Ondas Hertzianas en el sotano

El conjunto de receptores de radio a cristal y los transmisores a chispa del siglo 19 pueden verse simples y lejanos eliminados de la radioafición para ser construidos. Si tú estas familiarizado con la electrónica básica y la historia reciente de la radio, no puedes entender nada de este ejercicio. Si eres un constructor jubilado de equipos de aficionado, por favor salta al siguiente capítulo. Por otro lado, si tienes una pequeña experiencia en electrónica, hay mundos de lecciones para ser aprendidas de la vieja tecnología.

Y si nunca construiste una simple radio anteriormente, aquí podrás encontrar diversión.

La naturaleza de las ondas de radio

Antes de que construyamos transmisores y receptores, repasaremos las ondas de radio. Cuando comprendamos que son las ondas de radio, la tecnología para generar y recibirlas se hará más obvia. Una onda electromagnética es una oscilación en el espacio libre que es radiada fuera de su fuente a la velocidad de la luz. Se llama “electromagnética” debida a la energía de su campo eléctrico y magnético. La onda “oscila” o cambia sucesivamente entre esas dos formas de energía en su viaje.

Propagación a través del vacío

Desde nuestras experiencias con electricidad magnética y estática, es difícil de visualizar como un campo eléctrico o magnético puede viajar cientos de kilómetros a través del vacío del espacio. En nuestra experiencia estos campos están estrechamente localizados alrededor del dispositivo que los genera. ¿Cómo puede un campo magnético existir aislado en el vacío, tal vez igual que la luz procede del átomo?

Supongamos que podemos de alguna manera generar mágicamente un campo magnético

o eléctrico en el espacio, muy lejos del objeto más cercano. ¿Puede el campo permanecer en el espacio para siempre esperando que pase un objeto y ser influenciado por el campo?

Supongamos que hay un imán de frigorífico flotando en el espacio. El campo magnético del imán estará siempre en el espacio rodeando al imán, igual que ocurre en tu frigorífico. Como siempre, el campo magnético desaparecerá a una distancia habitualmente de un cuarto de pulgada. Sin embargo, si el imán desaparece bruscamente, la energía en el campo podría perder su “envase” o “anclaje” y desaparecer en el vacío.

El mismo escenario puede proponerse para un campo eléctrico: una batería de linterna que está flotando en el espacio, su fuerza eléctrica podría extenderse por ejemplo una pulgada en el vacío en un halo entre dos terminales de baterías. Nuevamente, si la batería desaparece bruscamente, la energía del campo eléctrico perderá su generador y se quedará atrapada en el vacío. Sin su soporte, podría esparcirse en todas direcciones.

Las oscilaciones ocurren cuando dos formas de energía cambian rítmicamente de un lado a otro.

Cuando los campos magnéticos y eléctricos desaparecen en el espacio, ¿a donde van?. James Maxwell expuso por primera vez hace más de un siglo, que los campos eléctricos y magnéticos están íntimamente relacionados. De esto resulta lo siguiente: un cambio

o movimiento en el campo eléctrico genera un cambio en el campo magnético y viceversa. Como la energía continúa “esparciéndose” en todas las direcciones, la energía baila de una parte a otra entre estas dos clases de campos. Esta conexión no es “obvia” o intuitiva. Si así fuera, los griegos, chinos o egipcios podrían haberlos descrito y explotado hace tiempo.

Osciladores mecánicos

Muchos dispositivos físicos en nuestro mundo “oscilan”, pero la oscilación entre campos eléctricos y magnéticos no debe ser una sorpresa. Una oscilación en la naturaleza puede ser descrita como una energía que se transforma espontáneamente de una a otra forma de energía y que luego regresa nuevamente. Por ejemplo, un péndulo de reloj se balancea de un lado a otro, el péndulo adquiere energía cinética del movimiento y se balancea a través de la parte inferior de su arco. Entonces, cuando el péndulo se balancea cuesta arriba, la energía cinética es devuelta a la energía del potencial gravitacional. Cuando el péndulo alcanza lo más alto de su balanceo, momentáneamente se detiene completamente, y vuelve cuesta abajo. Cuando está en lo alto, la energía es toda “potencial”. La roca situada en el borde del precipicio no parece tener ninguna energía mientras no se le empuje al precipicio. El personaje que permanece en el fondo del precipicio puede testificar que la roca tiene plena energía cuando caiga al pie del precipicio. (Asumiremos, por supuesto, que sobrevivió.)

Repetimos, un péndulo oscilando conmuta su energía de un lado a otro entre energía cinética y energía potencial. Nota que la longitud del péndulo estabiliza la frecuencia de oscilación del péndulo. Esto es debido porque la gravedad es constante y las cosas ligeras son igual de rápidas que las pesadas. Si ignoras la resistencia del aire, la frecuencia del balanceo del péndulo es determinada únicamente por la longitud del cuerpo del péndulo. Esto hace al péndulo bueno para mantener un reloj mecánico ejecutándose con uniformidad y precisión. Similarmente, una vez más la frecuencia de una onda de radio se estabiliza, no cambia su frecuencia en su viaje a través del espacio y regresa debilitada.

En resumen, el espacio libre (que literalmente es “nada”) puede soportar energía de campo magnético o eléctrico, pero solo temporalmente. Para ser mantenido, un campo magnético necesita ser generado por un dispositivo. O puede ser generado por un campo eléctrico cercano colapsado. Similarmente, cuando el campo magnético se colapsa, produce un campo eléctrico temporal en el espacio cercano. El resultado de este vaivén es una onda de radio viajando al exterior a través del vacío a la velocidad de la luz.

Para generar ondas de radio, necesitamos construir un dispositivo que produzca un decremento del campo eléctrico que generará un incremento del campo magnético cercano al generador. Una vez que hemos hecho eso, el campo magnético deberá generar un campo eléctrico en el espacio lejano y la onda de radio será lanzada. Alternativamente, podemos construir un dispositivo para generar un cambio del campo magnético y que generará un cambio en el campo eléctrico, etcétera.

Las antenas transmisoras están diseñadas para generar un cambio rápido del campo eléctrico, o alternativamente, un cambio rápido del campo magnético. La antena se sitúa fuera en una zona despejada con acceso libre al cielo. Los campos eléctricos o magnéticos alrededor de la antena crean lo opuesto a su campo y el resultado una onda de radio volando libremente. La misma antena trabaja bien para los receptores. Cuando las ondas de radio pasan como un rayo los elementos metálicos de la antena, se inducen corrientes eléctricas en la estructura igual que si fuera temporalmente un condensador o el devanado secundario de un transformador.

EL circuito LC, el oscilador electrónico fundamental.

El componente más fundamental de todos los transmisores y receptores de radio es el circuito resonante condensador/bobina paralelo. Este circuito básico consiste en una bobina de hilo en paralelo con un condensador. Estos son llamados “circuitos LC” donde “L” es la letra usada cuando se calcula la inductancia y “C” por supuesto es para el condensador. Si la tensión de una onda senoidal de alta frecuencia se aplica a través del circuito paralelo LC, hay una frecuencia específica a la que el circuito LC resuena y aparenta ser un circuito abierto. Para resto de frecuencias el circuito LC se muestra como una carga o cortocircuito. El circuito LC atenúa o elimina la onda senoidal en todas las frecuencias excepto una. De esta forma una señal de radio puede ser “sintonizada” preferentemente sobre otra.

CIRCUITO RESONANTE PARA 20M

Por ejemplo, el circuito de arriba resuena en 14MHz, la banda de radioaficionado de 20 metros. La diminuta bobina es de 3.2 microHenrios. El condensador es de sólo 40 picoFaradios que es la 40 mil millonésima parte de un faradio. El circuito LC es una clase de oscilador eléctrico. Es análogo al balanceo de un péndulo o al rebote hacia arriba y abajo de un muelle mecánico. El oscilador LC tendrá el mismo ciclo de energía que una onda de radio. Primero la energía se almacena en el campo magnético dentro y alrededor de la bobina. Durante la siguiente mitad del ciclo, la energía se almacena en campo eléctrico entre las placas del condensador. La energía alterna de un lado a otro entre esos componentes hasta que se disipa debido a la resistencia en los cables.

Un circuito resonante LC paralelo con dos antenas forman un simple transmisor.

Una considerable energía puede también fugarse al espacio alrededor del circuito LC como ondas de radio. Sin embargo, una vez que conseguimos que oscile un circuito LC, estamos preparados en nuestro camino de generar odas de radio. Si nosotros simplemente añadimos hilo metálico al final del circuito LC paralelo, estos hilos forman una antena para acoplar el campo eléctrico alrededor del espacio libre. En otras palabras, el simple circuito que se muestra abajo es un puro transmisor de radio.

Un receptor de ondas de radio puede ser construido de la misma forma. Imagínate dos circuitos LC paralelo idénticos con antenas se sintonizan para resonar en la misma frecuencia. Ahora imagínate que este segundo circuito está flotando en el vacío, tal vez a cientos de kilómetros del circuito transmisor. Cuando las ondas de radio radiadas llegan al circuito LC receptor, la componente del campo eléctrico en la onda de radio producirá un leve incremento de corriente en los hilos que cargan al condensador. Alternativamente, y dependiendo de la orientación de la bobina respecto a las ondas de radio, la componente magnética de la onda de radio inducirá un leve voltaje que aparecerá a través de la bobina. Esto es igual que si el inductor fuera el secundario de un transformador. Una vez que la onda de radio ha dejado de vibrar, una pequeña, minúscula oscilación permanecerá en el circuito LC receptor, sonando de un lado a otro entre el inductor y el condensador.

RECEPTORES DE RADIO A CRISTAL

Un receptor de radio a cristal es un excelente primer proyecto. Tiene varias partes y son fáciles de comprender y construir. Los receptores de radio a cristal eran juguetes comunes cuando yo era un crío y mi primer proyecto electrónico fue la construcción de uno. Aunque de niños jugábamos con receptores a cristal, nosotros realmente no los comprendíamos. Cuando dejaban de funcionaban, nosotros teníamos solo una vaga noción de como repararlos. Si tú compraste un receptor a cristal de juguete, yo nunca vi uno que tuviera remotamente explicaciones tan completas como lo que estás leyendo ahora. Comenzaremos con el receptor a cristal, luego podremos construir sobre lo que estamos leyendo para construir transmisores y receptores más elaborados.

Los receptores de radio a cristal tienen seis partes básicas. La antena por supuesto recoge la señal del aire. La combinación del inductor y el condensador se sintonizan la estación deseada. Esto es, el inductor y el condensador oscilan a la frecuencia de la estación deseada. El diodo de cristal rectifica la onda senoidal que está oscilando a través del circuito LC. Esto convierte la onda senoidal de alta frecuencia en frecuencias sonoras de baja frecuencia que pueden ser escuchadas en los auriculares.

La antena

Para los receptores de radio a cristal es fácil construir una antena de “campo eléctrico”. Es normal un hilo largo estirado de una ventana o en lo alto de un árbol. Una limitación de una única antena de hilo como esta es que, cuando la onda de radio genera un voltaje en el cable, la corriente que pudiese producir no tiene donde ir. Una simple antena de hilo es igual que el terminal de una batería. Si, la batería tiene una tensión, pero sin una conexión en el otro terminal del circuito LC, el flujo de corriente no tiene por donde circular. Para proveer un destino para la corriente nosotros podemos añadir una segunda antena. Alternativamente podemos conectar el receptor de radio a cristal a “tierra”.

La tierra

“Tierra” eléctrica es una palabra que hemos leído desde jóvenes, pero la mayoría de la gente pasa su vida sin comprenderla. Yo sospecho que el término surgió durante los primeros tiempos de la comunicación telegráfica en 1840. De esto resultó que la tierra húmeda es bastante buen conductor. Si tú introduces dos barras de metal en la tierra en tu jardín y conectas una batería a las dos barras, la corriente circulará de una barra a otra. Para dos barras de unos 30 metros, la tierra ofrece una resistencia de unos 100 ohmios. De esto resulta que la mayoría de la resistencia eléctrica al flujo de corriente está alrededor de la barra metálica. Una vez que las corrientes se han enviado, la resistencia eléctrica solo se incrementa ligeramente conforme incrementes la distancia de separación entre las barras. Una barra de metal en un jardín en China y otra barra metálica en tu jardín en España solo tienen 300 ohmios de resistencia entre ellas. Esto era beneficioso para los telegrafistas lejanos porque solo tenían que llevar un único cable entre ciudades en vez de dos cables para completar el circuito cerrado. En la práctica, usando la tierra como un “hilo” inerte no es tan factible como llevar un segundo hilo, pero esto ilustra el concepto de tierra.

Una buena conexión eléctrica con tierra es un componente esencial del receptor de radio a cristal. La tierra más accesible para un receptor de radio a cristal o para una estación de radioaficionado normalmente es una tubería de cobre o una tubería de agua caliente. Para bajas frecuencias, como las emisoras comerciales de AM, las antenas eléctricas ideales son muy grandes. No es necesario decir que, la Tierra está habilitada para ser usada convenientemente como la mitad de una antena.

Dipolos

Al contrario que en bajas frecuencias, en altas frecuencias, como televisión en VHF o radio FM, la longitud ideal de una antena eléctrica es de un metro aproximadamente. Aunque puedes usar una pica metálica introducida en tu césped para el camino de “tierra” en tu TV, es mucho más sencillo usar una segunda antena corta orientada 180º respecto a la antena “real”. Esta doble antena se llama “dipolo” y es el diseño de la antena más básica comúnmente usado en la radioafición y antenas de TV. Aunque no es obvio, el conjunto de tubos metálicos delgados en lo alto de un tejado son justamente refinamientos de la “antena dipolo” básica. Una antena de radioaficionado común y versátil es el dipolo mostrado abajo. En general en la frecuencia más baja, el dipolo debe ser más grande para que pueda funcionar bien. Un dipolo típico de radioaficionado es el que se muestra abajo.

Líneas de Transmisión

En la antena dipolo de radioaficionado de arriba, los “brazos” se extienden en el espacio en direcciones opuestas y obstaculizan el paso del campo eléctrico. En general, a mayor altitud del dipolo por encima del terreno local, mejor recibirá el dipolo señales. Desafortunadamente, tu y tu radio están abajo en la tierra. Escalar hasta el tejado para escuchar al radio es un inconveniente, por no decir más. El problema de cómo llevar las señales de radiofrecuencia a la radio se resuelve con la “línea de transmisión”.

Una línea de transmisión es un par de cables paralelos separados por un aislante. Trabajan muy parecidamente a un tubo en un barco o la cuerda en un bote para hablar a distancia. En todos estos dispositivos, las vibraciones se transmiten hacia abajo en un camino estrecho con sorprendentemente pequeñas pérdidas de energía. Un estupendo ejemplo de una línea de transmisión mecánica puede ser la acequia de una granja llena con agua. Proveyendo el agua esta fluye lentamente, cuando tiras una gran roca en la acequia, la forma de onda procedente del impacto viajará cientos de metros antes de desaparecer. Una onda en la acequia se propaga sin cambios durante muchos minutos y viaja grandes distancias. En contraste, si tiras una roca en un estanque abierto, la onda se propaga en todas direcciones y rápidamente se desvanece.

Una línea de transmisión de radio es un circuito resonante LC distribuido. Dijimos en el capítulo 2 que un simple cable tenía inductancia. Similarmente dos cables cualesquiera separados por un aislante forman un condensador, si hemos planeado fabricar un condensador o no. Consecuentemente, cuando llevamos dos cables paralelos aislados sobre cualquier distancia, se podrá medir una capacidad entre ellos y los cables tendrán un significativo aumento de inductancia. Para una onda de radio, esta construcción se ve como un amplio circuito LC sin final. Como la capacidad y la inductancia se cargan y descargan, la oscilación no permanece fija, más bien se desplaza por el par de cables casi a la velocidad de la luz. Como tú puedes ver, la propagación en una línea de transmisión es análoga a la propagación a través del espacio libre, pero se propaga solo en una dimensión en vez de tres dimensiones. El campo eléctrico o voltaje genera una corriente y un campo magnético, que, sucesivamente, genera un nuevo campo eléctrico y así sucesivamente. Un ejemplo de una simple línea de transmisión consiste en dos cables paralelos como los cables planos de línea de TV de “300 ohmios” usados para alimentar viejos televisores.

Cable coaxial

La línea de transmisión redonda y blindada usada para alimentar a los modernos televisores es un cable coaxial. En lugar de usar dos cables normales separados, el conductor externo de un cable coaxial es cilíndrico, un blindaje metálico que cubre completamente al conductor central. La inductancia del conductor blindado es mucho menor que la de un simple cable, pero mantiene las señales de radiofrecuencia en el conductor central evitando fugas externas. Mucho mejor, evita que nuevas señales procedentes de fugas lleguen al interior del cable coaxial e interfieran con la recepción de televisión.

La antena dipolo de radioaficionado descrita anteriormente usa cable coaxial tipo RG58 para transportar las señales de radiofrecuencia hacia la casa. Tú podrás notar que el blindaje externo se conecta a tierra. Esto es casi siempre el caso con el coaxial. Tú puedes usar un cable coaxial de TV barato para tu transmisor de radioaficionado, pero encontrarás dificultades para trabajar con el. El blindaje externo de un cable coaxial barato es un papel de aluminio y es difícil de conectar mecánicamente y eléctricamente. En contraste, el blindaje externo de un coaxial de calidad un cable de cobre trenzado que es sencillo de cortar y soldar. También tiene una considerable resistencia mecánica.

Impedancia de una línea de transmisión.

Una característica abstracta de las líneas de transmisión es, que una señal de radio viajando, la línea “se ve” como una resistencia de carga específica. Por ejemplo, el coaxial RG-58 aparenta a la señal de radio ser una resistencia de 50 ohmios. Esto no es, por supuesto, pero los niveles de tensión y corriente a lo largo del cable sugieren que así sea. En otras palabras, la tensión dividida por la corriente en puntos a lo largo de la línea dará 50 ohmios. Otra razón para no usar cable de TV es que el cable de TV está diseñado habitualmente para 75 ohmios, mientras la mayoría de equipos de radioaficionado están diseñados para 50 ohmios.

En general, el espesor del cable y la separación de los dos conductores de una línea de transmisión, es la mayor característica de la impedancia. La cinta de transmisión plana, delgada y marrón que antiguamente se usaban comúnmente en las antenas de TV, tenía una impedancia de 300 ohmios. Algunas veces los radioaficionados usan una “línea de escalerilla” ancha cuyos conductores de cobre desnudos están separados por un par de centímetros o más de aire y varios separadores cerámicos. La línea de escalerilla presenta una impedancia de 600 ohmios. La línea de escalerilla es muy usada cuando la potencia del transmisor debe ser transmitida a grandes distancias para llegar a la antena. Debido a que la línea de escalerilla tiene o no un pequeño aislante en contacto con los cables, la pequeña disipación de energía en el aislante se reduce absolutamente al mínimo.

Diodos detectores.

El diodo es el “detector” que convierte las ondas senoides de radiofrecuencia en ondas eléctricas de audiofrecuencia, preparadas para ser convertidas en sonido. El diodo es “una válvula de electricidad de un solo sentido”. En términos de fontanería, funciona igual que una válvula de comprobación. El símbolo esquemático para un diodo es una flecha apuntando a una barrera en posición vertical.

En electrónica, el convenio para flujo de corriente “positivo” es de positivo a negativo. Desafortunadamente, el flujo de electrones es de negativo a positivo. Pero, lo que está actualmente “fluyendo” de positivo a negativo es la ausencia de electrones. Confundido, ¿no? Yo sospecho que esta convención se estableció antes de que los electrones fueran comprendidos. Refiriéndonos al símbolo de un diodo, la corriente positiva se deja pasar si esta fluye en la dirección de la flecha. La corriente positiva será bloqueada por el diodo si esta intenta entrar al diodo por el lado de la barrera perpendicular.

Los semiconductores habitualmente mejoran la función de válvula-chequeadora de los diodos. Un semiconductor es un cristal de un elemento como el silicio o germanio que tiene una valencia química de 4. Esto es, durante las reacciones químicas este elemento puede coger 4 electrones, o ceder cuatro electrones. Como veremos próximamente, los semiconductores pueden ser creados haciendo cristales con elementos mezclados con valencias de 3 y 5, o pares de 2 y 6.

Semiconductores de tipo N

Para mantener la simplicidad, supongamos que tenemos un cristal puro fabricado con silicio, que tiene valencia 4. si ponemos las puntas de prueba de algún multímetro (ohmímetro) entre este silicio puro, actuará como un aislante -no tendrá un flujo de corriente significante. Sin embargo, si hacemos un nuevo cristal con un toque de impureza de fósforo dentro de él, de repente se volverá conductor. El fósforo tiene valencia 5 y es casi igual que el silicio en peso atómico. Estos medios que en reacciones químicas normalmente aceptan 3 electrones para completar su órbita externa con 8 electrones. Pero cuando un cristal de silicio se contamina con fósforo, los átomos aislados de fósforo están enlazados en un cristal rígido de silicio. El átomo de fósforo se fija en la matriz, pero tiene un electrón extra que está “perdido” y libre de moverse por el cristal. El electrón no puede moverse por los átomos de silicio debido a que ellos están unidos con átomos de silicio cercanos, por lo que cada átomo de silicio tiene estabilidad en su órbita más externa de ocho electrones compartidos. Sin embargo, los electrones extra de fósforo pueden moverse hacia otros átomos de fósforo que todavía tienen perdido su 5º electrón. En otras palabras, un cristal de silicio con un poco de impureza de valencia 5 actúa igual que un metal. El tiene electrones que están libres para migrar a través de cualquier sólido. Un semiconductor con electrones extra se llama semiconductor tipo N.

Semiconductor tipo P

El semiconductor tipo P es un poco abstracto. En lugar de fabricar un cristal de silicio con impurezas de valencia 5, ahora supongamos que añadimos una impureza tal como aluminio, indio o galio con una valencia de 3. La impureza se fija dentro de la matriz de cristal, pero necesita uno o más electrones para alcanzar un equilibrio de 8 electrones compartidos con los átomos de silicio más cercanos. En otras palabras, este semiconductor tiene “agujeros” en la matriz del cristal que pueden ser cubiertos por electrones que pasan a través de ellos. Ahora cuando tú pones las puntas de prueba de un multímetro entre un semiconductor P, conducirá igual que el semiconductor tipo N. sin embargo, el mecanismo de conducción es diferente. Con el semiconductor tipo P, la punta de prueba metálica que toca el cristal aporta todos los electrones libres que fluyen a través del cristal. Estos electrones están moviéndose de hueco en hueco para cruzar el cristal.

Igual que el fósforo, los átomos de aluminio están por lo menos con el mismo peso atómico y tamaño que el silicio. Los átomos de aluminio se fijan perfectamente en la matriz del cristal de silicio.

Los diodos son uniones P-N

Los diodos semiconductores están construidos poniendo semiconductor tipo P en contacto con semiconductor tipo N. En otras palabras, para que los electrones fluyan a través del diodo, los electrones deberán entrar por el cristal tipo B y entonces moverse a través de la unión al tipo P ellos completan el viaje saltando de hueco en hueco.

OK. Ahora vamos a invertir las puntas de prueba del ohmímetro. Ahora vamos a poner la punta de prueba positiva contra el semiconductor tipo N y la punta de prueba negativa

contra el tipo P. Los electrones no fluyen por la punta de prueba metálica hacia el semiconductor tipo P. No hay problema por ahora. Por el otro lado del diodo los electrones extra del silicio tipo N están siendo atraídos o “succionados” a la punta de prueba positiva metálica. Así la conducción parece que comienza bien, pero no por mucho tiempo antes de que los electrones extras en el silicio tipo N sean repelidos a lo largo de la unión P-N. Todos estos restos son repelidos por átomos con valencia 5 que ahora actúan igual que el silicio puro. Toda esta región actúa como silicio puro y la conducción se detiene.

Pero ¿por qué no pueden saltar los electrones que están migrando a través de los huecos del semiconductor tipo P a través de la barrera P-N y moverse sobre los átomos de valencia 5? La razón es la misma. Los electrones que emigran han llenado todos los huecos en el tipo P y el cristal también se ha vuelto como un falso silicio puro que es un aislante. Cuando se piensa sobre los diodos PN, recordad, “positivo al conductor P

Detección de señales de radio AM con un diodo

En amplitud modulada, (AM) la señal de audio hablada está impresa sobre la señal de radio variando la AMPLITUD de la señal de radio. Un transmisor de AM literalmente incrementa y disminuye la potencia de salida del transmisor a la vez que la voz y la música son retransmitidas. El dibujo de abajo muestra una señal de radio sin modular del tipo usado para enviar código Morse. La onda senoidal de radiofrecuencia mantiene la misma amplitud durante todo el tiempo que el transmisor está activado. Debido a que la onda senoidal mantiene la amplitud durante los “puntos” y “rayas”, las señales en código Morse son conocidas como onda continua o “CW”.

En una transmisión de radio AM, (520 KHz a 1.600MHz) una gráfica de la señal de RF se ve igual que la gráfica psiquiatrita Rorschach. Pero por supuesto el perfil de la señal de audio está actualmente puesta sobre cientos de miles o millones de ciclos de ondas senoides de RF.

El diodo detector recupera la señal de audio “cortando” una de las dos polaridades de la señal de RF. Las corrientes senoides tienen polaridad positiva y negativa. Los diodos solo permiten la conducción en una dirección. Por tanto, cuando la corriente de una onda senoidal de radiofrecuencia pasa a través del diodo, una de esas polaridades no pasará y será eliminada. Lo que queda es una serie de estrechos, pulsos de corriente continua, todos con la misma polaridad.

Este proceso de detección, que también se llama rectificación, produce una variación de la señal DC que puede ser pasada a través de un auricular para convertirla en sonido. Físicamente, un diodo moderno es normalmente un diminuto cilindro de cristal, típicamente de 7 milímetros de longitud con dos cables alargados en los extremos - ¡no son fáciles de ver! Como se describirá mas adelante, es más divertido fabricar un diodo con un mineral sulfúrico, o con unas cuchillas de afeitar o con imperdibles.

Auriculares

Una vez que el diodo ha generado las variaciones de corriente DC representando la señal de audio, se necesita un dispositivo para convertir la corriente en sonido. El modo clásico de hacer esto es usar un auricular magnético. Como describiremos más abajo, un auricular es un electroimán que atrae un delgado diafragma metálico y hace que vibre en el tiempo con la voz y la música.

Un práctico receptor a cristal

Un receptor de radio a cristal puede ser extremadamente simple. A continuación se presenta un esquema:

Lista de componentes de un receptor a cristal:

Gran antena - 15 metros de cable colgado en un árbol puede ser ideal. O usa el dipolo para 40 metros descrito anteriormente. Para esta aplicación, usa todo el dipolo montado como si fuera una sola pieza de cable. Conecta el conductor central y la malla trenzada del cable coaxial juntos y fija el “hilo” resultante a la “gran antena” ubicada arriba.

Buena tierra - Una conexión firmemente fijada a una tubería de agua de cobre de casa puede ser ideal. Alternativamente, puedes usar una segunda longitud de cable colgada en algún otro árbol. El segundo cable debe estar lejos del primer cable. Yo casualmente tengo un dipolo para la banda de aficionado de 30 metros en mi jardín trasero. Uso mi dipolo para 40 metros como “antena” y el de 30 metros como “tierra”. O como una antena puede ser conocida en esta aplicación, el dipolo para 30 metros se vuelve como “contraantena”.

Inductor - Enrollar unas 20 vueltas de hilo de cobre desnudo sobre un tubo largo de cartón. Los tubos de cartón del papel de aluminio son las formas clásicas de las bobinas para este propósito. En general, cuanto más grande sea el diámetro de la bobina, trabajará mejor. Yo creo que las bobinas grandes trabajan mejor porque la bobina está actuando como una antena magnética, igual que en in circuito LC sintonizado. En otras palabras, una bobina de gran diámetro atrapa más componente del campo magnético procedente de la onda de radio. Para sintonizar el receptor a cristal, tú necesitas montar un deslizador o una pinza cortocircuitadora que permita acortar un poco la bobina.

Diodo de cristal - Es agradable construir tu propio diodo como se describirá a continuación. Sin embargo, para comenzar, usa uno ordinario, un pequeño diodo de silicio tal como el 1N4148 o el 1N914, que está disponible en Radio Shack.

Auriculares - Puedes construir un auricular procedente de componentes comunes como se describe más adelante. Esto será divertido y educacional, pero más tarde o más temprano necesitarás comprar un buen par. Tú puedes comprar cualquier auricular pasado de moda de alta impedancia (2000 ohmios) o modernos auriculares de baja impedancia (8 ohmios). Los modernos son extremadamente eficientes, confortables para llevarlos puestos y tener sonido hi-fi. Los auriculares de alta impedancia son históricos y poco más se puede decir en su favor.

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Construir diodos detectores

Mi experimentación con receptores a cristal como adulto comenzaron un día cuando hacía senderismo por Jamestown, Colorado. Estaba atravesando una mina abandonada de color amarillo vacía. Los restos de la mina son las más amarillentas, sulfatadas, rocas polvorientas que constan de granito agotado o metamorfoseado. De repente frente a mi cara hay trozos de brillante, mineral sulfúrico negro, que era el motivo para la mina. Sin una prueba, yo no conozco exactamente que es este metal, pero se puede apostar que es una mezcla de sulfitos de plata, plomo, y puede que zinc, una raya de arsénico, estaño y cobre. Puede incluso ser resto de oro telúrico esos cristales. Galena, es que sulfito de plomo, es el material usado en receptores de cristal de los viejos tiempos para hacer diodos detectores. “¡Caramba! ¿me preguntaría si yo puedo fabricar un receptor de cristal con este mineral?”.

Me parece que una vez vi una película de guerra en que un prisionero de guerra en un campo de concentración nazi hace una radio con un alambre de espino, una cuchilla de afeitar y papel de plata procedente de un envoltorio de chicle. Bien, eso es Hollywood, pero tal vez un receptor puede construirse sin usar componentes específicamente fabricados para radios. Me encontré que tenía un receptor de radio a cristal de juguete que databa por lo menos de 1950 en mi ático, ,lo recogí y lo probé. El “diodo” consiste en un diminuto trozo de galena gris sobresaliendo de un pequeño charco de soldadura solidificada. El polo positivo del diodo es un “pelo de gato”, una pieza de hilo de cobre delgado clavado contra el cristal.

La foto de arriba muestra mi receptor a cristal con los tres componentes caseros. Un circuito LC resonante es vital para seleccionar la banda de radio AM (u otra banda). No es realmente necesario un condensador de sintonía en las frecuencias de radio AM. Una gran bobina, de por lo menos 5 centímetros de diámetro con 20 a 60 vueltas enrolladas en un tubo de cartón, tenía suficiente capacidad entre espiras para resonar en la banda de AM. Desde un punto de vista físico, el circuito en un esquema “práctico” es funcionalmente igual que un circuito que contiene un condensador variable entre la bobina.

¿Dónde está el condensador variable?

Un condensador consiste en dos piezas de metal separadas por un dieléctrico. Si enrollas un gran aro de hilo alrededor de un tubo de cartón, entonces hay capacidad entre una espira de hilo y todas las espiras cercanas. “Pero, ¡detente! ¡Eso no puede ser! ¡Hay un cortocircuito entonces!” dirás tú. Sí, estás en lo cierto. Pero si miras un circuito LC en conjunto, la bobina es un reino de “cortocircuitos” a través del conjunto del condensador y vemos que funciona bien. La parte difícil sobre la física es que tú tienes que aprender a pensar abstractamente. Un conjunto de fenómenos se ve borroso e inconsistente. Nosotros estamos forzados a “sentir” que trabaja y que no. La espira de hilo se ha dicho que tiene “capacidad intraespiral” que actúa igual que si tuviéramos un condensador separado entre cualquier cosa, honrada.

De todas formas, sin un condensador variable, no tendrás formas de sintonizar estaciones en particular. Puede añadirse una derivación en el bobinado para sintonizar una estación. Un “derivador” es un modo para acortar una parte del inductor. Usando este método tú puedes toscamente (muy toscamente) seleccionar las estaciones más fuertes en la parte alta o baja de la banda de AM. Sin embargo, si prefieres usar un condensador variable, casero o de otra forma, está a tu disposición. Encontrarás que sintonizar un receptor de radio a cristal es poco sistemático, no importa como lo hagas.

El diodo de cristal rectifica la tensión de radiofrecuencia resonante en el circuito LC y los auriculares la convierten en sonido. Algunos receptores a cristal también tienen un filtro de señal de audio o condensador “integrador”. Este condensador, de unos 0.01 microfaradios, está situado entre los auriculares. Sin embargo, en mi receptor a cristal, no tiene ningún uso útil, y lo quité. Quitar componentes es un gran camino para saber lo que hacen.

Intenta quitar el circuito LC y conecta el diodo y el auricular a la antena y tierra. En toda mi casa yo podía oír débilmente estática que sonaba como ruido de línea eléctrica. Eso implica que las líneas eléctricas generan las mayores señales de AM en todo el espectro de radio. En cualquier caso, sin el circuito LC, yo no escucho estaciones de radio.

El diodo de cristal Jamestown

Para hacer mi detector a cristal de mineral sulfúrico, fundí un charco de soldadura de unos 95 milímetros de ancho en un trozo de placa de circuito impreso. Entonces usé pinzas para presionar un poco de metal en el charco para que, cuando endureciera, la mitad del cristal estuviera expuesta. Seguidamente soldé una diminuta vuelta de hilo de cobre encima de la plataforma en la placa para un bigote de gato.

Un imperdible presiona el bigote de cobre sobre la galena.

He fabricado un anillo de cobre cortando el final de una tubería de cobre de ¼ de pulgada que sirve como un profundo “cubo” de soldadura en el que yo puedo poner la galena. Mi primer diodo usaba vueltas de fino hilo de cobre como “bigotes de gato”. El cobre no era suficiente elástico para empujar en el cristal con suficiente fuerza para un rendimiento fiable. Bob, N0RN, me dijo que cuando él era un niño, usaba imperdibles como bigotes de gato. Efectivamente, el muelle de carga del imperdible producía abundante fuerza y resolvía el problema mecánico.

¿Dónde está la unión P-N?

Si eres una persona atenta, te preguntarás “¿Dónde está la unión P-N con las impurezas introducidas en el semiconductor puro y todo eso?” De esto resulta que un diodo puro puede hacerse mezclando juntos materiales bastante inferiores. Por ejemplo, un cristal de galena puro consiste en un conducto y sulfuro que tienen valencias 2 y 6, que dan de media 4. Pero hay también otros átomos en un típico mineral de galena. Esas impurezas, como la plata o cobre tienen valencias de +1 (mas 1), mientras otros metales de transición como el estaño tienen valencias de 2 o 4. Vamos a asumir que debido a la impureza de arsénico (valencia 5), mi metal es un semiconductor de tipo N. Pero ¿dónde está el semiconductor de tipo P? Resulta que si presionas un metal un metal contra un semiconductor de tipo N, los iones del metal migrarán a varias micras dentro del cristal de tipo N y harán una diminuta región de tipo P circundando el punto de contacto del “bigote de gato”.

Como puedes esperar, la desventaja de tales diodos puros es que la unión P-N es bastante frágil. Esto es, la función de válvula de chequeo solo trabaja con tensiones muy bajas y corrientes extremadamente pequeñas. La unión P-N es fácilmente destruible si pones una gran tensión inversa entre la unión o intentas pasar grandes corrientes a través suya.

El acero al carbono es un semiconductor

Cuando pongo mi nuevo diodo con el bigote de gato del imperdible en el receptor de radio a cristal, estaba en un silencio sepulcral – nada. No importa como moviera la punta afilada de acero sobre la galena, los auriculares estaban muertos. Sucedió que la aguja golpeó el estaño en el filo de la galena y el cristal volvió a la vida con música de la KBCU, nuestra estación local de AM más fuerte. Al principio estaba perplejo. La aguja de acero rectificó bien contra la soldadura o contra el cobre. La señal era sin embargo solo 2/3 de fuerte de lo que era con el diodo cobre-galena, pero era mucho más fácil de ajustar.

Resulta que el “acero” es un semiconductor compuesto de hierro-carbono. La superficie de acero endurecido es un cristal, sin embargo no es radicalmente diferente del cristal de galena (sulfito de plomo). El carbono tiene valencia 4, igual que el silicio o el germanio. Pero, si deseas construir un receptor a cristal para tus hijos, no tienes que buscar galena. Usa un imperdible presionando cobre o estaño.

Otra sorpresa para mi fue que las uniones de cobre con cobre, estaño contra estaño, o estaño con cobre también rectifica y produce débiles señales. El contacto entre dos superficies metálicas debe ser extremadamente débil – casi intocable. Este fenómeno es pobre para hacer receptores a cristal, pero es una advertencia sobre malos contactos en equipos electrónicos. Las uniones de soldaduras frías y tornillos perdidos pueden llenar tu circuito con accidentales diodos.

Intenté medir la característica voltios/Amperios de un diodo de cobre/acero. Y como puedes suponer, se ve como un cortocircuito en un ohmimetro. Lo estudié cuidadosamente con un multímetro de alta impedancia y con resistencias en serie de 10 megaohmios, pero aún se veía como un cortocircuito. Yo creo que aprendí que el mundo de la detección de RF es bastante misterioso. Por lo menos la leyenda sobre los POW en la segunda guerra mundial haciendo radios con alambre de espino y hojas de afeitar comenzaba a tener sentido. El alambre de espino debía ser el semiconductor.

Como se muestra en el diagrama de construcción del diodo, yo usé una soldadura de núcleo ácido para fijar una pieza de hilo de cobre al final de la aguja. Ahora el punto de contacto de mi diodo es entre el semiconductor galena y cobre que es distinto del semiconductor acero a semiconductor mineral sulfúrico. Yo conecté mi receptor a cristal en el conductor central del coaxial del dipolo para 40 metros y mi estación a tierra. Arañé el bigote de cobre alrededor del cristal sulfúrico y de repente estaba nuevamente escuchando nuestra estación local. Usando unos auriculares comerciales de 8 ohmios, la señal era casi extremadamente fuerte. No es nada divertida la KBCU es mayormente música rap.

Características Voltios-Amperios de los diodos de autoconstruidos

Una vez que tuve mi bigote de gato ajustado, el diodo Jamestown era igual de fuerte como el diodo del receptor a cristal de 1935. Intenté sustituirlo por uno moderno, un diodo Schottky. Los diodos Schottky son habitualmente usados como detectores en equipos relativamente modernos. Me sorprendí al descubrir que los Schotty modernos producen grandes señales como los diodos de cristal, pero no mejores. Si estos diodos funcionan igual, ¿cómo comparar sus características voltios/amperios?

Curvas Tensión/Corriente para el diodo Jamestown y un diodo Schottky comercial.

Con grandes tensiones y corrientes, (miliamperios), el diodo Schottky actúa como podrías esperar: Deja pasar grandes corrientes (miliamperios) por encima de los 0.2 voltios de tensión directa y de fuga sólo 100 nanoamperios con tensión inversa. Note que si el Schottky fuera “perfecto”, la línea roja podría ser recta hacia lo más alto del eje vertical, y recta encima del eje horizontal hacia la izquierda. Sin embargo con muy bajas corrientes, microamperios, el Schottky comercial era más cercano a la perfección con una transición cercana a cero voltios.

En contraste, con grandes corrientes el diodo Jamestown se comportaba como una resistencia en ambas direcciones. No me resultaba evidente que el diodo pudiera rectificar nada. Las curvas anteriores muestran el comportamiento de ambos diodos con pequeños niveles de corriente, microamperios, usando una carga de 1 megahomio (un millón de ohmios). Para pequeñas corrientes, los diodos Schottky y Jamestown fueron ambos enormemente no lineales en el punto cero amperios, cero voltios. La sorpresa para mí fue que, para tensiones inversas el diodo Jamestown rompe abruptamente a menos un voltio. No es sorprendente su conducta si bien en ambas direcciones con “baja” resistencia de 10K ohmios de carga. Esta abrupta ruptura inversa se llama “ruptura de avalancha”. Cuando esto ocurre con grandes corrientes es habitual destruir el diodo. Como se puede ver en el capítulo 8, algunos diodos llamados “Diodos Zener” están diseñados para romper a una tensión específica sin ser destruido.

El auricular Caribú.

Construir mi propio auricular fue la parte más dura de mi receptor a cristal. Un auricular usa una núcleo de hilo de alta impedancia para hacer un campo magnético proporcional a la señal de audio. El campo cambiante empuja y tira contra un delgado diafragma de acero para producir vibraciones de sonido. Incluso si decides construir uno de estos receptores a cristal, te recomiendo enormemente que compres un buen par de auriculares como los que tendrás para tu equipo de radioaficionado. También, con auriculares comerciales el habla y la música será perfectamente clara y fuerte, incluso con un imperdible como diodo.

El auricular Caribou

Una sección transversal de mi auricular casero se muestra arriba. Su construcción es básicamente igual que unos anticuados auriculares de alta impedancia. Seguramente el sonido es débil. ¿Qué esperas de un diafragma de auricular realizado con una fina tapa de estaño? La bobina tiene cientos de vueltas de hilo #36 (AWG) devanado en un núcleo de papel. Dentro de la bobina hay un imán cilíndrico que cogí de un viejo altavoz. Una pieza de una envoltura de acero conduce el flujo magnético alrededor de los bordes de la tapa. La fuerza magnética sostiene la tapa. Para completar el circuito magnético, la fuerza magnética se concentra en el hueco entre la fina placa de acero y el imán.

Receptor de radio a cristal mostrándose el auricular auto construido. Se ha quitado el diafragma metálico.

Yo empecé usando un pequeño imán procedente de un viejo altavoz, pero este se sentía como un fraude. ¿Podría Heinrich Hertz haber utilizado un altavoz de imán? De todas formas, me pareció que el imán no era esencial. ¿Por qué no podría la bobina magnetizar un hierro común? Intenté sustituirlo una gran tuerca de acero del mismo tamaño. Seguramente, funcionó, pero el sonido era demasiado débil para ser audible en un receptor de radio a cristal. Sin embargo, cuando enchufé el auricular autoconstruido con la tuerca de acero en mi radio de onda corta, era asombrosamente ruidoso. No es Hi-Fi, eso si, pero es fuerte. No, para un auricular sensible se necesita un imán para superar la histéresis.

Histéresis

¿Qué es la histéresis? te preguntarás. Cada vez que se magnetiza el hierro con una bobina con corriente continua (DC), un minúsculo “dominio magnético” en el hierro se alinea para hacer un gran campo magnético. Pero cuando la corriente continua (DC) se corta, algunos de los dominios magnéticos siguen alineados y dejan un campo residual. Para magnetizar el hierro en dirección opuesta, una corriente de polaridad opuesta debe primero superar el campo residual. Esto significa que la histéresis interfiere con la sensibilidad de señales débiles. Dado que los receptores de radio a cristal son autoalimentados por las ondas de radio, la sensibilidad es vital. Se necesita un imán para sobrepasar la histéresis y el balance del campo magnético de modo que funcione siempre en una dirección. Podría magnetizar el hierro con una bobina para corriente continua (DC), pero entonces siendo un purista, necesitaría construir una batería de fabricación casera. Y necesitaría fundir y sacar mis propios cables de cobre. (Olvidaros de lo que dije).

Tuve una inspiración repentina. Cavé alrededor en mi colección de rocas y encontré un trozo de mineral de magnetita procedente de la mina en Caribou, Colorado. La magnetita es un óxido específico del hierro, Fe2O4, que conserva un campo magnético. Trabajé la magnetita con mi amoladora de banco en un pequeño imán cilíndrico. Desafortunadamente, la amoladura y el calor arruinaron el magnetismo. Sin embargo, fijándolo a un gran imán permanente, fui capaz de poner mi magnetita en un fuerte campo magnético. Entonces lo golpeé firmemente contra mi yunque. Créalo o no, aquél abuso restauró el campo magnético. ¡Contemplen! – la radio completada con la roca del condado de Boulder y el rollo de papel higiénico.

¿Cómo se mejora? Bien, francamente el auricular casero es patético y necesita un montón de I+D. El sonido es muy fuerte cuando lo conectamos en una radio real, pero instalado en el receptor a cristal, apenas puedo escuchar la música rap. Sin embargo si tengo un diafragma de acero más fino, un auricular para cada oído, acoplando la impedancia óptima, una mejor artesanía y otros refinamientos, se puede aproximar a un auricular comercial. En otras palabras, para escuchar en serio, comprad un buen auricular! Y, después de que juegues con cristales caseros, te sugiero que compres algunos diodos de silicio. Los diodos tipo 1N914 o 1N4148 trabajan muy bien en esta radio. Ellos no trabajan mejor que el diodo hecho con metal sulfúrico, pero son más pequeños, más resistentes y no necesitan ser enroscados.

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RECREANDO EL EQUIPO DE RADIO DE HERTZ

La mayoría de lo que he leído sobre la historia de la radio fue escrita por no-ingenieros. Ellos describen el revolucionario aparato inventado por nuestros héroes usando viejos términos de radio como “resonancias de la tierra”, “eter”, y “cohesores”. Ellos nos decían a cuan lejos transmitían, pero solamente nos dan las pistas más débiles sobre cómo el chisme trabajó realmente. ¿Era un transmisor de chispa? ¿Un alternador de alta velocidad? ¿Qué demonios era, de cualquier modo, un “oscilador Tesla”?

En 1884 James Maxwell publicó cuatro ecuaciones que cuantificaron y conectaron el magnetismo con el fenómeno eléctrico. Estas ecuaciones también predijeron la existencia de las ondas de radio. El cambio magnético y los campos eléctricos se relacionaron el uno al otro con funciones senoidales. Así pues, una vez que los físicos tuvieron las ecuaciones listas, no fue un salto demasiado enorme para concluir que una onda senoidal da forma a los campos eléctricos y magnéticos pudiendo generar el uno al otro en una oscilación y la energía de la radio podría propagarse a través del espacio.

En 1889 Heinrich Hertz, un profesor de física en la Universidad de Bonn, Alemania, fue el primero en demostrar las ondas de radio en el laboratorio. Por supuesto podría haber hecho esto en 1884, o 1887, dependiendo la página web que visites – ¡ah, la gloriosa era de la información!

Eso es fascinante, pero ¿Cómo pudo él demostrar las ondas de radio? Usando la tecnología de 1880, eso no podría haber sido sencillo. ¿Cómo sabía él que estaba detectando ondas y no acoplamientos magnéticos de una bobina a otra? O si su “antena” era capacitiva, ¿cómo sabía que no estaba observando un acoplamiento capacitivo? Si

yo fuera escéptico sobre la existencia de ondas de radio, pero si yo comprendiera las implicaciones completas de las ecuaciones de Maxwell, podría ser convencido si yo pudiera ver la comunicación a través de una distancia mayor a una longitud de onda.

Un mínimo de una longitud de onda significa que “la presunta onda electromagnética” puede cambiar la energía de un campo magnético a eléctrico y volver nuevamente por lo menos una vez. Por supuesto, yo también podría desear ver evidencias de ondas estacionarias y una forma de medir la frecuencia.

Demostrando las ondas hertzianas

Supongamos que tú eras Heinrich Hertz en el año 1884 y Maxwell acaba de predecir la existencia de las ondas de radio. Usando componentes disponibles en tu época, ¿cómo podrías generar odas hertzianas y nombrarlas en lugar de Hertzios? Si tú eres capaz de generar ondas de radio, ¿cómo podrías demostrar a un escéptico que tú lo has hecho? Hertz dirigió esta hazaña y aparentemente su demostración fue convincente. De lo contrario la unidad de medida para la frecuencia podría no haber sido los “Hertzios”. Un Hertzio equivale a un ciclo (una oscilación completa) por segundo.

Cuando tuve mi primera idea de jugar a ser el Dr. Hertz, yo no estaba capacitado para encontrar una descripción de sus aparatos. Eso era una buena cosa porque me forzó a inventar mi propio método para demostrar las ondas Hertzianas. Si tú sabes bastante de electricidad para estar capacitado a ocuparse del desafío, entonces saque su hardware de 1880 y construya un transmisor y un receptor que transmita por lo menos una longitud de onda. Si no sabes como empezar, siga leyendo.

Transmitir y recibir tan simplemente como sea posible.

El único detalle del aparato de Hertz que encontré descrito era el que detectaba su onda por medio de un aro de cable. El cable tenía una corriente y tensión tan grande inducidos en el por las ondas de radio que una chispa visible saltó a través del espacio en el círculo del cable. Guau! Debía haber sido una fuerte señal de radio que pudiera inducir toda esa energía en un aro de alambre. Y si la señal era tan grande, ¿a qué distancia del transmisor tenía que estar el aro? Yo supuse que la intensidad de la señal tenía que ser grande y el aro tenía que ser muy cerrado, como 30 o 60 centímetros

Si fuera un escéptico que ya supiera sobre los transformadores de Faraday, yo no podría ser convencido por esa demostración. ¿Cómo sabría yo que las ondas de radio se habían propagado a 30 centímetros de distancia al aro? Quizás todo lo que viera fuera un gran campo magnético que llega de una bobina a otra.

¿Quizás el ayudante de Hertz era justamente un transformador?

Un transformador es un dispositivo magnético que trabaja transmitiendo un campo magnético variante de una bobina a otra. Las bobinas (inductores), convierten la energía de una corriente eléctrica moviendo a través de un hilo en energía de campo magnético que permanece inmóvil en una nube como una región alrededor de la bobina. Si una segunda bobina está cerca de la primera bobina estará dentro de la “nube” magnética, entonces si se cambia el campo magnético, después se generará un campo eléctrico en la segunda bobina.

Los inductores almacenan energía magnética en el espacio alrededor de ellos, siempre que circule corriente a través de la bobina. Pero cuando la corriente deja de fluir, la energía magnética queda “atrapada” en el espacio. La energía magnética entonces vuelve a la bobina e induce una tensión en esa bobina que pueda forzar la corriente a un flujo continuo en una dirección. Es decir, la tensión inducida intentará mantener el estado del campo magnético y la bobina igual. Si la corriente se da por buena, entonces el campo magnético se colapsará completamente y la energía se disipará en la bobina y en cualquier circuito conectado a ella. Pero si la primera bobina esta en circuito abierto e incluso los altos voltajes no pueden restaurar el flujo de corriente, entonces el campo se colapsará en la segunda bobina. Si la tensión inducida está disponible, causará una corriente que fluirá en la segunda bobina para mantener el campo. O, como en el caso del detector de aro de Hertz, la tensión inducida causó una gran chispa saltando a través del espacio donde estaba la resistencia localizada arriba.

Pero yo pensé que los transformadores siempre fueron de hierro.

Puedes pensar que los transformadores no son débiles bobinas de aire sino cosas grandes de hierro como grandes cilindros de acero en el poste de energía eléctrica que hay en el callejón detrás de tu casa. Si, esas cosas de acero son transformadores pero están diseñados para líneas eléctricas de baja frecuencia. Una frecuencia de radiodifusión en AM está en una frecuencia del orden de un millón de Hz, mientras la compañía eléctrica suministra corriente a 50Hz. Por lo tanto, en vez de tener aire entre las dos bobinas, los transformadores eléctricos tienen hierro. El campo magnético de la bobina magnetiza el hierro temporalmente. Reclutando hierro y doblándolo en un imán incrementa el campo magnético mil veces o más.

Con un enorme campo magnético almacenado en el hierro, el transformador eléctrico puede transmitir cantidades de energía con solo 50 cambios de dirección por segundo. Un transformador similar sin núcleo de hierro podría transmitir la misma cantidad de energía, pero tendría que repetir el ciclo del campo magnético quizás mil veces más para transferir la misma cantidad de energía total.

Yo estoy consiguiendo adelantar mi historia, pero ¿por qué supones tu que la compañía eléctrica no usa 1 millón de Hertzios y no elimina todo ese hierro? Después de todo, a un millón de Hertzios la tensión de RF todavía podría ser un riesgo de quemadura, pero no podría electrocutar a nadie y sería considerablemente más segura. Desafortunadamente, a un millón de Hz las líneas eléctricas podrían actuar como antenas y radiar energía en el cielo en vez de entregarla en tu casa.

¿A cuanta distancia se debería transmitir para demostrar la existencia de las ondas Hertzianas?

Para estar seguros de que las ondas son Hertzianas y no solamente campos magnéticos, yo podría ser impresionado con la demostración si el detector (el receptor) estuviera retirado a una longitud de onda. Una longitud de onda es la distancia que una onda de radio viaja durante el tiempo que completa un ciclo de un campo magnético, al campo eléctrico, y vuelve al campo magnético.

La velocidad de la luz es de 186.000 millas por hora, o 300.000.000 metros por segundo (un metro es aproximadamente 39 pulgadas). Una longitud de onda es la distancia a la que una onda viaja mientras convierte durante un ciclo la energía magnética en eléctrica. La longitud de onda de la banda de radioaficionado de cuarenta metros (7MHz) es obviamente 40 metros. Resulta esto típico, las longitudes (totales) de las antenas para los transmisores de radio son media longitud de onda o un cuarto de longitud de onda. En 40 metros, un monopolo vertical típico es un cuarto de onda o 10 metros (33 pies) de altura. La banda de aficionado de 10 metros se extiende desde los 28.0MHz a los 29.7MHz.

¿Cual es exactamente la frecuencia en Hertzios para la banda de radioaficionado de 10 metros?. Para convertir la longitud de onda a frecuencia, dividir los metros por segundo de la velocidad de la luz por la longitud de onda:

Donde f representa la frecuencia, c representa la velocidad de la luz y λ representa la longitud de onda.

Velocidad de la luz / longitud de onda = Frecuencia en Hz.

300.000.000 metros/segundo / diez metros = frecuencia de 30 Millones de Hz (30MHz)

Recuerda que la banda de radio de AM se extiende desde los 550.000 Hz a 1.7 MHz. El canal 2 de televisión comienza en los 54MHz. La banda de radioaficionados de 10 metros está aproximadamente entre la banda de radio de AM y la TV.

Volviendo a la demostración Hertziana, si deseo transmitir una longitud de onda, en 40 metros, mi aro tendría que estar a 40.23 metros de mi transmisor. Francamente, yo no creo que el aro detector de Hertz trabajara a esa distancia. Y si así fuera, yo podría ser arrestado por usar un transmisor tan potente. Por regla general, la FCC no se opondrá a experimentos como éste si las ondas de radio no pasan de los 15 metros de distancia para fuerzas de señal fácilmente detectables. Por otra parte, yo podría usar una banda alta de radioaficionado como los 10 metros. Ahora yo sólo tengo que llegar a 10 metros de distancia. Esto es mejor, pero el aro sigue estando a más de 30 centímetros de distancia. Si me voy a las frecuencias de UHF, la longitud de onda puede reducirse a 30 centímetros, pero esas frecuencias son difíciles de generar y de medir con la tecnología de 1884. Yo tengo entendido actualmente que Hertz utilizó 4 metros de longitud de onda para sus demostraciones.

Diseñando el transmisor para 10 metros.

Por motivos de simetría yo usé circuitos LC idénticos para mi transmisor y receptor. Para imitar un poco lo que yo sabía sobre los aparatos de Hertz, usé un aro de hilo de unos 30 centímetros de diámetro. Yo conocía por experiencia que ver chispas en el lado del receptor era desesperanzador, así que hice también en el receptor un circuito LC que sabía que podría atrapar una oscilación procedente del transmisor.

En este punto, tú puedes comenzar desde el año 1880. Todo depende de cómo seas de purista para jugar el juego histórico. Yo usé para un condensador un condensador variable moderno. De esa manera, podría ajustar la capacidad y sintonizar la oscilación para una frecuencia en particular. Si deseara ser un purista, no sería difícil hacer un condensador de fabricación casera hecho con hojas de metal con papel para el aislamiento entre las placas. Personalmente, yo estaba seguro de que tal condensador funcionaría. Pero no deseé pasar horas haciendo uno.

Mi primer problema era como iniciar la oscilación en el transmisor LC. En teoría, poniendo en cortocircuito una batería a través del aro, cargaría el aro con una gran corriente limitada sólo por la resistencia interna de la batería. Entonces cuando quitara la batería, el campo magnético de la bobina descargará forzando una tensión que aparecerá a través del condensador. El aro entonces cortocircuitará al condensador y la oscilación comenzará.

Igual que el condensador variable, este proyecto irá más rápido si usas herramientas modernas para cerciorarte de que tus componentes están trabajando. Por ejemplo, para ver si mi transmisor era realmente un transmisor, usé un receptor para la banda de radioaficionado sintonizado en los 10 metros. Seguramente, cuando chasqueo la batería en los terminales del condensador, puedo escuchar un clic en el altavoz del receptor. Y cuando sintonicé el condensador, pude conseguir alcanzar el volumen máximo de sonido agudo en un ajuste específico de condensador. Por supuesto, si esto fuera 1880, yo tendría que hacer todo esto por suposición, prueba y error. Todos estos viejos tipos fueron fuertemente maldecidos.

Diseñando el receptor

El siguiente problema era como detectar cuando el aro del receptor estaba oscilando debido a las ondas del transmisor. ¿Qué usar como detector? La solución de 1889 podría ser usar un detector llamado “cohesor”. Los detectores cohesores fueron desarrollados para la telegrafía con hilos. En el tiempo en que una señal que se propagaba kilómetros abajo en un hilo telegráfico, la señal era a menudo demasiado débil para cerrar un relé mecánico. Los cohesores fueron usados para “amplificar” una señal débil de código Morse. Un cohesor era un pequeño frasco con limaduras de hierro o carbón. Cuando aparecía una diminuta tensión a través del frasco con limaduras, la resistencia de las limaduras caía precipitadamente. Esta caída de resistencia entonces permitía pasar la suficiente corriente a través de las limaduras y disparaba un relé llamado “sonador”. El sonador hacía un sonido de clic-clack que los operadores de telegrafía reconocían como un punto o una raya. Usando un cohesor, una señal débil podía conducir un sonador que no podría funcionar directamente. Para inicializar el cohesor para cada pulso, el pequeño frasco estaba montado en el sonador para que la vibración pudiera agitar las limaduras y lo mantuviera trabajando.

Desafortunadamente, los cohesores son dispositivos para baja frecuencia. Ellos son adecuados para “detectar” una señal DC en un hilo telegráfico que cruza un país. Yo dudaba que pudiera ser útil para usarse para pequeñas señales de radiofrecuencia. Siendo perezoso, no construí uno para descubrirlas. Además, mi detector de cristal hecho con piedras locales ciertamente está de acuerdo al criterio de 1880.Decidí construir un receptor de radio a cristal para 10 metros.

¿Qué hay de los auriculares? ¿Son de la tecnología de 1880? Sí, apenas. Alexander Bell construyó su primer teléfono en 1879. Usó un auricular diseñado igual que el dispositivo descrito anteriormente. Actualmente, para mi receptor de 10m usé unos viejos auriculares comerciales de alta impedancia en vez del auricular autoconstruido. No podía permitirme perder ninguna sensibilidad.

El comunicador más simple para 10 metros

Empecé con una antena/inductores de aro de unos 30 centímetros de diámetro para ambos receptor y transmisor. En vez del interruptor de chispa de Hertz, puse un condensador variable de 140pF entre ambos aros para tener circuitos LC sintonizados.

Receptor de radio a cristal para 10 metros.

Para cargar el circuito LC, usé un primitivo “generador de chispa”. Toqué los terminales de la batería a través del circuito LC mientras escuchaba en el receptor a cristal. Posicioné el receptor a cristal a una distancia de 30 centímetros del aro del transmisor. No podría ser una “radio” comunicación, pero por lo menos me diría si estaba en la pista adecuada. Generé chispas en el lazo del transmisor mientas sintonizaba el condensador. Cuando estaba sintonizado, podía obviamente oír repentinamente chasquidos en los auriculares. Estaba sorprendido de cómo de crítica era la sintonía. El aro grande tenía una relativa baja inductancia, así que el condensador tenía un rango de sintonía sobre los 30MHz. La sintonía tenía una forma muy penosa para los estándares modernos, pero el ajuste era crítico. En cualquier caso lo logré en un rango de 30 centímetros del aro del transmisor. Asombroso! Bien, es mucho más lejos que el área de acción del imán de un refrigerador.

Añadiendo un gran inductor con núcleo de hierro en serie con la batería, conseguí una chispa más grande, más sostenible y una señal mucho más alta en el receptor a cristal. El inductor era el primario de un transformador de filamento con núcleo de hierro que tenía en mi caja de los trastos. El secundario del transformador fue dejado en circuito abierto. Realmente, intenté con varios devanados de transformadores e inductores hasta que encontré uno que me dio la mayor chispa visible. La batería tenía seis acumuladores alcalinos en una batería de plástico procedente de Radio Shack. Mi manipulador telegráfico fue hecho con dos piezas de circuito impreso separadas una de otra por una pieza de madera (Ver Capítulo 9.)

Transmisor de chispa para 10 metros.

Recluté a mi XYL para que escuchara en los auriculares mientras yo movía el transmisor por la habitación. (Las esposas son conocidas como “XYL” en el código Morse. XYL proviene de “former young lady”). ¡Ahora que tenía el inductor y una chispa más grande, conseguí alejarme a una distancia de 3 metros! Le comenté a Katie que ella estaba haciendo el mismo trabajo que el asistente de Marconi, Mignani. Cuando Mignani escuchó repetidamente la “S” en Morse, pegó un tiro al aire con un rifle. “Pero ¿Dónde está mi rifle?” preguntó ella.

Un relé para manipulación automática

Desafortunadamente, una longitud de onda a 29 MHz son 10 metros y yo seguía demasiado cerca. Hummmmm…

¿Cómo conseguir los últimos 7 metros? Primero añadí un relé para manipular el inductor. Sí, había relés en 1880. El relé no tenía nada que hacer con la extensión de la distancia, pero me permitía continuar haciendo experimentos sin tener a Mignani escuchando por mí. Ya sabes, disparar el rifle y todo eso.

Un relé es una bobina/electroimán enrollada alrededor de un núcleo de hierro. Un trozo de bisagra de acero está suspendido por un resorte cerca del núcleo de hierro. Cuando la corriente pasa a través del electroimán, la bisagra de acero es atraída por el hierro con un “clic” audible. La bisagra, sucesivamente, cierra mecánicamente un interruptor que puede ser completamente independiente del circuito del electroimán. De esta manera, una corriente puede controlar un circuito independiente. En mi transmisor los contactos del interruptor en el relé vienen a ser mi “generador de chispa”. Cada vez que el interruptor se abre, una gran chispa salta a través de los contactos del interruptor, no es tan diferente de la chispa de la bujía de ignición de un automóvil.

Usando un relé, yo puedo usar mi manipulador de telegrafía electrónico, un “bug” pone “puntos”, al manipulador del transmisor automáticamente. Este “bug” casero se describe en el Capítulo 9. Si tú no tienes uno de esos, tendrás que tener tu manipulador “Mignani” en tu trasmisor. Con el transmisor generando una señal continua, yo puedo mover el receptor alrededor de mi casa. La señal escuchada es igual que el ruido de ignición de un automóvil que algunas veces escuchas en tu radio de AM.

Más alcance = mayor, grandes antenas mas grandes baterías

Puedo fácilmente incrementar el alcance del transmisor usando más baterías y más grandes y una bobina en serie de mayor tamaño. Si realmente busco extender la cobertura, puedo añadir un dipolo diseñado para 10 metros y ponerlo en el aire a unos 15 metros de altura. De hecho, esto es exactamente lo que hicieron los hombres de aquella época, ellos fabricaron grandes antenas y transmisores. Sin embargo esto era en 1880, no en el 2002. El problema con usar una longitud de onda de 10 metros es que, si incremento la efectividad de mi transmisor, puedo fácilmente escucharlo con mi receptor de cristal a 10 metros de distancia. Desafortunadamente, otra persona puede también escucharla en Australia. Eso sería malo puesto que los transmisores de chispa han estado prohibidos desde 1927.

La mejora más sencilla que podía hacer al receptor era añadir una antena dipolo de 5 metros. El dipolo consiste simplemente en dos hilos de 2.5 metros soldados en las placas del condensador de sintonía del receptor. El dipolo se orientó perpendicularmente a la trayectoria directa del transmisor. Eso se hizo. Ahora yo puedo evidentemente escuchar la señal procedente del sótano en la segunda planta de mi casa, a unos 15 metros de altura. ¡Esto estaba bien más allá de una longitud de onda de distancia! ¡Guauuuuu!

Buscando ondas estacionarias

Para medir la longitud de onda, puse una “antena transmisora” de hilo largo de unos 15 metros de longitud a través del piso y los superiores. Reduje las baterías del transmisor de 9 voltios a 3 voltios. Entonces encendí el transmisor. Quité el dipolo de receptor y usé el aro del receptor como “punta de prueba”. Caminando a lo largo del hilo, yo podía oír picos y nulos en recepción cada 2 metros a lo largo del cable. Lo que estaba escuchando eran “ondas estacionarias”. Cuando la corriente de RF llegan al final de un hilo abierto, rebotan hacia atrás a lo largo del hilo. Las ondas retornantes cancelan y refuerzan las ondas salientes haciendo los máximos y mínimos que yo escuchaba. Un gran número de picos significa que la longitud del hilo es diferente a una longitud de onda y las ondas estacionarias son complicadas. Si el hilo fuera exactamente una longitud de onda, yo debería escuchar solamente dos máximos –justamente las dos jorobas de una onda senoidal.

Engañé después. Puesto que sabía que la frecuencia era 29 MHz, calculé cual debería ser la longitud del hilo para una longitud de onda. Sintonicé el hilo exactamente a esa distancia e intenté nuevamente. Como se esperaba, había un único mínimo en el centro del hilo. La señal sinusoidal se reflejaba de un lado a otro desde un extremo del hilo al otro, con un mínimo, el paso por cero, en la mitad. Cuando las reflexiones no vienen uniformes, tú obtienes múltiples máximos y mínimos.

Por supuesto, conocer la respuesta antes de tú comiences no es lo que experimentó Hertz. Él tuvo que resolver todos los detalles por el camino difícil. También, saber la respuesta antes de tiempo predispone el resultado. El alineamiento exacto y la distancia del aro receptor respecto al hilo era crítico, hay una posibilidad de escuchar lo que yo deseaba oír. La artesanía y la honestidad escrupulosa son esenciales cuando se hace ciencia. Mi medidor de frecuencia obviamente necesita más trabajo.

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TRANSISTORES CASEROS

Aquí hay otro proyecto del que puedes disfrutar. También le introducirá a los principios básicos de los transistores bipolares. Schockley y Bardeen inventaron los primeros transistores mientras trabajaban para los Laboratorios Bell en 1947. En realidad, leí que los principios básicos para los transistores de efecto de campo fueron descritos en patentes Alemanas de los años 1930. Sin embargo, los transistores de efecto de campo no fuero desarrollados en componentes útiles hasta los años 1970. Primero usaremos uno de esos en el capítulo 6, pero serán analizados aquí.

El propósito de un transistor es “amplificar” pequeñas señales o controlar grandes corrientes o tensiones usando pequeñas señales de control. Los transistores pueden amplificar una pequeña señal que es audible solo con unos auriculares sensibles y la hace suficientemente fuerte para hacer funcionar un altavoz ensordecedor en un estadio en un concierto de rock. Alternativamente, un transistor puede usar una pequeña señal de control para activar una enorme corriente y tensión. Por ejemplo, un ingeniero en una planta de energía puede pulsar un teclado en un ordenador con una fracción de un miliamperio de corriente fluyendo a través del interruptor. Esta acción es amplificada y los resultados son megavatios de energía en cientos de miles de voltios fluyendo en dirección a la ciudad.

El transistor casero

Un transistor de punto de contacto

El primer transistor bipolar fue de tipo “punto de contacto”. Eran como el diodo de galena descrito hace poco. Después de que mis diodos trabajaran tan bien, me preguntaba si podría fabricar un transistor.

Construcción idealizada de un transistor bipolar PNP

La unión de un transistor “bipolar” consiste en dos diodos fabricados con el mismo cristal semiconductor. En el experimento anterior, yo intenté usar galena como semiconductor de tipo N. los diodos están conectados mutuamente de modo que parezcan como un circuito abierto entre los terminales llamados “emisor” y “colector”. Los dos puntos de cobre se suponen que tocan la galena muy juntos, esa es la pequeña región de semiconductor entre los dos puntos que puede ser balanceada por la corriente de base. La corriente de base se supone que convierte eléctricamente la región del semiconductor en conductor y así activar los dos diodos en oposición.

En teoría, el metal de los puntos de cobre esta difuminado en la superficie del cristal y crea una pequeña región de semiconductor tipo “P” donde el cobre toca al semiconductor. Desafortunadamente el “emisor” y “colector” son idénticos y no están optimizados para sus diferentes papeles como son los transistores bipolares comerciales. También intenté fabricar un transistor de cobre/acero/cobre, pero sin ninguna tensión de ruptura medible, actuaba igual que un cortocircuito. Mirando hacia atrás me imagino que era bastante obvio.

Transistores NPN

Una hábil ventaja de los transistores bipolares es que ellos pueden construirse de dos formas. Invirtiendo los semiconductores tipo P y tipo N, un transistor NPN puede construirse para que funcione exactamente igual que un transistor PNP, excepto que todas las polarizaciones y direcciones de corriente se invierten. La ventaja de tener dos polaridades es que los circuitos pueden a menudo simplificarse usando ambas clases en el mismo circuito. En la práctica, los transistores NPN son generalmente algo más robustos y menos probables a fallar con altas cargas de energía. Por esta razón, las etapas amplificadoras de potencia son casi siempre dispositivos de tipo N. Por otra parte fabricar un transistor NPN sin toscos cristales e imperdibles es intrínsecamente difícil!.

Probando la ganancia del transistor PNP casero

Medí las características estáticas voltaje/intensidad de mi galena, en el punto de contacto del transistor pero no mostraba ninguna ganancia con corrientes estáticas DC incluso en la gama de los microamperios. Antes de dejarlo, pensé que podría probarlo como un amplificador en el receptor de radio a cristal. Quizás yo podría demostrar la ganancia en el “sutil mundo de la detección de RF”.

Decidí que mi “transistor” probablemente trabajara como un “seguidor de emisor”. En un seguidor de emisor, no hay ganancia en tensión, solo amplificación de corriente. La carga, los auriculares, podría situarse entre el emisor y la cara positiva de la batería. Eso podría adaptar la impedancia entre la alta impedancia del detector y la baja impedancia (8 ohmios) de mis auriculares comerciales. Debido a que el diodo de galena se destruye típicamente con 1 voltio de tensión inversa, yo usé una batería de 9 voltios con un potenciómetro de 10K en serie así puedo limitar la tensión en el colector a 1 voltio o menos.

Esquema de radio Rock

Cuando moví la patilla del emisor por el cristal, una fuerte estación apareció repentinamente en los auriculares. Desconecté la batería. Seguramente, la música era mucho más fuerte con la batería conectada.

Un accidental micrófono de cristal

Con la batería puesta, pero el diodo de señal desconectado, escuché un tenue “grito de concha marina” –ya sabes, igual que un micrófono en directo. Golpeando suavemente en el chasis del transistor, escuché el sonido raspante muy amplificado en los auriculares. Me pareció haber construido un “¡micrófono de cristal!”. Cambié el transistor autoconstruido por un verdadero transistor PNP, un 2N3906, que amplifica igualmente pero que no tiene la característica como micrófono.

Transistores reparables

Mientras escuchaba una estación de radio, incrementé lentamente la tensión de la batería disminuyendo la resistencia del potenciómetro de 10K. Como la tensión DC colector-emisor ascendía rápidamente, el volumen se incrementaba más y más. Monitoricé la tensión DC media colector-emisor con un voltímetro de alta impedancia. Entonces de repente la tensión y el sonido desaparecieron. Disminuí la tensión nuevamente, pero el sonido no volvió. Que pena! Soplé a mi transistor! No sudaba. Arañé la patilla del colector del transistor en el cristal hasta que encontré un nuevo “dulce sitio” y volví al asunto. ¡Transistores reparables! Ahora hay un concepto. Después de varios intentos encontré un dulce punto con una tensión de 5 voltios antes que el transistor muriera.

Ahora que tenía un amplificador en mi receptor de radio a cristal, cambié el auricular comercial por el “auricular Caribou” autoconstruido que describí anteriormente. Tú puedes recordar que este auricular fue construido con un trozo de mineral de magnetita y una pequeña tapadera de lata para el diafragma. Seguramente, el sonido era lo suficientemente fuerte para entender las palabras actuales, distinto a la lejana música.. ¡El progreso!

¿Es esto ganancia o qué?

En la imparcialidad, la mayoría de la “ganancia” o amplificación que observé fue conducida por la corriente DC al auricular que ayuda a superar la histéresis de los componentes de acero en el auricular. Cambié el transistor por una resistencia variable de modo que la batería fuera la única función que controlara al auricular. Eso producía sonido extra, especialmente para el auricular autoconstruido que tenía un imán muy débil. Después de cambiar la resistencia y el transistor de un lado a otro, el transistor era claramente más fuerte, unos 5dB (decibelios) en mi multímetro.

Mientras perdía el tiempo con los puntos de contacto, pronto arruiné el cristal. Bajo el microscopio podía ver cobre esparcido en la superficie de la galena. Cuando construí recambios, nunca trabajaron tan bien. Pasé otra mañana intentando demostrar concluyentemente ganancia construyendo un oscilador de RF. Nunca conseguí ver nada de él, aunque por supuesto el transistor PNP real trabajaba bien.

En conclusión

Sí, Virginia, tiene transistores caseros. Pero la ciencia que no es reproducible no es ciencia. Sin una mejor tecnología de base, mis transistores caseros no tienen futuro excepto quizás como micrófonos. ¡Oh, bien. Mantener las ideas y los sueños!

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