• Author / Uploaded
• Suli Zgz

• Categories
• Rectificador
• Transistor
• Amplificador operacional
• Fuente de alimentación
• Transistor de unión bipolar

Citation preview

TEMA 48 CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS BÁSICOS

1. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS BÁSICOS. CARACTERÍSTICAS 2. TIPOS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS BÁSICOS 3. PROPIEDADES BÁSICAS 3.1. RECTIFICACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA 3.1.1.RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA 3.1.2.RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA 3.2. FILTRADO 3.3. ESTABILIZACIÓN DE TENSIÓN 3.3.1.ESTABILIZACIÓN MEDIANTE DIODO ZENER 3.3.2.CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN 3.4. AMPLIFICADORES 3.4.1.AMPLIFICADOR BASADO EN TRANSISTOR BIPOLAR 3.4.2.AMPLIFICADOR BASADO EN TRANSISTOR UNIPOLAR 3.4.3.AMPLIFICADOR BASADO EN EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.5. OSCILADORES 3.5.1.OSCILADORES DE RELAJACIÓN 3.5.2.OSCILADORES DE RADIOFRECUENCIA O SENOIDALES 4. APLICACIONES Introducción El presente tema trata de estudiar los circuitos electrónicos que se encargan de la rectificación de corriente alterna, filtrado y estabilización de tensión. Siendo los tres procesos necesarios para obtener a partir de una corriente alterna, una corriente continua. Estos tres procesos conjuntos son los que llevan a cabo las llamadas fuentes de alimentación. El proceso de estabilización de la tensión, está evolucionando muy rápidamente gracias al funcionamiento y características de los reguladores integrados de tensión, tanto lineales como conmutados. En el presente tema se ha dedicado también a estudiar los amplificadores basados en circuitos electrónicos analógicos, describiendo los más básicos basados en transistores, tanto unipolares como bipolares y, además los circuitos basados en amplificadores operacionales. Finalmente se estudian los circuitos osciladores, incluyendo una clasificación de los mismos y, posteriormente haciendo hincapié en los osciladores más usados actualmente. 1. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS BÁSICOS. CARACTERÍSTICAS Como se ha indicado, las fuentes de alimentación realizan los tres procesos de rectificación de corriente alterna, filtrado y estabilización de tensión. En primer lugar se van a estudiar los circuitos electrónicos que se encargan de estos tres procesos. La rectificación de corriente alterna consiste en la conversión de corriente alterna a corriente continua, realizado por los circuitos denominados rectificadores o fuentes de alimentación. La siguiente fase es el filtrado que consiste en aumentar el valor medio de la señal y disminuir el rizado de la misma, obteniendo una señal lo más continua posible.

Por último, el proceso de estabilización de tensión pretende disminuir la tensión de rizado que se obtiene a la salida del filtro. Por tanto, cuando la aplicación lo requiera, será necesario incorporar la circuitería necesaria a continuación del filtro. Dentro del tema se va a comentar los principales circuitos analógicos que se encargan de la amplificación. La mayoría de estos circuitos amplificadores están basados bien en transistores, o bien en amplificadores operacionales. Por último en el presente apartado, los osciladores, también llamados generadores de señal, son sistemas electrónicos capaces de generar una señal variable y periódica a la salida sin necesidad de aplicarles una señal de entrada. Empleando para ello algún tipo de realimentación mediante dispositivos dependientes con el tiempo. 2. TIPOS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS BÁSICOS Dentro de la rectificación de corriente alterna, los rectificadores pueden clasificarse de acuerdo con diversos criterios. Si se tiene en cuenta el número de fases de la tensión alterna de entrada, pudiendo ser un rectificador monofásico, bifásico, trifásico, hexafásico, etc. También se pueden diferenciar en función del tipo de conexión de los elementos, siendo rectificadores de media onda y de onda completa. Otra posible clasificación es según su capacidad de ajustar el valor de la tensión de salida, siendo rectificadores controlados o que utilizan tiristores o transistores como elementos de rectificación, y rectificadores no controlados, siendo aquellos que utilizan diodos como elementos de rectificación. Para la fase de filtrado, los más utilizados son los filtros con condensador, que consiste en colocar un condensador en paralelo con la resistencia de carga, también llamado filtro paso bajo. Para conseguir la estabilización de tensión, se puede conseguir de dos formas: En primer lugar, utilizando circuitos compuestos por componentes discretos como resistencias, diodos, transistores, etc. Se les conoce como circuitos estabilizadores de tensión. En segundo lugar, mediante la utilización de circuitos que tienen realimentación y que son capaces de regular de forma continua la tensión de salida cuando esta varía debido a alteraciones de la corriente de carga y en la tensión de entrada. Se les conoce como circuitos reguladores de tensión. Pueden estar constituidos por componentes diferenciados, como resistencias, transistores, amplificadores operacionales, etc., o bien como circuito integrados comerciales (reguladores de tensión integrados). Es importante señalar que pueden funcionar de forma lineal, o bien de forma conmutada. Dentro de la fase de amplificación, se pueden considerar tres tipos de amplificadores: el basado en transistor bipolar, el basado en transistor unipolar y el basado en el amplificador operacional. Por último, dentro de los osciladores se considerarán los tipos: osciladores de relajación, también llamados osciladores de onda cuadrada o multivibradores, y los osciladores senoidales. 3. PROPIEDADES BÁSICAS 3.1. RECTIFICACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Para convertir CA/CC se requieren dos fases: en primer lugar, el proceso de rectificación de la señal propiamente dicho, que consiste en cambiar la forma de onda de la señal de entrada, y en segundo lugar el filtrado de la misma.

La señal de entrada es una señal sinusoidal y al salir del circuito rectificador sale con una misma polaridad. En función del tipo de rectificador utilizado se obtiene una señal rectificada u otro. Posteriormente, cuando la señal rectificada atraviesa el filtro, se obtiene una señal continua. El dispositivo fundamental en la rectificación es el diodo, puesto que conduce la corriente en un solo sentido. Del diodo es importante considerar su característica no lineal, así como el valor característico de su tensión umbral, tensión a partir de la cual la corriente conducida aumenta de forma constante al aumentar la tensión, siendo esta relación la pendiente de la característica. 3.1.1.RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA En el proceso de rectificación de media onda, constituido únicamente por un diodo D, el proceso de conducción únicamente se completa en la semionda positiva del ciclo alterno. El circuito rectificador al constar de un diodo real, verdaderamente consta de un diodo ideal, de la caída de tensión en directa Vdo del diodo y de su resistencia en directa rd, que representa la pendiente. Si se comparan las señales de entrada y de salida, suponiendo una señal de entrada sinusoidal, solo existe señal de salida en el semiperiodo positivo de la señal de entrada y la señal de salida es cero en el semiperiodo negativo de la señal de entrada. Esto siempre que se considera el diodo ideal, es decir suponiendo que la tensión umbral y la resistencia interna en directa valen cero. La característica indicaría un paso de la corriente completa desde el instante en el que la tensión es positiva, dando con ello una señal de salida con un semiperiodo positivo idéntico a la señal de entrada y cero durante el semiperiodo negativo de la señal de entrada. Si la tensión de entrada Vs= Vmáx sen wt, la de salida valdrá eso entre 0 y pi. El valor de la tensión media (en continua) de la salida en la carga R será: Vodc = Vmáx/pi El valor de la tensión eficaz o rms: Vocf = Vmáx/2 3.1.2.RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA También denominado rectificador de doble onda, ya que la señal de salida tiene los dos semiperiodos de la señal de entrada, pero ambos con misma polaridad. Normalmente en las fuentes de alimentación previo la rectificación suele haber un transformador que adapta la señal de la red eléctrica al tipo de señal que necesitamos en la aplicación final. En función de si el transformador empleado tiene toma intermedia o no, el circuito rectificador de onda completa es distinto. Si existe una toma intermedia, esta rectificación, necesita dos diodos, en directa uno estará en directa y otro en inversa y cuando se polarice al revés, conducirán de forma contraria. Suponiendo los diodos ideales, la tensión media (en continua) de la salida en la carga R sería Vodc=2Vmax/pi. Y la tensión eficaz Voef=Vmáx/raíz(2). Si no existe una toma intermedia, también se le denomina rectificador en puente de Graetz. Para esta rectificación se utilizan 4 diodos. En el semiperiodo positivo de la señal de entrada, conducen 2 en directa y durante el semiperiodo negativo conducen los otros dos en inversa. También se pueden implementar rectificadores trifásicos (o incluso más fases) de media onda y de onda completa. Estos rectificadores se utilizan normalmente en la industria.

Para realizar esta rectificación es necesario utilizar semiconductores de potencia que puedan ser controlados como los tiristores, siendo los rectificadores controlados. Al igual que si utilizamos diodos en vez de tiristores para los no controlados. 3.2. FILTRADO Una señal de salida obtenida en un rectificador es una señal periódica ondulatoria. Para analizar la magnitud de estas señales es necesario considerar el factor de forma Ff que es la relación entre el valor eficaz y el valor medio, y el factor de rizado Fr, que es la relación entre el valor eficaz de ondulación y el valor medio. Ff=Voef/Vodc

Fr=Voef ond/Vodc

Fr=raíz(Ff^2 – 1)

El filtrado es la fase siguiente a la señal del rectificador para obtener una señal continua. Con este proceso se pretende aumentar el valor medio de la señal y disminuir el rizado para obtener una señal lo más continua posible. Los filtros más utilizados son los filtros con condensador, colocándolo en paralelo con la resistencia de carga, llamado el filtro paso bajo. El condensador se carga a la tensión máxima de la señal rectificada, y cuando el valor de esta señal es inferior al valor de tensión almacenado en el condensador, este se descarga a través de la resistencia de carga. La tensión de rizado pico a pico es Vrpp = Vmáx – Vmín. Siendo la tensión de rizado pico a pico es directamente proporcional a la tensión máxima Vmáx e inversamente proporcional a la resistencia de carga R, a la capacidad del condensador C y a la frecuencia f de la señal de entrada al filtro Vrpp ≈ Vmáx/2RCf. 3.3. ESTABILIZACIÓN DE TENSIÓN 3.3.1.ESTABILIZACIÓN MEDIANTE DIODO ZENER Los diodos Zener son diodos que están fabricados para trabajar en la zona de ruptura inversa y se usan para mantener constante la tensión en un punto. Su comportamiento en directa es similar al resto de diodos, mientras que en inversa, existe la tensión Zener Vz, siendo dicha tensión el punto a partir del cual, la corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha. En esta región de funcionamiento, pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. Siendo el diodo Zener un elemento capaz de mantener la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa. En este tipo de circuitos, el diodo Zener se sitúa en paralelo con la carga y se ocupa de mantener constante la tensión entre sus extremos, aunque se produzcan cambios en la fuente de tensión Vs y en la corriente de la carga IL. Si se considera que Vs es constante, pero la corriente de carga varía. Las corriente IL = Vz /Rcarga y la relación de corrientes es: It = IL + Iz, siendo It la corriente total proporcionada por la fuente y que pasa por R, y Vs=It.R + Vz = Vr + Vz, siendo Vr en la caía de tensión en R, si Vs y Vz son constantes, Vr también debe serlo. De esta forma It queda fijada, si IL aumenta, Iz disminuye, y viceversa. Vz no permanece constante, pero varía muy poco debido a los cambios de Iz. Si se considera ahora constante la corriente de carga y la fuente de tensión Vs varía, aumento de esta produce un aumento de IT y por tanto de Iz, pues IL permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de Vs. Se tendría igual que antes, una tensión de salida

prácticamente constante; las pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de Iz para compensar las variaciones de Vs. 3.3.2.CIRCUITOS REGULADORES DE TENSIÓN Los circuitos reguladores, mediante una realimentación de la tensión de salida, son capaces de controlar las variaciones de dicha tensión, ya sea debida a variaciones en la corriente de carga o de la tensión de entrada. Por ejemplo, un circuito amplificador de error compara una tensión fija o de referencia con una muestra de la tensión de salida y, dependiendo de la diferencia entre ellas, actúa sobre un circuito de control que se encarga de variar de tensión de salida. Los reguladores se clasifican en lineales y conmutados, dependiendo del funcionamiento del circuito de control. En el caso de los reguladores lineales, el circuito de control realiza el control de la tensión de salida, ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado en serie entre la entrada no regulada y la carga. Dicho transistor para ser eficaz debe conducir corriente continuamente, funciona en su región activa o lineal, haciendo que este tipo de reguladores sean poco eficientes, al tener que obtener la regulación restando la tensión colector-emisor de la tensión de entrada. En el mercado existen numerosos modelos de reguladores lineales integrados, tanto de tensión de salida fija como de tensión de salida ajustable, la mayoría de los cuales disponen de tres terminales. En las versiones de baja potencia tienen encapsulados de plástico, y las de mayor potencia, encapsulados metálicos. En el caso de los reguladores conmutados, el elemento de control es un interruptor que suele estar constituido por un transistor que pasa de un estado de corte a saturación; este transistor convierte la tensión continua no regulada de entrada en tensión alterna, obteniendo el valor medio a través de un filtro LC. En estos reguladores, la tensión de salida se controla mediante la modulación de los pulsos de la señal en la entrada del filtro. La mayor ventaja es la eficiencia del circuito, pudiendo llegar a valores del 85-90%. La disipación de potencia es considerablemente menor que la correspondiente a un regulador lineal. También se puede conectar directamente a la tensión de la línea rectificada y filtrada, sin que sea necesario un transformador de potencia de alterna. En la actualidad la mayoría de fuentes de alimentación son conmutadas. 3.4. AMPLIFICADORES 3.4.1.AMPLIFICADOR BASADO EN TRANSISTOR BIPOLAR Estos circuitos amplificadores están diseñados para mantener los transistores funcionando en la zona activa, es decir con la unión base-emisor polarizada en directa y la unión base-colector en inversa. Un transistor trabajando como amplificador recibe una señal de entrada entre dos terminales y extrae una señal de salida amplificada entre otros dos terminales. El transistor dispone de tres terminales (emisor, base y colector), una de ellas debe ser común a la entrada y salida. Dando por tanto lugar a tres posibles configuraciones. Para que un transistor bipolar pueda amplificar, es necesario polarizarlo adecuadamente mediante componentes externos provocando caídas de tensión a la vez que permite mantener las uniones base-emisor y base-colector del transistor correctamente configuradas. La más utilizada es la de emisor común, ya que permite obtener ganancia de tensión y de corriente. En este circuito, la tensión de salida coincide con la del colector.

Para el conocimiento de los transistores y de su funcionamiento, son de utilidad las curvas características que son la representación de diversas variables (tensiones o corrientes) de un transistor bipolar en coordenadas cartesianas. Un ejemplo de curva característica importante es la que relaciona los valores de corriente en el colector y la tensión colector-emisor (VCE) en función de diferentes valores de la corriente de base que se consideren. A partir de estas curvas es posible determinar el punto de trabajo del transistor. Dentro de las curvas características es posible identificar las distintas regiones de funcionamiento de un transistor bipolar. Una buena polarización para amplificación será aquella que ubica los puntos de trabajo en la zona de activa, lejos de corte y saturación. El punto de trabajo se encuentra siempre situado sobre la recta de carga, que determina los posibles puntos de funcionamiento del transistor. Para situar el punto de trabajo, es necesario ajustar el valor de los componentes de acuerdo a una serie de ecuaciones. Para ello el circuito de entrada debe cumplir que: Vbb =Ib.Rb + Vbe En el circuito de salida: Vcc=Ic.Rc + Vce Para resolver las ecuaciones es necesario conocer el factor de amplificación β o hfe: siendo Ic=βIb. Una vez que el dispositivo está bien polarizado, se puede analizar el fenómeno de la amplificación teniendo en cuenta la entrada alterna. Al no haber una tensión de entrada constante, el punto de trabajo varía. La tensión Vbe queda constante, sin embargo Ib varía entre dos valores (IB1 IB2). El punto de trabajo varía, aunque la recta de carga permanece fija. Esta variación del punto de trabajo hace variar Ic y Vce. Existen circuitos de polarización perfectamente diseñados para conseguir ubicar el punto de trabajo adecuadamente; de esta forma, además del circuito emisor común básico, existe una variante con polarización universal, otra que incluye polarización del emisor, otra con dos fuentes de alimentación, +Vcc y -Vcc, la polarización empleando realimentación negativa por la base, etc. Para analizar el comportamiento de una señal de entrada alterna en el amplificador, se sustituye dicho transistor por un modelo equivalente (modelo híbrido), constituido por un cuadripolo en el que controlar la impedancia de entrada del transistor, la impedancia de salida, la ganancia de corriente que es la relación existente entre la corriente de salida y de entrada, y la ganancia de tensión. Es importante señalar que ambas ganancias están relacionadas y se suele contemplar simplemente una de ellas. 3.4.2.AMPLIFICADOR BASADO EN TRANSISTOR UNIPOLAR Existen varios circuitos de polarización del transistor unipolar de efecto de campo de unión (JFET). El más sencillo es el circuito de polarización fija, pero también existen otros circuitos adicionales de polarización del JFET. Para su análisis en alterna el modelo equivalente es aún más simplificado que el modelo del transistor bipolar, puesto que su impedancia de entrada se considera infinita. Los circuitos de polarización y el modelo equivalente en alterna para el transistor unipolar de efecto de campo con puerta aislada (MOSFET) son prácticamente idénticos a los del JFET. 3.4.3.AMPLIFICADOR BASADO EN EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL El Amplificador Operacional es uno de los circuitos analógicos integrados más empleados actualmente. Tienen una elevada precisión y ganancia en un elevado número de aplicaciones.

El modelo ideal de amplificador operacional, cuenta con una impedancia de entrada considerada infinita, una impedancia de salida cero, y está compuesto únicamente por una fuente de tensión cuyo valor es el producto de la ganancia diferencial o en lazo abierto, considerada infinita, por la tensión de entrada diferencial Vd = Vp – Vn. En la realidad, el modelo de AO real está compuesto por un elevado número de transistores. El AO tiene una primera etapa de ganancia diferencial, una segunda etapa de ganancia de tensión, y su última etapa es una etapa de salida. En configuraciones en lazo cerrado (con realimentación negativa) permiten obtener amplificadores con un comportamiento lineal en los que la ganancia de tensión viene dada por: Vo/Vi = - R2/R1. 3.5. OSCILADORES Un ejemplo de circuito oscilador, se compone de un amplificador con una red de realimentación. Esta señal realimentada está en fase con la señal de entrada, lo que resulta en una señal efectiva mayor y permite, sin señal de entrada, obtener una forma de onda de salida. Este tipo de realimentación se le denomina realimentación positiva. Existen dos condiciones para que un amplificador realimentado se convierta en oscilador, en primer lugar la señal realimentada debe estar en fase con la señal que entra al amplificador, lo que se consigue con la realimentación positiva, y, por otro lado, que la ganancia del bucle cerrado de todo el conjunto sea mayor o igual a 1, ya que en caso contrario, la señal de salida se iría amortiguando y llegaría a desaparecer con el tiempo. Estos requisitos se les denomina condiciones de Barkhausen, siendo condiciones necesarias y suficientes. 3.5.1.OSCILADORES DE RELAJACIÓN También llamados osciladores de onda cuadrada o multivibradores. Son utilizados para baja frecuencia y se caracterizan por utilizar el tiempo de carga y descarga de un condensador a través de una resistencia como referencia para generar una señal periódica. El condensador por tanto funciona entre dos niveles de tensión VT+ y VT-, haciendo que el condensador al alcanzar VT+, a la salida fija un valor de tensión a nivel alto Voh, que permanece hasta que el voltaje del condensador llega a VT-. En este momento la salida conmutará a nivel bajo Vol, repitiéndose este proceso se consigue un oscilador de onda cuadrada. Para conseguir este tipo de oscilador se basa en utilizar la regeneración de un circuito SchmittTrigger, en concreto un invensor. El principio de operación se conecta la alimentación del circuito de tal forma que inicialmente V0 es 0V, con el condensador descargado y la salida V0 está en nivel alto VOH. El condensador comienza a cargarse y cuando V1 alcanza el nivel de tensión de entrada en alto del Schmitt-Trigger (VT+ = Vih del inversor) la salida de este cambia a nivel bajo VOL. En cambio cuando V1 desciende hasta el nivel de tensión de entrada en bajo del Schmitt-Trigger (VT- = VIL del inversor). La salida de este cambia al nivel alto VOH. El ciclo se repite indefinidamente. El segundo inversor utilizado en el circuito únicamente para separar el oscilador de la carga y que esta no influya en el funcionamiento del oscilador. También es posible obtener un circuito oscilador de relajación mediante un amplificador operacionar con realimentación positiva. El circuito que constituye la realimentación positiva, R1 y R2, hace que el A.O. se comporte como un circuito Schmitt-Trigger inversor, y el circuito en

la realimentación negativa es el que determina la frecuencia de funcionamiento (la constante de tiempo de carga y descarga del condensador es RfC). Existen circuitos específicos que pueden configurarse adecuadamente para trabajar como circuitos multivibradores o astables, como es el caso del circuito integrado Timer 555. Al utilizar un condensador, cuando se está cargando, la salida está a nivel alto, y cuando el condensador está descargándose, la salida está a nivel bajo. 3.5.2.OSCILADORES DE RADIOFRECUENCIA O SENOIDALES Se emplean para frecuencias más elevadas y existen numerosos tipos, dependiendo principalmente de las características del circuito de realimentación positiva. A continuación, se comentan los principales. Los osciladores RC tienen un circuito de realimentación constituido por redes de resistencias y condensadores. Existen varios tipos. El oscilador en puente de Wien y el oscilador de retardo de fase entre otros. Los osciladores LC están constituidos por redes de inductancias y condensadores. En esta categoría se encuentra el oscilador de Hartley, el oscilador de Colpitts y los osciladores de cristal de cuarzo. Los osciladores de cristal de cuarzo son los osciladores de alta frecuencia más empleados, principalmente por la exactitud y la estabilidad de la frecuencia de oscilación obtenida. El cristal (XTAL) actúa como una bobina grande en serie con un pequeño condensador; de ahí que la frecuencia de resonancia casi no se ve afectada por el amplificador y las capacidades parásitas. La vibración se debe al efecto piezoeléctrico por el cual, al aplicar una tensión al cristal, este vibra a la frecuencia de la tensión aplicada. Y de forma inversa, si se les obliga a que vibren, genera una tensión alterna de la misma frecuencia. Dicho cristal de cuarzo tiene la forma de un prisma hexagonal con pirámides en los extremos y se corta en láminas rectangulares. 4. APLICACIONES Como ya se ha comentado, las fuentes de alimentación realizan tres procesos conjuntos para alimentar a partir de la corriente alterna diferentes circuitos que necesitan corriente continua. Los tres procesos son la rectificación de CA, filtrado y estabilización de tensión. Por otra parte, los amplificadores son utilizados en casi todos los apartados electrónicos, como emisores y receptores de radio y televisión, ordenadores, etc. Los amplificadores realizan su función tomando potencia de una fuente de alimentación y controlando la salida para hacer coincidir la forma de onda de la señal de entrada con la de salida, pero con una amplitud mayor. La relación entre la entrada y la salida se le denomina función de transferencia del amplificador y a su magnitud ganancia. Se les suele hacer funcionar en un determinado rango de frecuencias, normalmente donde la amplificación es constante o lineal. Finalmente, los osciladores son dispositivos capaces de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Como aplicaciones se puede utilizar como generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc. Los osciladores junto los amplificadores y las fuentes de alimentación, la base de cualquier circuito electrónico analógico.