Índice
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1. |
Introducción. |
2 |
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2. |
Fuentes de alimentación. |
2 |
2.1. Transformadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2. Rectificadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1. Rectificador de media onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.2. Rectificador de onda completa con toma intermedia de transformador. . 4
2.2.3. Rectificador de onda completa con puente de diodos. . . . . . . . . . . 5
2.3. Filtros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4. Estabilizadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4.1. El seguidor tener. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4.2. Circuitos integrados reguladores de tensión. . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. Amplificadores. 7
3.1. Amplificador elemental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2. Clases de amplificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4. Circuitos con amplificadores operacionales. 9
4.1. AO como comparador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4.2. Amplificadores lineales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2.1. Amplificador inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2.2. Amplificador no inversor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2.3. Amplificador sumador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2.4. Amplificador restador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.3. Amplificadores no lineales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1. Amplificador rectificador de media onda. . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.2. Amplificador rectificador de onda completa. . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.3. Amplificador derivador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3.4. Amplificador integrador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.4. Filtros activos de frecuencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4.1. Filtro pasa-bajas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4.2. Filtro pasa-altas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4.3. Filtro pasa-banda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.4.4. Filtro rechaza-banda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1. Introducción.
Los circuitos electrónicos son actualmente el medio mas importante para realizar sistemas de control en todo tipo de ámbitos. Así, es posible realizar medidas de magnitudes físicas en un entorno, introducirlas en un sistema y que este sea capaz, de forma automatizada, de actuar en consecuencia con dichas medidas.
En el siguiente tema veremos primeramente las fuentes de alimentación (componentes fundamentales de cualquier circuito electrónico), y los circuitos que la componen. Seguidamente veremos un circuito simple de amplificación, y finamente se describirán los circuitos mas usuales con amplificadores operacionales.
2. Fuentes de alimentación.
Muchos equipos electrónicos requieren ser conectados, para poder realizar su función, a una fuente de tensión constante. Como la energía eléctrica se distribuye de forma sinusoidal, hay que transformar esta onda en otra de valor constante. El sistema electrónico que realiza esta función se denomina fuente de alimentación.
Los circuitos que realizan esta función suelen basarse en cuatro bloques:
Figura 1: Esquema fuente de alimentación.
El primer bloque es un transformador, que convierte la amplitud de la onda senoide al valor adecuado, para poder obtener la tensión constante a la salida que queremos.
El segundo bloque rectifica la tensión alterna, es decir su tensión de salida solo presenta un polaridad, aunque su amplitud es variable.
El tercer bloque filtra esta tensión unipolar, y proporciona una tensión aproximadamente constante a su salida.
El cuarto bloque estabiliza la tensión frente a cambios en la tensión alterna o en la carga.
2.1. Transformadores.
Generalmente, dado que la señal alterna senoidal común en Europa es de 220 Vrms y que los niveles que queremos extraer del rectificador son menores, se utilizaran transformadores reductores. Estos transformadores ofrecen en su salida prácticamente la misma potencia que en su entrada, pero modifican la amplitud de las señales tanto de tensión como de corriente.
A groso modo un transformador de tensión consta de un núcleo ferromagnético, que conforma un circuito magnético entre dos devanados o conjunto de arrollamientos. Un primer devanado es el primario, este recibe la señal alterna de la red y genera un flujo magnético que circula por el núcleo. Dado que la tensión es variable, el flujo magnético también es variable. El flujo magnético induce a su vez en el devanado secundario una f.e.m. variable, con la misma forma que la señal de entrada en el primario.
Si la relación N1/N2 correspondiente al no de espiras del primario / no de espiras del secundario es mayor que la unidad, el transformador aumentara´ la corriente en el secundario, y disminuirá la tensión para mantener el valor de potencia constante.
2.2. Rectificadores.
2.2.1. Rectificador de media onda.
El circuito mas simple que puede convertir corriente alterna en corriente continua es el rectificador de media onda.
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Figura 2: Rectificador de media onda. Considerando la relación de espiras, la tensión de pico en el secundario es:
Si representamos la onda de entrada con línea fina y la onda de salida con línea gruesa:
Figura 3: Rectificación de media onda.
Observando el tipo de onda que se obtiene a la salida del rectificador, se observa que si bien la onda es unipolar, la señal de salida tiene una fuerte componente alterna. En este tipo de rectificador la frecuencia de salida no cambia.
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El valor medio de la onda de salida es Vm = Vmax
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El valor eficaz de la onda de salida es Vef = Vmax
Siendo el valor de la componente alterna igual a:
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Vac = q − Vm = 0, 386 · Vmax
Con estos valores se puede calcular el factor de rizado de la onda.
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F = Vac m 0, 386 · Vmax
Vmax π = 0, 386 · π = 1, 21
El factor de rizado determina la calidad del rectificador, ya que es una medida de la componente alterna respecto a la continua. En este caso se observa que la rectificación es bastante pobre, ya que la onda de salida tiene un 121 % mas de componente alterna que de componente continua.
2.2.2. Rectificador de onda completa con toma intermedia de transformador.
Este tipo de rectificador consigue rectificar ambas semiondas, de forma que filtra la semionda positiva pero invierte la semionda negativa. De esta manera se consiguen mayores valores de tensión media, y se reduce el factor de rizado.
Figura 4: Rectificador de onda completa con toma intermedia en el transformador.
El funcionamiento del circuito parte de un transformador con toma doble de secundario, o con dos secundarios en los que se inducen ambas tensiones desde un único primario. Los secundarios tienen el devanado hecho en sentido inverso uno respecto al otro, lo que produce que la tensión que hay en cada uno de ellos esta desfasada. Cuando la tensión en un secundario es positiva, en el otro secundario es negativa y viceversa. Debido a esta conexión central a masa del arrollamiento del secundario, el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda, cada uno rectificado con su correspondiente diodo.
Al estar el bobinado secundario partido, la tensión de salida será la mitad de la tensión que cabrıa esperar del bobinado completo.
La onda de salida será:
Figura 5: Onda rectificada completa.
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En este tipo de rectificador la frecuencia es el doble que la de entrada. El valor medio de la onda de salida es Vm = 2· Vmax
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El valor eficaz de la onda de salida es Vef = V max
Siendo el valor de la componente alterna igual a:
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Vac = q − Vm = 0, 3 · Vmax
Y por tanto el factor de rizado de la onda es de:
Vac
0, 3 · Vmax
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Fr = = m
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2 · Vmax = 0, 48
2.2.3. Rectificador de onda completa con puente de diodos.
Este es el montaje mas utilizado para construir fuentes de alimentación, por las ventajas que presenta frente a los montajes anteriores. Mediante el uso de cuatro diodos en lugar de dos, este diseño elimina la necesidad de la conexión intermedia del secundario del transformador. La tensión en la carga es el doble que se obtiene usando la conexión intermedia del secundario.
Figura 6: Rectificador con puente de diodos.
Durante el semiciclo positivo, los diodos D2 y D3 conducen, esto produce un semiciclo positivo en la carga. Los diodos D1 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce un semiciclo positivo en la carga.
Presenta las ventajas respecto al anterior de que los diodos soportan menos tensión inversa, y eliminamos el transformador con secundario partido.
Presenta un pequen˜ o inconveniente, ya que al atravesar la corriente por dos diodos se produce una disminución de la tensión de 1,4 V, circunstancia que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar el transformador de entrada, para compensar esta caída y la salida de la fuente no sea menor que la deseada.
2.3. Filtros.
Un filtro en una fuente de alimentación es un elemento de acoplamiento, que se aplica para reducir el valor de la tensión de rizado y por tanto, mejorar los valores de tensión continua que se aporta a la carga.
Por lo general, el elemento mas utilizado es el condensador, siendo el mas efectivo el condensador electrolítico. Estos condensadores tienen un acido como dieléctrico, lo que les permite tener altos valores de capacidad en pequeños tamaños. Son dispositivos con polaridad.
El filtro mas usado es el filtro con condensador en paralelo:
Cuando la corriente llega a un pico, el condensador queda cargado con la tensión de pico. Luego cuando la tensión cae por debajo de la tensión almacenada por el condensador, los diodo se polarizan inversamente y no pasa corriente por ellos. El condensador continua proporcionan- do corriente a la carga, descargándose hasta el siguiente pico de tensión alterna.
2.4. Estabilizadores.
En el apartado anterior, se ha observado, que aunque se filtre la onda, todavía permanece un componente de rizado en la onda. Adema´s a la inestabilidad de la tensión de salida también contribuyen las variaciones de la tensión de entrada y de la carga.
Figura 7: Puente de diodos con filtro de condensador en paralelo.
Figura 8: Onda completa con filtro de condensador paralelo.
Para eliminar este problema, a las fuentes de alimentación se les añade un bloque llamado estabilizador; con ello se logra que la salida sea estable independizándola del valor de la tensión de entrada y de la resistencia de carga dentro de ciertos lımites.
Dentro de los circuitos estabilizadores los mas utilizados son los estabilizadores en serie, si bien para grandes potencia se utilizan los estabilizadores conmutados.
2.4.1. El seguidor tener.
El seguidor tener es un circuito estabilizador en serie, consta de: una resistencia, un diodo tener y un transistor.
Figura 9: Seguidor tener.
2.4.2. Circuitos integrados reguladores de tensión.
Cuando se requieran niveles de potencia relativamente bajos, los circuitos reguladores de tensión encapsulados en circuito integrado, resultan mucho mas sencillos y en definitiva mas económicos, consiguiéndose valores de rizado a la salida del regulador de 0,01 % de la tensión continua.
De forma estándar, estos reguladores componen las familias gene´ricas de circuitos integra- dos 7800 y 7900, reservándose las dos ultimas cifras para determinar la tensión de salida de la fuente.
El regulador consta de tres terminales, la entrada, la salida y la masa, su montaje es muy sencillo, ya que se acopla directamente a cualquier circuito rectificador con filtro por condensador.
Figura 10: Regulador 7800.
3. Amplificadores.
En electrónica, la amplificación consiste en aumentar la amplitud, en tensión y/o en intensidad de una señal eléctrica.
Un amplificador, será un circuito capaz de realizar esta labor entregando a la salida una señal eléctrica idéntica a la de entrada pero con su amplitud incrementada.
Los amplificadores tienen una serie de parámetros que definen sus características. Los principales son:
Ganancia de tensión.
Impedancia de entrada. Es la resistencia que ofrece un amplificador a su entrada considerada para una señal senoidal de 1kHz.
Impedancia de salida. Es la resistencia que ofrece un amplificador a su salida; debe ser lo mas baja posible.
Potencia de salida. Indica la potencia que es capaz de entregar el amplificador, se mide en watios y es la magnitud mas utilizada cuando se trata de amplificación.
Sensibilidad. Indica la tensión que se debe aplicar a la entrada para que el amplificador entregue la máxima potencia.
Ancho de banda. Representa la ganancia del amplificador en función de la frecuencia aplicada, esta limitada por la frecuencia de corte inferior y por la frecuencia de corte superior.
3.1. Amplificador elemental.
El circuito mas elemental consiste en un solo transistor convenientemente polarizado.
Figura 11: Amplificador en emisor común. Polarizado por divisor de tensión.
La corriente de señal de la base produce una variación amplificada en la corriente del colector, a causa la ganancia de corriente del transistor.
Como esta corriente de colector amplificada circula a través de la resistencia del colector, produce una tensión que varıa a través de la resistencia del colector. La tensión del colector esta invertida respecto a la señal de entrada.
Para conseguir mayor amplificación se suelen construir amplificadores con varias etapas, con esto se consiguen ganancias de tensión mayores.
3.2. Clases de amplificación.
Clase A La clase A es la forma mas común de operar con un transistor en circuitos lineales, ya que es el primero en simplicidad y el circuito polarizado mas estable.
Con este tipo de amplificador, la corriente circula por el colector durante todo el ciclo. Dicho de otra forma no aparecen recortes en la señal de salida durante todo el ciclo.
Clase B Cuando el punto de reposo se sitúa sobre la intersección de la recta de carga con el eje
VC E . En este caso, el transistor amplificara, solamente la mitad de la señal aplicada.
En este tipo de amplificador se produce una cierta distorsión debido a la tensión umbral del diodo base-emisor.
Clase C Cuando el punto de reposo esta´ situado por debajo del eje VC E , en este caso solamente será amplificado un fragmento del semiciclo
4. Circuitos con amplificadores operacionales.
Los circuitos operacionales son un tipo de amplificadores de pequeña señal, muy usados para el desarrollo de los circuitos electrónicos de control, por tratarse de un elemento que se comporta de forma casi ideal. Estos circuitos cuentan entre sus características principales con:
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Estas características hacen funcionar al AO como un amplificador casi perfecto.
Cuando se introduce una pequeña señal de tensión a través de los terminales de entrada, esta es amplificada de forma extraordinaria por el AO, se podría pensar que la tensión se elevaría en exceso, observando la ganancia del AO, pero realmente la salida esta limitada a por los valores de tensión de polarización positiva y negativa. De forma genérica el valor de tensión máxima de la salida o tensión de saturación, en una AO suele ser de unos pocos voltios menos que el valor de alimentación.
El AO dispone de los siguientes terminales:
1. Alimentación simétrica, positiva y negativa(±VC C ).
2. Terminal no inversor.
3. Terminal inversor.
4. Terminal de salida.
5. Terminal de masa.
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6. Terminales de offset positivo y negativo
Figura 12: Símbolo de un OA.
4.1. AO como comparador
La aplicación mas simple del AO es su comportamiento como comparador.
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Las señales a comparar se introducen respectivamente en el terminal no inversor (V2 ) y en el terminal inversor (V1). El AO interpretara´ una señal de entrada consistente en la diferencia (V2 − V1), con lo que dicha señal podrá ser positiva o negativa dependiendo de los valores de las señales de entrada. Si existiera una mínima diferencia entre estos dos valores, se detectara mediante la aparición de un valor de saturación en el terminal de salida. Pero además por la polaridad de esa tensión de saturación se puede saber cual de las dos señales es mayor.
En el grafico, se puede observar que existe una tensino de desplazamiento a la entrada y su efecto en la salida del comparador. Este desplazamiento o tensión de offset, aparece cuando se pretende igualar las tensiones en ambas entradas, es decir una entrada diferencial nula en el comparador. Esto es perfectamente corregible operando en los terminales de offset, es un problema practico que se ha de regular mediante elementos variables como potenciómetros.
·Circuito seguidor de señal variable. Una de las aplicaciones mas usadas del circuito comparador, es para controlar un elemento en función de las condiciones exteriores, ej.: un termostato. Mediante una resistencia sensible a la temperatura se compara la Ta con el valor fijado por una resistencia variable.
– Figura 14: Curva del comparador.
Figura 15: Seguidor de señal variable.
La resistencia variable R2 nos permite fijar el valor de voltaje deseado. La resistencia sensible varia con el para´metro exterior, variando la tensión en la otra entrada del AO comparador.
La diferencia entre estas dos señales provoca que la salida del comparador, excite la base de un transistor permitiendo que circule corriente por la bobina del relé K, al cerrase el relé activa el elemento actuador del sistema.
4.2. Amplificadores lineales.
4.2.1. Amplificador inversor.
El amplificador inversor es uno de los circuitos con AO mas básicos. Utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia de tensión total.
Una tensión de entrada VI N excita la entrada inversora a través de la resistencia R1, lo que produce una tensión a la entrada inversora del AO. La tensión de entrada se amplifica mediante la ganancia de tensión en lazo abierto para producir una tensión de salida invertida. La tensión de salida se realimenta hacia la entrada a través de la resistencia de realimentación R2, lo que produce una realimentación negativa, ya que la onda de salida esta invertida. En otras palabras, a cualquier cambio en la tensión de entrada, se opone un cambio en la tensión de salida. Por tanto las variaciones en la salida debidas a las variaciones en la entrada se atenúan.
Para analizar este circuito usamos las siguientes aproximaciones:
Figura 16: Amplificador inversor.
1. Como la impedancia de entrada del AO es muy grande, la corriente que entra en el AO es despreciable.
2. Como la ganancia de tensión en lazo abierto es muy grande la tensión de diferencial entrada se aproxima a cero.
Como la corriente que entra en el AO es despreciable las resistencias R1 y R2 son recorridas por la misma corriente.Además el potencial en la entrada inversora debe ser igual al de la entrada no inversora, en este caso cero. Luego:
Ganancia en lazo cerrado:
VI N = i · R1
VOU T = i · R2
C L R
1
4.2.2. Amplificador no inversor.
Es un montaje muy similar al anterior, aquí la señal se introduce en la entrada no inversora, y la realimentación se lleva a la entrada inversora.
Figura 17: Amplificador no inversor.
Figura 18: Amplificador sumador.
Una tensión de entrada VI N excita la entrada no inversora, y se amplifica para producir la señal de salida en fase con la de la entrada. Esta tensión de salida se realimenta a través de un divisor de tensión.
Para el análisis de este montaje tenemos en cuenta lo siguiente:
1. Como la impedancia de entrada del AO es muy grande, la corriente que entra en el AO es despreciable.
2. Como la ganancia de tensión en lazo abierto es muy grande la tensión de diferencial entrada se aproxima a cero.
Como la corriente que entra en el AO es despreciable las resistencias R1 y R2 son recorridas por la misma corriente.Además el potencial en la entrada inversora debe ser igual al de la entrada no inversora, en este caso cero. Luego:
Como la tensión en la entrada no inversora es prácticamente igual a la tensión en la entrada inversora:
VI N = i · R1
Ganancia en lazo cerrado:
VOU T = i · (R1 + R2)
A = 1 + R2
C L R1
4.2.3. Amplificador sumador.
Siempre que se necesite combinar dos o mas señales analógicas en una sola, se puede utilizar el amplificador sumador.
Para el análisis de este montaje hacemos las mismas aproximaciones.
1. Como la impedancia de entrada del AO es muy grande, la corriente que entra en el AO es despreciable.
2. Como la ganancia de tensión en lazo abierto es muy grande la tensión de diferencial entrada se aproxima a cero. Luego la tensión de los terminales de entrada del AO será aproximadamente la misma.
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RF
AC L1 = 1
RF
|
AC L2 = 2
RF
|
· · · AC LN =
|
N
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|
i = i + i + · · · + i = V1
1
![clip_image050[1]](https://oposinet.com/wp-content/uploads/2016/06/clip_image0501.gif "clip_image050[1]"){kind=small}
R2
|
+ · · · + VN N
VOU T = RF · (i1 + i2 + · · · + iN ) =
· V1 +
|
|
1 2
· V2 + · · · +
N
· VN
En el caso particular de R1 = R2 = · · · = RN = RF
VOU T = V1 + V2 + · · · + VN
A la salida se obtiene una señal invertida, producto de la suma de las señales de tensión de entrada.
4.2.4. Amplificador restador.
Sirve para obtener en la salida la diferencia entre dos señales de entrada.
Figura 19: Amplificador restador.
Utilizando la expresión para el divisor de tensión, la tensión en la entrada non inversora será:
|
V+ = VV. ·
1
R2
Por otro lado igualando la corriente que circula por la resistencia de realimentación y la resistencia de entrada Va :
|
VOU T − V−
V− − Va
Aproximando V+ = V− , y operando en la expresión:
|
V = (V − V ) · R2
1
En esta expresión donde VOU T es proporcional a la diferencia de las dos señales de entrada.
4.3. Amplificadores no lineales.
La inclusión de elementos no lineales en los montajes con amplificadores operacionales, se consigue variar el comportamiento lineal de los montajes.
4.3.1. Amplificador rectificador de media onda.
Un circuito rectificador realizado mediante amplificadores operacionales funciona de forma que, amplifica o atenúa una señal VI N de entrada cuando es de un signo, mientras que rechaza cualquier entrada de signo contrario.
Figura 20: Rectificador de media onda con salida positiva.
Si se invierten las conexiones de ambos diodos, se obtiene un rectificador de señales negativas, permitiendo amplificar los valores positivos de entrada.
Figura 21: Rectificador de media onda con salida negativa.
4.3.2. Amplificador rectificador de onda completa.
Basándose en los anteriores montajes y un montaje diferenciador es posible construir un rectificador de onda completa:
Figura 22: Rectificador de onda completa.
4.3.3. Amplificador derivador.
Este circuito funciona de la misma forma que un inversor, pero recibiendo la señal a través de un condensador, en lugar de a través de una resistencia eléctrica.
|
dQ = C dVC
|
dt dt
Aproximando V− = V+ = 0:
VOU T
i =
|
Figura 23: Circuito derivador.
VOU T = C · R ·
dVI N
C =
dt R
La señal de salida es la derivada de la señal de entrada invertida.
4.3.4. Amplificador integrador.
De la misma forma que en el anterior circuito, si el condensador y la resistencia intercambian sus posiciones en el montaje, se obtendrá un circuito integrador.
VI N
dVOU T
|
Figura 24: Circuito integrador.
1 Z
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VI N · dt
4.4. Filtros activos de frecuencias.
Los filtros activos, son un tipo de circuito electrónico cuya misión fundamental es transmitir y amplificar una señal o rango de señales determinadas, mientras que el resto de las señales son rechazadas.
4.4.1. Filtro pasa-bajas.
Los filtros pasa-bajas permiten la transmisión de señales cuya frecuencia sea menor que una dada, atenuando las señales para frecuencias mayores. La frecuencia umbral, a partir de la cual las señales se atenúan se denomina frecuencia de corte superior.
Figura 25: Filtro pasa-bajas.
4.4.2. Filtro pasa-altas.
En el filtro pasa-altas queda determinada una frecuencia umbral que se denomina frecuencia de corte inferior. En valores por debajo de dicha frecuencia, la ganancia se atenúa, manteniendo- se en sus valores máximos para frecuencias altas.
4.4.3. Filtro pasa-banda.
Estos filtros actúan como selectores de rango de frecuencia, es decir, en ellos quedan de- terminadas dos frecuencias de corte, inferior y superior, entre las que la ganancia adquiere su máximo valor posible en el amplificador.
Figura 26: Filtro pasa-altas.
Figura 27: Filtro pasabanda
4.4.4. Filtro rechaza-banda.
Los filtros rechaza-banda funcionan al contrario que los anteriores. Sobre un rango determinado de frecuencias intermedias, cualquier frecuencia es rechazada. Siendo las frecuencias menores o mayores que ese rango, las que son amplificadas.
Figura 28: Filtro rechaza-banda.