor sección de núcleo lo que favorecerá su desempeño en estas condiciones, sin embargo esto no es un problema porque si hubiéramos diseñado nuestro transformador habríamos arribado a un núcleo semejante.
Si deseamos una respuesta en frecuencia hasta 50 Hz deberíamos emplear un transformador para una potencia que en una fuente de poder fuera del doble de la máxima de audio; con una respuesta que corte a los 100 Hz el sobre-dimensionamiento puede ser de solamente un 50% mayor y si empleamos una respuesta que parta de los 200 Hz ¡podemos utilizarlo para una potencia de audio equivalente a la de diseño para fuentes de poder...! Estas consideraciones tienen como objeto evitar la saturación del núcleo y disminuir la distorsión en bajas frecuencias.

La reactancia inductiva del bobinado que se conecta al amplificador a la frecuencia de audio más baja de operación es de gran importancia. Esa reactancia no solamente establece un límite a la respuesta en bajas frecuencias sino que a esa frecuencia no deberá ser tan baja como para poner en peligro a la etapa moduladora. Esta condición (frecuencia de corte inferior) también debe cumplirse cuando se diseña un transformador de modulación estándar, pero usando los de poder en esa función tenemos que asegurarnos de elegir aquellos que satisfagan esa condición en su diseño original.
Los transformadores de poder usables dependerán de la frecuencia de audio más baja que queramos trasmitir, a menor exigencia en este sentido mayor variedad. Siempre que se conecte un amplificador de audio transistorizado común a un transformador de modulación hay que asegurarse que él no reproduzca frecuencias tan bajas como para que la reactancia del transformador sea tan baja a ellas que haga peligrar al amplificador. Esto significa que debemos cortar su respuesta electrónicamente con alguna clase de filtro pasaaltos. Esto es válido para cualquier transformador que empleemos, ya sea que lo hayamos proyectado especialmente como que estemos aprovechando uno de poder. A medida que bajamos la frecuencia más allá de la frecuencia de corte inferior, más proporción de potencia dejará se transferirse al secundario y será derivada a masa en esta reactancia.

Es fácil conocer la reactancia aproximada del bobinado de baja tensión (y de allí la inductancia) del transformador a una frecuencia de audio baja; basta con aplicarle una tensión alterna de 50 Hz proveniente de otro similar, por ejemplo conectando al bobinado de 12 V del que se desea medir la salida de otro de igual tensión y midiendo la corriente que circula, luego la reactancia (en realidad impedancia) será Tensión aplicada [V]/Corriente medida [A].

Hay que tener cuidado con la inductancia medida con instrumentos porque ella depende mucho de el punto de trabajo y de las condiciones de operación del transformador (curva de magnetización), por ejemplo, la inductancia medida con el inductómetro de un tester digital común marca TES modelo 2360, indicaba aproximadamente 8 mH (una reactancia de 2,5 ohms) que consideraríamos más bien baja para nuestro propósito, mientras que con el procedimiento indicado, aplicándole 12 VCA al bobinado, se verificó una corriente de 0,5 A, que representa una reactancia de 24 ohms (L=76 mH), más que adecuada para el fin (siendo ella mayor todavía aplicando una tensión algo menor que 12 V para la medición).
La diferencia tan marcada de valores se debe en que la pequeñísima tensión de excitación que aplica el tester para realizar la medición apenas excita al núcleo en una región de baja permeabilidad.

Ejemplo:

Se desea modular en alto nivel una etapa de RF alimentada con una tensión de placa Ep = 550 V a una corriente de placa Ip = 200 mA lo cual representa una potencia de entrada de unos 110 W. En estas condiciones la podemos averiguar resistencia de entrada de la etapa de RF que será:

            Ep     550 V
  Rin =  ---- = ------ = 2.750 Ohms
            Ip      0,2 A

Entonces el transformador de modulación deberá ser capaz de adaptar los 2750 Ohm de impedancia de entrada de la etapa de RF salida a los 8 Ohm nominales del modulador transistorizado. La relación de impedancias necesaria la conocemos haciendo dividiendo la impedancia de carga de placa por la que precisa el modulador:

 Zs      2750 Ohm
---- = ----------- =  343,75
 Zp         8 Ohm

Conociendo esta la relación de impedancias, sabemos por la teoría básica de los transformadores (que suponemos conocida por el lector) que la relación de espiras del transformador será:

Tendremos que buscar un transformador que satisfaga aproximadamente esta relación. Sabiendo que los transformadores comunes se diseñan para 220 V, bastará con dividir esta tensión por la relación de espiras recién obtenida para hallar que tensión de secundario la satisface:

        220 V
Es = ------ = 11,87V
       18,54

Un valor bien próximo al de un transformador de alimentación estándar de 220 V a 12 V... y podremos emplearlo sin inconvenientes.

No precisa realizar cálculos para averiguar cuál transformador puede servir porque están en las tablas adjuntas. Para emplearla solamente precisa los siguientes datos:

  1. Elegir la tabla que corresponda a la resistencia de carga del amplificador de audio (en amarillo en su título)
  2. Se busca sobre la columna celeste de la izquierda de la tabla el renglón que coincida con el valor de tensión de placa empleada.
  3. Se recorre horizontalmente este renglón hacia la derecha hasta encontrar un casillero amarillo con la corriente de placa Ip más cercana al valor de trabajo de la etapa de RF.
  4. Recorriendo esa misma columna hasta arriba encontraremos calculado el valor de impedancia de placa Zs correspondiente escrito en rojo e inmediatamente encima de él hallaremos el valor de tensión secundaria del transformador alimentación que más se aproxima a nuestro requerimiento en color verde.
  5. La tabla indica también el valor de potencia de entrada a la etapa de RF para verificación (Pin) y la corriente en el primario (I) de nuestro transformador de modulación.
              Tabla para amplificadores de 8 Ohm y equipos de válvulas          
Trafo de  => 18 V       15 V       12 V       9 V       8 V       6 V    
Zs =>   1195  [Ohm]     1720 [Ohm]     2690 [Ohm]     4780 [Ohm]     6050 [Ohm]     10755 [Ohm]  
Ep [V]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]
250   209 52 2.9   145 36 2.4   93 23 1.9   52 13 1.5   41 10 1.3   23 6 1.0
300   251 75 4.2   174 52 3.5   112 33 2.8   63 19 2.1   50 15 1.9   28 8 1.4
350   293 103 5.7   203 71 4.7   130 46 3.8   73 26 2.8   58 20 2.5   33 11 1.9
400   335 134 7.4   233 93 6.2   149 59 5.0   84 33 3.7   66 26 3.3   37 15 2.5
450   377 169 9.4   262 118 7.8   167 75 6.3   94 42 4.7   74 33 4.2   42 19 3.1
500   418 209 11.6   291 145 9.7   186 93 7.7   105 52 5.8   83 41 5.2   46 23 3.9
550   460 253 14.1   320 176 11.7   204 112 9.4   115 63 7.0   91 50 6.3   51 28 4.7
600   502 301 16.7   349 209 14.0   223 134 11.2   126 75 8.4   99 60 7.4   56 33 5.6
650   544 354 19.6   378 246 16.4   242 157 13.1   136 88 9.8   107 70 8.7   60 39 6.5
700   586 410 22.8   407 285 19.0   260 182 15.2   146 103 11.4   116 81 10.1   65 46 7.6
750   628 471 26.2   436 327 21.8   279 209 17.4   157 118 13.1   124 93 11.6   70 52 8.7
800   669 536 29.8   465 372 24.8   297 238 19.8   167 134 14.9   132 106 13.2   74 60 9.9
850   711 605 33.6   494 420 28.0   316 269 22.4   178 151 16.8   140 119 14.9   79 67 11.2
900   753 678 37.7   523 471 31.4   335 301 25.1   188 169 18.8   149 134 16.7   84 75 12.6

 

              Tabla para amplificadores de 4 Ohm y equipos de válvulas          
Trafo de  => 18 V       15 V       12 V       9 V       8 V       6 V    
Zs ->   597 [Ohm]     860 [Ohm]     1344 [Ohm]     2390 [Ohm]     3025 [Ohm]     5377 [Ohm]  
Ep [V]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]   Ip [mA] Pin [W] I [A]
250   419 105 5.8   291 73 4.8   186 47 3.9   105 26 2.9   83 21 2.6   46 12 1.9
300   503 151 8.4   349 105 7.0   223 67 5.6   126 38 4.2   99 30 3.7   56 17 2.8
350   586 205 11.4   407 142 9.5   260 91 7.6   146 51 5.7   116 40 5.1   65 23 3.8
400   670 268 14.9   465 186 12.4   298 119 9.9   167 67 7.4   132 53 6.6   74 30 5.0
450   754 339 18.8   523 235 15.7   335 151 12.6   188 85 9.4   149 67 8.4   84 38 6.3
500   838 419 23.3   581 291 19.4   372 186 15.5   209 105 11.6   165 83 10.3   93 46 7.7
550   921 507 28.2   640 352 23.4   409 225 18.8   230 127 14.1   182 100 12.5   102 56 9.4
600   1005 603 33.5   698 419 27.9   446 268 22.3   251 151 16.7   198 119 14.9   112 67 11.2
650   1089 708 39.3   756 491 32.8   484 314 26.2   272 177 19.6   215 140 17.5   121 79 13.1
700   1173 821 45.6   814 570 38.0   521 365 30.4   293 205 22.8   231 162 20.2   130 91 15.2
750   1256 942 52.3   872 654 43.6   558 419 34.9   314 235 26.2   248 186 23.2   139 105 17.4
800   1340 1072 59.6   930 744 49.6   595 476 39.7   335 268 29.8   264 212 26.4   149 119 19.8
850   1424 1210 67.2   988 840 56.0   632 538 44.8   356 302 33.6   281 239 29.9   158 134 22.4
900   1508 1357 75.4   1047 942 62.8   670 603 50.2   377 339 37.7   298 268 33.5   167 151 25.1

Potencia y corriente secundaria necesaria del transformador

Dada una potencia de entrada de la etapa de RF habrá una potencia que deberá ser capaz de suministrar el modulador para lograr una modulación del 100 %. Cuando se modula en placa-pantalla esa potencia normalmente será aproximadamente la mitad de la potencia de entrada de RF (55 W en nuestro ejemplo), pero si calculáramos la potencia del transformador sobre la base esa potencia no estaríamos considerando el efecto sobre el núcleo que produce la corriente continua circulante sobre el secundario que alimenta la placa de las válvulas de salida y que tiende a saturarlo; eso sucede porque el transformador de alimentación no fue diseñado considerando CC sobre sus bobinados..

Por esa razón emplearemos un transformador para potencia mayor, por ejemplo el doble (es decir igual a la de entrada de la etapa de RF). En nuestro ejemplo 110 W. Para averiguar a qué corriente del bobinado de baja tensión corresponde, basta hacer:

I = 110 W / 12 V =  9, 16 A

Elegimos un transformador de 12 V 10 A o más. Ese valor también ya está calculado en la tabla y destacado con fondo rojo en la columna marcada Is (Intensidad del secundario, considerando como secundario al original del transformador de alimentación).

Para bajar la distorsión debida a alinealidades del núcleo puede elegirse un transformador diseñado para una potencia superior (mayor corriente del secundario) lo cual asegura por un lado la respuesta en bajas frecuencias aunque con alguna merma en su respuesta en alta frecuencia, un 50% mayor otorga algún margen de seguridad respecto de la "economía de los fabricantes" y vale la pena considerarlo.

Como regla general convendrá elegir una potencia del doble de la de modulación necesaria para respuesta desde 50 Hz, de un 50% más para respuesta por encima de los 100 Hz y similar a la de modulación con frecuencias de corte inferior superiores a los 200 Hz.

Utilizar amplificadores para 4 Ohm

Antes de explicarlo conviene comentar un error de concepto frecuente: un amplificador de audio de potencia común, moderno, no tiene una impedancia de salida de 8 ohms sino que se diseña para ser conectado a una impedancia de carga de 8 Ohm, que no es lo mismo. La impedancia de salida de un amplificador moderno es normalmente mucho menor que los 8 ohms nominales. Un amplificador de cierta potencia diseñado para una carga de 8 Ohm puede no ser capaz entregar más potencia que cierto valor sobre esa carga debido a la limitación impuesta por su tensión de alimentación, pero si se lo carga con 4 ohms, fácilmente podrá entregar el doble de potencia y con una carga de 2 Ohm el cuádruple, si la fuente lo permite. En tales condiciones el amplificador puede exceder su capacidad de corriente o de disipación de potencia en su resistencia  interna y destruirse. (Lo mismo puede decirse de los equipos de RF radio, no suelen tener 50 ohms de impedancia de salida sino que se los debe cargar con 50 ohms para que funcionen de acuerdo a los parámetros de fabricación). No debe perderse de vista la posibilidad de que se presente alguna inestabilidad en los más ordinarios.

Si se emplean amplificadores diseñados para trabajar con cargas de 4 Ohm, será logrará una mejor respuesta en bajas frecuencias porque la reactancia inductiva del primario del transformador (que ya quedó establecida por su fabricación como trafo de poder), influirá aún menos si la impedancia de salida del amplificador es menor. También proveemos una tabla para emplear con amplificadores de 4 ohms.

Por lo general no habrá ningún problema en emplear un amplificador diseñado para 8 ohms con una carga de 4 ohms, si nos cuidamos de no exceder su potencia de diseño (ya que sobre 4 ohms fácilmente podemos solicitarle el doble, sin que la tensión de fuente limite la potencia máxima (lo que normalmente oficia como "seguro de sobrecarga"). En este caso hay que asegurarse de que el amplificador opere con comodidad a la potencia de modulación y de no excederla, ya sea por una demanda mayor o por una respuesta en baja frecuencia excesiva (recuerde que la reactancia del primario tiende a cero a medida que la frecuencia baja ¡y cero es un cortocircuito...!

Ventajas y limitaciones de la propuesta

Para los usos y costumbres corrientes en una estación de aficionado estos transformadores funcionarán muy bien con una respuesta en baja frecuencia que alcanzará cómodamente los 50 Hz superando ampliamente, en alta frecuencia, los requerimientos vocales de la telefonía. Un transformador de modulación especialmente diseñado, incluiría refinamientos tales como una muy buena chapa de grano orientado, devanados partidos para minimizar la inductancia de dispersión, entrehierro para disminuir la distorsión armónica y por intermodulación, etc. pero en la práctica pocos transformadores de aficionados se han construido con todos estos detalles.

La ventaja de poner en el el aire fácilmente un equipo normal de AM o modular en placa-pantalla la salida de un  BLU valvular existente para un lograr "AM de pura sangre" no es nada despreciable.

IMPORTANTE: Los transformadores deben poseer buena aislación entre primario y secundario y entre secundario y masa si se emplean con tensiones elevadas de alimentación de la etapa de RF. En general no parece haber problemas con las habituales utilizadas en equipos de aficionados corrientes que raramente superan los 800 V por el empleo frecuente hoy en día de buenos carreteles de plástico en los bobinados (tenga en cuenta que en los picos de modulación la tensión sobre el extremo de alta tensión del transformador aplicada a la etapa de RF duplica su valor de reposo)

Literatura consultada:

Apuntes de la materia "Tecnología de los materiales", publicados por el Centro de Estudiantes de la Universidad Tecnológica Nacional, año 1970

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