Tema 58 – Circuitos electrónicos analógicos básicos.

Tema 58 – Circuitos electrónicos analógicos básicos.

1.- INTRODUCCIÓN. ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

2.- CIRCUITOS CON DIODOS. APLICACIONES……………………………………………………………………………………………… 2

2.1.- RECTIFICACIÓN. ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

2.1.1.– Rectificación en Media Onda. ……………………………………………………………………………………………………………… 2

2.1.2.– Rectificación en doble onda. ………………………………………………………………………………………………………………..3

2.2. OTROS CIRCUITOS CON DIODOS. ……………………………………………………………………………………………………………………. 4

2.2.1.- Limitador………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4

2.2.2.- Fijador……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

2.2.3.- Dobladores de Tensión……………………………………………………………………………………………………………………….. 4

2.3.- ESTABILIZACIÓN DE TENSIÓN. …………………………………………………………………………………………………………………….. 4

2.4.- FILTROS. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5

3.– AMPLIFICACIÓN. ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 5

3.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES …………………………………………………………………………………………………. 5

3.2.- DIFERENTES FORMAS DE AMPLIFICACIÓN. …………………………………………………………………………………………………….. 6

3.3.- CIRCUITOS AMPLIFICADORES. ……………………………………………………………………………………………………………………… 6

4.- GENERADORES DE SEÑAL Y TEMPORALIZACIÓN………………………………………………………………………………… 8

4.1.- LOS OSCILADORES SENOIDALES. ………………………………………………………………………………………………………………….. 8

4.2.- TEMPORIZACIÓN. ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 9

5.– CONCLUSIÓN. …………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 9

Bibliografía.

“Electrónica: Fundamentos Teóricos y Prácticos”. McGraw Hill.

“Electrónica General 2: Dispositivos Básicos y Analógicos”. McGraw Hill.

“Tecnología industrial 2”. Santillana.

1.- INTRODUCCIÓN.

En este tema veremos la función que desempeñan los elementos analógicos para la construcción de circuitos electrónicos básicos.

Veremos:

– Circuitos con diodos y estudiaremos fenómenos de Rectificación y Estabilización.

– El efecto transistor.

– La amplificación y como se utilizan los transistores para constituir circuitos amplificadores.

– Amplificadores operacionales.

Se intentará dar una visión general de la aplicación y las propiedades eléctricas de los dispositivos electrónicos, y nos detendremos más en la utilización de tales dispositivos en aplicaciones a circuitos.

Este tema se ve ampliamente en bachillerato y se justifica su estudio en el currículo de tecnología por su amplia aplicación en todo el ámbito de los circuitos.

2.- Circuitos con Diodos. Aplicaciones.

Un diodo es un componente electrónico que permite la circulación de corriente cuando está polarizado en directo e impide el paso de la corriente cuando está polarizado en inverso. Los terminales del diodo se denominan Ánodo el positivo y Cátodo el negativo. Al montar circuitos que utilizan estos dispositivos, se debe tener presente la polaridad.

2.1.- Rectificación.

La mayoría de los circuitos electrónicos, necesitan una tensión de alimentación continua para su funcionamiento. Como el suministro es corriente alterna, se transforma esta señal en corriente continua. Por consiguiente, cualquier circuito lleva siempre asociada al mismo una fuente de alimentación que hace la transformación.

Existen varios procedimientos mediante los cuales se obtiene una tensión continua. La forma más sencilla consiste simplemente en rectificar la señal. Cuando se desea obtener un valor medio positivo y un menor rizado, se coloca a la salida del rectificador un filtro formado generalmente por condensadores y/o bobinas.

Rectificar una señal alterna consiste en obtener una tensión unidireccional de valor medio no nulo. Este valor puede ser positivo o negativo, según las necesidades requeridas por el circuito al que se le aplica la alimentación.

El componente más adecuado y más empleado para rectificar es el diodo semiconductor, también existen bloques que integran varios diodos, llamados puentes de diodos, eliminándose interconexiones en el circuito. Una señal alterna monofásica puede ser rectificada en media onda o en doble onda.

2.1.1.- Rectificación en Media Onda.

Consiste en eliminar un semiperiodo de la tensión alterna aplicada a la entrada dando a la salida del rectificador la mitad de la señal. Aquí se permite el paso de corriente cuando el diodo está polarizado directamente. Solos existen los semiperiodos positivos y los negativos se anulan.

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2.1.2.- Rectificación en doble onda.

También llamado rectificador de onda completa. Los dos semiperiodos de la tensión alterna aplicada a la entrada pasan a tener la misma polaridad. Es decir los negativos, como positivos.

Los rectificadores de doble onda u onda completa se pueden realizar mediante dos sistemas distintos que son la

Rectificación con toma media en el transformador o con Rectificación con puente de diodos.

La rectificación en el transformador, presenta un transformador con una toma en el punto medio del secundario que debe estar conectada a tierra. Durante el semiciclo positivo de la tensión de entrada está polarizado directamente el diodo D1 e inversamente el diodo D2, con lo que cada semiciclo circula por cada uno de ellos. El circuito es el siguiente

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La rectificación con puente de diodos, es el más económico e indicado de todos los rectificadores monofásicos

aplicándose a una alta gama de tensiones e intensidades, solucionando el problema de tener un transformador. Utiliza cuatro diodos en puente de forma que en los semiciclos positivos la corriente atraviesa 2 diodos mientras que en los negativos atraviesa los otros dos. El circuito es el siguiente

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2.2. Otros circuitos con diodos.

Empleando el diodo como componente básico o fundamental y con la ayuda de otros elementos pasivos, es posible construir circuitos auxiliares que son utilizados frecuentemente. En este apartado analizamos, El limitador de señal, El fijador y Los dobladores de tensión.

2.2.1.- Limitador.

También denominado cortador, se utiliza normalmente para suprimir parte de la señal de corriente alterna aplicada a su entrada. Según el tipo utilizado es posible eliminar completamente el semiperiodo positivo llamado limitador positivo, el semiperiodo negativo con el Limitador negativo o parte de algún semiperiodo o parte de ambos Limitador polarizado.

2.2.2.- Fijador.

Se utiliza para convertir una señal alterna senoidal en otra también senoidal, pero totalmente positiva con el fijador positivo o totalmente negativa con el fijador negativo. Es decir desplazar la grafica a valores positivos o negativos totalmente.

2.2.3.- Dobladores de Tensión.

Existen dos tipos de dobladores de tensión el de terminal común o los Simétricos.

En ambos casos la tensión a la salida es el doble del valor máximo de la señal alterna aplicada a la entrada.

2.3.- Estabilización de Tensión.

Es una etapa comúnmente utilizada en las fuentes de alimentación, que se encarga de transformar la corriente alterna o pulsatoria en continua, estabilizando el nivel de tensión.

Mediante la estabilización prácticamente se elimina el rizado, obteniéndose un valor de tensión a la salida constante, aunque varíe la corriente sobre la carga y/o la tensión de entrada a la fuente, esta etapa se sitúa después del filtro.

La estabilización se puede conseguir mediante circuitos construidos con componentes discretos como diodos, transistores, resistencia, etc. o con circuitos integrados denominados reguladores de tensión, estos dispositivos pueden ser utilizados como único elemento del estabilizador o también como componente básico de un estabilizador más complejo.

Tanto en un caso como en otro, el elemento de referencia incluido en el dispositivo siempre es un diodo de características especiales como el diodo Zener.

El diodo Zener es un elemento electrónico básico que polarizado en sentido directo se comporta como un diodo rectificador normal, pero que, al polarizar en sentido inverso, tiene la propiedad de conducir a partir de un determinado nivel de tensión. Además, la propiedad que le caracteriza como estabilizador es la de mantener una diferencia de potencial prácticamente constante entre sus extremos, aunque varíe sensiblemente la corriente que lo atraviesa.

Su símbolo es como el normal pero con rayas torcidas en cátodo hacia fuera.

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2.4.- Filtros.

Pueden ser activos y pasivos, nos centraremos en los pasivos, que son los formados por resistencias, bobinas y condensadores. Son redes constituidas por elementos pasivos como condensadores e inductancias, que seleccionan el paso de señales en función de su frecuencia, permitiendo el paso exclusivo de las frecuencias comprendidas en una determinada banda. Recordemos que a frecuencias bajas los condensadores tienen una impedancia muy grande y a frecuencias elevadas baja impedancia.

Según el rango de frecuencias que permiten pasar, existen tres tipos de filtros que son:

1. Filtro pasa-baja.

2. Filtro pasa-banda

3. Filtro pasa-alta

Los filtros tienen muchas aplicaciones, pero nos limitaremos en este tema al análisis de los tipos más sencillos que se usan en las fuentes de alimentación para mejorar el factor de rizado y para eliminar las altas frecuencias, por lo que las fuentes de alimentación utilizarán filtros pasa-bajos, los que permiten pasar las bajas frecuencias.

En concreto tienen como misión reducir el rizado y aumentar el valor medio de la tensión rectificada.

El filtro de rizado se colocará siempre a la salida del rectificador. El valor medio de la señal filtrada, lo representamos como

V0, y el valor pico máximo del rizado como Vr . Y Emax será el valor máximo de la alternancia. Definiremos el factor de forma como FF, y el factor de rizado como FR con la siguiente fórmula:

F F = V0(Eficaz ) V0 F R = Vr (Eficaz ) V0

El filtro más utilizado en fuentes de alimentación es el constituido por un condensador colocado en paralelo con la resistencia de la carga.

El filtro LC está formado normalmente por una inductancia en serie y un condensador en paralelo. Este filtro, intercalado entre la capacidad y la propia carga, reduce considerablemente el valor de la tensión de ondulación a la salida del conjunto.

3.- AMPLIFICACIÓN.

Una de las aplicaciones más importantes de los transistores es la de amplificación de señales alternas de baja y alta frecuencia. Las señales eléctricas procedentes de los transductores, por ejemplo micrófonos, suelen ser débiles y por tanto insuficientes para ser apocadas directamente a los elementos de salida de cualquier sistema electrónico. Es necesario, por tanto, intercalar entre el transductor y el elemento de salida una o varias etapas que amplían la señal sin deformarla. El dispositivo que realiza esta función recibe el nombre de amplificador.

La integración de varios componentes en una sola pastilla origina los amplificadores operacionales mejorando sustancialmente las etapas amplificadoras de baja señal.

3.1.- Características de los amplificadores

Un amplificador es un dispositivo que dispone de dos terminales de entrada a los cuales se aplica una señal de pequeña amplitud y de dos terminales de salida por donde se obtiene una señal con la misma forma que la de entrada pero de mayor amplitud. Cuando la señal que se obtiene a la salida es inferior que la que se aplica a la entrada, se produce una atenuación y el dispositivo que realiza esta operación se llama atenuador.

La relación entre el valor de la magnitud obtenida a la salida y el de la entrada se denomina ganancia, y mide la capacidad de amplificación del dispositivo, así tenemos 3 tipos de ganancia:

1. Ganancia de tensión que es la relación entre la tensión de salida y la tensión aplicada a la entrada.

2. Ganancia de corriente que es la relación entre la corriente que circula por los terminales de salida y la corriente absorbida por el amplificador.

3. Ganancia de potencia: Relación entre la potencia entregada a la salida y la absorbida en la entrada.

3.2.- Diferentes formas de amplificación.

Es necesario distinguir circuito amplificador de elemento amplificador, éste último es un componente o dispositivo electrónico que forma parte del circuito, el cual se completa con el generador de entrada, su resistencia interna y la resistencia de carga.

La misión de todo circuito amplificador es suministrar a la salida una señal eléctrica de mayor amplitud que la aplicada a la entrada, siendo proporcional a ésta.

3.3.- Circuitos amplificadores.

Después de haber descrito la función amplificación y de haber analizado alguno de los elementos veremos los circuitos más elementales que incorporan como elemento activo o amplificador y algún tipo de transistor bipolar o de efecto de campo. Cuando se construye un amplificador es necesario polarizar el transistor adecuadamente con generadores de corriente continua, para obtener los valores de tensión y corriente correctos. Una vez realizada esta operación, suponiendo que se trata de una etapa con transistores bipolares en configuración de emisor común, los valores de corriente de base, corriente de colector y tensión colector-emisor determina el punto de reposo o de funcionamiento. Este punto de reposo ha de ser lo más estable posible, es decir, las desviaciones lb, le y Vc-e deben ser pequeñas.

Veamos 7 tipos de circuitos de amplificadores.

1. Para polarización y estabilización, el circuito de polarización fija es el más sencillo, pero también es el más inestable, y por esta razón es menos recomendable cuando el transistor trabaja como amplificador.

2. En polarización universal, el sistema está constituido por un divisor de tensión, formado por dos resistencias

conectado a la base del transistor, y por una resistencia en el emisor.

En la polarización de tipo universal conocida también como autopolarización o polarización por resistencia de emisor se obtiene un punto de reposo sobre la recta de carga lo más centrado y estable posible. La capacidad en paralelo con la resistencia del emisor, se comporta como un circuito abierto por la corriente continua y como un cortocircuito en corriente alterna.

3. Amplificadores montaje Colector-Común y Base-Común. El amplificador en Colector-Común se caracteriza fundamentalmente, por tener una ganancia de tensión próxima a la unidad y el montaje Base-Común por tener una ganancia de corriente de aproximadamente uno. Por este motivo, el uso de estas dos etapas queda reservado casi exclusivamente al acoplamiento de resistencias.

4. Amplificadores con FET, el margen entre los valores máximo y mínimo de lpss y Vp de un transistor de este tipo es muy grande. Esto origina que la corriente del drenador sea muy inestable.

Un sistema que supera al anterior consiste en intercalar una resistencia entre el surtidor y el polo negativo de la pila, donde el método recibe el nombre de Autopolarización. Con el método de autopolarización el punto de reposo puede sufrir sensibles desplazamientos. Para mejorar la estabilidad, se puede recurrir a un circuito semejante al sistema de polarización utilizada en los amplificadores construidos con transistores bipolares.

5. Amplificador con varias etapas, donde es posible conectar varias etapas en cascadas para obtener un amplificador que proporcione una ganancia mayor.

6. Amplificador diferencial, es conocido como amplificador de acoplamiento directo, por la forma en que se encuentran conectados los elementos activos que lo forman, y también como amplificador de corriente continua, porque es capaz de amplificar señales de frecuencia cero.

El diseño del circuito debe realizarse de manera que tensión de polarización en las bases de los transistores tenga un valor próximo a cero.

Se utiliza en muchas aplicaciones donde las señales de entrada son de corriente continua, también se emplea como etapa de entrada en aparatos de medida tales como voltímetros y osciloscopios por su reducido consumo.

7. Amplificador operacional (A.O.), es un dispositivo integrado en una sola pastilla cuya característica fundamental es su elevada ganancia de tensión El nombre de operacional se debe al uso que de él se hacía en los primitivos ordenadores analógicos, capaces de realizar operaciones aritméticas de distinto grado de complejidad. Es también conocido como circuitos integrado lineal o analógico. En la actualidad el Amplificador Operacional es un elemento muy utilizado en aplicaciones tales como amplificación, filtros, rectificación, comparadores, etc.

Este dispositivo tiene entrada diferencial, es decir, tiene dos entradas en oposición de fase, lo mismo que el Amplificador Diferencial. La entrada negativa es inversora, esto quiere decir que la señal de salida se encuentra en oposición de fase respecto a la aplicada a dicho terminal, la entrada positiva es la no inversora. El símbolo del Amplificador Operacional es triángulo con 2 entradas y una salida, la de arriba negativa inversora y la de abajo positiva y no inversora.

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Es necesario aclarar que tanto en la entrada negativa como en la positiva se pueden aplicar tensiones de distinta polaridad eléctrica o señales alternas cuya polaridad, cambie en el tiempo.

El AO está constituido, básicamente por varias etapas diferenciales y por una etapa de salida. Las entradas del circuito son las correspondientes a la 1ª etapa diferencial, las siguientes etapas diferenciales, conectadas a la salida de la primera, proporcionan una ganancia de tensión adicional, para la etapa de salida se suele emplear una configuración ce o seguidor de emisor para amplificar en corriente y para facilitar una baja resistencia de salida.

Una de las muchas ventajas de los Amplificador Operacional frente a Amplificador Diferencial es la ausencia de una componente de tensión continua a la salida. Esto quiere decir que cuando no conste señal en las entradas, la tensión de salida vale cero. En estas condiciones se dice que el dispositivo está equilibrado.

El amplificador operacional puede operar como sumador, restador, comparador, inversor, etc.

El amplificador sumador suministra una tensión de salida proporcional a la suma de las tensiones de entrada.

El restador, resta las señales de entrada y luego las amplifica.

El Amplificador Operacional como comparador usa el amplificador en bucle abierto, éste se comporta como un comparador de tensión en donde la salida tomará dos posibles estados.

El amplificador inversor lleva la señal de entrada en la parte negativa y la positiva va a masa, y la señal amplificada se obtiene entre la salida y la masa.

En el Amplificador no inversor, la señal se aplica entre la entrada no inversora y la masa, por tanto la tensión de salida estará en fase con la de entrada, y lleva 2 resistencias.

El amplificador de corriente es un caso particular de amplificador no inversor donde una resistencia es de valor infinito y otra vale cero.

4.- GENERADORES DE SEÑAL Y TEMPORALIZACIÓN.

Incluye aquellos dispositivos electrónicos, que a diferencia de los amplificadores, son capaces de generar una tensión variable, sin necesidad de aplicar una señal de entrada.

4.1.- Los osciladores senoidales.

Son dispositivos electrónicos constituidos básicamente por un amplificador realimentado, en el cual parte de la señal de salida se aplica a la entrada de tal manera que el desfase existente entre ambas sea nulo. Se emplean en transmisión y recepción de señales de radio y TV, también se usan en los generadores de señal en sistemas de radar y en amplificaciones industriales tales como soldaduras, y los tratamientos superficiales de materiales por alta frecuencia.

Entre ellos, están estos 3:

1. Oscilador RC. Es un Oscilador de cambio de fase, cuyo elemento activo lo constituye un transistor de efecto de campo, un transistor bipolar o un amplificador operacional.

2. Oscilador de puente de Wien. Con un amplificador operacional y una red de realimentación formada por un puente de impedancias equilibrado, 2 impedancias Z1 y Z2 determinan la frecuencia de oscilación y 2 resistencias R1 y R2 fijan la amplitud de la oscilación.

3. Oscilador LC. Reciben también el nombre de oscilador sintonizado y está constituido, básicamente,

por un elemento activo y por un circuito resonante.

En los Osciladores de radiofrecuencia, se encuentra una red LC en paralelo donde los electrones oscilan

cuando se excita el circuito. La frecuencia de oscilación se da por la expresión

Osciladores típicos de radiofrecuencia son estos dos:

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LC

1. El oscilador Hartley, que emplea un circuito tanque LC donde la bobina está dividida en dos partes.

2. El oscilador Colpitts que emplea un circuito tanque LC, para a diferencia del anterior, es el condensador el que se encuentra dividido.

4.2.- Temporización.

El retardo de acontecimientos en unas ocasiones y el control de tiempo de ejecución en otras son muy necesarias en los procesos industriales o sistemas automáticos. Por eso la temporización mediante dispositivos electrónicos es una función muy utilizada, siendo múltiples los métodos y elementos empleados para tal fin.

La temporización es retardar la acción de un dispositivo mediante el retardo a la conexión, a la desconexión o a los dos. Por otra parte, un temporizador también permite mediar un determinado intervalo de tiempo entre el principio y el fin del funcionamiento de un elemento o de un dispositivo.

En los sistemas de seguridad y en las alarmas electrónicas la temporización es pieza fundamental del circuito. El elemento básico para temporizar es el circuito RC, donde el condensador adquiere toda la carga en un tiempo igual a 5 veces RC, y la descarga es el proceso inverso. Un circuito básico sería un condensador que se carga y con un conmutador lo descargo a través de la resistencia.

5.- CONCLUSIÓN.

Los elementos analógicos se disponen de distintas formas para la construcción de circuitos electrónicos básicos. Hemos visto como la señal en circuitos analógicos es en tiempo continuo al igual que la respuesta. Los principales dispositivos (diodos, transistores, etc.) se organizan para formar una amplia gama de circuitos con distintas características y distintas aplicaciones.

Por último, hemos considerado importante incluir dentro de este tema aquellos circuitos generadores de señal por considerarlos de gran importancia para completar el tema.