Subiendo la potencia de transmisión Parte I: ¿Hay beneficios y perjuicios?

El motivo de este artículo no es en absoluto incentivar el aumento de la potencia de transmisión de un equipo, cuyo procedimiento es ilegal ya que la legislación determina las potencias máximas de transmisión dependiendo del tipo de licencia que se posea y aunque así no fuese, se excederán las normas concernientes a la emisión de espúreos que pueden provocar interferencias en otras frecuencias

A todos los radioaficionados en alguna oportunidad se nos ha pasado por la mente aumentar la potencia de transmisión, especialmente luego de tener un contacto radial de larga distancia (DX) del cual podríamos haber llegado de mejor manera. Esa frustración se traduce en un impulso para ir mejorando nuestra estación y de manera casi automática pensamos en aumentar la potencia de transmisión como primera medida, porque en realidad resulta ser la más facil. No falta el colega o el técnico de equipos que nos puede hacer ese trabajo consultando el manual de servicio, para saber cuales trimmers, potenciómetros o bobinas se deben retocar para obtener el tan ansiado objetivo.

Sabemos perfectamente que hay una serie de condicionantes que actúan como variables para aumentar la distancia de nuestra transmisión de las cuales podemos contar las siguientes entre tantas otras:

• Condiciones de propagación ionosférica influida por la hora del día, estación del año y actividad solar.
• Ruidos de origen natural y/o artificial que perturba la recepción de señales más débiles.
• Tipo de antena y lóbulo de radiación.
• Altura de antena y el tipo de terreno de donde se encuentra.
• Tipo de cable de alimentación de antena en función de sus características y su longitud.
• Adecuada fuente de poder que suministre tensión y corriente más que suficiente de acuerdo a los requerimientos energéticos sumado a cables de corta longitud y de calibre necesario.
• Potencia de transmisión y tipo de modulación.

De lo listado se tienen aspectos de los cuales no podemos alterar como lo son las condiciones de propagación atmosférica y el ruido de origen natural muy especialmente en las bandas de HF, mientras que en los factores restastes podemos ir subsanando siempre y cuando no signifique grandes inversiones de dinero que no estemos dispuestos a realizar por diversas razones. Es por ello que siempre la solución más simple será: aumentar la potencia de transmisión.

El motivo de este artículo no es en absoluto incentivar el aumento de la potencia de transmisión de un equipo, cuyo procedimiento es ilegal ya que la legislación determina las potencias máximas de transmisión dependiendo del tipo de licencia que se posea y aunque así no fuese, se excederán las normas concernientes a la emisión de espúreos que pueden provocar interferencias en otras frecuencias especialmente las relacionadas con servicios de emergencia, instituciones gubernamentales, instituciones privadas, servicios utilizados por la población en general y los que terminan afectando la sana convivencia entre los propios radioaficionados.

Espero poder demostrar de manera teórica y con evidencia empírica sobre los efectos negativos de realizar tal procedimiento, acudiendo a principios básicos de electricidad y electrónica en conjunto con otros instrumentos que nos pueden aportar información que no logramos ver y quizás tampoco oír.

Etapa de potencia de transmisión

Para efectos de análisis de circuitos, he seleccionado al Kenwood TS-440 ya que comparte los mismos transistores finales de varios modelos de la marca que corresponden al 2SC2879. Dichos transistores se encuentran fuera de producción de su fábrica hace ya varios años, por lo que es casi imposible encontrar transistores viejos pero nuevos (new old stock) o aquellos que quedaron guardados años atrás en algún lugar esperando ser utilizados. El resto de los que se pueden encontrar en el mercado son usados con posible desgaste y los nuevos son falsificaciones de origen chino los cuales no entregan su potencia nominal ni cumplen con las características eléctricas del transistor original. Es por ello que se debe cuidar la etapa de potencia como hueso santo, porque si se daña, el equipo no volverá a ser el mismo.

Figura 1: Detalle de etapa de potencia de transmisión de Kenwood TS-440

En la Figura 1 se observa en rojo las líneas de tensión de alimentación eléctrica positiva que requiere el circuito en donde la etapa final (Q4 y Q5), está alimentada directamente de ella debido a la alta corriente que debe circular por allí en alta potencia.

Según el manual de servicio, la corriente consumida en TX para máxima potencia es de alrededor de 20 Amper, lo que significa que la potencia total consumida es de 275 Watts lo que nos ofrece un rendimiento del 50% si la potencia PEP es de 130 Watts. Este dato es importante para poder darnos una idea de la cantidad de corriente que se requiere para obtener la máxima potencia que el fabricante garantiza.

Antes de subir la potencia, se debe saber cuánto es lo que podemos obtener y para eso debemos analizar los transistores finales.

Transistores finales del TS-440

Los transistores Q4 y Q5 son los transistores finales, cuya identificación es 2SC2879 del fabricante Toshiba.

De acuedo a la hoja de datos del 2SC2879, puede desarrollar 100 Watts PEP y como máximo 140 Watts PEP, lo cual se ve muy interesante ya que los equipos HF poseen dos transistores finales en configuración PUSH-PULL por lo que se obtendría 200 Watts PEP hasta un máximo de 280 Watts PEP. En resumen, obtendríamos más del doble de potencia de lo que el equipo entrega de fábrica. Lo cierto es que es que no logremos alcanzar esa potencia ya que se deben tomar en cuenta otros factores.

Como ya sabemos, en bandas laterales LSB y USB la potencia de transmisión depende de la intensidad de la señal de baja frecuencia que ingrese al equipo, ya sea por micrófono o señales digitales, por lo tanto mientras más ganancia tenga el micrófono, obtendremos mayor potencia de transmisión hasta un cierto límite: el ALC.

ALC corresponde a las siglas de Automatic Level Control, que en español se traduce en Control Automático de Nivel. Es un circuito electrónico que mide la corriente consumida por los transistores finales monitoreada por un comparador realizado típicamente por un amplificador operacional, y como todo comparador, un voltaje de referencia para esos efectos y que se logra con un potenciómetro de ajuste. Su funcionamiento es muy sencillo: si la corriente consumida por la etapa final es superior a la tensión de referencia del ALC, entonces la salida del ALC provocará una atenuación a la señal de RF de los pasos amplificadores provocando que la potencia de salida se mantenga lo más constante posible sin superar el máximo prefijado. Por más que se dé mayor ganancia del micrófono y se grite delante de él, el ALC evitará que la potencia de salida supere los 100 Watts RMS (aproximadamente 120 – 130 Watts PEP).

Queda claro entonces que se debe actuar sobre dicho comparador para que no limite la máxima potencia a 100 Watts sino que dejarlo menos sensible o mejor aún desactivarlo para obtener la máxima potencia que nos dan los transistores finales. Paso inicial entonces, es mover el potenciómetro del comparador del ALC y así obtener la potencia deseada del orden de los 250 Watts PEP. Es algo muy sencillo de realizar y con pocos conocimientos técnicos se puede lograr especialmente al día de hoy gracias a videos y foros de internet que enseñen este truco.

Al modificar los valores de ajuste del ALC, ¿trae consecuencias para nuestro equipo?

Para poder responder esta pregunta, hay que recordar que el rendimiento energético del equipo es de un 50%, lo que quiere decir que del 100% de la energía suministrada por la fuente de poder en transmisión, un 50% se convertirá en potencia RF y el 50% restante en calor.

Siendo así, para lograr 250 Watts la fuente de poder debe suministrarnos el doble de potencia y como mínimo que debiese ser mayor a 500 Watts. Como punto de partida ya tenemos mayor consumo de energía y al utilizar baterías, su tiempo de autonomía se verá disminuida. 

Del mismo modo vamos a experimentar que el equipo se va a calentar mucho más de lo normal, y quizás no sea tan problemático ya que este equipo posee un gran disipador con ventilación forzada, sin embargo en equipos móviles como un IC-706, FT-100 o FT-857 los que poseen muy poca superficie de disipación, les provocaría un serio riesgo de avería por exceso de calor. 

Los cables internos de un equipo HF tienen un calibre definido según la corriente de la cual fué diseñado, y si antes podía soportar 20 Amper de corriente, con esta modificación la corriente será de 36 Amper aproximadamente. ¿Resistirá el cableado?, supongamos que si y sigamos avanzando.

Al aumentar la potencia al doble, estamos haciendo que los transistores esten trabajando al 100% y no al 50% como estaban originalmente y es exactamente lo mismo al manejar un automóvil a unas 2.500 RPM y descubrimos que puede andar mucho más rapido si lo llevamos a unas 6.000 RPM quedando la aguja en la zona roja. Puede que no pase nada, pero sabemos que estamos jugando a la ruleta rusa. Sigamos avanzando suponiendo que aún no sale humo negro…

Luego de la etapa de potencia de todo equipo de radio, la energía pasa por un filtro pasabajos específico por banda que se conmuta con relés. La misión de estos filtros es impedir que las frecuencias armónicas provoquen problemas en bandas asignadas para otros servicios. Los filtros deben cumplir requisitos de atenuación por octava de acuerdo a las normas internacionales fijadas por organismos como la FCC de Estados Unidos.

Estos filtros constan de bobinas y condensadores: las primeras están hechas de alambre de cobre esmaltado de un cierto calibre y longitud, mientras que los segundos poseen capacidad y una tensión máxima de funcionamiento. Allí nos podemos encontrar con un gran problema y es por la circulación de corriente por las bobinas las que generarán calor y eso al mediano plazo generará soldaduras frías. Los efectos de las soldaduras frías se tratará en la segunda parte.

En cuanto a la tensión de aislación de los condensadores, en este equipo bordea los 500 voltios, pero en modelos más recientes el voltaje de aislación es menor para ahorrar costos de fabricación. Para tener una idea, una potencia de 100 Watts RMS en una carga de 50 Ohms posee una tensión de 70 voltios y un amper de corriente. En consecuencia, 250 Watts RMS son alrededor de 110 Voltios y con una corriente superior a los 2 Amper. Con ello debemos considerar a los relés, los cuales sus contactos soportan un Amper nominal, pudiendo generar soldaduras frías en sus contactos de la placa de circuito impreso, además de dañarse y dejar de conmutar. Un fallo de relé en la etapa de filtros pasabajos puede provocar la muerte inmediata de los transistores finales cuando trabajan a alta potencia, ya que quedan sin carga a su salida y sin ningún tipo de protección, ya que el resto de las protecciones se encuentran después de la etapa de filrado. Aquí nos encontramos con el primer problema que puede suceder, el cual es la pérdida de los transistores finales por fallo en tarjeta de filtros. Cuidado, que esto rara vez sucede de la noche a la mañana, sino simplemente cuando menos lo esperamos.

Dañando la protección en transmisión del equipo

Todo equipo de HF, posee un medidor de ROE incorporado. En el caso del TS-440 dentro de las funcionalidades que posee, es la de ver la ROE en antena pero hay otros equipos que no arrojan esa información, por lo que requerimos el uso de un medidor de ROE externo. Aún así en todos los equipos que no muestran valor de ROE al usuario, lo hacen de manera interna a través de sus circuitos internos de protección sin que el operador se entere.

Para conocer el valor de la ROE, lo que primero debemos saber es la potencia directa (forward) la cual es la potencia que está generando el equipo sobre una carga fantasma o una antena debidamente calibrada. En caso de una desadaptación de impedancia, la energía reflejada nos indicará cuánta potencia no está siendo irradiada por la antena. Ello se logra gracias al uso de diodos rápidos, los cuales  van a rectificar las tensiones recogidas las cuales son proporcionales a ambas potencias: la directa hará que la aguja de potencia se deflecte según modulemos y la reflejada indicará cuánta ROE posee la antena.

Dichos diodos, no suelen superar los 50 o 70 voltios de tensión de ruptura, por lo tanto es un fallo típico que al aumentar la potencia esos diodos se dañarán y caerán en corto circuito. Este fallo se traduce en que el equipo no deflectará la aguja de potencia al modular haciéndonos pensar que no está transmitiendo, cuando no es así, pero por lo general siempre se daña el diodo relacionado con la rectificación de la potencia reflejada. Se daña debido a que las desadaptaciones de impedancia al tener potencia de RF de vuelta, lo que genera tensiones superiores a las que puede resistir y se termina abriendo o cayendo en cortocircuito.

¿Que puede ocurrir con un diodo del SWR interno dañado?

Como se indicó anteriormente, por lo general se daña el diodo rectificador de onda reflejada y ello significa que el circuito no detectará tensiones relacionadas con las estacionarias. Esto quiere decir que si la antena tiene una ROE superior a 3:1, el equipo no se percataría de ello y no actuaría la protección de la etapa de potencia, por lo tanto no disminuiría la potencia sumado a que si hemos desajustado el ALC, el equipo estará transmitiendo a una potencia superior a los 150 Watts con picos de 180 Watts a 200 Watts facilmente.

En estas condiciones, los transistores finales se ven seriamente comprometidos por lo siguiente:

• Al aumentar la potencia de transmisión, va a aumentar la energía eléctrica consumida y por ende la temperatura de disipación.
• Al aumentar la potencia de transmisión más allá de lo calculado por el fabricante, la corriente consumida estará muy cerca o superior de los valores máximos recomendados.
• Cuando se aumenta la ROE, los equipos disminuyen la potencia, ya que en caso contrario la corriente consumida por el transistor será mayor pero con una menor eficiencia energética. O sea la corriente consumida extra no se transforma en RF sino que se convierte directamente en calor.
• El circulo vicioso de aumento de corriente y de temperatura finalmente daña las junturas del transistor, siendo  típicamente el daño de la juntura base-emisor en transistores bipolares o gate-source en transistores MOS-FET.

Para finalizar la primera parte, debemos comprender que en muchos casos los fabricantes evitan que los transistores superen el 50% de sus valores nominales, y de esa manera aumentar su vida útil protegiéndolos de las inclemencias de los usuarios. Es más, si pudiésemos hacer que los transistores trabajasen el 100% de su ciclo, con el paso del tiempo nos daríamos cuenta que de manera paulatina irían perdiendo potencia. Si, los transistores también se agotan.

*Origen de la imagen de encabezado https://n9.cl/bwzjp

Continuará…