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La radio de galena. Descripción y funcionamiento

 

 

En los albores de la era tecnológica, cuando la radio hacía sus primeros pinitos tras la verificación experimental de las ondas electromagnéticas por Hertz, y las experiencias de Marconi -bastante después de su descubrimiento teórico a partir de la combinación de las ecuaciones de Maxwell que genera la ecuación de onda-, todavía no estaban nada perfeccionados los mecanismos de modulación de la señal eléctrica transmitida y la tecnología conocida no permitía grandes maravillas en la transmisión y la recepción de la radio.

El primer problema a resolver consistía en obtener una manera fácil de mezclar la información a transmitir, o señal moduladora,  con un tono o portadora que permitiese su propagación óptima asociada a las variaciones temporales armónicas de la ecuación de onda, consiguiendo adaptar la señal modulada resultado de dicha mezcla a un canal de comunicaciones lo suficientemente bueno en cuanto a carencia de ruidos indeseados notables, una baja atenuación de la onda en su viaje, así como el hecho de utilizar una frecuencia no usada en el espacio físico identificado con el canal para evitar interferencias. Pues bien, el primer intento de transformación matemática de la señal moduladora lo constituyó la modulación de amplitud (AM), por ser el esquema más natural concebible, y consiste en multiplicar la portadora con la señal moduladora, que varía mucho más lentamente que la primera, de modo que la información queda retenida en la envolvente de la onda a transmitir. Es una forma natural de hacerlo, y que permite, si se usa suficiente potencia de transmisión, un gran alcance, a pesar de que es muy sensible a los ruidos. Los ruidos son señales indeseadas producidas por tormentas, y ruido térmico producido por el flujo natural de la corriente en los dispositivos con componente resistiva, con el consabido calentamiento de los mismos, a la cual se le suma una cantidad muy grande de pequeñas corrientes de estadística gaussiana generadas por los choques entre portadores de carga y núcleos atómicos, en todas las direcciones, y que se superponen a la corriente media. Dicha componente superpuesta es precisamente el ruido térmico, que al llegar a un elemento radiante es emitido hacia el receptor, aunque también se debe tener en cuenta la atenuación por hidrometeoros (donde lo que más influye es la atenuación que sufre la onda por la absorción molecular que se produce en las moléculas de agua y/o por dispersión de la energía por ser el agua buena conductora).

En un principio la modulación que se utilizó para las comunicaciones era la modulación de amplitud. Aún es usada hoy por ejemplo en las emisiones de onda corta, en variantes en las que se suprime una de las bandas laterales del espectro de radiofrecuencia. Por ser la señal real, su espectro tiene módulo simétrico respecto al eje de la frecuencia de portadora, con lo cual se evita el envío de información redundante. Queda por tanto el espectro configurado mediante la banda de media frecuencia, las frecuencias superiores (para USB) -o inferiores (para LSB)- y el piloto de portadora -también se puede emitir con portadora suprimida-; y esta modulación se conoce en general como Banda Lateral Suprimida (SSB). Además este mismo esquema -otra variante de la modulación AM o de amplitud- fue usado para la transmisión analógica de televisión, antes de la actual TDT digital; en concreto se usaba una subportadora, para ser modulada en amplitud en cuadratura por dos señales diferencia de color, intercaladas en un hueco del espectro de la señal de luminancia, y estando el sonido modulado en FM a una frecuencia de subportadora mayor. Al menos se operaba así en el antiguo estándar europeo de televisión analógica, conocido como PAL.

Tal vez una de las primeras implementaciones de receptor de radio capaz de transformar la modulación AM en algo audible -en la propia señal moduladora- es un esquema muy simple conocido como radio de galena, que se representa en la figura de más arriba. La radio de galena responde a la forma lógica de detectar la moduladora en una señal AM, esto es, responde a obtener la envolvente de la señal modulada transmitida y recibida en el receptor y aplicarla a unos auriculares. Recuérdese que las variaciones lentas de la señal moduladora contienen la información a recibir. Véase el dibujo de más abajo, que representa una señal moduladora modulando a una portadora.

La galena es un mineral, en concreto sulfuro de plomo, y cristaliza en forma de cristales cúbicos. Tiene una propiedad muy interesante, que es que según algunas direcciones a su través rectifica una corriente eléctrica, esto es, la deja pasar en un sentido pero no en el contrario. Lógicamente, si la señal modulada transmitida una vez recibida es pasada por una galena con el ajuste adecuado, dejará pasar sólo la parte positiva de la corriente eléctrica, y si usamos a su salida un condensador conseguiremos que la parte positiva antes de la bajada hacia valores negativos de la señal modulada cargue esa capacidad, que será descargada a través de los auriculares lentamente en la parte en la que la galena no permite paso de corriente, por estar ésta en el otro sentido -galena en corte-. Se obtiene así una señal sin brusquedades y de variación suave prácticamente idéntica a la señal moduladora de variaciones lentas que se transmitió. Esta parte que aquí describo se corresponde en el esquema con las dos últimas etapas, esto es, la detección, producida en la galena -sustituida hoy en día en los receptores por diodos de silicio o de germanio- y el condensador fijo; y la presentación, producida en unos auriculares de alta impedancia. Hoy en día se usan auriculares de baja impedancia en los receptores por la sencilla razón de que sus cables se conectan en serie en los amplificadores de audio como parte de la carga de los mismos y de este modo las impedancias han de ser pequeñas para no disminuir la corriente que ellos mismos presentan como sonido. En los receptores de galena los auriculares estaban colocados en paralelo con el circuito detector y por tanto para no afectar a su funcionamiento en una medida elevada debían tener alta impedancia, para cargar lo menos posible al detector, ya que las corrientes detectadas son minúsculas por no presentar ninguna amplificación de la señal el receptor de galena.

Esto que he explicado en el párrafo anterior consiste en el procesado que se hace a la señal ya sintonizada para convertir la moduladora en sonido audible. Ahora bien, faltan dos etapas previas, a saber, la etapa de la antena, y la etapa de la sintonía. De la antena no hablaré en profundidad, basta con decir que la onda electromagnética que vibra en las inmediaciones de la misma genera una corriente eléctrica en los conductores, para cuya recogida está especialmente pensada la antena. La señal de antena se pasa a continuación a lo que se conoce como circuito tanque, o filtro de radiofrecuencia o filtro de sintonía. En realidad la bobina y el condensador variable forman lo que se conoce como un resonador, el cual tiene una frecuencia propia de resonancia que viene dada por los valores de la bobina y del condensador variable. Esto significa que a una frecuencia determinada por dichos valores el condensador se carga con la corriente minúscula de la bobina, descargándose el campo magnético de ésta, y después en el siguiente semiciclo el campo eléctrico del condensador se descarga en forma de corriente y por tanto campo magnético en la bobina. Todo ésto da lugar a un circuito oscilante, cuyas oscilaciones se ven atenuadas de forma creciente por las pérdidas óhmicas debidas a las resistencias asociadas a dicho condensador y dicha bobina, los cuales no son ideales. En otras palabras, el paralelo de la bobina y el condensador constituyen un sistema armónico simple con amortiguación. ¿Qué razón de ser tiene su uso?. Pues su razón de ser es que si hacemos coincidir la frecuencia de resonancia del filtro tanque, actuando en el condensador variable, con la frecuencia de la portadora cuya información queremos detectar y oír, entonces la señal de corriente que viene de la antena se enganchará a las variaciones de corriente del sintonizador y dará lugar a un sistema vibratorio amortiguado forzado, en el que la señal de antena de esa frecuencia específica, y ninguna más a otra frecuencia de portadora distinta, pasa hacia el detector. En otras palabras, se obtiene la resonancia y la máxima transferencia de energía. Ésto es así, porque a esa frecuencia el resonador presenta una impedancia infinita. Es decir, a todos los efectos es como si no estuviera presente en el circuito, y toda la corriente que entra desde la antena pasa de forma íntegra al detector. Si variamos la capacidad del sintonizador ya no escucharemos la señal a la que estábamos sintonizados, pues el filtro tanque tendrá una menor impedancia y absorberá una mayor parte de la corriente, pasando poca corriente de antena al detector. Ésto que he descrito es lo que se conoce como etapa de sintonía.

Lo que aquí he descrito es un receptor homodino y sin amplificación ninguna, ni en radiofrecuencia, ni en frecuencia intermedia, ni en audiofrecuencia; en el cual no hay ninguna etapa de frecuencia intermedia -usada para conseguir mayor sensibilidad en los receptores superheterodinos-, en otras palabras, es un esquema muy ineficiente y obsoleto.

 

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (6) Datos biográficos de Ernst Kramar

 

A Ernst Kramar se le debe la implementación de lo que se conoció como sistema de posicionamiento Consol.

Nació en Klazno el 15 de junio de 1902, un pueblo próximo a Praga (actual República Checa). Sus estudios universitarios consistieron en ingeniería eléctrica en la ciudad de Praga, entre los años 1920 y 1925, en una universidad entonces llamada Deutsche Technische Hochschule. En el año 1926 se graduó como Doctor Ingeniero por el Barkhausen Institute (Universidad Técnica de Dresde). Comenzó entonces su verdadera andadura profesional.

En el año 1927, Ernst Kramar entró en la empresa C. Lorenz AG (Berlín), compañía anterior a SEL (Standard Elektrik Lorenz). En aquella época se dedicó a resolver diferentes problemáticas en torno a la radio, pero no empezó a resaltar como ingeniero hasta que en 1932 usó frecuencias de la banda VHF con fines de radionavegación, desarrollo que recibió el nombre de Lorenz Landing System, del cual el actual ILS usado en aeropuertos es una mejora, del mismo modo que las balizas VOR, las cuales dan gran información de navegación a los pilotos.

En la Segunda Guerra Mundial, Ernst Kramar trabajó en técnicas de rádar y fue jefe de desarrollo de sistemas de radio en Pforzheim y Stuttgart.

En colaboración con los demás ingenieros de las compañías en las que trabajó, fueron desarrolladas un gran número de patentes, más de 85, lo que le valió un gran número de méritos y premios, tales como la Lilienthal Medal (1937), la Medalla de Oro de la Asociación Alemana para la dirección y navegación (Deustche Gesellschaft für Ortung und Navigation), y la Gran Cruz de la Orden del Mérito Nacional de la República Federal Alemana (1969).

Como resumen de todo esto, se podría decir que Ernst Kramar fue un reconocido científico que se adaptó a diferentes regímenes políticos durante su vida y que colaboró con el desarrollo técnico de Alemania, lo cual le valió múltiples condecoraciones. Sus desarrollos se han mantenido vigentes para el bien de los navegantes ya después de la Segunda Guerra Mundial, y han supuesto una inmensa aportación a la tecnología de las comunicaciones en el siglo XX.

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (5) Fotos posteriores a la caída de las torres

 

 

 

Inserto en esta entrada las fotografías que fueron tomadas por mi amigo Víctor uno de los días inmediatamente posteriores a la caída de las torres centro y sur de la estación Consol de Arneiro (Lugo).

 

 

Los radiofaros Consol – (4) Fotos del estado actual

 

 

He visitado los restos de la antigua estación radioeléctrica Consol de Arneiro (Lugo).

En este apartado me limitaré a insertar las fotografías que he tomado. Se puede apreciar que la antena que ocupaba la posición central de las tres, la que sale en las fotos, yace sobre el terreno, y ya en parte desguazada. Esta antena y la antena Sur cayeron al suelo durante el pasado temporal Klaus. La antena Norte había caido ya hace un par de años con motivo también de fuertes vientos racheados.

La foto de arriba representa la base sobre la que estaba apoyado el pie de esteatita de la torre central. Si ese punto de apoyo no aislara la antena de la tierra, ésta no desempeñaría su función, sino más bien la de pararrayos.

La siguiente foto representa una vista de la antena en su posición yacente sobre el suelo. Al fondo se puede apreciar el capuchón capacitivo que permitía a la antena una longitud eléctrica “aparente” más aproximada a la cuarta parte de la longitud de onda de transmisión que la de la propia antena en sí, como se desprende gráficamente de la carga en un extremo de una línea de transmisión con un condensador, observada en una carta de Smith, y como se puede razonar por el hecho del desfasaje que introduce el condensador a un fasor de corriente nulo en el extremo de la línea de transmisión -en el aire no fluye corriente-, que consigue un fasor de corriente impresa más homogéneo a lo largo de ésta en el tramo que “de ella” abrimos como antena, lo que garantiza un mayor nivel del campo radiado, con ahorro de altura y material.

 

 

La siguiente foto representa el mencionado capuchón equivalente electromagnéticamente a la placa de un condensador.

 

 

En la foto que sigue se puede ver el pozo que había en el complejo, dedicado a suministro del mismo.

 

 

En la siguiente fotografía se representa el garage donde se hallaban los generadores de corriente, que es adyacente a las habitaciones y cocina de los operarios (en el mismo edificio).

 

 

Finalmente, en esta última foto se puede observar el edificio donde se hallaba el transmisor y la circuitería de control.

 

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (3) Datos históricos

 

Utilizo aquí como fuente de datos históricos los brillantes artículos publicados en la web por D. Ángel Valín Bermúdez y D. Serafín R. Trashorras, con las correcciones que he creido oportunas.

Según parece, ya avanzados los años 30, se le pidió a algunas empresas la mejora del sistema “American Radio Range”. Se trataba de un sistema radiante usado para el posicionamiento, es decir, para obtener la longitud y latitud de un punto en el planeta, allá donde ese sistema llegara con cobertura. El ingeniero encargado de desarrollar el sistema Consol -la mejora pretendida- fue el Doctor Ernst Kramar, el cual en aquel entonces (1938) trabajaba en la empresa Estándar Elektrik Lorenz.

Una vez activo, el sistema Consol cubría todo el Atlántico Norte , y además de la estación de Arneiro (Lugo), existían estaciones en Stavanger (Noruega), Ploneis (Francia), Guillena (Sevilla), y Bush Mills (Gran Bretaña) (esta última operativa sólo después de la II Guerra Mundial), todas ellas operando a distintas frecuencias de portadora para garantizar la ausencia de interferencias y todas ellas ubicadas en diferentes puntos de frecuencia de lo que se conoce como banda BEACON (Banda para balizas).

El general Franco concedió a Hitler potestad para instalar las estaciones de Arneiro y Guillena en Lugo y Sevilla respectivamente. Según los datos de que dispongo, ambas fueron construidas en la década de los años 40, para ser más exactos allá por el 1942. También fue utilizado por los alemanes el Aeródromo de Rozas, en teoría como soporte logístico y lugar de suministro para las antenas, aunque su construcción fue anterior (ya existía).

Existen reseñas de distintas fuentes de que las antenas fueron utilizadas por ambos bandos, tanto el aliado como el nazi. Esto entra dentro de lo posible, pues para operar en alta mar o en el aire con el objeto de recibir la señal y determinar la posición,  el equipo no tenía por qué ser muy sofisticado. En realidad bastaba con un receptor de radio operando en la banda BEACON, con la suficiente selectividad en frecuencia como para distinguir las distintas portadoras de frecuencias próximas entre sí dentro de la reseñada banda, y a poder ser también sería útil un radiogoniómetro, aunque no era imprescindible, más adelante entraré en estos temas con detalle.

En principio los aliados lo único que tenían que conocer eran las frecuencias empleadas por las diferentes estaciones ubicadas en Europa, y por técnicas de radiogoniometría, usando la parte temporal de señal de radiofaro NDB (Non Directional Beacon), no sería preciso conocer más para establecer la posición, aunque sería deseable saber los convenios empleados para la señal CONSOL (segunda parte temporal de la señal transmitida), los cuales entiendo que eran guardados en secreto por el bando alemán. Desconozco el grado de conocimiento de los aliados respecto al sistema Elektra-Sonne, aunque para operar efectivamente les bastaría con conocer las frecuencias y posición en el mapa de cada emisora y con tener radiogoniométros en banda BEACON.

Decía que existen reseñas acerca del empleo por parte de los aliados de CONSOL. Algunos llegan a afirmar que en un momento en que la estación sufrió avería fueron los aliados quienes suministraron piezas de recambio. Personalmente dudo de estas afirmaciones, entre otras cosas puesto que en el lugar no existen testigos de tal hecho, y además entiendo que los alemanes procurarían el mayor secretismo, pues el Atlántico Norte era vital para ellos con fines estratégicos.

Una vez ya terminada la II Guerra Mundial, la estación pasó a depender del Ejército del Aire de España hasta el año 1962, cuando su control se trasladó a Aviación Civil. Prestó servicio para la navegación aérea hasta 1971. Las antenas se apagaron en 1980.

Actualmente, sólo quedan los restos, y dentro de poco no quedará ni eso. Las tres torres radiantes están en el suelo, las dos últimas cayeron debido a un vendaval reciente, y la primera hace ya al menos un par de años. No queda nada de la estación de control, y del barracón de generadores de corriente. Sólo están los edificios: el que albergaba el transmisor y la circuitería, el barracón de cocina y dormitorios, el garage de grupos electrógenos, y un pozo. Pero de lo que había dentro no ha quedado absolutamente nada. Por dejadez de los organismos oficiales el que podría haber sido un precioso museo tecnológico e histórico ha quedado en la forma de edificios en ruinas. Una verdadera pena.

 

Enlaces a páginas relacionadas :

 

Web de Serafín R. Trashorras : “Torres de Arneiro”

http://uboat.freehostia.com/arneiro/arneiro.htm

 

Fotos de equipos de transmisión :

http://www.jproc.ca/hyperbolic/consol_spain.html

 

Información militar :

http://josecadaveira.tripod.com/militaryruins/id80.html

 

Página web alemana :

http://www.seefunknetz.de/consol.htm

 

Wikipedia :

http://es.wikipedia.org/wiki/Torres_de_Arneiro

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (2) Declaración de intenciones

 

Comienzo con este apartado el conjunto de artículos dedicados al Sistema de Posicionamiento Consol. Para desarrollar esta tarea me he ayudado de la documentación histórica que se halla en internet publicada por D. ÁNGEL VALÍN BERMÚDEZ y D. SERAFÍN R. TRASHORRAS, pero únicamente los datos históricos, pues los detalles técnicos proceden de otras fuentes, en concreto, libros y manuales tanto nacionales como extranjeros de la década de los años 50. No he pedido permiso a los autores antes reseñados para usar los datos históricos que ellos han colgado en la red, pero entiendo que al mencionar sus nombres de forma explícita quedan resueltos los problemas de derechos de autor, y en cualquier caso pondré enlaces a sus páginas, para que sean visitadas desde esta web. Téngase en cuenta además que no pretendo reflejar lo ya publicado tal cual, sino procesar y elaborar el material y efectuar añadidos en base a lo que yo buenamente puedo aportar. Evidentemente tal procesado y filtro no podrá ser desarrollado para las reseñas históricas, las cuales son las que son.

Mi intención no es describir de forma super-exhaustiva el funcionamiento del sistema radiante, sino más bien hacer una introducción lo suficientemente elaborada de dicho sistema, y por ello entiendo no copiar todo lo que halle en internet o en otros medios al pie de la letra o con otras palabras, sino más bien documentar el tema con lo que conozco de este sistema, en base a lecturas de libros nacionales y extranjeros de mediados del siglo pasado y en base también a la actual teoría de antenas.

 

Los radiofaros Consol (Elektra-Sonne) – (1) Introducción –

 

 

Comienzo en esta entrada mi iniciativa particular para que no se pierda en el olvido la trascendencia que han tenido las antenas alemanas construidas bajo el mandato de Hitler -con permiso de Franco- allá por el año 1942, en la localidad de Arneiro (municipio de Cospeito). Recientemente han caido al suelo debido a un temporal de viento las dos torres que quedaban en pie (eran inicialmente tres torres). En particular, mi interés tiene que ver más bien con el aspecto técnico, y en consecuencia a partir de este momento publicaré en esta web una serie de mini-artículos dedicados fundamentalmente a la historia y funcionamiento de la estación radioeléctrica Elektra-Sonne (llamada también Consol) que operaba desde Arneiro con una frecuencia de portadora de 285 KHz., como recuerdo de una tecnología pasada que en parte, al menos desde el punto de vista conceptual, supuso la constitución de uno de los ancestros del Sistema GPS de Posicionamiento actual. Para acometer esta tarea repartiré el gran conjunto de conceptos que es preciso manejar en pequeñas entradas independientes, de tal forma que de forma global se puedan entender con el grado de profundidad que se quiera los entresijos de este sistema radiante.