Kitabı oku: «Electrónica análoga», sayfa 2

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1.1.4 Dispositivos activos, modelos convencionales y configuraciones

Los dispositivos activos pueden ser elementos discretos como transistores o elementos integrados como dispositivos Amplificadores Operacionales o la gran gama de componentes análogos y digitales a disposición del diseñador de electrónica. Con frecuencia, un mismo elemento discreto puede tener una diferente gama de presentaciones de encapsulado, dependiendo de su capacidad de manejo de potencia, configuración para adaptación a disipadores y carcasas, entre otros factores. Los encapsulados más comunes se dividen en dos categorías: encapsulados para montaje superficial (Surface mount) y encapsulados para montaje doble capa (Through-hole). Una lista completa se presenta a continuación.

Ya se ha mencionado algo acerca de los transistores bipolares, en especial con referencia a los modelos híbridos que se usaron en un comienzo de la disciplina electrónica, pero que hoy en día han sido abandonados para dar paso a otras metodologías más modernas. En este apartado se detallarán los modelos híbrido-Pi para el transistor bipolar (Figura 1.12). Para el transistor de efecto de campo hay un solo modelo cuya explicación es directa, a diferencia de lo que ocurre con el dispositivo BJT.

Básicamente es un modelo simplificado que cambia aspectos puramente matemáticos (parámetros híbridos) por coeficientes con significación física. Así, en lugar de hfe se tiene Beta (P) y en lugar de hie se tiene rbe. Aparte de estos cambios, el circuito híbrido-Pi debe manipularse circuitalmente (aunque con simplificación derivada de la menor cantidad de elementos) como los modelos originales híbridos. Con este modelo que es para emisor común (el emisor es el electrodo de referencia), se modelan los circuitos de base común y colector común, o sea que se deja ver la tendencia a utilizar un solo modelo para todas las configuraciones.

1.1.5 Diseño de circuitos electrónicos

El ingeniero de Diseño y Automatización electrónica de la Universidad de La Salle se requiere que sea, por definición, un profesional que ante todo diseñe los sistemas cuyo desarrollo y puesta a punto se le encomienda.

Esto debe ser así por cuanto el diseño de circuitos requiere, no solo un adecuado conocimiento de los dispositivos y de las configuraciones, sino además una buena dosis de originalidad y economía del esfuerzo, lo que usualmente se denomina “optimización”. Muchas de las aplicaciones que se encuentran en la literatura técnica no son de interpretación inmediata, en razón de que el funcionamiento interconectado de varios (a veces muchos) dispositivos puede demandar un esfuerzo de comprensión que trasciende lo individual. Por esto es vital dotar al estudiante de las herramientas de visualización de grandes conglomerados de objetos, en especial acudiendo a modelos físicos más que a esquemas circuitales matemáticos. Este curso está entonces orientado a conseguir este objetivo.

Se establecen en seguida pautas para emprender una tarea de diseño de manera organizada y detallada.

1.1.5.1 Uso de documentación técnica

A. Conocimiento del equivalente ECG

Ninguna tarea de diseño es completa si el estudiante no conoce la “información de entrada”. Una primera aproximación es el Manual General tipo ECG en el que se encuentra una información cruzada entre la referencia de un dispositivo cualquiera y los datos básicos del dispositivo, pero fabricados por la firma ECG9.

Los datos básicos de un dispositivo activo son:

Valores límite: son datos de parámetros que no se pueden sobrepasar so pena de destruir el dispositivo, por ejemplo: temperatura máxima, voltaje máximo, corriente máxima o potencia máxima. Estos datos están orientados a proteger el dispositivo.

Valores promedio de operación: son datos típicos de la operación del dispositivo que ayudan a establecer un primer concepto de cómo se puede aplicar. Da idea de frecuencias, voltajes, ganancias, etc. Estos datos están orientados a aplicar óptimamente el dispositivo

Esto cuando tiene el estudiante una referencia previa, pero aun si no la tiene, el Manual ECG es una fuente inicial de datos operativos muy importantes.

B. Conocimiento de la Hoja de datos específica, documentación anexa y aplicaciones

Algunas veces no es suficiente la información que suministra el Manual ECG, sino que el diseñador debe ir a manuales más completos y especializados, por ejemplo los de la firma multinacional National Semiconductors. En estos manuales para cada dispositivo hay una información numérica y gráfica exhaustiva, que permite una aplicación muy precisa de cada elemento. Usualmente, en estos manuales se encuentran Hojas de Aplicación, muy importantes para poder usar los dispositivos en aplicaciones concretas.

1.1.5.2 Guías de diseño de equipos electrónicos

Aunque no se puede enseñar estricta y detalladamente “cómo diseñar”, sí se pueden establecer ciertos criterios generales, en especial teniendo en cuenta la vasta experiencia anterior de técnicos e ingenieros. En especial:

Es importante tener una idea del diagrama general de bloques del sistema y requisitos restrictivos (o especificaciones) que se quiere diseñar. Este ejercicio ayudará a delimitar el trabajo. De esta forma, se sabrá si es un equipo limitado o grande, y que tipo de aplicación básica se tendrá (alta frecuencia, alta potencia, etc.).

Después, es interesante enfocar los niveles de voltaje, corriente o potencia que el sistema deberá manejar. Esto es importante teniendo en cuenta el tipo de fuente de señal y el tipo de aplicación que se quiere desarrollar. Este análisis ayudará a escoger la tecnología a emplear y a resolver problemas específicos de interface (Interfacing).

En seguida, es interesante enfocar qué porcentaje del circuito debe ser análogo y cual porcentaje debe ser digital. Aquí se enfrenta el problema de los niveles de complejidad que alcanzará el sistema.

Después, se plantea una búsqueda de la literatura técnica corriente tratando de encontrar diseños previos que cumplan cabalmente los objetivos buscados.

Por ultimo, se plantea un diagrama de flujo para precisar todo lo anterior, incluyendo la parte experimental.

Una vez realizado el Diagrama, se considera el circuito básico acabado.

Otros aspectos importantes a tener en cuenta son:

¿Construido o comprado?

¿El grado de integración?

Muchas veces el equipo que se quiere está ya en el mercado y el ingeniero debe tomar la decisión de si volverlo a diseñar y construir. Esto podría implicar costos altos de desarrollo, una menor calidad por ausencia de pruebas industriales y un tiempo excesivo hasta que el equipo este disponible. Otro punto importante es si usar integrados de nueva generación (mayor integración) que implican mayor sencillez y fiabilidad, pero mucho mayor costo y difícil consecución en un mercado como el colombiano (Figura 1.13).

Ahora, es necesario mirar los tipos de diseño electrónico que un ingeniero puede plantearse.

A. Por su naturaleza:

Análogo

Digital

Mixto

Un diseño exclusivamente análogo puede resultar más simple, pero muy rígido y limitado en sus posibilidades; un diseño completamente análogo puede a veces resultar incompleto al no tener en cuenta el porcentaje de trabajo análogo que siempre permanecerá en la electrónica. Parece ser que la mejor combinación puede ser en muchos casos un diseño de tipo mixto, mezclando bloques digitales de gran poder de proceso y memorización con bloques analógicos para recibir o dar ordenes eléctricas al mundo exterior.

B. Según el objetivo:

El diseño análogo puede ser clasificado según su objetivo o su propia idiosincrasia en las siguientes familias de circuitos:

Circuitos de procesamiento de señal

Circuitos de acondicionamiento de señal

Circuitos amplificadores

Circuitos generadores de señal

Circuitos especiales

Los circuitos de procesamiento de señal son circuitos que analizan, enrutan, rectifican, muestrean y, en general, modifican la forma de una señal de entrada. Comprenden:

Diodos de precisión

Recortadores

Restauradores

Rectificadores

Detectores de pico

Muestreo y mantenimiento

Limitadores

Puentes

Modificadores de signo

Multiplexadores

Valor absoluto

Circuitos de procesamiento térmico

Los circuitos de acondicionamiento de señal son circuitos que alteran las relaciones de una señal de entrada con respecto al tiempo, comprenden:

Integradores

Diferenciadores

Logarítmicos

Multiplicadores y Divisores

Fuentes de voltaje

Fuentes de corriente

Técnicas de flotamiento

Filtros activos

Los circuitos amplificadores son circuitos que magnifican de manera controlada una señal de entrada, comprenden:

Básicos

Especiales

Técnicas de aislamiento y guarda

Técnicas de Autoelevamiento (Bootstrapping)

Mejoramiento de salida (Output boosting)

Los circuitos generadores de señal son circuitos que, a partir de un voltaje directo, producen ondas de diversa característica, comprenden:

Onda senoidal

Onda cuadrada

Onda triangular

Onda rampa

Osciladores especiales

Moduladores

1.1.6 Interface, Ganancia de voltaje y Barrido de señal

Se denomina “Interface” (Interfacing) a la técnica que permite interconectar etapas en un diseño análogo sin que haya pérdidas de voltaje apreciables, o por lo menos estas pueden ser calculadas en avance. Para establecer un cálculo apropiado de las pedidas por interface, se deben plantear criterios de “resistencia de entrada” compatibles con el valor de la Ganancia de voltaje esperada{7} (Figura 1.14).

La Ganancia de voltaje es la “figura de mérito” más importante de un circuito análogo, pues mide la proporción en la cual una señal de entrada será magnificada a la salida:

Tradicionalmente, se le da igual importancia a la Ganancia de voltaje y a la Ganancia de corriente:

Sin embargo, dado que los transistores bipolares (BJT) son especialmente sensibles a la corriente de mando, se prefiere mantener baja a priori la Ganancia de corriente, y jugar con valores convenientes (a veces altos) de la Ganancia de voltaje{8}.

Un parámetro importante es el llamado “barrido” u oscilación (Voltaje pico a pico) de la señal en entrada y salida. En los diseños análogos es un dato importante puesto que, en la salida, las condiciones de la resistencia de utilización establecerá una demanda dada de “barrido” (de acuerdo con la potencia que se vaya a manejar), por eso la forma de considerar como se “empaqueta” ese barrido será un concepto útil en los diseños que realicen los ingenieros del campo de la electrónica (Figura 1.15).

En general, los procedimientos de interface deben ser cuidadosamente estudiados, ya que ellos pueden derivar en esquemas complejos, que deben evitarse. Es muy importante recordar que un buen diseño se basa antes que nada sobre el concepto de suficiencia, menor costo, mayor simplicidad y optimización de los montajes.

1.1.7 Fuentes de voltaje y fuentes de corriente

Un tema importante en el estudio de circuitos eléctricos es el de los manantiales de potencia eléctrica, básicos en el diseño elemental de los circuitos electrónicos. Para facilitar su comprensión y análisis se acude a los teoremas básicos de redes para estas fuentes: Fuentes de voltaje (Thevenin) y Fuentes de corriente (Norton).

1.1.7.1 Fuente de voltaje

Son manantiales de energía eléctrica que suministran como señal útil un voltaje, es decir, que su definición sea independiente del valor de la resistencia de carga (Figura 1.16).

Para que el voltaje vs pueda ser impreso en RL sin que importe el valor de esta carga, es necesario que rs<<RL. Esto se puede ver matemáticamente mediante el siguiente divisor de tensión, en el que el voltaje VRL sobre RL es independiente de rs:

Desde el punto de vista circuital es conveniente representar la fuente por un esquema Thevenin, ya que este modelo usa un manantial de voltaje. Debe notarse, sin embargo, que dicho teorema permite representar también casos en los que por el contrario rs>>RL, en cuyo caso el voltaje sobre la carga no será independiente de rs.

1.1.7.2 Fuente de corriente

Son manantiales de energía eléctrica que suministran como señal útil un voltaje, es decir que su definición sea independiente del valor de la resistencia de carga (Figura 1.17).

Para que la corriente is(t) pueda ser impresa en RL sin que importe el valor de esta carga, es necesario que rs> >RL. Esto se puede ver matemáticamente mediante el siguiente divisor de corriente, en el que la corriente iRL sobre RL es independiente de rs:

Desde el punto de vista circuital es conveniente representar la fuente por un esquema Norton, ya que este modelo usa un manantial de Corriente. Debe notarse, sin embargo, que dicho teorema permite representar también casos en los que por el contrario rs<<RL, en cuyo caso la corriente sobre la carga no será independiente de rs.

Esto nos lleva a postular una proposición que es sencilla pero que su cabal compresión ahorra muchos problemas en la práctica del diseño electrónico:

Las fuentes de corriente estrictamente no existen{9}, son en realidad fuentes de voltaje de alta resistencia.

1.1.8 Transductores y cargas

La gran mayoría de circuitos comienzan en un transductor (que traduce un tipo de energía en otro, normalmente en energía eléctrica u óptica para el caso de la instrumentación electrónica) y terminan en una carga (Figura 1.18).

El transductor es el dispositivo que genera una señal de entrada y se puede modelar como una fuente de voltaje de baja impedancia o una fuente de voltaje de alta impedancia (generador de corriente). Sea como fuere, la característica más importante de un transductor es su “fuerza inherente”, o sea, si es “fuerte” o si por el contrario es “débil”. Esta cualidad se mide en el voltaje del transductor. Normalmente, un transductor débil puede estar entregando micro voltios, mientras que un transductor fuerte puede entregar mili voltios o incluso voltios. Si un transductor es inherentemente débil, es conveniente plantear un esquema de acoplamiento de resistencias{10} entre la del transductor, rs, y la del amplificador, Ri.

Si el transductor es inherentemente fuerte debe tenerse en cuenta el valor de rs. Si la resistencia interna rs es relativamente pequeña (mando por voltaje) deberá escogerse una resistencia Ri relativamente mayor (de tal forma que no cargue al transductor). Si la resistencia interna del transductor rs es relativamente alta, Ri deberá escogerse baja (mando por corriente), para que la señal se recoja lo mas nítida posible. Es importante tener en cuenta que a veces es conveniente utilizar un transformador de acople entre el transductor y el amplificador para mejorar las condiciones de acople, si las condiciones del transductor y las condiciones del amplificador ya se han fijado{11} (Figura 1.19).

En la salida, la resistencia de utilización (resistencia de carga, RL) es guiada normalmente por una fuente de baja impedancia del amplificador. Así mismo, normalmente se prefiere un mando por voltaje para que la corriente que requiere esta carga pueda ser transferida sin problema{12}. Las resistencias internas de los amplificadores se pueden escoger mediante la configuración de los transistores de salida, o mediante el uso de técnicas de realimentación. También pueden tenerse como ya se explicó: mando por corriente (cuando la resistencia interna de la fuente con respecto a la carga es mucho mayor) y mando adaptado cuando hay adaptación.

1.1.9 Manejo de la frecuencia

Ciertos componentes pasivos{13} tienen el valor de su resistencia como función de la frecuencia, caso llamado “reactancia”. La Ley de Ohm en su forma más simple relaciona voltaje y corriente como una razón algebraica, en el caso de que la resistencia no dependa de la frecuencia (caso de los resistores):

Esta definición más simple de resistencia se establece entonces en el dominio del tiempo. Un problema surge cuando se quiere definir lo mismo para un componente como la capacitancia, cuya relación del voltaje como función de la corriente es una expresión integro-diferencial:

Lo que significaría una expresión como la que sigue en el dominio del tiempo:

Esto implicaría que para cada diseño con capacitores, el diseñador tendría que plantear una ecuación diferencial, lo cual ciertamente complicaría muchísimo esta tarea. Para obviar este problema se prefiere utilizar la Transformada de Laplace, que convierte las operaciones integro-diferenciales en operaciones algebraicas en el dominio de la frecuencia angular w, pudiéndose escribir este nuevo concepto de Ohm, no como resistencia (dominio del tiempo), sino como “reactancia” (dominio de la frecuencia)17:

Igualmente, para los inductores se definen las siguientes relaciones:

Otro concepto importante que aparece cuando se usan elementos de reactancia es el corrimiento de fase. El concepto de fase esta asociado a los diferentes momentos en que las ondas armónicas comienzan. Cuando se utilizan elementos reactivos, no solo las magnitudes de las funciones voltaje o corriente dependen de la frecuencia, también las fases entre las ondas. La dependencia de la frecuencia hace que dos ondas dadas se desfasen en función de las reactancias actuantes. Para plantear adecuadamente un circuito que tiene diversas reactancias es necesario obtener una expresión general y entonces relacionar los componentes reales e imaginarios. El cálculo de la tangente de este vector (a + jb) dará la información de la fase.

Por otra parte, es necesario enfatizar que en el análisis de circuitos electrónicos ni las capacitancias ni las inductancias actúan solas, ellas siempre aparecen acompañadas de una resistencia formando lo que se llama “Constante de tiempo”. Son estas constantes de tiempo las entidades que los ingenieros tienen que comprender y calcular en sus diseños (Figura 1.20).

Entonces, normalmente los cálculos de las acciones de los capacitores (y los inductores) se platearán analíticamente en términos de constantes de tiempo, y parte del trabajo del diseñador es buscar o ubicar las resistencias apropiadas para que ellas actúen como se desea con los capacitares considerados.

Los capacitores e inductores nunca actúan solos, y es necesario investigar las resistencias que siempre los acompañan, formando las constantes de tiempo.

1.1.10 Distorsiones

Los circuitos electrónicos tienen tres tipos de distorsión.

A. Distorsión de amplitud:

Se presenta cuando la ganancia del amplificador depende de la amplitud de las señales a la entrada, por ejemplo que un amplificador magnifique más los valores bajos de una onda que los valores altos (Figura 1.21).

Esta distorsión se llama también no lineal, porque parte de una función de transferencia no lineal entre voltaje de salida y voltaje de entrada. Es debido a las imperfecciones de los dispositivos semiconductores usados en los amplificadores.

B. Distorsión de frecuencia:

Las formas reales de las ondas analizadas matemáticamente mediante la Técnica de Fourier muestran que las ondas complejas se componen de ondas más simples de frecuencia que es función de los números naturales. Como la ganancia puede ser una función de la frecuencia (Figura 1.22), algunas frecuencias pueden ser amplificadas con diferente valor de ganancia, y las formas de las ondas de salida pueden no ser proporcionales a las formas de onda de la entrada (Figura 1.23).

Esta es una distorsión que se presenta con gran frecuencia en el diseño de amplificadores electrónicos reales.

C. Distorsión de fase:

Dado que los componentes que almacenan energía como capacitares y bobinas tienen una modificación de la fase cuando operan sobre las ondas de voltaje o corriente (desplazando la fase de corriente y el voltaje), las ondas de entrada y salida de voltaje irán a tener un desplazamiento de fase (o sea la posición de la onda en el marco de tiempo) que en algunas aplicaciones puede llegar a ser un gran problema, como por ejemplo en los amplificadores que utilizan realimentación negativa. Si el circuito que “devuelve” la señal desde la salida a la entrada cambia su fase drásticamente en por lo menos 180°, entonces ese circuito se convierte en uno de realimentación positiva18 y el circuito operará de una forma diferente a la idea de su diseño original.