Kitabı oku: «Electrónica análoga», sayfa 3

1.1.11 Circuitos electrónicos, polarización y modulación, condiciones de señal y realimentación. Montajes prácticos: el cableado, la tierra y las interferencias

Se tiene un cuadripolo (circuito de dos entradas y dos salidas) que en general se debe polarizar (suministrar un voltaje continuo o DC) y luego, mediante la modulación de estas condiciones, obtener un manejo (puede ser amplificación, por ejemplo) de la señal (Figura 1.25). Un circuito electrónico se compone de elementos pasivos (que no amplifican pero que actúan sobre las señales) y elementos activos (que amplifican). Ejemplo de los primeros son las resistencias y los capacitares, ejemplo de los segundos son los transistores y los operacionales.

La polarización es un voltaje constante (en general regulado, o sea, de gran constancia) mientras que la señal es una variación de esta polarización. Las señales son útiles porque pueden llevar información. Debido a la capacidad de manejar información es que la electrónica es extremadamente útil en la vida moderna. Los circuitos electrónicos son o análogos{14} o digitales. Los circuitos análogos manejan señales tal y como aparecen físicamente, de manera continua y sin ninguna codificación. Los circuitos digitales codifican las señales y no operan con ellas al nivel físico. La tendencia actual es digitalizar al máximo los circuitos con el fin de manejar la información desde un punto de vista más abstracto, pero siempre habrá una parte análoga que no se podrá cambiar. En los circuitos digitales el concepto de amplificación de voltaje prácticamente no se usa{15}.

Los parámetros básicos de los cuadripolos como el mostrado en la Figura 1.25 son sus voltajes de entrada y salida, sus corrientes de entrada y salida, y su resistencia de entrada y salida. En ciertos diseños se deberán diseñar por aparte dos cuadripolos (circuitos) los que deberán ser luego acoplados. Las consideraciones de acople de dos circuitos previos se llama “interface”. Los criterios para obtener un interface adecuado se darán más adelante, cuando se diseñen etapas de transistores (Figura 1.26).

Al manejar elementos simbólicos (Códigos){16} un circuito digital puede almacenar y procesar en tiempos diferentes las informaciones. Un circuito análogo no puede realizar fácilmente estas dos funciones, ya que el concepto de “memoria” es muy difícil de implementar en sistemas continuos. El procesamiento análogo, por otro lado, se realiza actualmente con integrados Amplificadores Operacionales, pero no es una técnica que pueda acoplarse a los sistemas digitales. Se prefiere, entonces, limitar a un mínimo las funciones análogas y las manipulaciones de las señales realizarlas en formato digital (Figura 1.27).

La realimentación es tomar una señal de la salida y regresarla a la entrada a través de un circuito (Figura 1.28).

El circuito básico esta compuesto por un amplificador, o sea un bloque electrónico que aumenta las señales desde la entrada a la salida. El circuito de realimentación normalmente es un atenuador de precisión{17} con el fin de ajustar adecuadamente el grado de realimentación.

Un circuito realimentado puede ser negativo si la fase{18} (informa sobre el momento de repetición de una onda periódica, esta se repite cada 360 grados) de la señal es contraria a la de salida. La fase de una señal desde la entrada a la salida puede entonces variar desde cero hasta 360 grados, dependiendo de la naturaleza de los circuitos en cuanto a su dependencia de la frecuencia (Figura 1.29). Un circuito realimentado puede ser positivo si la fase de la señal es la misma de la salida. En el primer caso, el circuito disminuye el grado de irregularidad de la señal, en el segundo caso lo aumenta{19} (Figuras 1.30 a y b).

Realimentación negativa

Realimentación positiva

Realimentación negativa

Realimentación positiva

El efecto corrector de la realimentación negativa se utiliza ampliamente para corregir alinealidades y otras distorsiones y desviaciones en los circuitos electrónicos, ya que la señal devuelta resta (corrige) la onda (señal) de manera proporcional a la desviación. La realimentación positiva, por el contrario, acentúa estas disparidades y se utiliza ampliamente también para acelerar los cambios. Una realimentación negativa corrige, mientras que una realimentación positiva crea condiciones de inestabilidad. Muchas veces se requiere lo primero, y algunas veces lo segundo.

1.1.12 Realimentación negativa

Se detallará aquí la técnica de diseño y análisis más importante de la electrónica analógica, toda vez que su aplicación permite desarrollar plenamente el concepto de estabilidad y predictibilidad, y por ende hacer posible el enfoque hacia los circuitos, y no hacia los dispositivos{20}.

1.1.12.1 Significación del concepto de realimentación negativa

Es oportuno ahora profundizar en la significación de la realimentación negativa y en su aplicación. Para esto, obsérvese el circuito simple de DC de la Figura 1.31.

En la Figura se muestra el circuito equivalente de Thevenin para la polarización base-emisor en el transistor BJT. Como ya se ha explicado, la corriente de emisor crea el voltaje base-emisor al fluir por la juntura en polarización directa. Supóngase que por cualquier motivo se produce un aumento de este voltaje (por ejemplo, por una variación de la temperatura). Entonces, supongamos que aumenta el voltaje directo sobre la juntura base-emisor, esto hará que aumente la corriente del emisor, pero al aumentar esta corriente, también aumentará la caída de voltaje sobre la resistencia Re, y como el voltaje Ebb es aproximadamente constante y la caída sobre Rb es despreciable, entonces los dos voltajes Vbe y VRe anteriormente mencionados compiten entre sí y finalmente se debe reducir el voltaje sobre la juntura, reduciéndose así mismo la corriente de emisor. Este es un efecto de auto-corrección que se puede interpretar de la siguiente manera: Al incrementarse el voltaje Vbe, señal de entrada, se genera una señal Avbe, la cual genera AIe=AIc+AIb. Ahora, el circuito de salida, o sea de carga, es recorrido por la señal de corriente de salida, AIo=AIc. Esta corriente es inyectada en el circuito de entrada, o sea la malla que enfrenta a la batería Ebb, sobre la resistencia Re, y allí genera un voltaje AVRe que se resta al voltaje Avbe, tratando de minimizar el cambio neto. Se muestra entonces la secuencia:

Lo importante de esta secuencia es que el efecto de auto corrección se efectúa gracias a que se trajo una muestra de la señal de la salida y se proyectó hacia el circuito de entrada, donde restó a la señal inicial. Gracias a este efecto de realimentación negativa, el circuito de polarización del transistor BJT permanece predecible y estable. Si se ve como una secuencia temporal de diagramas de bloques se tiene lo siguiente:

Si o es el amplificador propiamente dicho, entonces Vbe es la señal de entrada a este amplificador. Ahora, si hay una variación incontrolada (inesperada) en la juntura base emisor, ella genera una variación en la corriente de salida, la corriente de colector.

Al cerrar el lazo de realimentación a través del circuito y, se resta en la entrada, antes del amplificador propiamente dicho, una señal proporcional a la señal de salida y entonces se produce una nueva variación en la salida. Esta nueva variación se opone a la variación original produciendo un efecto de auto-corrección.

Ahora, para un análisis matemático se puede establecer un esquema general (intemporal) de señales, como se muestra en las Figuras 1.34 a y b.

Las relaciones que se pueden deducir son:

Para el bloque amplificador: Ic=o (Vbe-VRe)

Para el bloque de realimentación: VRe=y lc

Por lo tanto:

Finalmente:

Aquí f es la transconductancia general, con realimentación, mientras /uo es la transconductancia básica del amplificador, alrededor del cual se aplica la realimentación; y es la transimpedancia de la red de realimentación. El factor (1+^oy) es llamado Factor de realimentación. Nótese que si el producto (uo y) es muy grande frente a uno, entonces la función general queda:

Esta condición es precisamente la que se utiliza en el método de polarización de transistores BJT y JFET, en el que la gran resistencia de emisor (source), que retroalimenta negativamente, es predominante en la malla de entrada. Debe notarse que para condiciones de polarización, o sea DC, no vale la resistencia rd, la cual es aplicada solo a condiciones de variación o señal (su definición es la pendiente de la característica del diodo de entrada evaluada en el punto de operación). Para esta condición de DC vale una resistencia en directa con pendiente más pequeña, o sea una resistencia más grande, Rd (DC). Su valor preciso no es normalmente conocido, y por eso el cálculo del efecto de control por realimentación en este caso se prefiere hacer a través del método expuesto en la Figura 1.35.

Para dar valores numéricos, en condiciones de señal, a los anteriores conceptos, se pueden dibujar los dos circuitos: uno con solo la transconductancia básica (sin realimentación negativa) y otro con dicho efecto, representado por la resistencia Re (Figura 1.36).

Para el amplificador básico

Para el amplificador realimentado negativamente

Por lo tanto

En tanto una polarización de transistor BJT se haga con una resistencia serie Re que tenga cada vez mayores valores, su función de transferencia ira siendo más predecible, pero cada vez menor. Igual se puede decir de un amplificador de BJT polarizado con una resistencia en serie, Rs (en lugar de Re). Para esta condición de DC se debe reemplazar rd por Rd (DC).

1.1.12.2 Definición de Ganancia de voltaje sin realimentación y Ganancia de voltaje con realimentación

Siguiendo los lineamientos detallados hechos para el anterior amplificadorde transconductancia, pero sin repetirlos, se hará un análisis para las funciones de transferencia de voltaje. Para un amplificadorde voltaje con un lazo de realimentación, como se muestra en la Figura 1.37, se puede establecer la Ganancia de voltaje del amplificador básic como:

Y la Ganancia de voltaje del Amplificador tota con realimentación es:

Esto quiere decir que el amplificador básico que se le establezca un lazo de realimentación negativa, va a sufrir una desensibilización de su función de transferencia. A este nuevo “amplificador total” se le denomina Amplificador realimentado.

Es interesante establecer qué pasa con el voltaje de entrada, vi, al amplificador básico antes de aplicar la realimentación, y después de aplicarla.

Antes de aplicar realimentación negativa, se tiene:

Después de aplicar el lazo se tiene:

Esta propiedad, denominada Voltaje de entrada nulo en un amplificador realimentado negativamente es muy importante cuando se estudien los Amplificadores Operacionales y como se puede ver, entre más alta sea la Ganancia de voltaje del amplificador básico, más cercana al ideal se encontrará esta condición.

1.1.12.3 Variaciones relativas de las dos funciones de transferencia (con y sin realimentación)

Se quiere establecer la relación entre AGmf y Agmo, como medida práctica del efecto estabilizante de la realimentación positiva en los esquemas estudiados{21}. Para ello se realiza la diferenciación de la ecuación (21):

Por lo tanto,

O sea, desarrollando y reemplazando

Por lo tanto,

O sea,

Esto quiere decir que las variaciones porcentuales de la función de transferencia en señal con realimentación negativa son disminuidas en el factor de realimentación, si se utiliza un lazo cerrado para el control de variaciones. Así, en un amplificador de transistor BJT, si se utiliza una Re=130 Q, con una corriente de colector de polarización de 1 mA a 20°C, entonces rd ~ 26 Q. En este caso, la variación porcentual de la Ganancia de voltaje se mejora en un factor de seis. Por ejemplo, si en el transistor sin Re, amplificador propiamente dicho, las variaciones porcentuales de la ganancia son del orden del 30%, entonces con realimentación negativa de emisor por Re se disminuyen a 5%.

1.1.13 Circuitos de potencia, disipadores

El paso de una corriente a través de un material (una resistencia) implica una caída de voltaje, o sea el gasto de una energía. De acuerdo con la Ley de Joule, esta se puede computar como una potencia gastada en un determinado proceso en el tiempo:

De acuerdo con el estudio de las leyes de calor, en ciertas circunstancias muy usuales, toda transformación o paso de calor de un sistema a otro implica un aumento de temperatura, por lo tanto, en componentes eléctricos en los cuales haya el paso de una corriente gastando un voltaje, se produce un aumento de la temperatura. Este aumento de la temperatura es uno de los inconvenientes más serios en el diseño y la operación de circuitos electrónicos, al punto que el ingeniero de electrónica debe saber perfectamente el cálculo de las temperaturas finales de operación de los dispositivos y cómo asegurarse de que éstas no se superen en determinadas circunstancias. Estas técnicas se denominan chequeo térmico, y en este texto se detallarán sus fundamentos (ver Anexo con un estudio del tema).

1.1.14 Diseño, montaje y prueba de los circuitos

Un diseño es el cálculo a priori de las características operativas de un circuito, a partir de las características individuales de sus componentes. El montaje de un circuito es la interconexión de esos componentes de acuerdo con lo planeado (calculado) utilizando primero una proto board y segundo un circuito impreso (baquelita con pistas de cobre especialmente diseñadas){22}. Las pruebas del circuito se hacen comparando los valores de voltaje y corriente en los componentes con aquellos valores teóricos calculados en la etapa de diseño.

Las pruebas de polaridad se hacen primero (solamente con el multímetro) y luego las pruebas de señal (solamente con el osciloscopio). Las primeras deben ser satisfactorias de acuerdo con el diseño, si esto es así, se pasa a las segundas.

1.2. Accesorios
1. 2.1 Accesorios de montaje

Para un montaje adecuado se requiere una proto board, puentes de unión y caimanes de interconexión (Figura 1.38).

Los buses se deben utilizar para poner fuentes (voltajes activos de polarización) y tierra (punto extendido de referencia). Un montaje físico de electrónica debe ser lo más parecido en su configuración al dibujo esquemático, con el fin de hacer los seguimientos de señal de manera cómoda. Los circuitos integrados (pastillas) se colocan atravesando un canal central que hay en la proto board28.

Para realizar el montaje de un circuito previamente diseñado se requiere, además, de una fuente de señal o generador. Y de un osciloscopio para hacer el seguimiento de dichas señales. Para garantizar el uso óptimo de estos dos instrumentos es necesario revisar cuidadosamente los manuales de usuario, de tal forma que se esté absolutamente seguro de que se usan de acuerdo con lo que se quiere. Normalmente, las sondas o puntas deben colocarse “x1” y revisar que la programación en el osciloscopio sea la misma. Para el generador la punta también debe estar en “x1” El rango de frecuencia y la medición de voltaje deben igualmente ajustarse29.

Antes de verificar el circuito propiamente dicho, se verifica la operación del osciloscopio mediante la función de calibración (onda cuadrada a 5 V pico a pico). Luego, con el osciloscopio ya calibrado, se verifica el generador de señal.

El circuito propiamente dicho se verifica, de acuerdo con el diseño previo, de la siguiente manera:

 Polarización, usando exclusivamente el multímetro en la función voltaje. Las mediciones se hacen en los puntos clave de cada diseño.

 La operación de señal, usando exclusivamente el osciloscopio, en los puntos clave de cada diseño.

1.2.2 Accesorios especiales

A. Disipadores térmicos de aluminio

Es necesario algunas veces tener en cuenta accesorios especiales a utilizarse con los circuitos electrónicos. Un accesorio especial, a veces de uso obligatorio es el Disipador térmico de aluminio. Éste tiene por función transportar el calor generado en el efecto Joule, evitando que el dispositivo pueda fallar por alcanzar la temperatura de falla de la unión semiconductora. Para dispositivos de Silicio, esta temperatura se sitúa alrededor de los 180° Centígrados. En el Anexo se adjunta una guía de cálculo de los disipadores para cada caso específico.

Por regla general, los transistores pequeños de plástico no utilizan disipador de aluminio, los transistores pequeños metálicos, o no utilizan disipador o utilizan una pequeña brida metálica. Los transistores medianos metálicos utilizan brida y los transistores metálicos grandes utilizan obligatoriamente disipador metálico, en algunos casos los disipadores pueden ser refrigerados por líquido o mediante la adición de cooler o ventiladores dispuestos entre sus rendijas. Para el uso de disipadores es recomendable el uso de cremas para transferencia de calor que permitan transferir rápidamente el calor generado en el núcleo del encapsulado al disipador dispuesto en el diseño.

B. Tarjetas de baquelita

En términos generales, el siguiente cuadro indica la fiabilidad de operación del circuito en diferentes alternativas de implementación.

1.2.3 El concepto de “tierra” en electrónica

En todo proceso de manejo se señales es usual adoptar una referencia con el fin de simplificar el análisis de dicho proceso. Sin embargo, hay algunas diferentes “tierras” que se definen de acuerdo al contexto que se maneja.

1.2.3.1 Tierra

Referencia de retorno de corriente para un bucle generado a partir de una fuente de voltaje.

1.2.3.2 Tierra de baja impedancia

En los circuitos electrónicos, una “carga” es una resistencia (o impedancia)31 que consume una determinada corriente cuando ella se pone en el circuito en cuestión. Es importante que el suministro del potencial de “tierra” (referencia) sea de “baja impedancia” o de baja resistencia interna, es decir, cuando se montan o verifican referencias de voltaje, estas deben ser suministradas desde fuentes de baja impedancia (o equivalentes Thevenin). Si eso no ocurre, en cuanto la “carga” solicite corriente, este flujo inducirá una caída de voltaje dentro de la fuente, falseando el propio valor del voltaje sobre la carga.

1.2.3.3 Tierra de señal de “Modo común”

En la vida moderna es necesario instalar grandes aparejos de conducción de las señales eléctricas de suministro domestico e industrial32. Esta es una red física que se encuentra por doquier, en casas, oficinas, fábricas, etc.

Por otra parte, dentro de los artefactos desarrollados por el hombre, los hay que generan altos niveles de interferencia debido a la naturaleza de su señal (abrupta)33 acoplándose capacitivamente a diferentes puntos que puedan hacer “bucle cercano” con su propia tierra. Su “propia tierra” es un punto eléctrico de retorno de los aparejos eléctricos en sí mismos, pero que también sirve de retorno a las señales interferentes referidas a ella. Una señal interferente (ruido) de Modo Común es una interferencia que esta referida a la tierra de las instalaciones eléctricas de 60 Hz34, aunque también son muy usuales en los circuitos de puente, como el de Wheatstone, en el que los valores de la señal interferente de Modo Común puede ser varios órdenes más grande que las señales diferenciales (de equilibrio de puente) que normalmente se tienen cuando se usa este artefacto en proyectos de instrumentación electrónica, por ejemplo, en termometría.

Como quiera que un capacitor maneja básicamente una señal de corriente proporcional al cambio de voltaje, se dice entonces que un acople capacitivo es un acople de “alta impedancia” y se representa circuitalmente como una fuente Norton35. Mucho del esfuerzo de diseño en un circuito electrónico se hace para minimizar el efecto nocivo de los acoples de Modo común, que, como se dice, afectan por igual a cables muy cercanos de la entrada de circuitos de amplificación de transductores en ambientes industriales.

1.2.3.4 Tierra de instrumentación

En los circuitos de instrumentación es necesario dotar de un retorno o “tierra” que tenga características especialmente buenas en la llamada “resistencia de bucle”, ya que si los caminos de retorno de una señal en estos circuitos no es suficientemente “fluida” (con baja resistencia), se pueden generar los llamados “voltajes de de bucle de tierra”, que implican un cierto error36 al proyectarse como ruido a las entradas de los amplificadores.

Cuando se tiene el temor de que las “tierras de instrumentación” puedan implicar un problema para proyectar voltajes interferentes en los amplificadores, se utilizan las llamadas fuentes o cargas flotantes{23}, en las que por aparte se puedan tender conexiones especiales (únicas) para conducir y aplicar las señales. Los Amplificadores Operacionales son dispositivos muy indicados para diseñar y construir este tipo de dispositivos.

Entonces, en los amplificadores de instrumentación, en los que el problema del ruido es importante, en especial el llamado “lazo de tierra”, se aconseja dar un camino alterno para señales de potencia e independizar los caminos para señal de información.

1.2.3.5 Tierra de protección

Usualmente en los equipos eléctricos y electrónicos se adiciona un llamado “Polo a tierra”, cuya ficha de tres polos se muestra en la Figura 1.46, que es un tercer hilo que va conectado a la carcasa metálica del equipo y conduce una corriente accidental, generada por un contacto accidental interno de un punto de voltaje con la carcasa metálica (Figura 1.47).

Esta corriente es conducida a un punto de baja resistencia en la tierra de la instalación mediante un barraje de cobre conocido como “Copper Welt”{24} (Figura 1.48) y que se interconecta con el punto de referencia general para las instalaciones eléctricas de casas e industrias.

Desde el punto de vista del diseño de instrumentación electrónica, esta facilidad es a veces un problema a tener en cuenta dado que ofrece un punto de acople para las llamadas señales interferentes de Modo común. Pero otras veces puede ser una solución al ofrecer una referencia muy buena para apantallamientos electroestáticos.

Una pantalla electrostática{25} (Figura 1.49) es una jaula cerrada de material muy buen conductor que impide la penetración de campos eléctricos, y por lo tanto la presencia de señales interferentes. Este tipo de protección es cara, pero a veces es indispensable en instrumentación crítica{26}.