Circuito regenerativo

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 de nuevo a su entrada para añadirse 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 del amplificador. ^{[4] [5] [6]}

El receptor regenerativo fue inventado en 1912 ^[7] y patentado en 1914 ^[8] por el ingeniero eléctrico estadounidense Edwin Armstrong cuando era estudiante de pregrado en la Universidad de Columbia . ^[9] Fue ampliamente 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 "tickler" o una toma en la bobina) porque introduce alguna resistencia negativa .

Debido en parte a su tendencia a radiar 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 "reflejos" ) y especialmente por otra invención de Armstrong: los receptores superheterodinos ^[10] y en gran medida se considera 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 .

Un circuito receptor que utilizaba mayores cantidades de regeneración de una manera más complicada para lograr una amplificación aún mayor, el receptor superregenerativo , también fue inventado por Armstrong en 1922. ^{[11] [5] : p.190} Nunca se usó ampliamente en receptores comerciales generales, pero debido a su pequeño recuento de piezas se usó en aplicaciones especializadas. Un uso generalizado durante la Segunda Guerra Mundial fueron los transceptores IFF , donde un solo circuito sintonizado completaba todo el sistema electrónico. Todavía se usa 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 al alimentar 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 usan 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 resonante . En los receptores regenerativos que usan solo un dispositivo activo, el mismo circuito sintonizado está acoplado a la antena y también sirve para seleccionar la frecuencia de radio que se recibirá, generalmente por medio de capacitancia variable. En el circuito regenerativo discutido aquí, el dispositivo activo también funciona como un 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 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 consiste en inductancia y capacitancia. La amplificación de voltaje regenerativa es donde es la amplificación no regenerativa y es la porción de la señal de salida que se retroalimenta 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 es 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 puede verse como la introducción de una resistencia negativa al circuito sintonizado. ^[19] La del circuito sintonizado con regeneración es . ^[19] La regeneración aumenta la . La oscilación comienza cuando . ^[19]${\displaystyle u_{\mathrm {o} }}$${\displaystyle u_{\mathrm {o} }=u/(1-ua)}$${\estilo de visualización u}$${\estilo de visualización a}$${\estilo de visualización 1-ua}$${\estilo de visualización Q}$${\displaystyle Q=X_{\mathrm {L}}/R}$${\displaystyle X_{\mathrm {L} }}$${\estilo de visualización R}$${\estilo de visualización R}$${\displaystyle R_{\mathrm {r} }}$${\estilo de visualización Q}$${\displaystyle Q_{\mathrm {reg} }=X_{\mathrm {L} }/(R-|R_{\mathrm {r} }|)}$${\estilo de visualización Q}$${\displaystyle |R_{\mathrm {r} }|=R}$

La regeneración puede incrementar la ganancia de detección de un detector en un factor de 1.700 o más. Esto es una mejora considerable, especialmente para los tubos de vacío de baja ganancia de los años 1920 y principios de los años 1930. El tubo de rejilla de pantalla tipo 36 (obsoleto desde mediados de los años 1930) tenía una ganancia de detección no regenerativa (voltaje de placa de frecuencia de audio dividido por voltaje de entrada de radiofrecuencia) de solo 9,2 a 7,2 MHz, pero en un detector regenerativo, tenía una ganancia de detección tan alta como 7.900 en regeneración crítica (no oscilante) y tan alta como 15.800 con regeneración justo por encima de la 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 obtenible sin autooscilación". ^[16] Intrínsecamente, hay poca o ninguna diferencia en la ganancia y estabilidad disponibles en 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 proporciona 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 que el detector regenerativo se configure para una ganancia y selectividad máximas, que siempre está en la condición no oscilante. ^{[16] [24]} La interacción entre el detector y el oscilador de batido se puede minimizar haciendo funcionar 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 de bucle de poco menos de uno). El resultado de esto es aumentar en gran medida la ganancia del amplificador en la frecuencia de paso de banda (frecuencia de resonancia), mientras que no la aumenta en otras frecuencias. De modo que la señal de radio entrante se amplifica por 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 la Q ) por un factor igual, lo que aumenta la selectividad del receptor. ^[25]

Para la recepción de radiotelegrafía CW ( código Morse ), la realimentación se incrementa 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 frecuencia de diferencia, típicamente de 400 a 1000 Hertz, está en el rango de audio; por lo tanto, se escucha como un tono en el altavoz del receptor siempre que esté presente la señal de la estación.

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 de CW. La sintonización 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 los costosos tubos de vacío , reduciendo así la cantidad de tubos necesarios y, por lo tanto, el costo de un receptor. Los primeros tubos de vacío tenían una ganancia baja y tendían a oscilar en frecuencias de radio (RF). Los receptores TRF a menudo requerían 5 o 6 tubos; cada etapa requería sintonización y neutralización, lo que hacía que el receptor fuera engorroso, consumiera mucha energía y fuera difícil de ajustar. Un receptor regenerativo, por el contrario, a menudo podía 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 la caída del costo de los tubos. Desde la llegada del transistor en 1946, el bajo costo 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 los 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 se sintoniza a una frecuencia diferente. La impedancia de la antena varía con la frecuencia, modificando la carga del circuito sintonizado de entrada por la antena, lo que requiere que se ajuste 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] : p.189}

Una desventaja del detector regenerativo de dispositivo activo único en funcionamiento autodino 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 emitir una señal desde su antena, por lo que puede causar interferencias a otros receptores cercanos. Añadir una etapa amplificadora de RF entre la antena y el detector regenerativo puede reducir la radiación no deseada, pero añadiría gastos y complejidad.

Otras deficiencias 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 de manera caótica . ^{[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 o de 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 universitario. ^[31] Patentó el circuito superregenerativo en 1922 y el receptor superheterodino en 1918.

En 1914, Lee De Forest presentó la patente estadounidense 1170881, que se convirtió en la causa de un litigio polémico con Armstrong, cuya patente para el circuito regenerativo se había emitido en 1914. El litigio duró hasta 1934, abriéndose paso a través del proceso de apelaciones y terminando en la Corte Suprema . Armstrong ganó el primer caso, perdió el segundo, quedó en punto muerto en el tercero y luego perdió la ronda final en la Corte Suprema. ^{[32] [33]}

En la época en que se introdujo el receptor regenerativo, las válvulas de vacío eran caras y consumían mucha energía, además del gasto y la carga añadidos que suponían las pesadas baterías. Por eso, este diseño, que conseguía la mayor ganancia con una sola válvula, satisfizo las necesidades de la creciente comunidad de radio y prosperó de inmediato. Aunque el receptor superheterodino es el receptor más común en uso hoy en día ^{[ ​​cita requerida ]} , 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 campaña alemana "Torn.Eb". ^[34] Los receptores regenerativos necesitaban muchos menos tubos y un menor 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 el equipo de identificación de amigos y enemigos y en la espoleta de proximidad de alto secreto . Un ejemplo de esto es el tiratrón en miniatura RK61 comercializado en 1938, que fue diseñado específicamente para funcionar como un triodo de vacío por debajo de su voltaje de ignición, lo que le permite amplificar señales analógicas como un detector superregenerativo autoextinguible en receptores de control por radio , ^[35] y fue el principal desarrollo técnico que condujo al desarrollo en tiempos de guerra de armas controladas por radio y al desarrollo paralelo del modelado controlado por radio como pasatiempo. ^[36]

En la década de 1930, el diseño superheterodino comenzó a suplantar gradualmente al receptor regenerativo, ya que las válvulas se volvieron mucho más baratas. En Alemania, el diseño todavía se usaba en los millones de "receptores populares" ( Volksempfänger ) y "receptores pequeños alemanes" (DKE, Deutscher Kleinempfänger) producidos en masa. Incluso después de la Segunda Guerra Mundial, el diseño regenerativo todavía estaba presente en los primeros diseños alemanes minimalistas de posguerra en la línea de los "receptores populares" y "receptores pequeños", dictados por la falta de materiales. Con frecuencia, se emplearon válvulas militares alemanas como la "RV12P2000" en tales diseños. Incluso hubo diseños superheterodinos, que usaban el receptor regenerativo como una combinación de IF y demodulador con regeneración fija. El diseño superregenerativo también estaba presente en los primeros receptores de transmisión FM alrededor de 1950. Más tarde, se eliminó casi por completo de la producción en masa, permaneciendo solo en kits de aficionados y algunas aplicaciones especiales, como abridores de compuertas.

El receptor superregenerativo utiliza una segunda oscilación de frecuencia más baja ( dentro de la misma etapa o utilizando una segunda etapa de oscilador) para proporcionar ganancias de circuito de dispositivo único de alrededor de un millón. Esta segunda oscilación interrumpe o "apaga" periódicamente la oscilación de RF principal. ^[37] Las tasas de extinción ultrasónica entre 30 y 100 kHz son típicas. Después de cada extinción, la oscilación de RF crece exponencialmente, comenzando con 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 que se tarda en 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) rudimentario pero muy efectivo.

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 superregenerativo siempre oscila por sí mismo, 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 los 27 MHz y para señales en las que es deseable una sintonización amplia. La superregeneración utiliza muchos menos componentes para una sensibilidad casi igual a la de los diseños más complejos. Es fácilmente posible construir receptores superregenerativos que funcionen a niveles de potencia de microvatios, en el rango de 30 a 6000 MHz. Elimina la necesidad de que el operador ajuste manualmente el nivel de regeneración justo por debajo del punto de oscilación: el circuito se saca automáticamente de la oscilación periódicamente, pero con la desventaja de que pequeñas cantidades de interferencia pueden ser un problema para otros. Estos son ideales para aplicaciones de teledetección o donde la vida útil prolongada de la batería es importante. Durante muchos años, los circuitos superregenerativos se han utilizado 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 costo.

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 interferentes. Debido al teorema de Nyquist , su frecuencia de extinción debe ser al menos el doble del ancho de banda de la señal. Pero la extinción con sobretonos 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 general del superregenerador no puede ser inferior a 4 veces la frecuencia de extinción, suponiendo que el oscilador de extinción produce una onda sinusoidal ideal.

• US 1113149, Armstrong, EH, "Sistema de recepción inalámbrica", publicado el 6 de octubre de 1914, emitido el 29 de octubre de 1913 
• US 1170881, de Forest, Lee, "Sistema de recepción inalámbrica", publicado el 8 de febrero de 1916, emitido el 12 de marzo de 1914 
• US 1342885, Armstrong, EH, "Método de recepción de oscilaciones de alta frecuencia", publicado el 8 de febrero de 1919, emitido el 8 de junio de 1920 
• US 1424065, Armstrong, EH, "Sistema de señalización", publicado el 27 de junio de 1921, emitido el 25 de julio de 1922 
• US 2211091, Braden, RA, "Receptor de magnetrón superregenerativo",  1940.

• Receptor de audio
• Circuito eléctrico sintonizado
• Multiplicador Q

• Lewis, Tom (1991), Empire of the Air: los hombres que hicieron la radio , Nueva York: Edward Burlingame Books, ISBN 0060981199
• Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast, Londres: Ernest Benn LimitedHistoria de la radio en 1925. Tiene la decisión de apelación del 5 de mayo de 1924 de Josiah Alexander Van Orsdel en De Forest v Armstrong , pp 46-55. El tribunal de apelaciones le atribuyó a De Forest el circuito regenerativo: "Se revocan las decisiones del Comisionado y se otorga prioridad a De Forest". p 55.
• Robinson, HA (febrero de 1933), "Detectores regenerativos, qué obtenemos de ellos: cómo obtener más", QST , 17 (2): 26–30 y 90
• Ulrich L. Rohde, Ajay Poddar www.researchgate.net/publication/4317999_A_Unifying_Theory_and_Characterization_of_Super-Regenerative_Receiver_(SRR)

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• Algunos desarrollos recientes en el receptor de audión por EH Armstrong, Actas del IRE ( Instituto de Ingenieros de Radio ), volumen 3, 1915, págs. 215–247.
• Un receptor regenerativo de un transistor.
• Armstrong v. De Forest Radio Telephone & Telegraph Co. (2nd Cir. 1926) 10 F.2d 727, 8 de febrero de 1926; certificado denegado 270 US 663, 46 S.Ct. 471. Opinión en leagle.com
• Armstrong contra De Forest , 13 F.2d 438 (2.º Cir. 1926)