1. Introducción.
2. Amplificadores.
2.1. Clasificación de los amplificadores.
3. Amplificadores con transistores
3.1. Respuesta en frecuencia de los amplificadores.
3.2. Realimentación en los amplificadores.
3.3. El amplificador diferencial.
3.4. Amplificadores operacionales.
3.4.1. El amplificador operacional básico.
3.4.2. Aplicaciones del amplificador operacional.
4 Filtros pasivos y activos
4.1 Definición y clasificación.
5 Conversor Analógico/Digital y Digital/Analógico
5.1 Introducción
5.2 Conversores Digitales/Analógicos (D/A)
5.3 Conversores Analógicos/Digitales (A/D)
6.-AMPLIFICADORES HIDRAÚLICOS.
7.- Conclusiones
8. Bibliografía
o “Electrónica básica para ingenieros”. Mc Graw Gill
o Principios de electrónica. Malvino. Mc Graw Gill
o “Tecnología industrial”. Edebé
o “Prácticas de electrónica industrial”. Marcombo.
1. INTRODUCCIÓN.
En este tema se describen los elementos de un sistema de control que realizan funciones de amplificación y adaptación de la señal de control. El diagrama de bloques de estos elementos consta de un controlador que estará compuesto por los elementos necesarios para realizar la función de control, que consiste en obtener una señal de control a partir de la señal de error detectada. Esta señal de control será aplicada sobre el sistema controlado para modificar su comportamiento de forma que presente una Señal de salida adecuada a la Señal de entrada
Los elementos de los que puede estar compuesto el controlador se esquematizan con el siguiente esquema.
De una entrada de señal de error a un corrector de error de aquí al realizador del control, al amplificador, al elemento final de control y finalmente la señal de control.
El elemento corrector de error, es el encargado de modificar la señal de error que le proporciona el detector de error. El realizador de control que obtiene la señal de salida a partir de la señal de error.
El amplificador tiene como finalidad amplificar la señal de control, suelen ser de tipo neumático, eléctrico y electrónico, amplificadores de transistores, relés, tiristores y triacs.
El elemento final de control, tiene como objetivo modificar la variable de entrada del sistema controlado.
Existen otros elementos que también pueden estar presentes en los circuitos de control y que realizan adaptación de la señal:
conversores Analógicos/Digitales, Digitales/Analógicos y filtros.
En el desarrollo de este tema se describirá y profundizará en los aspectos más importantes de los elementos más representativos y de más utilización en los circuitos de control: amplificadores, conversores A/D, D/A y filtros.
2. AMPLIFICADORES.
El concepto básico de amplificador se corresponde con el dispositivo que utilizando una fuente de potencia constante, genera una
señal de salida proporcional a otra señal de entrada más débil e independiente de la fuente de potencia.
Los procedimientos de amplificación en función de la naturaleza de la señal a gobernar son muy variados: si la señal es eléctrica los amplificadores serán eléctricos, magnéticos o electrónicos según su magnitud, si es un fluido los dispositivos amplificadores serán neumáticos hidráulicos, etc. Los amplificadores más usados son los neumáticos, eléctricos y electrónicos.
2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES.
Existe una amplia variedad de amplificadores y aunque se realiza una clasificación general de todos ellos, se describirán en profundidad en el tema los tipos más representativos de amplificadores con transistores.
Los amplificadores se pueden clasificar según las características de la señal de error que amplifican en 2 grupos:
• Amplificadores de continua o
• Amplificadores de alterna.
También se pueden clasificar dependiendo de los elementos que los componen en 4 grupos:
• Amplificadores de relés.
• Amplificadores magnéticos.
• Amplificadores con válvulas termoiónicas.
• Amplificadores con transistores (los más utilizados).
3. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES
Los amplificadores con transistores son los más utilizados en la actualidad y también de los que más tipos hay. A continuación se
muestra una clasificación atendiendo a multitud de factores, explicando brevemente cada uno de ellos:
Dependiendo del montaje tenemos 3 tipos.
1. Montaje en emisor común: Se llama así porque en corriente alterna el emisor está a tierra por medio del condensador de
emisor. Las características principales son: Acoplo de la entrada, inversión de fase, no hay alterna en el nudo de emisor, no hay alterna en la línea de alimentación
2. Montaje de colector común: La ganancia de tensión es próxima a la unidad y tiene unos valores de resistencia de entrada y salida contrarios a los del amplificador emisor común.
3. Montaje de base común: La ganancia de corriente es muy próxima a la unidad, cerca de 0.98, y su resistencia de entrada es baja y se usa en acoplamiento de resistencias.
Dependiendo del nivel de tensión que han de amplificar tenemos 2 grupos:
1. Amplificadores de tensión: amplifican señal débil, también llamados preamplificadores.
2. Amplificadores de potencia: amplificadores de señal fuerte. Son amplificadores de corriente
Dependiendo del acoplamiento entre etapas hay 4 grupos.
• Acoplamiento por transformador, acoplamiento directo, acoplamiento RC, acoplamiento LC.
Dependiendo de la frecuencia de la señal otros 4 grupos.
• Amplificadores de corriente continúa, amplificadores de audiofrecuencia, amplificadores de videofrecuencia, amplificadores de
radio frecuencia.
Dependiendo de las características estáticas de funcionamiento, el punto Q, tenemos 4 clases:
• Amplificadores de clase A donde Los transistores funcionan durante todo el periodo de la señal amplificada.
• Amplificadores de clase B que es necesario utilizar dos transistores, cada uno de los cuales funciona durante un semiciclo de la señal amplificada.
• Amplificadores de clase AB donde cada elemento amplificador funciona durante más de un semiperiodo, pero menos del periodo completo..
• Amplificadores de clase C que conducen durante un tiempo menor a un semiciclo de la señal.
Dependiendo del valor de las impedancias de entrada y salida en relación con las impedancias de fuente y de carga tenemos 4 tipos:
1. Amplificador de tensión: Un amplificador de tensión ideal tiene una resistencia de entrada infinita y una resistencia de salida nula.
La ganancia de tensión se representa por Av y su valor es igual a V0/Vi para una resistencia de carga infinita. El amplificador dará una señal de salida proporcional a la de entrada y la ganancia es independiente del valor de las resistencias de carga y de fuente.
2. Amplificador de corriente: Un amplificador de corriente ideal deberá tener una resistencia de entrada nula y una resistencia de salida infinita. Se define como un amplificador de corriente de salida proporcional a la corriente de la señal de entrada.
3. Amplificadores de transconductancia: El amplificador de transconductancia suministra una corriente de salida proporcional a la tensión de la señal independientemente de los valores de RS y RL
4. Amplificadores de transresistencia: La tensión de salida es proporcional a la corriente de la señal Ig independiente de las resistencias de fuente y de carga.
Hay un amplificador característico que es el amplificador operacional, que reúne varias características, ya que es un amplificador de continua, de alta ganancia que funciona desde los cero Herzios hasta 1 Mega Hertzios, y compuesto por varias etapas de amplificadores acoplados.
3.1. RESPUESTA EN FRECUENCIA DE LOS AMPLIFICADORES.
Para una etapa amplificadora las características en frecuencia pueden dividirse en tres regiones:
1. Frecuencias medias, donde la amplificación es casi constante. Es en el intervalo de frecuencias donde el amplificador debe funcionar.
2. Frecuencias bajas, que por debajo de las medias frecuencias el amplificador se puede considerar como un simple circuito paso alto.
3. Frecuencias altas que por encima de las medias frecuencias el circuito se asemeja normalmente a un circuito simple paso bajo, y la respuesta disminuye con el incremento de las frecuencias.
3.2. REALIMENTACIÓN EN LOS AMPLIFICADORES.
La realimentación toma una muestra de tensión o de corriente de la salida y la aplica a la entrada en oposición de fase con la señal propia del generador. En estas condiciones cuando la señal de salida tiende a incrementarse, la realimentación actúa, disminuyendo la señal de entrada, y en consecuencia contrarrestando ese intento de incremento de la salida. Por este motivo recibe el nombre de realimentación negativa. La realimentación además mejora la respuesta en frecuencia, el valor de las resistencias de entrada y salida del amplificador y la distorsión.
Se utilizan varias formas de aplicar realimentación como son: Realimentación de tensión serie, realimentación de intensidad serie, de tensión paralelo o de intensidad paralelo.
3.3. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
El amplificador diferencial es un circuito integrante en los amplificadores y comparadores (por ejemplo constituye la etapa de entrada de los amplificadores operacionales). Se usa en circuitos para instrumentación, circuitos integrados lineales y circuitos lógicos. Esta compuesto por dos transistores emisor común acoplados por emisor, dos entradas y dos salidas.
Las resistencias de colector son iguales, existe simetría perfecta entres ambas mitades del circuito. Al tener dos entradas y dos salidas se presentan 3 formas de operación que son: Modo de operación de una sola entrada, Modo de operación diferencial o Modo común.
En un amplificador diferencial se desea que la señal en modo común sea bastante pequeña y la calidad de un amplificador diferencial se determina por la relación existente entre Ad y AC, esta relación se denomina relación de rechazo en modo común.
3.4. AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
El amplificador operacional, A.O., es un amplificador de alta ganancia al que se le agrega una realimentación para controlar la característica de respuesta. El A.O. integrado ofrece todas las ventajas de un circuito integrado monolítico. Es un dispositivo utilizado en aplicaciones tales como amplificadores, filtros, rectificadores, generadores de señal, comparadores, etc.
Tiene entrada diferencial, es decir dos entradas con oposición de fase. La entrada negativa es inversora, por lo que la señal de salida se encuentra en oposición de fase respecto a la aplicada a dicho terminal. La entrada positiva es la no inversora. Tradicionalmente está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida.
El símbolo es triangulo con los entradas laterales izquierdas de dato y los de tensión, con una salida en el vértice
3.4.1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO.
La mayoría de amplificadores operacionales tienen entrada diferencial con tensiones V1 y V2 aplicadas a los terminales inversores y no inversores respectivamente. Un amplificador con un solo terminal se considera como un caso especial en el que uno de los terminales de entrada está conectado a tierra. Un amplificador operacional ideal tiene estas 5 características:
1. Resistencia de entrada infinita.
2. Resistencia de salida cero.
3. Ganancia de tensión en modo diferencial: infinita.
4. Ganancia de tensión en modo común cero.
5. Ausencia de desviación en las características con la temperatura.
3.4.2. APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
Veamos algunas aplicaciones como son el inversor, el no inversor, adaptador de impedancias, convertidor de impedancias, circuito integrador, circuito comparador y circuito limitador.
AMPLIFICADOR INVERSOR
Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa.
AMPLIFICADOR NO INVERSOR
Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada. La ganancia de éste amplificador no puede ser menor que
ADAPTADOR DE IMPEDANCIAS
El circuito se comporta como un separador de ganancia unidad, la tensión a la salida es igual a la de la entrada. Se usa como buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias como conectar un dispositivo de alta impedancia a otro de baja impedancia y viceversa.
CONVERTIDORES DE IMPEDANCIAS
Que sirven para modificar los valores de las impedancias según se requiera.
CIRCUITO INTEGRADOR
Un circuito integrador proporciona a la salida la integral de la señal de entrada. El circuito integrador es muy útil en numerosas aplicaciones para generar o adaptar las señales analógicas. El circuito integrador se consigue sustituyendo en la configuración inversora la resistencia de realimentación por un condensador.
El amplificador suministra una tensión de salida proporcional a la tensión de entrada. Si la tensión de entrada es constante la salida será una rampa, con lo que el integrador hace un barrido para el tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, y se llamará integrador Miller.
CIRCUITO COMPARADOR
El comparador, está constituido por un amplificador operacional en lazo abierto y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia. En este circuito, la salida (Vo), sólo puede tomar dos valores de tensión distintos, que son precisamente los valores de tensión con que estemos alimentando el amplificador operacional que son tensión positiva y tensión (+Vcc, -Vcc).
CIRCUITO LIMITADOR
Este circuito mantiene la tensión de salida a un valor constante y máximo independiente de los valores de la tensión de entrada. Otras aplicaciones son: sumador, restador, derivador, Osciladores, Girador que simula un inductor, etc
4 FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS
4.1 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN.
Es un elemento que produce la anulación de determinados componentes de frecuencia de señal de entrada. Se emplean para reducir interferencias, para reducir el ancho de banda del sistema, y para atenuar selectivamente determinados componentes. El filtro ideal no debe presentar atenuación ni desfase en las bandas de frecuencias que no debe alterar, en cambio debe producir una atenuación infinita a los componentes externos de la banda donde tiene que actuar. Las zonas correspondientes a atenuación nula y atenuación infinita están bastante separadas por las denominadas frecuencias de corte o límites de la configuración del filtro. En los filtros reales la atenuación de la banda pasante no será nula al igual que la atenuación en la banda no pasante no será infinita.
Los filtros los podemos clasificar en 2 grupos que son en función de la posición de su banda pasante o de la amplificación de señal.
1.- Por su Posición de su banda pasante.
De acuerdo con la posición de su banda pasante los filtros se pueden clasificar en 4 grupos:
1. Paso bajo: la banda pasante se extiende de la frecuencia nula hasta la frecuencia de corte.
2. Paso alto: la banda pasante se extiende desde la frecuencia de corte hasta la frecuencia infinita.
3. Paso banda: la banda pasante corresponde a las frecuencias acotadas entre dos frecuencias de corte.
4. Elimina banda: su banda pasante comprende todas las medidas salvo las comprendidas en el intervalo existente entre dos frecuencias límites.
2.- Como Amplificación de señal:
Desde el punto de vista de amplificación de señal hay dos tipos de filtros:
1. Filtro pasivo, que todos sus componentes son pasivos, no amplifican señal. Se caracterizan por impedancia de entrada alta y salida baja, fácil conexión en cascada, son más baratos y eliminan efectos no deseados de las bobinas, facilidad de puesta a punto y regulación, densa integración, usados para alta frecuencia.
2. Filtro activo, donde por lo menos un componente es activo. Se caracterizan por: necesidad de utilización de una o dos fuentes de alimentación, limitación del margen dinámico de salida, por la posibilidad de saturar el amplificador, son más inestables y son filtros de baja frecuencia.
5 CONVERSOR ANALÓGICO/DIGITAL Y DIGITAL/ANALÓGICO
5.1 INTRODUCCIÓN
En la mayoría de los casos resulta más conveniente efectuar las funciones de regulación y control de sistemas mediante técnicas digitales Sin embargo en muchos casos la señal disponible es analógica, ya que son muchos los transductores que poseen una salida eléctrica analógica, correspondiente a la magnitud medida. Ello obliga a tener que efectuar una conversión analógica/digital, que en otros casos permitirá la transmisión digital de una señal analógica lo que permite minimizar la distorsión producida por la imperfección del sistema de transmisión.
Por otra parte esta señal tratada o transmitida digitalmente puede ser necesario que actúe analógicamente sobre un controlador o actuador, o efectuar una representación analógica sobre un registrador, una pantalla etc., lo que obliga a la conversión inversa, la conversión digital/analógica.
Es necesario disponer de los elementos que realizan estas funciones, con unas características de velocidad y precisión adecuadas en cada caso.
5.2 CONVERSORES DIGITALES/ANALÓGICOS (D/A)
Son elementos que reciben una información digital en forma de una palabra de “n” bits y la transforman en una señal analógica. Cada una de las 2n combinaciones binarias de la entrada es convertida a 2n niveles discretos de tensión o corriente.
Las características que definen a un conversor D/A son 5:
• Resolución que depende del número de bits de la entrada.
• Polaridad del conversor, unipolar o bipolar.
• Código digital de entrada utilizado en la información: código binario natural, decimal Codificado en Binario.
• Tiempo de conversión, tiempo que se precisa para efectuar el máximo cambio de tensión de salida con un error menor al de su resolución.
• Tensión de referencia: interna o externa que puede ser variada entre ciertos márgenes, la tensión de salida vendrá afectada por este factor, constituyendo un conversor multiplicador.
5.3 CONVERSORES ANALÓGICOS/DIGITALES (A/D)
Es otro ejemplo de amplificador operacional, que convierte las señales analógicas en respuestas lógicas en código digital. Son elementos que transforman un nivel de tensión en información digital en un código determinado, con una precisión y una resolución dada.
Primero se define el número máximo de bits de salida que es la salida digital. Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por 2n donde n es el número de bits. También la resolución se entiende como el voltaje necesario de señal analógica para lograr que en la salida de señal digital haya un cambio del bit menos significativo.
6.-AMPLIFICADORES HIDRAÚLICOS.
El amplificador hidráulico está formado por una serie de válvulas de distribución y cilindros hidráulicos. La válvula de distribución funciona como un controlador y hace actuar a una cara u otra del cilindro que es desplazado. El amplificador hidráulico se utiliza para aumentar la potencia en desplazamientos lineales como aparatos de elevación, máquinas, etc.
7.- CONCLUSIONES
En este tema se ha explicado de forma general los amplificadores y adaptadores de señal en los sistemas de control, enumerando las
distintas aplicaciones que tienen estos circuitos. Para ello hemos comenzado describiendo el diagrama de bloques de un sistema de control. En el desarrollo del tema hemos explicado diferentes tipos de amplificadores con transistores, por ser los más usados. También hemos dedicado un apartado al amplificador operacional, dispositivo usado en muchos aplicaciones como amplificadores, filtros, rectificadores, etc. Terminamos explicando brevemente otros elementos presentes en los circuitos de control y que realizan adaptación de la señal como son los conversores Analógicos/Digitales (A/D), los conversores Digitales/Analógicos (D/A) y los filtros.