INDICE
1. INTRODUCCIÓN.
2. AMPLIFICADORES.
2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES.
2.1.1. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES.
2.2 AMPLIFICADOR EN EMISOR COMUN ( EC ).
2.2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.
2.2.2. MODELO PARA SEÑAL DE UN AMPLIFICADOR EN EC.
– Ganancia.
– Impedancia de entrada de la base.
– Impedancia de entrada de la etapa.
– Impedancia para señal del colector.
– Parámetros h.
2.3. AMPLIFICADOR DE TENSIÓN.
2.3.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.
2.3.2. GANANCIA DE TENSIÓN
2.3.3. COMO PREDECIR LA GANANCIA DE TENSIÓN.
2.3.4. AMPLIFICADOR EN EMISOR COMUN CON RESISTENCIA DE EMISOR SIN DESACOPLAR.
2.3.5. ETAPAS EN CASCADA.
2.4. AMPLIFICADOR DE POTENCIA.
2.4.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.
2.4.2. RECTA DE CARGA PARA SEÑAL.
2.4.3. LIMITES PARA LA EXCUSIÓN DE SEÑAL.
2.4.4. FUNCIONAMIENTO EN CLASE A.
2.4.5. LIMITACIÓN DE POTENCIA PARA UN TRANSISTOR.
2.5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
2.5.1. DESCRIPCIÓN GENERAL.
2.5.2. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
2.5.3. DOS CARACTERÍSTICAS DE ENTRADAS.
2.5.4. ANALISISA PARA SEÑAL DE UN AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.
2.5.5. TENSION DE OFFSET DE SALIDA
2.5.6. GANANCIA EN MODO COMÚN.
2.5.7. SIMBOLOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
3 FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS.
3.1. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN.
4. CONVERSOREA A/D Y D/A.
4.1. INTRODUCCIÓN.
4.2. CONVERSORES DIGITAL/ANALOGICO.
4.3. CONVERSORES ANALOGICO/DIGITAL.
1. INTRODUCCION.
En este tema se describen los elementos de un sistema de control que realizan funciones de amplificación y adaptación de la señal de control, elementos muy importantes y comúnmente presentes en estos sistemas.
El diagrama de bloques de los componentes de un sistema de control con realimentación en general es el siguiente:
Este esquemas es muy general, pero sirve para centrar la localización de los elementos que se describirán a lo largo del tema.
El bloque representado como CONTROLADOR, estará en general y dependiendo en cada caso del sistema a controlar, compuesto por los elementos necesarios para realizar la función de control, que consiste en obtener una señal de control a partir de Señal de error detectada Esta señan cd control será aplicada sobre el SISTEMA CONTROLADO para modificar su comportamiento y que presente una Señal de salida adecuada a la Señal de entrada ( Señal de referencia ).
Los elementos de los que puede estar compuesto el CONTROLADOR son los siguientes:
El elemento CORRECTOR DE ERROR, es el encargado modificar la señal de error que le proporciona el detector de error con el fin de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz y presente mejores características en cuanto a precisión, estabilidad y tiempo de respuesta y sobreoscilaciones. Pueden ser de tipo: Todo o nada, proporcionales, proporcional-derivativo, proporcional-integrativo o proporcional-derivativo-integrativo.
El REALIZADOR DE CONTROL, es el elemento que obtiene a partir de la señal de error que le llega, la señal de salida necesaria para que tras ser amplificada y adaptada se convierta en la señal de control del sistema. Es elemento que tiene el conocimiento necesario sobre el sistema a controlar , para saber que señal de control se debe aplicar para cada señal de error. Puede tener también conocimiento y utilizar el comportamiento pasado del sistema. Su implementacion depende de la técnica que se emplee para realizar el control, en general será un programa de ordenador que utiliza un método de control adecuado ( control predictivo, adaptativo, etc ).
El AMPLIFICADOR tiene como finalidad amplificar la señal de control, para que alcance un nivel suficiente para accionar el elemento final de control, los mas usados suelen ser del tipo : neumático, eléctrico y electrónico, amplificadores de transistores, reles, tiristores y triacs.
El ELEMENTO FINAL DE CONTROL, tiene como objetivo modificar la variable de entrada del sistema controlado. Las variables mas utilizadas suelen ser del tipo intensidades de corriente eléctrica, cantidad de líquido o vapor, par aplicado a un eje. Se pueden utilizar: serbovalvulas, motores, resistencias.
Existen otros elementos que también pueden estar presentes en los circuitos de control y que realizan adaptación de la señal : conversores Analogico/Digital, Digital/Analógico y filtros.
En el desarrollo de este tema se van a describir los elementos mas representativos y de mas utilización en los circuitos de control, profundizando en los aspectos mas importantes: Amplificadores, conversores A/D , D/A y filtros.
2. AMPLIFICADORES.
Son elementos común mente utilizados en circuitos de control, ya que usualmente la acción de control, se realiza utilizando señales de error de menor magnitud y de manejo facil y comodo.
Existe mucha variedad de amplificadores y aunque se realizara una clasificación general de todos ellos, se describiran en profundidas los tipos mas representativos de amplificadores con transistores: amplificador en Emisor comun, amplificador de tension , amplificador de potencia y amplificador operacional.
2.1 CLASIFICACION DE LOS AMPLIFICADORES.
Los amplificadores se pueden clasificar según las caracteristicas de la señal de error que amplifican en:
Tambien se pueden clasificar dependiendo de los elementos que los componen:
– Amplificadores con valvulas termoionicas
– Amplificadores con transistores.
2.1.1 AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES
Los amplificadores con transistores son los mas utilizados en la actualidad y tambien de los que mas tipos hay. Se puden clasificar:
Dependiendo del nivel de tensión que han de amplificar:
- Amplificadores de tensión: amplifican señal devil, se les llama tambien preamplificadores.
- Amplificadores de potencia: amplificadores de señal fuerte. Son amplificadores de corriente ( manejan tensión baja e intensidad alta ).
Dependiendo del acoplamiento entre etapas:
Dependiendo de la frecuencia de la señal:
- Amplificadores de corriente continua,
- Amplificadores de audiofrecuencia ( 20 Hz – 20 Khz ).
- Amplificadores de videofrecuencia ( 30 Hz – 15 Mhz ).
- Amplificadores de radio frecuencia ( 20 Khz – cientos de Mhz ).
Dependiendo de las caracteristicas estaticas de funcionamiento ( el punto Q ):
Al margen de esta clasificación se encuentra como tipo caracteristico de aplificador, el APLIFICADOR OPERACIONAL, que posee caracteristicas de varios de los tipos indicados, ya que es amplificador de continua, de alta ganancia que funciona desde los cero Hz hasta 1 Mhz, y esta compuesto normalmente por varias etapas amplificadoras acopladas.
2.2 AMPLIFICADOR EN EMISOR COMUN ( EC ).
Se le llama así porque el emisor esta a masa para señal. Tiene el siguiente circuito:
Las caracteristicas principales son:
- Acoplo de la entrada: La tension de entrada esta acoplada mediante un condensador de entrada, a la base del transistor.
- Inversion de fase: La corriente de colector alterna es aproximadamente igual a la corriente de emisor alterna. Si aumenta la tension de entrada , aumenta la corriente de colector, y por lo tanto disminuye la tension en el colector, ya que hay mas caida de tension en la resistencia RC
- No hay alterna en el nudo de emisor: para señal un condensador se comporta como un cortocircuito y el emisor esta a masa.
- No hay alterna en la linea de alimentacion
La forma más simple de estudiar el circuito consiste en dividir el analis en dos partes: un analisis para continua y un analisis para señal. Aplicar el teorema de superposicion. Este teorema se puede aplicar cuando el circuito tiene mas de una fuente:
Para realizar el analisis de continua:
3. Analizar el circuito equivalente para continua.
Para realizar el analisis de señal:
En el circuito original, anular todas las fuentes de alimentación.
2. Poner en cortocircuito todos los condensadores
3. Analizar el circuito equivalente para señal
El resultado final del estudio es:
- Sumar la corriente continua con la corriente de señal, para obtener la corriente total en cualquier rama.
- Sumar la tension de continua con la tension de señal, para obtener la tension total en cualquier nudo o entre valores extremos de culquiera de las resistencias.
Tenemos un amplificadoe en EC, como el de la figura anterior pero con datos reales.
2.2.2 Modelo para señal de un amplificador en EC.
Ganancia de corriente continua
Ganacia de corriente para señal
Las corrientes son los valores pico a pico.
2.2.1.2 Impedancia de entrada de la base
Para obtener la impedancia de entrada de un amplificador se pueden emplear tes modelos:
Para hacer el estudio en señal se obtiene el circuito equivalente para señal, considerando: los condensadores se consideran cortocircuitos y las fuentes de alimentacion de continua equivalen a masas.
El terminal de la base absorbe corriente de la union de RG y R1 en paralelo con R2, la base actua como una resistencia equivalente a:
El esquema anterior es equivalente a una union en T con una fuente de corriente en la parte superior y una resistencia para señal de emisor en la parte inferior. Este modelo funciona basando se en los comportamientos conocidos de las tensiones y las corrientes.
Este modelo representa dos ramas paralelas
2.2.1.3 Inpedancia de entrada de la etapa
La impedanca de entrada de una etapa es el efecto combinado de las resistencias de polarización y la impedanca de entrada de la base:
2.2.1.4 Impedancia para señal del colector
La impedancia para señal del colector sera:
Son parametros para señal en las hojas de características: hfe, hie, hre y hoe.
2.3 1 Descripcion general.
La tensión del generador esta acoplada mediante un condensador de entrada a la base del transistor. Como el emisor está a masa para señal, toda la tensión alterna de la base aparece en el diodo de emisor. Cuando la corriente alterna del colector circula por la resistencia para señal del colector, produce una señal alterna que esta desfasada 180º respecto a la tension de entrada. El condensador de salida acopla la tension alterna del colector amplificada e invertida a la resistencia de carga. Como un condensador esta en circuito abierto para continua y cortocircuito para señal, bloquea la tensión continua del colector, pero deja pasar la tension alterna del colector.
2.3.2 Ganancia de tension.
La tension de entrada a un amplificador es la misma que la tensión de alterna en la base. La tensión de salida de un amplificador es la misma que la tensión alterna en la carga. La ganacia en tensión es igual a la tensión de salida dividida entre la tension de entrada: A = Vsal/V en.
2.3.3 Como predecir la ganancia de tension.
La ganancia de tensión de un amplificador en EC debe ser igual a la resistencia para señal de colector dividida por la resistencia para señal del diodo emisor: A = rc / r’e.
2.3.4 Amplificador en emisor comun con resistencia de emisor sin desacoplar.
A veces la ganancia de tensión de un circuito debe ser constante a pesar de que haya cambios en la temperatura y en otras variables. Un metodo para estabilizar la ganancia de tensión consiste en utilizar una resistencia de realimentación en el circuito de emisor. La tensión en esta resistencia de realimentación se opone a la tensión de entrada, por lo que se presenta la realimentación negativa. Esta reduce la ganancia de tensión pero mejora otras caracteristicas del amplificador, como la estabilidad de la ganancia, la impedancia de entrada y la distorsión.
En un amplificador con dos etapas, cada una de las etapas amplifica la señal y la tension final de salida es mucho mayor que con una sola etapa. Esto significa que la resistencia de entrada de la segunda etapa se convierte en la resistencia de carga de la primera etapa. La ganancia de tensión total de las etapas en cascada es igual al producto de las ganacias individuales de cada etapa.
2.4.1 Descripcion general
2.4.2 Recta de carga para señal.
Un amplificador en EC tiene dos rectas de carga: una para continua y otra para señal. Las rectas de carga serán diferentes siempre que la resistencia para señal del colector sea distinta de la resistencia para continua del colector. Las rectas de carga pasan por el punto de trabajo para continua ( punto Q ). Por ese motivo ICQ y VCEQ son muy importantes en el funcionamiento con señales grandes.
La recta de cara para señal tiene una mayor pendiente que la recta de carga para continua si la resistencia de colector para señal es menor que la resistencia de colector para continua.
2.4.3 Limites para la excursión de señal.
Cuando la señal es grande, puede producirse un recorte en uno o en los dos semiciclos. Si el punto Q se haya en el centro de la recta de carga para continua, se produce primero el recorte de ICQrc. Si el punto Q se encuentra por encima del centro de la recta de carga para continua, se puede producir primero el recorte de VCEQ ( maxima variacion hacia la izquierda ), o bien de ICQrc ( maxima variación hacia la derecha ). Depende de cual de los valores sea menor
2.4.4 Funcionamiento en clase A.
El funcionamiento en clase A se produce cuando el transistor conduce durante todo el ciclo de señal sin entrar en saturacion o en corte. El rendimiento del amplificador se define como la potencia de señal en la carga dividida entregada por la potencia entregada por la fuente de alimentación, todo multiplicado por 100. El rendimiento de un amplificador clase A es pequeño, en general muy por debajo del 25%.
2.4.5 Limitacion de potencia para un transistor.
La temperatura en la union del transistor limita la potencia que un transistor puede disipar sin que se destruya. La temperatura del encapsulado se alla entre la temperatura de la union y la temperatura ambiente. Los disipadores de calor permiten que el calor escape con mayor facilidad de un transistor, lo que hace que disminuya la temperatura de la union.
2.5 AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
2.5.1 Descripcion general
El diagrama de bloques de un amplificador operacional es el siguiente:
La caracteristicas de entrada del amplificador operacional, seran las de amplificador diferencial,y las de salida, las del seguidor de emisor. En general es propio de un amplificador operacional el tener:
2.5.2 Amplificador diferencial.
Un amplifcador diferencia es la etapa de entrada de un amplificador diferencial. No tiene condensadores de acoplo ni desacoplo, lo que implica que esta directamente acoplado. Por eso puede amplificar cualquier frecuencia incluyendo la señal continua, que es equivalente a una señal de frecuencia cero. La corriente de polarización en un amplificador diferencial se divide exactamente entre los transistores cuando estos son identicos.
2.5.3 Dos caracteristicas de entrada
Cuando los dos transistores de un amplificador diferencial no son identicos, las corrientes de base son diferentes. La corriente de offset de la entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. La corriente de polarizacion de entrada se define como el promedio de las dos corrientes de base. Las hojas de caracteristicas indican los valores de estas corrientes.
2.5.4 Analisis para señal de un amplificador diferencial.
Al ser la corriente de polarizacion idealmente constante, un incremento en la corriente de emisor de un transistor, produce una disminucion en la corriente de emisor del otro. La tension de entrada de señal entre las dos bases aparece en extremos de 2re’. Por eso la ganacia diferencia de tension de un amplificador diferencial es A = RC/2re’, mientras que la impedancia de entrada es :
2.5.5 Tension de offset de salida
La tension de offset de salida es caulquier desviacion o cambio de la tension ideal. Las dos causas de la tension de salida son las diferencias de valores de VBE y de 
La presencia de señales no deseadas puede producir tensiones iguales en cada base. El amplificador diferencial discrimina estas señales pues la ganacia de tension en modo comun es pequeña. El rechazo al modo comun ( CMRR) es la ganacia de tensión en modo diferencial dividida entre la ganancia de tension en modo comun. Cuanto más alto sea el CMRR, mejor.
2.5.7 Simbolos del amplificador operacional
El simbolo , junto con la representacion de impedancia de entrada y circuito equivalente Thévenin de salida es el siguiente.
3 . FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS.
3.1 DEFINICION Y CLASIFICACION.
Es un elemento que produce la anulación de determinadas componetes de frecuencia de la señal de entrada. El filtro ideal no debe presentar atenuación ni desfase en las bandas de frecuencias que no debe alterar ( banda pasante ), en cambio debe producir una atenuacion infinita de los componentes externos a su banda pasante. Las zonas correspondientes a atenuación nula y atenuación infinita estan separadas por las denominadas frecuencias de corte o limites, dependientes de la configuracion del filtro.
Posicion de su banda pasante
De acuerdo con la posición de su banda pasante los filtros se pueden clasificar en:
Paso bajo ( PL): la banda pasante se extiende de la frecuencia nula hasta la frecuencia de corte.
Paso alto ( PH ): la banda pasante se extiende desde la frecuenca de corte hasta la frecuencia infinita.
Paso banda o pasa banda ( PB ): la banda pasante corresponde a a las frecuencias acotadas entre dos frecuencias e corte.
Para banda o corta banda ( CB ): su banda pasante comprende todas las medidas salvo las comprendidas en el intervalo existente entre dos frecuencias limites.
Diferencias filtro ideal/filtro real:
La atenuacion en la banda pasante no sera nula.
La atenuacion en la banda no pasante no sera infinita.
La transicion de la banda pasante a la no pasante sera continua.
Amplificacion de señal
Desde el punto de vista de amplificacion de señal:
Filtro pasivo: todos sus componentes son pasivos ( no amplifican señal ).
Caracteristicas:
Impedancia de entrada alta y de salida baja. Facilconexion en cascada.
Elimina inductancias que pueden ser simuladas con resistencias y condensadores. Son mas baratos y eliminan efectos no deseados de las bobinas.
Facilidad de amplificación.
Facilifad de puesta a punto y regulacion.
Reducion de volumen del filtro, densa integracion.
Usasos para alta frecuencia.
Filtro activo: por lo menos un componente es activo.
Caracteriosticas:
Necesidad de utilizacion de una o dos fuentes de alimentacion.
Limitacion del margen dinamico de salida, por la posibilidad de saturar el amplificador.
Mas inestables.
Son filtros de baja frecuencia
4. CONVERSORES A/D y D/A.
4.1 INTRODUCCION.
En la mayoria de los casos resulta mas conveniente efectuar las funciones de regulacion y control de sistemas mediante tecnicas digitales. Sin embargo en muchos casos la señal disponible es analogica, ya que son muchos los transductores que poseen una salida electrica analogica, correspondiente a la magnitud medida. Ello obliga a tener que efectuar una conversion analogica/digital, que en otros casos permitirá la transmisión digital de una señal analógica lo que permite minimizar la distorsion producida por la imperfeccion del sistema de transmision.
Por otra parte esta señal tratada o transmitida digitalmente puede ser necesario actuar analogicamente sobre un controlador o actuador, o efectuar una representación analogica sobre un registrador, un apantalla etc, lo que obliga a la conversion inversa, la conversion digital/analogica.
Es necesario disponer de los elementos que realizan estas funciones, con unas carcteristicas de valocidad y precision adecuadas en cada caso.
4.2 CONVERSORES DIGITAL/ANALOGICOS.
Son elementos que reciben una información digital en forma de una palabra de n bits y la transforman en una señal analogica. Cada una de las 2n combinaciones binarias de la entrada es convertida an 2n niveles discretos de tension ( o corriente ) de salida.
Las caracteristicas que definen un conversor D/A son:
Resolucion que depende del numero de bits de la entrada.
Polaridad del conversor: unipolar o bipolar.
Codigo digital de entrada, utilizado en la información.
Codigo binario natural
Decimal Codificado en Binario ( BCD ).
Tiempo de conversion: tiempo que se precisa para efectuar el maximocambio de tension de salida con un error menor al de su resolucion.
Tension de referencia:
Interna
Externa: puede ser variada entre ciertos margenes, la tension de salida vendrá afectada por este factor, constituyendo un conversor multiplicador.
Tipos:
Resitencias ponderadas.
Redes de resitencias
Por generacion de impulsos.
4.3 CONVERSORES ANALOGICO/DIGITALES.
Son elementos que transforman un nivel de tension en informacion digital en un codigo determinado, con una precision y una resolucion dada.
Dado que el numero de bits n que se obtiene del conversor es finito, el codigo de salida debe ser siempre el correspondiente al valor mas cercano que puede expresarse mediante los n bits. la conversion digital efectua pues una cuantificacion de la entrada analogica, acotandola entre dos niveles consecutivos cuya distancia es precisamente el grado de resolucion obtenido, que sera igual a Vmax/2n.
Tipos:
Conversion A/D directa: Comparacion con una tension de referencia. Consiste en utilizar tantos comparadores como niveles de tension se quiere discretizar y a partir de esta información codificar la palabra de salida. Esta formado por 2n-1 comparadores, una red de resitencias que permite obtener niveles de tension equidistantes entre si y el codificador que efectua la conversion de los 2n-1 estados de los comparadores a los n bits de salida del conversor.
Conversor A/D de rampa: utiliza pasos intermedios.
Conversor de doble rampa.
BILIBIOGRAFIA:
Principios de Electrónica . MALVINDO. MCGraw Hill
Electronica y Automática Industrial. Tomos I y II. MARCOMBO. Boixaraw Editores.