1.- RECTIFICADORES DE CORRIENTE ALTERNA.
2.- FILTROS DE C.A.
3.- ESTABILIZADORES DE TENSIÓN.
4.- DIVISORES DE TENSIÓN.
5.- AMPLIFICADORES.
5.1. Ganancia.
5.2. Impedancias de entrada y salida.
5.3. Ancho de banda.
5.4. Circuitos básicos con transistores.
6.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
7.- OSCILADORES.
7.1. Clasificación.
7.2. Osciladores de radiofrecuencia.
1.- RECTIFICADORES DE CORRIENTE ALTERNA.
Un rectificador ideal es un elemento no lineal que presenta una resistencia nula al paso de la corriente eléctrica en un sentido, e infinita en el sentido opuesto. Tanto los diodos de vacío como los de unión, se caracterizan por dejar pasar una corriente más intensa para una polaridad de la tensión aplicada que para la polaridad opuesta y de ahí su carácter elementos rectificadores. El comportamiento de un diodo unión es prácticamente el mismo que el de un rectificador ideal (fig.1), y ese es uno de los motivos por los que el diodo de unión ha desplazado en la práctica al diodo de vacío.
Figura 1: Característica intensidad/tensión en un diodo de unión.
Si en un circuito de corriente alterna, intercalamos un elemento rectificador, la intensidad de la corriente será nula mientras la polaridad de la tensión aplicada al rectificador tenga sentido opuesto al favorable y, por tanto, solo circulará corriente en un sentido: la corriente alterna ha sido rectificada.
A) Rectificador monofásico de media onda:
Es el más simple de todos los circuitos rectificadores y consta de un generador de corriente alterna al que se le conecta en serie un diodo (fig. 2,a), de forma que cuando la polaridad del generador hace positivo al ánodo respecto del cátodo el diodo conduce, pero cuando la polaridad del generador es la opuesta, el diodo no conduce (fig. 2, b). El diodo debe soportar una tensión inversa igual al pico o tensión máxima del secundario del transformador o del generador de corriente alterna.
El valor medio de la corriente de salida es: Vm = V0 / p = (Ö2 V) / p = 0,45 V V.
Figura 2: a) Circuito rectificador de media onda. b) : Tensión de salida.
B) Rectificador monofásico de onda completa:
Con el fin de aprovechar los dos ciclos de la corriente alterna podemos colocar dos diodos en lugar de uno, de forma que cuando uno no conduce lo hace el otro (fig. 3,a). El transformador va provisto de una toma intermedia para la salida, lo que hace su construcción más complicada y costosa y, además, la tensión de pico es la mitad de la del secundario. La forma de la tensión de salida nos la da la figura 4.
Figura 3: a) Circuito rectificador de onda completa.
Figura 3: b) Rectificador de onda completa con puente de Graetz. Figura 4: Tensión de salida.
Los dos diodos tendrán que soportar una tensión inversa igual al pico o tensión máxima de la totalidad del secundario del transformador. El valor medio de la corriente de salida es: Vm = 2V0 / p = (Ö2 V) / p = 0,9 V V.
Los inconvenientes indicados respecto del rectificador de onda completa, hacen que sea poco utilizado, así que es más empleado el rectificador de onda completa con puente de Graetz (fig. 3, b), que utiliza un transformador sin toma central y cuatro diodos, de modo que si en un instante el extremo superior del secundario del transformador es el positivo, conducen los diodos D2 y D3, y cuando cambia la polaridad lo hacen los diodos D1 y D4.
En este caso los cuatro diodos deben soportar una tensión inversa igual al pico o tensión máxima de la totalidad del secundario del transformador, y el valor medio de la corriente de salida viene dado por la misma expresión que en el caso del transformador con toma central, pero teniendo en cuenta que el valor de pico en el secundario es el doble en este caso.
C) Rectificador trifásico de media onda:
Se utiliza corriente alterna trifásica y un transformador trifásico y se conecta en serie con cada bobina del secundario un diodo, llevando las tres salidas a un punto común (fig. 5). El primario del transformador trifásico suele tener sus devanados conectados en triángulo, y los del secundario en estrella, de cuyo punto común se efectúa una toma para la salida.
Las tensiones en bornes del secundario van defasadas entre sí 120o (fig. 5,b), lo que origina que en determinados instantes dichas tensiones sean de signos contrarios, así que no conducen todos los diodos a la vez. El resultado final de un análisis de las ondas es que simultáneamente conducen a lo sumo dos diodos. Las tensiones de salida de los diodos están marcadas con trazo grueso en la figura 5, b
Figura 5: Rectificador trifásico de media onda (a). Tensiones del secundario (b).
D) Rectificador trifásico de onda completa:
Es similar al anterior, con la sola diferencia de que a cada bobina del secundario, se le conectan dos diodos montados en forma de puente de Graetz (fig. 6,a), de modo que de los cátodos de los diodos pares se obtiene la semionda positiva y de los ánodos de los diodos impares se obtiene la semionda negativa, quedando las semiondas de la figura 6, b).
Figura 6: Rectificador trifásico de onda completa (a). Tensiones de salida (b)
2.- FILTROS DE C.A.
La corriente continua que suelen necesitar los circuitos electrónicos requieren de una ondulación mucho menor que la que nos proporciona un rectificador, por lo que se hace necesario su filtrado para disminuir la amplitud de las pulsaciones.
El filtro más simple es el de condensador que consiste en conectar un condensador en paralelo con la resistencia de carga (fig. 7, a), de forma que la recataría del condensador a la frecuencia de la línea de potencia sea pequeña frente a la resistencia de carga para que la componente alterna quede cortocircuitada y a la resistencia llegue solo una corriente continua sin apenas pulsación.
El condensador se carga al valor de pico de la tensión rectificada y empieza a descargarse a través de la resistencia de carga lo que disminuye dicha tensión rectificada a partir de su valor de pico. La disminución de tensión del condensador entre los pulsos de carga sucesivos dependerá de los valores relativos de la constante de tiempo RcC y del período de la tensión aplicada. Si la constante de tiempo es pequeña la disminución será grande y también lo será el factor de rizado r = Vef / Vcc, pero si la constante de tiempo es grande, el factor de rizado será pequeño y no habrá apenas disminución del valor de la tensión de pico (fig. 7, b).
Figura 7: Filtro de condensador conectado a un rectificador (a). Forma de la onda filtrada (b).
Por su parte los diodos conducen solo durante la porción de ciclo en la cual se carga el condensador ya que solo durante ese tiempo la suma de la tensión de alimentación con la del condensador es tal que la tensión de los diodos tiene sentido directo.
Así, la tensión de rizado es aproximadamente una onda triangular si la constante de tiempo es grande frente al período: RcC >> T. La tensión continua de salida vendrá dada por el valor de pico del condensador menos el valor medio de la componente de rizado:
Vcc = Vp – VpT / 2RcC = Vp (1 – 1 /2fRcC)
siendo f, la frecuencia principal de la onda rectificada.
Como el valor eficaz de una onda triangular viene dado por Vef = VpT / 2Ö3 RcC, resulta que el factor de rizado es:
r = 1 / 2Ö3 fRcC
lo que nos dice que el rizado se disminuye conforme aumenta la capacidad del condensador y se anula para una carga infinita.
El filtro de condensador proporciona una buena acción de filtrado para corrientes poco intensas y se utiliza en fuentes de alimentación de alta tensión y pequeña intensidad y en aquellas de mayor intensidad en que el rizado tenga una importancia menor.
Otros filtros de gran aplicación son los filtros RC (fig. 8, a), los filtros en L (fig. 8, b) y los filtros en p (figs. 8, c y d).
Figura 8: Diversos filtros. a) Filtro RC; b) Filtro en L; c) y d) Filtros en p.
El filtro RC consigue una ondulación menor que el filtro de condensador. Si definimos el factor de filtrado como el cociente entre la tensión alterna de entrada y la tensión alterna de salida F = Vae / Vas, tenemos:
Vae = I Ze = I Ö (R2 + (1 / wC)2 ; Vas = I Zs = I (1 / wC)
de donde:
F = Ö 1 + R2C2w2 » RCw
lo que nos dice que para alcanzar un gran factor de filtrado se debe aumentar la capacidad y la resistencia, pero teniendo en cuenta que un aumento de la resistencia provoca un aumento de la caída de tensión que puede ser excesiva, en perjuicio de la tensión de la carga.
3.- ESTABILIZADORES DE TENSIÓN.
Un diodo zener tiene las mismas características que un diodo normal, solo que se construyen para poder trabajar con polaridad inversa y en la región Zener ( fig. 9), esto es, en la región en que la tensión inversa alcanza un valor tal que se produce una gran conducción o conducción por avalancha: basta un pequeño incremento de la tensión inversa para que se produzca un gran aumento de la intensidad. Esta particularidad puede aprovecharse en los circuitos estabilizadores de tensión.
A) Estabilización de tensión en corriente continua:
Supongamos un circuito como el de la figura 10, en el que a la salida de un rectificador disponemos de una tensión continua Vc, y deseamos obtener una tensión que permanezca constante frente a las variaciones de la carga RL. Para que esto suceda, el diodo zener, en paralelo con la carga, debe elegirse de forma que su tensión nominal sea la misma que la que necesitamos aplicar a la carga.
Figura 9: Característica de descarga disruptiva Figura 10: Circuito para la estabilización
inversa de un diodo zener. de una tensión continua.
Este tipo de circuitos se calculan para un consumo máximo, verificándose que
I = Imax = IZ + IL
de modo que cuando la carga sea infinita, IL será cero y el zener trabajará a plena carga, y cuando la corriente IL sea la diferencia Imax – IminZ, el zener estará en corte y la d.d.p. en bornes de la carga se mantendrá constante. La resistencia R tiene por misión producir una c.d.t. igual a la diferencia entre las tensiones de alimentación y de la carga.
El circuito también compensará las variaciones de tensión que se produzcan en la fuente de alimentación, pues para un valor constante de la intensidad de carga se verifica:
Vc = VL + R(IZ – IL)
así que VC podrá tomar cualquier valor siempre que IL quede dentro de la zona de trabajo del zener: IL = Imax – IminZ
B) Estabilización de tensión en corriente alterna:
La figura 11 muestra un circuito para la estabilización de la corriente alterna, que es como el anterior pero que en lugar de un diodo zener se han conectado dos con polaridades opuestas, por lo que en cada semionda uno actúa como zener y el otro como un diodo normal, invirtiendo sus papeles en la semionda siguiente.
Este tipo de circuitos se utilizan para alimentar una carga constante en los casos en que se prevén variaciones importantes en la fuente de alimentación. En este caso la resistencia R, se calcula en función del mínimo previsible de la tensión de alimentación, siendo:
R = (Ö2 Vef – VZ – 0,7) / Ö2(IZ + IL)
siendo 0,7 la tensión de polarización directa de los zener. El corte de la tensión de salida se produce para el valor VZ – 0,7.
4.- DIVISORES DE TENSIÓN.
Un divisor de tensión está formado por dos o más resistencias alimentadas por una o más pilas o baterías, de forma que cada resistencia provoca una determinada caída de tensión, caídas que se utilizan para polarizar distintos elementos de un circuito electrónico (fig. 12).
Del análisis del circuito se tiene que:
I = V /(R1 + R2 + R3 + R4)
siendo cada una de las caídas de tensión:
Vi = I Ri ; i = 1, 2, 3, 4
Figura 11: Estabilizador de c.a. y tensión de salida. Figura 12: Divisor de tensión
5.- AMPLIFICADORES.
Un circuito amplificador es un circuito electrónico tal que en la salida se obtiene fielmente en el tiempo, la señal recibida en la entrada pero con una amplitud diferente, en general mayor.
Tanto en la entrada como en la salida, las señales se manifiestan como tensiones o como intensidades, pudiéndose tomar indistintamente, bien la tensión, bien la intensidad, como la magnitud portadora de la señal. Así podemos hablar de amplificadores tensión/tensión, tensión/intensidad, intensidad/tensión o intensidad/intensidad. La denominación del amplificador de una u otra forma dependerá de cual sea la magnitud que consideramos en la entrada y cual la que consideremos en la salida.
Todo amplificador queda caracterizado por sus cuatro parámetros de transferencia, que son, en definitiva, los que van determinar el uso más adecuado del mismo. Estos cuatro parámetros son: ganancia, impedancia de entrada, impedancia de salida y ancho de banda.
5.1. Ganancia:
La ganancia A, es la relación entre las magnitudes de salida y de entrada. Esta ganancia puede definirse para tensiones, para intensidades o para potencias.
Av = es / ee ; Ai = is / ie ; Ap = Ps / Pe = es is /ee ie = Av · Ai
Por tratarse del cociente de magnitudes físicas iguales, la ganancia es un número abstracto, sin dimensiones. Si el cociente resultase negativo, nos indica que las magnitudes de salida y de entrada están en oposición, es decir, defasadas 180o.
En los amplificadores, la ganancia depende, en gran medida, de la frecuencia de excitación o señal de entrada, por lo que se hace necesario conseguir los mayores anchos de banda posibles para poder utilizar los amplificadores en un espectro muy amplio de frecuencias, y actualmente, a frecuencias cada vez más elevadas, ya que son las propias de los equipos de comunicaciones. En los amplificadores realimentados, el producto de la ganancia por el ancho de banda es una constante, lo que significa que el aumento de ganancia supone la disminución del ancho de banda y recíprocamente.
Aunque la ganancia es una magnitud abstracta, sin dimensiones, se define el decibelio como unidad de ganancia para graduar su variación. Así, el decibelio dB, expresa la variación que experimenta una magnitud con respecto a un nivel de referencia, es decir, indica la diferencia de valor entre dos magnitudes iguales pero no de sus valores absolutos.
Las definiciones correspondientes a las ganancias de potencia, tensión e intensidad, son las siguientes:
Ap (dB) = 10 · log (Ps / Pe) ; Av (dB) = 20 · log (es / ee) ; Ai (dB) = 20 · log (is / ie)
5.2. Impedancias de entrada y salida:
Expresan las resistencias que presentan, respectivamente, la entrada y la salida del circuito amplificador a las correspondientes señales de entrada y de salida.
Así pues, las correspondientes definiciones de dichas impedancias son:
* Impedancia de entrada: Ze = ee / ie
* Impedancia de salida: Zs = es / is
Estas impedancias determinan las magnitudes de entrada y de salida del circuito amplificador:
– Supongamos que la impedancia de la fuente de alimentación es Zg. Si Zg £ Ze, podemos considerar que el generador de tensión es un generador ideal de tensión para nuestro amplificador pues toda la tensión en bornes de la fuente será recogida sin distorsión por el amplificador; pero si Zg ³ Ze, entonces la intensidad ie = Vg / Zg será la que conserve la forma de onda sin distorsión puesto que Ze será capaz de absorber dicha corriente.
– Análogamente razonaríamos con la magnitud de salida, con Zs y ZL (impedancia de carga o de entrada del circuito receptor de la señal amplificada).
Lo que es evidente, es que cuando se da la igualdad de impedancias, ambas magnitudes, tensión e intensidad serán recogidas o enviadas sin ninguna distorsión y, consecuentemente, la ganancia de potencia será máxima.
5.3. Ancho de banda:
Hemos dicho anteriormente que la ganancia de un amplificador depende, en gran medida, de la frecuencia. Pues bien, la figura 13, a), nos muestra que para valores muy altos o muy bajos de la frecuencia, la ganancia del amplificador decrece.
Figura 13: Ganancia en función de la frecuencia. a) Absoluta; b) Relativa.
Para determinar el ancho de banda de un amplificador, se toma como nivel de referencia la ganancia para las frecuencias medias y se obtiene la gráfica de la figura 13, b). Tomando en ella la línea de -3 dB obtenemos sobre la curva los puntos que determinan las frecuencias de corte f1 y f2, que son los límites convencionales al ancho de banda del amplificador. Para dichos valores la ganancia ha bajado -3 dB, equivalentes a un descenso de potencia a la mitad. Las frecuencias de corte delimitan, en cada amplificador, la gama de frecuencias para las cuales, los valores de Ai, Av y Ap, permanecen prácticamente constantes.
Se define el ancho de banda B, de un amplificador, como la diferencia entre las frecuencias de corte:
B = fs – fi
Dado que, en general, fi < < fs, podemos estimar que: B » fs. El ancho de banda de un amplificador nos da idea de su margen de utilización, en función de la frecuencia de la señal a amplificar.
5.4. Circuitos básicos con transistores:
A) Montaje base común:
Este montaje se corresponde con el de la figura 14, a), y sus características esenciales son:
* La impedancia de entrada es pequeña (100 W) y la de salida es muy elevada (1 MW).
* La amplificación de corriente es aproximadamente la unidad: Ai » a » 1; así que este montaje no amplifica corriente: is » ie
* La amplificación de tensión, que es el cociente entre las impedancias de salida y entrada es elevada: Av = es / ee = isZs / ieZe » Zs / Ze
* La amplificación de potencia, producto de las amplificaciones de tensión y de corriente, es elevada y coincide con la amplificación de tensión: Ap = Av · Ai » Av
* La señal de salida está en fase con la señal de entrada: no hay inversión de fase.
* El ancho de banda es grande.
Figura 14: Montaje de transistor: a) Base común; b) Emisor común; c) Colector común.
B) Montaje emisor común:
Este montaje se corresponde con el de la figura 14, b), y sus características esenciales son:
* Las impedancias de entrada (1 kW) y de salida (30 kW) son medianas.
* La amplificación de corriente es elevada: Ai = b = a / [1 – a]
* La amplificación de tensión es elevada, aunque inferior a la del montaje en base común.
* La amplificación de potencia es elevada, mayor que la del montaje en base común.
* La señal de salida está en contrafase con la señal de entrada. Es el único montaje que invierte la fase.
* El ancho de banda es pequeño.
C) Colector común:
Este montaje se corresponde con el de la figura 14, c), y sus características esenciales son:
* La impedancia de entrada es elevada (200 kW) y la de salida es pequeña (200 W).
* La amplificación de corriente es elevada: Ai = b + 1 = 1 / [1 – a].
* La amplificación de tensión es aproximadamente la unidad, así que este montaje no amplifica tensión: es » ei.
* La amplificación de potencia es pequeña.
* La señal de salida está en fase con la señal de entrada: no hay inversión de fase.
* El ancho de banda es mediano.
6.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES.
El amplificador operacional es un circuito integrado que puede definirse como un amplificador lineal de alta ganancia.
El término que proviene del campo del computador analógico, para designar un circuito amplificador que efectúa varias operaciones matemáticas tales como suma, integración y diferenciación. El circuito es un amplificador electrónico con elementos pasivos, que determinan, prácticamente, la operación. Actualmente se emplea para realizar multitud de funciones.
El símbolo de la figura 15, representa un amplificador operacional: tiene dos entradas de señal denominadas inversora (-), pues la señal que le llega se desfasa 180º en la salida, y no inversora (+), pues la señal que le llega conserva su fase a la salida; las entradas de alimentación, +Vcc y -Vcc, pues la mayoría de las operaciones necesitan alimentación simétrica; y una salida S.
Además, pueden utilizar otros tres terminales dependiendo del tipo de operacional: para regulación de offset, para compensación en frecuencia y para conectar a masa y efectuar diferentes compensaciones
Los amplificadores operacionales han de reunir las siguientes características: alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida, banda de frecuencias de paso muy ancha, partiendo de la frecuencia nula, y ganancia de tensión muy elevada.
Figura 15: Representación de un amplificador operacional.
La ganancia de tensión viene dada por A = – (Vs / Vi), y se trata de una ganancia muy elevada, así que si consideramos que la ganancia es infinita, deberemos considerar que Vi = 0. Esta hipótesis se conoce como principio de tierra virtual.
Las aplicaciones más comunes de un amplificador operacional se describen a continuación:
A) Amplificador asimétrico inversor:
La figura 16, representa el correspondiente circuito, en el que observamos que la entrada no inversora está conectada a masa, así que, por el principio de tierra virtual, en el punto B tendremos 0 V.
Por aplicación de la ley de Ohm a la rama de entrada, tenemos: Ve – Vi = Ii · R1
y como Vi = 0 resulta: Ve = I1R1 Þ I1 = Ve / R1
Si ahora aplicamos la ley de Ohm a la rama de salida exterior, tenemos: Vi – Vs = I2 · R2
y como Vi = 0, resulta: -Vs = I2 · R2 Þ I2 = -Vs / R2
De otro lado: I1 = Ii + I2
y al no consumir corriente la entrada inversora, se verificará que: Ii = 0; I1 = I2
así que, igualando las expresiones de I1 e I2, tendremos que: I1 = I2 = Ve / R1 = -Vs / R2
Como la ganancia del circuito es Av = Vs/Ve, despejando Vs/Ve en la igualdad de las intensidades obtenemos:
Av = Vs / Ve = -R2 / R1
donde el signo menos significa que el amplificador es de tipo inversor.
Figura 16: Amplificador asimétrico inversor Figura 17: Amplificador asimétrico no inversor
B) Amplificador asimétrico no inversor:
En este circuito (fig. 17), la señal de entrada llega a la entrada no inversora. Siguiendo los mismos pasos que en el apartado anterior, obtendremos la ganancia del circuito:
Por la rama de entrada: Ve + Vi = I1 · R1, y como por el principio de tierra virtual Vi = 0, resulta que: Ve = I1 · R1 Þ I1 = Ve / R1
Por la rama de salida exterior, Vs – (Ve + Vi) = Vs – Ve = I2 · R2, y como Ii = 0 Þ I1 = I2, así que igualando ambas expresiones, tendremos,
I1 = I2 Þ Ve / R1 = (Vs / R2) – (Ve / R2)
de donde, reagrupando y despejando el cociente de tensiones resulta:
Vs / Ve = (R2/R1) + (R2/R2) = (R2/R1) + 1
quedando la ganancia: Av = Vs / Ve = 1 + R2/R1
C) Amplificador sumador inversor:
Un circuito de este tipo, que puede poseer cualquier número de entradas, se representa en la figura 18. Cada entrada, accede a la entrada inversora del operacional a través de su correspondiente resistencia; la entrada no inversora del operacional está conectada a masa. En el estudio que sigue hacemos Vi = 0.
Las intensidades de las ramas de entrada son: Ii = Vi/Ri,
y verifican que: Ie = I1 + I2 + I3 + I4,
y teniendo en cuenta que Ii = 0, resulta que: Ie = IR,
de donde Ie = IR = I1 + I2 + I3 + I4.
Siguiendo la rama de salida exterior: -Vs = IR R.
y sustituyendo IR por su valor: IR = I1 + I2 + I3 + I4,
resulta: -Vs = R (I1 + I2 + I3 + I4),
y sustituyendo las intensidades de entrada: -Vs = R[(V1/R1)+(V2/R2)+(V3/R3)+ (V4/R4)],
y si hacemos todas las resistencias iguales: R = R1 = R2 = R3 = R4,
queda, finalmente, que: Vs = – (V1 + V2 + V3 + V4).
La salida del circuito da como resultado la suma invertida de las señales presentes en la entrada.
Figura 18: Amplificador sumador inversor. Figura 19: Amplificador restador elemental
D) Amplificador restador elemental:
En este circuito (fig. 19), no se puede aplicar el principio de tierra virtual, pues ninguna de las entradas del operacional está conectada a masa. Opera en base a la diferencia entre las señales que llegan a sus entradas. Su funcionamiento está condicionado, tanto por los componentes del mismo, como por las características de acoplamiento de los dispositivos que actúan a través de su entrada.
La ecuación que define la actuación del amplificador restador es:
Vs = V1 [(R1 + R3) / R1] – V2 (R3 / R1)
Las resistencias R1 y R3 determinan el funcionamiento del circuito, mientras que R2 actúa como componente de compensación, y su valor viene dado por:
R2 = R1R3 / (R1 + R2)
La configuración que presenta el amplificador restador es semejante a la correspondiente a un amplificador inversor, salvo que en lugar de llevar la entrada inversora al potencial de referencia, ésta se utiliza como entrada de la señal a sustraer.
E) Amplificador operacional como integrador:
El circuito de la figura 20, representa un operacional integrador, denominado así porque realiza la integral de la tensión aplicada en V1.
Por el principio de tierra virtual, Vi = 0, e Ii = 0, así que: V1 = I1R ; Vs = -VC ; I1 = IC
De otro lado la tensión en bornes de un condensador está definida por el cociente entre la carga almacenada y su capacidad: VC = Q / C
Como la carga que almacena el condensador es: Q = ò0,t IC dt
la tensión en el condensador será: VC = (1/C) ò0,t IC dt
de donde: Vs = -VC = – (1/C) ò0,t IC dt
y como la relación entre IC y la tensión de entrada V1 es: IC = I1 = V1 / R
sustituyendo en la integral resulta : Vs = – (1/C) ò0,t (V1/R) dt = – (1/RC) ò0,t V1 dt
lo que nos dice que la tensión de salida es proporcional a la integral de la tensión de entrada.
Figura 20: Amplificador operacional integrador Figura 21: Amplificador operacional derivador
F) Amplificador operacional como derivador:
La figura 21, corresponde a un circuito operacional derivador. Por el principio de tierra virtual, Vi = 0, e Ii = 0, así que: V1 = VC ; I1 = IC = I2 ; Vs = -I2R = -ICR
De otro lado, la intensidad que circula a través de un condensador es: IC = C (dVC/dt)
y sustituyendo en la tensión de salida, resulta: Vs = -ICR = -RC (dVC/dt)
El amplificador operacional derivador, proporciona una tensión de salida proporcional a la diferencial de la tensión de entrada, pero invertida.
7.- OSCILADORES.
Circuito oscilador, o simplemente oscilador, es todo circuito que, partiendo de una fuente de alimentación continua, es capaz de proporcionar una salida de corriente alterna, con independencia de su forma de onda.
Un oscilador, es un amplificador realimentado con realimentación positiva (fig. 22).
7.1. Clasificación:
Atendiendo a la frecuencia de la señal que generan, los osciladores se clasifican en:
– Osciladores de radiofrecuencia, cuya frecuencia de salida está comprendida dentro de la gama de radiofrecuencia y se caracterizan porque incluyen un circuito tanque, LC-paralelo o un cristal piezoeléctrico. Más adelante veremos algunos de ellos.
– Osciladores de baja frecuencia, cuya frecuencia de salida está comprendida dentro de la gama de baja frecuencia y están compuestos por una red de resistencias y condensadores, pues las bobinas o los cristales de cuarzo construidos para baja frecuencia son de un volumen excesivo.
Figura 22: Esquema de bloques de un oscilador Figura 23: Funcionamiento de un oscilador
7.2. Osciladores de radiofrecuencia:
El principio de la oscilación es un movimiento de vaivén, como se deduce del circuito de la figura 23: si cerramos el interruptor S1, el condensador C, se carga a la tensión de la batería V; si abrimos S1 y cerramos S2, C se descarga a través de la bobina L, que crea un campo magnético y concluida la descarga de C, el campo magnético inducirá una tensión en L y origina una corriente que vuelve a cargar a C, pero con polaridad contraria; C vuelve a descargarse a través de L y así sucesivamente sin solución de continuidad, a no ser porque en el circuito se producen pérdidas de energía debidas a la resistencia óhmica de la bobina y del condensador; dichas pérdidas hacen que la oscilación vaya amortiguándose lentamente, de modo que si queremos mantener la oscilación deberemos reponer la energía perdida al circuito.
La frecuencia de oscilación de un circuito LC, viene dada por la relación:
f = 1 / (2pÖLC)
De la gran variedad de osciladores de radiofrecuencia que podemos encontrar, nos limitaremos a ver dos de los circuitos más típicos, de los que también existen diversas variantes.
A) Oscilador Hartley:
Se trata de un oscilador que permite seleccionar la frecuencia de oscilación ajustando el condensador variable del circuito resonante (fig. 24).
Entre la base y el colector se conecta un circuito resonante paralelo LC y en la inductancia se practica una tom intermedia de modo que la porción L1 forme parte de la carga del colector y el resto se encuentre en el circuito de la base. La frecuencia de oscilación viene determinada por la inductancia serie L1L2, siendo esta:
f0 = 1 / Ö(L1 + L2) · C
La razón de realimentación se obtiene calculando primero la tensión de realimentación en L2, e introduciendo la condición de resonancia:
vi = j i f L2 = j v0 f L2 / (j f L2 + 1/j f C) ; f0(L1 + L2) = 1/ f0C Þ
Þ vi = v0 (f0L2/(-f0L1)) = -v0 (L2/L1) Þ b = -(L2 / L1)
La razón ha resultado negativa, pero como el transistor en montaje emisor común origina un desfase de 180o, resulta que la realimentación es positiva, tal y como se requería.
Figura 24: Oscilador Hartley.
B) Oscilador Colpitts:
En el oscilador Colpitts (fig. 25), la razón de realimentación la determinan los condensadores C1 y C2.
La carga de salida se acopla al circuito resonante mediante un devanado secundario Lo, de gran utilidad para alimentar cargas de impedancia baja.
La frecuencia de oscilación viene dada por:
fo = 1 / (2pÖL1CT)
siendo:
CT = (C1 – C2) / (C1 + C2)
Figura 25: Oscilador Colpitts.
R E S U M E N
A) Rectificadores de corriente alterna.
* Son circuitos que convierten la corriente alterna en corriente continua pulsante.
* Se emplean como circuitos rectificadores, circuitos monofásicos y trifásicos tanto de media onda como de onda completa, en función de las necesidades de cada caso.
B) Filtrado.
* La corriente rectificada es pulsante y, muchas veces, la pulsación que presenta no es adecuada para alimentar a los circuitos, así que se debe proceder a su filtrado.
* Un filtro se caracteriza por su factor de filtrado, que es el cociente entre la tensión alterna de entrada y la tensión alterna de salida.
* Se utilizan muchos tipos de filtros: filtros RC, filtros en L y filtros en p.
C) Estabilizadores de tensión.
* Son circuitos cuya misión es mantener un valor constante de la tensión aplicada a una carga, lo que puede conseguirse mediante un diodo zener cuya tensión nominal coincida con la de la carga en su región de trabajo.
D) Divisores de tensión.
* Es un conjunto formado por dos o más resistencias, alimentadas por una o varias baterías que nos permite obtener, en cada uno de los terminales de las resistencias una tensión diferente con la que alimentar a las distintas partes de un circuito
E) Amplificadores.
* Un amplificador es un circuito electrónico tal que en la salida nos proporciona, fielmente en el tiempo, la señal recibida en la entrada con una amplitud diferente.
E.1) Ganancia:
* Es la relación entre las magnitudes de salida y de entrada. Puede definirse para tensiones, para intensidades y para potencias.
* Aunque la ganancia es un número abstracto, se utiliza mucho su definición en decibelios.
E.2) Impedancias de entrada y salida:
* Expresan las resistencias que presentan, respectivamente, la entrada y la salida del circuito amplificador a las correspondientes señales de entrada y de salida.
* La máxima transmisión de una magnitud entre dos circuitos se produce cuando la impedancia de salida del primero coincide con la impedancia de entrada del segundo.
E.3) Ancho de banda:
* Se define el ancho de banda de un amplificador como la diferencia entre las frecuencias de corte.
* Frecuencia de corte es aquella frecuencia para la que la ganancia disminuye en tres decibelios, que en potencia equivale al 50%.
E.4) Circuitos básicos con transistores:
* Son tres: base común, emisor común y colector común.
F) Amplificadores operacionales.
* Un amplificador operacional es un circuito integrado que puede definirse como un amplificador lineal de alta ganancia y que dispone de un circuito de realimentación exterior.
* Los circuitos más característicos son:
– Amplificador asimétrico inversor.
– Amplificador asimétrico no inversor.
– Amplificador sumador inversor.
– Amplificador restador elemental.
– Amplificador integrador.
– Amplificador diferenciador.
G) Osciladores.
* Son circuitos que, partiendo de una fuente de alimentación continua, son capaces de proporcionar una salida de corriente alterna, con independencia de su forma de onda.
G.1) Clasificación:
* Atendiendo a la frecuencia de las señal que generan, se clasifican en:
– Osciladores de radiofrecuencia.
– Osciladores de baja frecuencia.
G.2) Osciladores de radiofrecuencia:
* Oscilador Hartley.
* Oscilador Colpitts.
BIBLIOGRAFÍA
1. Curso de Electrónica.
Vols. II y III: Semiconductores.
M. Mounic.
José Montesó – Editor. Barcelona.
2. Electrónica fundamental para científicos.
James J. Brophy
Ed. Reverté, S.A.
3. Electrónica general. Dispositivos básicos y analógicos.
Gil Padilla.
Ed. McGraw-Hill.
4. Electrónica fundamental.
Teoría y práctica desde la válvula hasta el circuito integrado.
Ed. Paraninfo.
5. Prácticas de electrónica.
Manual de laboratorio y de enseñanza acelerada.
Ed. Marcombo.