Un circuito regenerativo es un circuito amplificador que emplea retroalimentación positiva (también conocida como regeneración o reacción ). [1] [2] Parte de la salida del dispositivo amplificador se aplica nuevamente a su entrada para agregarla a la señal de entrada, aumentando la amplificación. [3] Un ejemplo es el disparador Schmitt (que también se conoce como comparador regenerativo ), pero el uso más común del término es en amplificadores de RF , y especialmente en receptores regenerativos , para aumentar en gran medida la ganancia de una sola etapa amplificadora. [4] [5] [6]
El receptor regenerativo fue inventado en 1912 [7] y patentado en 1914 [8] por el ingeniero eléctrico estadounidense Edwin Armstrong cuando estudiaba en la Universidad de Columbia . [9] Fue muy utilizado entre 1915 y la Segunda Guerra Mundial . Las ventajas de los receptores regenerativos incluyen una mayor sensibilidad con requisitos de hardware modestos y una mayor selectividad porque la Q del circuito sintonizado aumentará cuando el tubo de vacío o transistor amplificador tenga su bucle de retroalimentación alrededor del circuito sintonizado (a través de un devanado "tickleer" o una derivación). en la bobina) porque introduce cierta resistencia negativa .
Debido en parte a su tendencia a irradiar interferencias al oscilar, [6] [5] : p.190 en la década de 1930, el receptor regenerativo fue reemplazado en gran medida por otros diseños de receptores TRF (por ejemplo , receptores "reflex" ) y especialmente por otro invento de Armstrong: receptores superheterodinos [10] y se considera en gran medida obsoleto. [5] : p.190 [11] La regeneración (ahora llamada retroalimentación positiva) todavía se usa ampliamente en otras áreas de la electrónica, como en osciladores , filtros activos y amplificadores bootstrap .
Armstrong también inventó en 1922 un circuito receptor que utilizaba mayores cantidades de regeneración de una manera más complicada para lograr una amplificación aún mayor, el receptor superregenerativo . [11] [5] : p.190 Nunca se usó ampliamente en el ámbito comercial general. receptores, pero debido a su pequeño número de piezas se utilizó en aplicaciones especializadas. Un uso generalizado durante la Segunda Guerra Mundial fueron los transceptores IFF , donde un único circuito sintonizado completaba todo el sistema electrónico. Todavía se utiliza en algunas aplicaciones especializadas de baja velocidad de datos, [11] como abridores de puertas de garaje , [12] dispositivos de redes inalámbricas , [11] walkie-talkies y juguetes.
La ganancia de cualquier dispositivo amplificador, como un tubo de vacío , un transistor o un amplificador operacional , se puede aumentar alimentando parte de la energía de su salida nuevamente a su entrada en fase con la señal de entrada original. Esto se llama retroalimentación positiva o regeneración . [13] [3] Debido a la gran amplificación posible con la regeneración, los receptores regenerativos a menudo utilizan solo un único elemento amplificador (tubo o transistor). [14] En un receptor regenerativo, la salida del tubo o transistor se conecta nuevamente a su propia entrada a través de un circuito sintonizado (circuito LC). [15] [16] El circuito sintonizado permite retroalimentación positiva solo en su frecuencia de resonancia . En los receptores regenerativos que utilizan un solo dispositivo activo, el mismo circuito sintonizado se acopla a la antena y también sirve para seleccionar la radiofrecuencia a recibir, normalmente mediante capacitancia variable. En el circuito regenerativo discutido aquí, el dispositivo activo también funciona como detector ; este circuito también se conoce como detector regenerativo . [16] Generalmente se proporciona un control de regeneración para ajustar la cantidad de retroalimentación (la ganancia del bucle ). Es deseable que el diseño del circuito proporcione un control de regeneración que pueda aumentar gradualmente la retroalimentación hasta el punto de oscilación y que proporcione control de la oscilación desde una amplitud pequeña a una amplitud mayor y de regreso a ninguna oscilación sin saltos de amplitud o histéresis en el control. [17] [18] [19] [20]
Dos atributos importantes de un receptor de radio son la sensibilidad y la selectividad . [21] El detector regenerativo proporciona sensibilidad y selectividad debido a la amplificación de voltaje y las características de un circuito resonante que consta de inductancia y capacitancia. La amplificación de voltaje regenerativo es donde está la amplificación no regenerativa y es la porción de la señal de salida que se devuelve al circuito L2 C2. A medida que se hace más pequeño, la amplificación aumenta. [22] La del circuito sintonizado (L2 C2) sin regeneración es donde está la reactancia de la bobina y representa la pérdida disipativa total del circuito sintonizado. La retroalimentación positiva compensa la pérdida de energía causada por , por lo que se puede considerar que introduce una resistencia negativa al circuito sintonizado. [19] El del circuito sintonizado con regeneración es . [19] La regeneración aumenta el . La oscilación comienza cuando . [19]
La regeneración puede aumentar la ganancia de detección de un detector en un factor de 1700 o más. Esto es una gran mejora, especialmente para las válvulas de vacío de baja ganancia de los años 1920 y principios de los 1930. El tubo de rejilla de pantalla tipo 36 (obsoleto desde mediados de la década de 1930) tenía una ganancia de detección no regenerativa (voltaje de placa de audiofrecuencia dividido por el voltaje de entrada de radiofrecuencia) de sólo 9,2 a 7,2 MHz, pero en un detector regenerativo, tenía ganancia de detección. hasta 7900 en regeneración crítica (no oscilante) y hasta 15800 con regeneración justo por encima de crítica. [16] La "... amplificación regenerativa no oscilante está limitada por la estabilidad de los elementos del circuito, las características del tubo [o dispositivo] y [la estabilidad de] los voltajes de suministro que determinan el valor máximo de regeneración que se puede obtener sin autooscilación". [16] Intrínsecamente, hay poca o ninguna diferencia en la ganancia y la estabilidad disponibles de los tubos de vacío, JFET, MOSFET o transistores de unión bipolar (BJT).
Una mejora importante en la estabilidad y una pequeña mejora en la ganancia disponible para la recepción de radiotelegrafía CW se logra mediante el uso de un oscilador separado, conocido como oscilador heterodino u oscilador de batido . [16] [23] Proporcionar la oscilación por separado del detector permite configurar el detector regenerativo para obtener la máxima ganancia y selectividad, que siempre está en la condición de no oscilación. [16] [24] La interacción entre el detector y el oscilador de batido se puede minimizar operando el oscilador de batido a la mitad de la frecuencia operativa del receptor, utilizando el segundo armónico del oscilador de batido en el detector. [23]
Para la recepción de AM , la ganancia del bucle se ajusta de modo que esté justo por debajo del nivel requerido para la oscilación (una ganancia del bucle de poco menos de uno). El resultado de esto es aumentar considerablemente la ganancia del amplificador en la frecuencia de paso de banda (frecuencia resonante), sin aumentarla en otras frecuencias. Por lo tanto, la señal de radio entrante se amplifica en un factor grande, 10 3 - 10 5 , lo que aumenta la sensibilidad del receptor a las señales débiles. La alta ganancia también tiene el efecto de reducir el ancho de banda del circuito (aumentando el Q ) en un factor igual, aumentando la selectividad del receptor. [25]
Para la recepción de radiotelegrafía CW ( código Morse ), la retroalimentación aumenta justo hasta el punto de oscilación. El circuito sintonizado se ajusta para proporcionar típicamente una diferencia de 400 a 1000 Hertz entre la frecuencia de oscilación del receptor y la frecuencia de señal de la estación transmisora deseada. Las dos frecuencias baten en el amplificador no lineal, generando frecuencias heterodinas o de batido . [26] La diferencia de frecuencia, normalmente de 400 a 1000 Hertz, está en el rango de audio; por lo que se escucha como un tono en el altavoz del receptor siempre que esté presente la señal de la emisora.
La demodulación de una señal de esta manera, mediante el uso de un único dispositivo amplificador como oscilador y mezclador simultáneamente, se conoce como recepción autodina . [27] El término autodino es anterior a los tubos multirejilla y no se aplica al uso de tubos diseñados específicamente para la conversión de frecuencia.
Para la recepción de señales de banda lateral única (SSB), el circuito también se ajusta para que oscile como en la recepción CW. La afinación se ajusta hasta que la voz demodulada sea inteligible.
Los receptores regenerativos requieren menos componentes que otros tipos de circuitos receptores, como el TRF y el superheterodino . La ventaja del circuito era que obtenía mucha más amplificación (ganancia) de las costosas válvulas de vacío , reduciendo así la cantidad de válvulas necesarias y, por lo tanto, el costo de un receptor. Los primeros tubos de vacío tenían baja ganancia y tendían a oscilar en radiofrecuencias (RF). Los receptores TRF a menudo requerían 5 o 6 tubos; cada etapa requiere sintonización y neutralización, lo que hace que el receptor sea engorroso, consuma mucha energía y sea difícil de ajustar. Por el contrario, un receptor regenerativo a menudo podría proporcionar una recepción adecuada con el uso de un solo tubo. En la década de 1930, el receptor regenerativo fue reemplazado por el circuito superheterodino en los receptores comerciales debido al rendimiento superior del superheterodino y al costo cada vez menor de los tubos. Desde la aparición del transistor en 1946, el bajo coste de los dispositivos activos ha eliminado la mayor parte de las ventajas del circuito. Sin embargo, en los últimos años el circuito regenerativo ha experimentado un modesto regreso en receptores para aplicaciones de radio digital de bajo costo , como abridores de puertas de garaje , cerraduras sin llave , lectores RFID y algunos receptores de teléfonos celulares .
Una desventaja de este receptor, especialmente en diseños que acoplan el circuito sintonizado del detector a la antena, es que el nivel de regeneración (retroalimentación) debe ajustarse cuando el receptor está sintonizado a una frecuencia diferente. La impedancia de la antena varía con la frecuencia, lo que cambia la carga del circuito sintonizado de entrada por parte de la antena, lo que requiere ajustar la regeneración. Además, la Q de los componentes del circuito sintonizado del detector varía con la frecuencia, lo que requiere un ajuste del control de regeneración. [5] : pág.189
Una desventaja del detector regenerativo de dispositivo activo único en operación autodina es que la oscilación local hace que el punto de operación se aleje significativamente del punto de operación ideal, lo que resulta en una reducción de la ganancia de detección. [24]
Otro inconveniente es que cuando el circuito se ajusta para oscilar puede irradiar una señal desde su antena, por lo que puede causar interferencias a otros receptores cercanos. Agregar una etapa amplificadora de RF entre la antena y el detector regenerativo puede reducir la radiación no deseada, pero agregaría gastos y complejidad.
Otras desventajas de los receptores regenerativos son la sintonización sensible e inestable. Estos problemas tienen la misma causa: la ganancia de un receptor regenerativo es mayor cuando opera al borde de la oscilación, y en esa condición, el circuito se comporta caóticamente . [28] [29] [30] Los receptores regenerativos simples acoplan eléctricamente la antena al circuito sintonizado del detector, lo que da como resultado que las características eléctricas de la antena influyan en la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado del detector. Cualquier movimiento de la antena u objetos grandes cerca de la antena puede cambiar la sintonización del detector.
El inventor de la radio FM , Edwin Armstrong , presentó la patente estadounidense 1113149 en 1913 sobre un circuito regenerativo mientras era estudiante de tercer año en la universidad. [31] Patentó el circuito superregenerativo en 1922 y el receptor superheterodino en 1918.
Lee De Forest presentó la patente estadounidense 1170881 en 1914, que se convirtió en la causa de un litigio controvertido con Armstrong, cuya patente para el circuito regenerativo se había concedido en 1914. El pleito duró hasta 1934, atravesando el proceso de apelación y terminando en el Corte Suprema . Armstrong ganó el primer caso, perdió el segundo, se estancó en el tercero y luego perdió la ronda final en la Corte Suprema. [32] [33]
En el momento en que se introdujo el receptor regenerativo, los tubos de vacío eran caros y consumían mucha energía, con el gasto y el peso añadido de las baterías pesadas. Así que este diseño, que sacaba la mayor ganancia de un solo tubo, satisfizo las necesidades de la creciente comunidad de radio y prosperó de inmediato. Aunque el receptor superheterodino es el receptor más común que se utiliza hoy en día [ cita necesaria ] , la radio regenerativa aprovechó al máximo muy pocas piezas.
En la Segunda Guerra Mundial el circuito regenerativo se utilizó en algunos equipos militares. Un ejemplo es la radio de campo alemana "Torn.Eb". [34] Los receptores regenerativos necesitaban muchos menos tubos y menos consumo de energía para un rendimiento casi equivalente.
Un circuito relacionado, el detector superregenerativo , encontró varios usos militares muy importantes en la Segunda Guerra Mundial en equipos de identificación de amigos o enemigos y en la espoleta de proximidad ultrasecreta . Un ejemplo aquí es el tiratrón RK61 en miniatura comercializado en 1938, que fue diseñado específicamente para funcionar como un triodo de vacío por debajo de su voltaje de ignición, lo que le permitía amplificar señales analógicas como un detector superregenerativo autoextinguible en receptores de control de radio , [35] y fue el importante desarrollo técnico que condujo al desarrollo de armas radiocontroladas en tiempos de guerra y el desarrollo paralelo del modelismo radiocontrolado como pasatiempo. [36]
En la década de 1930, el diseño superheterodino comenzó a suplantar gradualmente al receptor regenerativo, a medida que los tubos se volvieron mucho menos costosos. En Alemania, el diseño todavía se utilizaba en los millones de "receptores populares" alemanes ( Volksempfänger ) y "pequeños receptores alemanes" (DKE, Deutscher Kleinempfänger) producidos en masa. Incluso después de la Segunda Guerra Mundial, el diseño regenerativo todavía estaba presente en los diseños minimalistas alemanes de la posguerra, en la línea de los "receptores populares" y los "receptores pequeños", dictados por la falta de materiales. Con frecuencia se empleaban en tales diseños tubos militares alemanes como el "RV12P2000". Incluso hubo diseños superheterodinos, que utilizaban el receptor regenerativo como una combinación de FI y demodulador con regeneración fija. El diseño superregenerativo también estuvo presente en los primeros receptores de transmisión de FM alrededor de 1950. Posteriormente, se eliminó casi por completo de la producción en masa, quedando solo en kits de hobby y en algunas aplicaciones especiales, como abridores de puertas.
El receptor superregenerativo utiliza una segunda oscilación de frecuencia más baja ( dentro de la misma etapa o mediante el uso de una segunda etapa de oscilador) para proporcionar ganancias de circuito de un solo dispositivo de alrededor de un millón. Esta segunda oscilación interrumpe o "apaga" periódicamente la oscilación principal de RF. [37] Las velocidades de extinción ultrasónicas entre 30 y 100 kHz son típicas. Después de cada extinción, la oscilación de RF crece exponencialmente, a partir de la pequeña energía captada por la antena más el ruido del circuito. La amplitud alcanzada al final del ciclo de extinción (modo lineal) o el tiempo necesario para alcanzar la amplitud límite (modo logarítmico) depende de la intensidad de la señal recibida a partir de la cual comenzó el crecimiento exponencial. Un filtro de paso bajo en el amplificador de audio filtra las frecuencias de RF y de extinción de la salida, dejando la modulación AM. Esto proporciona un control automático de ganancia (AGC) tosco pero muy eficaz.
Los detectores superregenerativos funcionan bien para AM y también se pueden utilizar para señales de banda ancha como FM, donde realizan "detección de pendiente". Los detectores regenerativos funcionan bien para señales de banda estrecha, especialmente para CW y SSB que necesitan un oscilador heterodino o BFO. Un detector superregenerativo no tiene un oscilador heterodino utilizable, aunque el superregenerador siempre oscila automáticamente, por lo que las señales CW (código Morse) y SSB (banda lateral única) no se pueden recibir correctamente.
La superregeneración es más valiosa por encima de 27 MHz y para señales en las que es deseable una sintonización amplia. La superregeneración utiliza muchos menos componentes para lograr casi la misma sensibilidad que los diseños más complejos. Es fácilmente posible construir receptores superregeneradores que funcionen a niveles de potencia de microvatios, en el rango de 30 a 6.000 MHz. Elimina la necesidad de que el operador ajuste manualmente el nivel de regeneración justo por debajo del punto de oscilación: el circuito automáticamente sale de la oscilación periódicamente, pero con la desventaja de que pequeñas cantidades de interferencia pueden ser un problema para otros. Son ideales para aplicaciones de teledetección o cuando es importante una larga duración de la batería. Durante muchos años, se han utilizado circuitos superregenerativos para productos comerciales como abridores de puertas de garaje, detectores de radar, enlaces de datos de RF de microvatios y walkie-talkies de muy bajo coste.
Debido a que los detectores superregenerativos tienden a recibir la señal más fuerte e ignoran otras señales en el espectro cercano, el superregenerador funciona mejor con bandas que están relativamente libres de señales de interferencia. Según el teorema de Nyquist , su frecuencia de extinción debe ser al menos el doble del ancho de banda de la señal. Pero la extinción con armónicos actúa además como un receptor heterodino que mezcla señales adicionales innecesarias de esas bandas en la frecuencia de trabajo. Por lo tanto, el ancho de banda total del superregenerador no puede ser inferior a 4 veces el de la frecuencia de extinción, asumiendo que el oscilador de extinción produce una onda sinusoidal ideal.
