guiones de prácticas de circuitos electró · pdf file3 / 58 1. normas de...

Departamento de Ingeniería Electrónica Escuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Guiones de Prácticas

de

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

INGENIERO AERONÁUTICO

CURSO 2004/05

http://www.gte.us.es/ASIGN/CE_2A/

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Contenido

1. NORMAS DE PRÁCTICAS ................................................................................................................3 1.1 NORMAS BÁSICAS DE LAS PRÁCTICAS ....................................................................................3 1.2 ORGANIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS.........................................................................................3 1.3 EVALUACIÓN DE LAS PRÁCTICAS ............................................................................................3 1.4 VALORACIÓN DE LAS PRÁCTICAS EN LA NOTA DE LA ASIGNATURA.........................................4 1.5 MEMORIAS DE PRÁCTICAS.......................................................................................................4 1.6 CALENDARIO ..........................................................................................................................4 1.7 ENTREGA DE MEMORIAS.........................................................................................................5

2. INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA......................................................6 2.1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA .....................................................................................................6 2.2 IDENTIFICACIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y MEDIDA DE RESISTENCIAS. ..................6 2.3 MONTAJE DIVISOR DE TENSIÓN ...............................................................................................8 2.4 EL GENERADOR DE FUNCIONES Y EL OSCILOSCOPIO..............................................................9 2.5 CONCEPTOS IMPORTANTES PARA RECORDAR. .......................................................................10

3. RESPUESTA DE CIRCUITOS RC ..................................................................................................11 3.1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA ...................................................................................................11 3.2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA.......................................................................................................11 3.3 REALIZACIÓN PRÁCTICA .......................................................................................................19 3.4 ASPECTOS IMPORTANTES A RECORDAR .................................................................................22

4. CIRCUITOS CON DIODOS..............................................................................................................23 4.1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA ...................................................................................................23 4.2 OSCILOSCOPIO: SINCRONISMO, NIVEL Y PENDIENTE DE DISPARO .....................................23 4.3 OBTENCIÓN CARACTERÍSTICA I-V DE UN DIODO ..................................................................25 4.4 APLICACIÓN: CIRCUITOS RECTIFICADORES BASADOS EN DIODOS ..........................................26 4.5 REALIZACIÓN PRÁCTICA .......................................................................................................30 4.6 CONCEPTOS IMPORTANTES A RECORDAR ..............................................................................32

5. INTRODUCCIÓN AL SIMULADOR PSPICE ...............................................................................33 5.1 REALIZACIÓN DEL ESQUEMA DEL CIRCUITO (SCHEMATICS) ..................................................33 5.2 SIMULACIÓN DEL CIRCUITO ..................................................................................................35 5.3 VISUALIZACIÓN DE LOS RESULTADOS (PROBE) .....................................................................40 5.4 REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA .............................................................................................45

6. SIMULACIÓN DE FILTROS RC.....................................................................................................47

7. ESTUDIO DE UN SISTEMA DE TX/RX DIGITAL.......................................................................48 7.1 INSTRUCCIONES: ...................................................................................................................48 7.2 CONCEPTOS A RECORDAR .....................................................................................................49

8. AMPLIFICADORES EN EMISOR COMÚN..................................................................................50 8.1 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA ...................................................................................................50 8.2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA.......................................................................................................50 8.3 AMPLIFICADOR DE AUDIO PARA SISTEMA DE COMUNICACIONES ...........................................54 8.4 AMPLIFICADOR - BPF PARA SISTEMA DE COMUNICACIONES .................................................56 8.5 CONCEPTOS A RECORDAR .....................................................................................................57

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1. Normas de prácticas

1.1 Normas básicas de las prácticas

1) La realización de las prácticas de la asignatura es obligatoria para todos los alumnos que cursen la asignatura por primera vez, y voluntaria para los alumnos repetidores que hayan superado en algún curso anterior las prácticas.

2) En el caso de alumnos repetidores que hayan superado las prácticas en un curso anterior no será de aplicación lo establecido en el punto 13 de estas normas.

3) Las prácticas consistirán en sesiones de laboratorio y centro de cálculo en horario de tarde y asistencia obligatoria.

4) Toda la información relativa a las prácticas de Sistemas Electrónicos se publicará en el tablón de anuncios del Dpto. de Ingeniería Electrónica, situado en la E2 esquina Sur Oeste.

1.2 Organización de las prácticas

1) Los alumnos matriculados en la asignatura son divididos en Grupos de Prácticas (Gr1, Gr2, Gr3, Gr4) cuyos horarios son compatibles con la realización de prácticas de otras asignaturas.

2) El cambio de Grupo de Prácticas no está permitido, salvo que exista incompatibilidad con horarios de otras asignaturas del mismo curso que requieran asistencia obligatoria. En ese caso el alumno deberá solicitar el cambio de grupo al profesor responsable de las prácticas durante las dos primeras semanas de clases prácticas.

3) Cada Grupo de prácticas será dividido en un número de subgrupos o Puestos de Trabajo de 3 personas como máximo.

4) La composición de los Puestos de Trabajo se realizará en la primera clase práctica de laboratorio y quedarán inalterables para el resto del cuatrimestre.

5) Se podrán recuperar hasta un máximo de una falta de asistencia justificada en el día dedicado a tal efecto de calendario.

6) Los guiones de prácticas se publicarán en la web de la asignatura. Se recomienda leer el guión de prácticas antes de comenzar la práctica.

1.3 Evaluación de las prácticas

1) Los siguientes conceptos será evaluables: aprovechamiento y asistencia a las sesiones (20% de la nota) y memorias de prácticas (80% de la nota).

2) En caso de tener más de una falta de asistencia no recuperada se suspenderán las prácticas.

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1.4 Valoración de las prácticas en la nota de la asignatura

1) La nota obtenida en prácticas supondrá el 20% de la nota de la asignatura, siendo necesario obtener una calificación en el examen teórico mayor o igual a 4 puntos (sobre 10). Esta valoración será aplicable en el parcial, final de Junio, Septiembre y Febrero.

2) La nota de prácticas no se tendrá en cuenta cuando la superación del examen de la asignatura se realice fuera del curso académico en el que se hayan realizado las prácticas, siendo necesario en este caso superar el examen teórico con una calificación mayor o igual 5 puntos.

1.5 Memorias de prácticas

1) Según la práctica, será obligatorio la presentación de una memoria de prácticas por cada puesto de trabajo de laboratorio, que contendrá como mínimo: una introducción, la descripción del trabajo realizado en la práctica, los resultados obtenidos y su justificación, y las conclusiones obtenidas así como las incidencias que se estime oportuno indicar.

2) La entrega se realizará según el calendario de prácticas. Se hará entrega de las memorias de prácticas en el Dpto de Ingeniería Electrónica (E2-SO), en las estanterías existentes a la entrada en cualquier horario, o directamente al profesor en horario de tutoría, y siempre el día de la fecha de entrega según el calendario de prácticas.

3) La presentación fuera de plazo de la memoria de prácticas se valorará como No Presentada (0 puntos).

1.6 Prácticas

Práctica Título

L-1 Introducción al laboratorio de electrónica

L-2 Circuitos con diodos

S-1 Introducción al simulador Pspice y simulación de filtros RC

S-2 Sistema de comunicaciones

S-3 Amplificadores con BJT

1.7 Calendario

Práctica Fecha Grupo Horario Lugar

L-1 1-Mar Gr1 16:00-18:00 Lab

L-1 1-Mar Gr2 18:00-20:00 Lab

L-1 15-Mar Gr3 16:00-18:00 Lab

L-1 15-Mar Gr4 18:00-20:00 Lab

L-2 5-Abril Gr1 16:00-18:00 Lab

L-2 5-Abril Gr2 18:00-20:00 Lab

L-2 19-Abril Gr3 16:00-18:00 Lab

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L-2 19-Abril Gr4 18:00-20:00 Lab

S-1 8-Mar Gr1 16:00-18:00 CdC

S-1 8-Mar Gr2 18:00-20:00 CdC

S-1 29-Mar Gr3 16:00-18:00 CdC

S-1 29-Mar Gr4 18:00-20:00 CdC

S-2 26-Abril Gr1 16:00-18:00 CdC

S-2 26-Abril Gr2 18:00-20:00 CdC

S-2 03-Mayo Gr3 16:00-18:00 CdC

S-2 03-Mayo Gr4 18:00-20:00 CdC

S-3 10-Mayo Gr1 16:00-18:00 CdC

S-3 10-Mayo Gr2 18:00-20:00 CdC

S-3 17-Mayo Gr3 16:00-18:00 CdC

S-3 17-Mayo Gr4 18:00-20:00 CdC

1.8 Entrega de Memorias

Práctica Fecha de Entrega

L-2 3 Mayo

S-3 1 Junio

PRÁCTICAS Departamento de Ingeniería Electrónica

Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla

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2. Introducción al Laboratorio de Electrónica

2.1 Objetivo de la práctica

El objetivo de esta práctica es que el alumno se familiarice con el material de laboratorio que utilizará durante la realización de las prácticas a lo largo del cuatrimestre

Se identificarán los distintos tipos de componentes electrónicos y la instrumentación básica de cada puesto que se encuentra formado por: osciloscopio, polímetro (voltímetro, amperímetro y óhmetro) y generador de funciones.

2.2 Identificación de componentes electrónicos y medida de resistencias.

IDENTIFICACIÓN DE LA PLACA DE PRUEBAS.

En primer lugar el alumno deberá conocer la placa de pruebas o placa de inserción donde se montarán los distintos circuitos electrónicos para realizar las correspondientes medidas. Una placa de pruebas es simplemente una placa llena de perforaciones que están conectadas entre sí siguiendo el esquema de la Figura 2-1.

El material de laboratorio es muy delicado, por lo que es necesario extremar el cuidado en su manejo.

IDENTIFICACIÓN DE RESISTENCIAS, CONDENSADORES, LATIGUILLOS BANANA – BANANA Y LATIGUILLOS BNC – COCODRILO.

Los componentes electrónicos que se utilizarán para las prácticas serán principalmente resistencias, condensadores, diodos, transistores bipolares y transistores FET, y se irán presentando a lo largo de las distintas prácticas. Además, se utilizarán componentes de conexionado para alimentar y excitar los diferentes circuitos electrónicos. Estos serán los latiguillos banana – banana que se utilizan para la medida de voltajes y resistencias con el polímetro; los latiguillos BNC – cocodrilo que se utilizan para excitar los circuitos con formas de onda del generador de funciones; y las sondas de los osciloscopios que se son utilizadas para introducir las señales en estos equipos y que están diseñadas específicamente para minimizar los errores de carga de las medidas.

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Figura 2-1. Conexionado interno de la placa de pruebas.

MEDIDA DE RESISTENCIAS MEDIANTE EL CÓDIGO DE COLORES.

Puede observarse que dichas resistencias están recubiertas por una serie de barras de colores, las cuales indican el valor aproximado del valor óhmico de la misma. Para leer el valor de la resistencia se deberá utilizar el código de colores que se adjunta en la Tabla 2-1, y el procedimiento será el siguiente:

1) Identificar la banda de tolerancias, que en general será de color oro o color plata.

2) Colocar la resistencia en la forma que aparece en la Figura 2-2.

3) En esta posición el valor de la resistencia se obtiene mediante la expresión:

[ ]( ) 10ZR xy toleranciaΩ = × ±

Figura 2-2. Esquema de bandas de colores de las resistencias

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Siguiendo este procedimiento de medida, calcular el valor de las cinco resistencias que se adjuntan con el material de prácticas.

MEDIDA DE RESISTENCIAS CON EL POLÍMETRO (OHMETRO).

A continuación pasaremos a medir con el polímetro el valor de las resistencias para comprobar que son del valor que marca su código de colores. Para ello, pulsaremos en el multímetro el botón kΩ, colocaremos la rueda en la escala más alta, y utilizaremos dos latiguillos banana – banana para tocar en los extremos de la resistencia, una conectada al terminal negro y la otra conectada al terminal rojo. Progresivamente iremos disminuyendo la escala de resistencias (rueda) para conseguir la medida más precisa posible.

2.3 Montaje divisor de tensión

Una vez que conocemos como es el conexionado de la placa de pruebas se propone montar sobre la misma un divisor de tensión, compuesto por una fuente independiente de tensión (V) y dos resistencias (R1=1KΩ y R2=1KΩ). El circuito se muestra en la Figura 2-3.

INSTRUCCIONES:

4) Monte en la placa de pruebas el esquema de la Figura 2-4, y compruebe los valores de las resistencias.

5) Identifique los puntos A-B-C del circuito en la placa de pruebas.

6) Genere una tensión de 12V. Para ello utilizaremos uno de los terminales azules de la fuente junto con el rojo que esté a su lado. Con las ruedas fine y coarse nos aseguraremos de ajustar 12 V en bornas.

7) Conecte el cocodrilo NEGRO de la fuente al punto C del circuito. Ese punto será la referencia de tensión o punto de masa.

8) Conecte el cocodrilo ROJO de la fuente (conectado al conector ROJO de la fuente) al punto A del circuito.

9) Asegúrese que el valor de la fuente es de 12V antes de activarla. Active la fuente mediante el conector ON.

10) Medir la tensión entre los puntos B-C empleando el polímetro. Para ello se utilizarán las mismas bananas del polímetro pero ahora pulsando el botón V en vez del de KΩ.

11) Para obtener una medida lo más precisa posible, se comenzará poniendo la escala en la mayor posible e iremos disminuyendo progresivamente. Si el display del polímetro parpadea quiere decir que la escala seleccionada no es la adecuada.

COLOR x y z Tolerancia

Plata -2 10%

Oro -1 5%

Negro 0 0

Marrón 1 1 1 1%

Rojo 2 2 2 2%

Naranja 3 3 3

Amarillo 4 4 4

Verde 5 5 5

Azul 6 6 6

Violeta 7 7

Gris 8 8

Blanco 9 9

Tabla 2-2. Código de colores de las resistencias

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R1=1K

V R2=1K

A B

C

Figura 2-3. Divisor de tensión. Figura 2-4. Montaje del divisor del tensión en la placa.

2.4 El Generador de Funciones y el Osciloscopio.

Finalmente, vamos a identificar los otros dos instrumentos de medida que se encuentran en cada puesto de prácticas: el Generador de señal y el Osciloscopio.

El Osciloscopio sirve para ver en una pantalla las formas de onda de las señales de tensión que se producen en un circuito. El Generador de Funciones es una fuente de tensión que proporciona diferentes tipos de señales periódicas en el tiempo (cuadradas, triangulares y senoidales).

Tanto las sondas como los conectores BNC son muy sensibles por lo que se ruega extremar el cuidado en su manejo

INSTRUCCIONES:

1) Encienda el generador de señal. Pulse el botón de señal senoidal (indicada con el periodo de un seno).

2) Ajuste la rueda de la frecuencia a 20KHz (para indicar al generador de señal que proporcione una tensión senoidal de frecuencia 20KHz).

3) Compruebe que ningún botón de atenuación está pulsado y que las ruedas de Offset y amplitud están más o menos centradas.

4) Encienda el osciloscopio.

5) Fije el nivel de tierra del osciloscopio. Para ello pulse GD en el canal en que se encuentre la sonda que estemos utilizando y ajuste xpos e ypos hasta tener la línea luminosa totalmente centrada en la pantalla. (A este proceso se le llama calibración del osciloscopio porque estamos colocando el nivel de tensión 0 a tierra, en el origen).

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6) Conectar la banana de tierra del generador de señal a la banana de tierra de la sonda (NEGRO) y el cocodrilo rojo a la punta de la sonda. De esta forma estamos realizando el montaje de la Figura 2-5.

7) Ajuste el control T/DIV en 25µseg (para hacer que la escala de tiempos sea consistente con la frecuencia de la señal de tensión. Si la frecuencia de la señal es 20KHz, esa frecuencia representa un periodo de T=0.05mseg. Esto quiere decir que un periodo de señal ocupará dos cuadrados del grid de la pantalla. Tendremos entonces representados varios periodos de señal en la pantalla del osciloscopio.

8) Fije la rueda de V/DIV en 2V/div, de forma que cada división en el eje represente 2V. Si la onda se ve muy pequeña o se sale de la pantalla tendrá que disminuir la escala ajustado la rueda V/DIV.

9) Mida aproximadamente la amplitud de la señal en pantalla sabiendo el valor de tensión que supone cada alto de un cuadrado del grid.

10) Cambien el tipo de onda en el generador de funciones, así como la amplitud y la frecuencia.

OSCILOSCOPIO

Generador de funciones

Sonda

Latiguillos BNC

ROJO

NEGRO

Figura 2-5. Montaje de generador de señal y osciloscopio.

2.5 Conceptos importantes para recordar.

− Identificación del instrumental de laboratorio: Osciloscopio, Polímetro y Generador de Funciones.

− Identificación de los diferentes tipos de cables y conectores. − Medida del valor de resistencias mediante código de colores y de forma experimental. − Funcionamiento de la placa de pruebas y montaje de un circuito básico. − Medida de tensiones continuas con el polímetro. − Manejo de la fuente de continua. − Funcionamiento del circuito divisor de tensión. − Generación y medida de una señal periódica. Medida aproximada de la amplitud y periodo.



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3. Respuesta de circuitos RC


El objetivo de esta práctica es conocer en detalle el funcionamiento del Generador de Funciones y del Osciloscopio. El Generador de funciones será utilizado para proporcionar señales de tensión periódicas en el tiempo, mientras que el Osciloscopio se utilizará para la visualización y medida de este tipo de señales.

Se estudiará la respuesta transitoria y permanente de un circuito RC.

3.2 Introducción teórica

3.2.1 Generación de una señal de excitación

El generador de funciones permite la formación de señales de tensión periódicas como la mostrada en la Figura 3-1. Los parámetros configurables son:

Forma de onda: Cuadrada, Triangular o Senoidal. La forma de onda puede ser seleccionada por los botones frontales del instrumento.

− Periodo (T) o Frecuencia (f). La frecuencia es regulable de forma aproximada mediante los mando en forma de rueda. El valor de la fecuencia de la señal de salida se muestra en la pantalla del instrumento. La relación entre periodo y frecuencia es:

)Hz(T1f =

.)Seg(

f1T =

Figura 3-1.Parámetros característicos de las señales periódicas

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− Valor Pico-Pico: Máxima excursión de la señal desde el mínimo al máximo. A la mitad de esta cantidad se le denomina Amplitud. Este nivel puede ser controlado por rueda de ajuste de amplitud. Dicho valor no puede ser especificado al instrumento de forma precisa.

− Nivel de continua de la señal [DC]. Este nivel puede activarse o desactivarse mediante un pulsador del generador. Asimismo, el valor de dicha magnitud puede ser controlado por el botón offset.

3.2.2 Representación de la señal en el osciloscopio

El Osciloscopio es el equipo de Laboratorio que se utilizará para la representación y medida de las señales de voltaje dependientes del tiempo. Una vez encendido el Osciloscopio asegúrese que la traza de la pantalla se visualiza con una intensidad y grosor suficiente. Modifique, si es necesario, utilizando los controles de “Intensidad” y “Enfoque.

El Osciloscopio se compone de dos Canales Verticales (CH I y CH II) que constan de sendos atenuadores - amplificadores de ganancia variable, de modo que el factor de deflexión de cada uno de ellos es variable a saltos con los mandos “Volts/div”. Este factor de deflexión indica el valor de tensión que corresponde a cada división o cuadro en vertical.

Para la representación de las señales en función del tiempo el Osciloscopio dispone de una velocidad de barrido regulable a saltos, con lo que la base de tiempos es variable a saltos de la misma forma que los canales verticales. Cuando se fija una base de tiempos mediante el botón “Time/div”, se conoce el tiempo en segundos que corresponde a una división o cuadro en horizontal. La Figura 3-2 muestra los conceptos explicados.

Figura 3-2. Concepto de Factor de Deplexión y Base de Tiempos

Los valores de los factores de deflexión para cada uno de los canales verticales, así como el valor de la base de tiempos se visualizan de forma continua en la pantalla del Osciloscopio, identificándose cada uno de ellos por Y1, Y2 y T, respectivamente.

Por otro lado, cada canal del osciloscopio puede funcionar con el conjunto atenuador - amplificador vertical en cualquiera de los siguientes modos de entrada (Conmutadores etiquetados con “AC-DC” y GD”.

− DC (=): La señal es representada en pantalla exactamente igual a como se encuentra a la entrada.

− AC (≈): A la señal a la entrada se le resta su componente continua.

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− GD (Tierra ó Masa): La entrada del conjunto atenuador – amplificador es puesta a masa al tiempo que la entrada de señal al osciloscopio queda en circuito abierto. De este modo se fija el nivel de referencia de tensión (0 V) con respecto se medirán las señales de voltaje.

El procedimiento de medida constará de los siguientes pasos:

a) establecer el nivel de referencia de tensiones del osciloscopio en modo GD. Para ello llévese el nivel de tierra (0 v) al sitio deseado mediante los botones “Y.POS I” y “X.POS”.

b) A continuación se cambiará el modo del osciloscopio a DC y se seleccionarán el factor de deflexión y la base de tiempos adecuadas que hace que la señal ocupe el máximo de pantalla.

c) Sobre esta traza de señal ya podrán medirse los parámetros de dicha señal ya que el grid de la misma está calibrado.

Es importante verificar que la sonda del osciloscopio (que sirve para introducir la señal en éste) esté en “x1”, ya que de lo contrario estaremos introduciendo un factor de atenuación.

3.2.3 Medida de la señal de excitación

También es importante conocer que el osciloscopio del puesto de laboratorio dispone de dos cursores para realizar medidas absolutas con una mayor resolución.

Los cursores son pares de marcas verticales u horizontales que permiten hacer medidas de tiempo (caso vertical) o de tensión (en el caso horizontal). La magnitud medida se muestra en la esquina superior derecha del osciloscopio.

Los controles de estos cursores se encuentran en la parte inferior de la pantalla del osciloscopio. Dedique tiempo para aprender su manejo conmutando entre medidas en tensión y medidas en tiempo. La diferencia entre ambos cursores se visualiza de forma continua en la pantalla del osciloscopio.

3.2.4 Respuesta transitoria del circuito RC

En este apartado se verá cómo responde un circuito RC ante una variación de las magnitudes eléctricas del circuito donde se encuentra.

Análisis del circuito

En general, para conocer la respuesta transitoria de un sistema (eléctrico, automático, electromecánico, químico, etc.) se excitará dicho sistema con una entrada en escalón. La forma de la salida del sistema ante dicha excitación nos permitirá conocer de forma más precisa el contenido de dicho sistema.

Concretamente, en un sistema eléctrico formado por un

Sistema ?

Figura 3-3. Respuesta transitoria

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circuito RC tomaremos como entrada una fuente independiente de tensión, y como salida la caída de tensión del condensador. La Figura 3-4 muestra el sistema eléctrico a estudiar.

En este apartado se deducirán las ecuaciones que rigen el comportamiento transitorio del circuito RC, y se encontrará la respuesta ante la entrada en escalón. Posteriormente se procederá a caracterizar dicho sistema en el laboratorio analizando exclusivamente la entrada y la salida. Se verá que ambos resultados, los teóricos y los experimentales, son aproximadamente iguales.

Desde el punto de vista analítico, las ecuaciones que rigen el comportamiento eléctrico del circuito son dos: la relación existente entre tensión e intensidad de un condensador (Ecuación [3-1]), y la ecuación resultante de aplicar la 2ª Ley de Kirckoff al circuito (Ecuación [3-2]).

Teniendo en cuenta que nuestra tensión de entrada ve(t) es un escalón que comienta en t=0+, la ecuación que gobierna el comportamiento del circuito a partir de dicho instante será la expresada por la Ecuación [3-3], donde Vg es el valor alcanzado en t=0+ por la fuente de excitación.

dt)t(dvC)t(i c=

Ecuación [3-1]

)t(v)t(Ri)t(v ce += Ecuación [3-2]

)t(vdt

)t(dvRCv cc

g +=

Ecuación [3-3]

De la Ecuación [3-3] se pueden sacar algunas conclusiones interesantes:

− se trata de una ecuación diferencial (de coeficientes constantes) de primer orden, por lo que podemos deducir que nuestro sistema formado por un circuito RC es un sistema de primer orden. En consecuencia, la solución tendrá carácter exponencial.

− Para t!∞ el valor de la tensión del condensador será la proporcionada por la fuente. Es decir, si no existen variaciones temporales en la tensión del condensador, dicha tensión será necesariamente la de la fuente.

− Las condiciones de contorno empleadas para la resolución de la ecuación serán las tensiones del condensador en t=0+ , denominada vo y la tensión del condensador en t!∞, v∞.

− La solución de la ecuación diferencial que rige el comportamiento del sistema será de la siguiente forma:

[ ] ∞

−

∞ +−= vevv)t(v RCt

0c Ecuación [3-4]

R

+

-

C

+

-

ve(t) vc(t)

i(t)

Figura 3-4. Circuito RC

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Particularizando para el caso que nos interesa, tensión inicial del condensador cero (vc(t=0)=0), y sustituyendo RC=τ, obtenemos:

−= τ

−

∞

tc e1v)t(v

Ecuación [3-5]

Al producto RC se le conoce como Constante de Carga (τ) y tienen dimensiones de tiempo. La Constante de Carga es el único parámetro característico intrínseco de un circuito de primer orden, es decir, conocido τ tendremos caracterizado completamente nuestro sistema de primer orden.

La Figura 3-5 muestra gráficamente la respuesta del circuito ante la entrada en escalón.

t

Ve(t)

Vc(t)Vg

Vg

T/2

t

T

Figura 3-5. Respuesta transitoria del sistema RC

Obtención de la constante de carga de forma experimental

En el apartado anterior se han deducido las ecuaciones que muestran el comportamiento del circuito RC ante entrada en escalón, concluyendo que la Constante de Carga es el parámetro característico de este sistema.

En este apartado se va a caracterizar el sistema de primer orden mediante la búsqueda de su Constante de Carga sin necesidad de analizar las ecuaciones propias del sistema. Se empleará

únicamente la información proporcionada por la entrada y la salida del sistema.

En la ingeniería existen multitud de sistemas que pueden ser aproximados a sistemas de primer orden como el circuito RC. En la mayoría de ellos es muy complicado saber con exactitud cuáles son las ecuaciones internas que controlan dichos procesos, por lo que solamente se cuenta con la información de la entrada y la salida.

Figura 3-6. Caracterización de un sistema de primer orden

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Para medir de forma práctica y cómoda la Constante de Carga de un circuito RC definiremos el Tiempo de Subida ts como el tiempo que tarda la respuesta del sistema en pasar del 10% de su valor máximo al 90% de este valor. El tiempo de subida, ilustrado en la Figura 3-7, está relacionado con la constante de carga por la expresión de la Ecuación [3-6].

τ= 2.2ts Ecuación [3-6]

100%

t

V

90%

10%

ts

Figura 3-7. Medida del tiempo de subida

3.2.5 Respuesta del circuito RC en frecuencia

La respuesta de un circuito lineal ante una entrada seno será otra señal de salida seno con la misma frecuencia (f) y en general, diferente fase y amplitud. De esta forma las señales de entrada y salida de un sistema lineal se expresan en la Ecuación 3-7].

)tf2(senA)t(v eee φ+π=

)tf2(senA)t(v sss φ+π= Ecuación 3-7]

Donde:

− Ae y As: amplitud de la señal. − f: frecuencia. − φe y φs: fase.

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El comportamiento del circuito lineal puede caracterizarse completamente mediante una función que recoge estos los efectos de alteración de amplitud y de fase para cada frecuencia. Esta función se denomina FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA del circuito. Es una función compleja cuya expresión viene dada en forma polar (módulo y fase) por la Ecuación [3-8].

[ ])f(-)f(j

e

s)f(j ese)f(A)f(A

e)f(H)f(H φφφ == Ecuación [3-8]

)f(A)f(A

log20)f(He

sdB

×=

Ecuación [3-9]

Donde:

− |As(f)/Ae(f)| es la Respuesta en Amplitud o Módulo de la Función de Transferencia. Expresa la relación entre las amplitudes de las formas seno a la entrada y a la salida del circuito para una determinada frecuencia. Es una magnitud adimensional y se expresa o bien en unidades naturales (u.n) o bien unas unidades logarítmicas denominadas Decibelios (dB). Le Ecuación [3-9] muestra cómo calcular la respuesta en amplitud en decibelios.

− φs(f)-φe(f) es la Fase de la Función de Transferencia y mide la diferencia de fases o desfase entre la entrada y la salida de un circuito lineal. Se mide en unidades de ángulos (radianes o grados).

Obtención teórica de la respuesta en frecuencia

Para determinar el comportamiento del circuito cuando es excitado con tensiones seno, se procede a estudiar las diversas impedancias y su dependencia con la frecuencia. Así, las ecuaciones siguientes reflejan dicha dependencia:

Analizando el circuito se obtiene la función de transferencia expresada en la Ecuación [3-12]. De esta ecuación se deduce la respuesta en amplitud y la respuesta en fase.

R)j(ZR =ω Ecuación 3-10]

R

+

-

1/(jωC)

+

-

Ve(jω) Vc(jω)

I(jω)

Figura 3-8. Respuesta en frecuencia del circuito RC

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Cj1)j(ZC ω

=ω

Ecuación [3-11]

1CRj1

)j(V)j(V

e

c

+ω=

ωω

Ecuación [3-12]

[ ]2

2

1

1( )1

( ) tan ( )

H jCR

ang H j RC

ωω

ω ω−

=+

= − Ecuación

[3-13]

En la Figura 3-9 se representan las curvas características de la respuesta en magnitud y fase de un circuito RC. La magnitud de la función de transferencia muestra un comportamiento decreciente frente a la frecuencia. Se dice que este circuito es un filtro paso bajo debido a que rechaza la altas frecuencias y deja pasar las bajas.

Obtención experimental de la respuesta en frecuencia

La medida experimental de la respuesta en frecuencia requiere determinar tanto la respuesta en magnitud como la respuesta en fase.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100−9

−8

−7

−6

−5

−4

−3

−2

−1

0Respuesta en magnitud

Frecuencia en Hz

dB

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100−1.5

−1

−0.5

0Respuesta en fase

Frecuencia en Hz

rd

Figura 3-9. Representación de la función de transferencia de un circuito

Para la medida de la respuesta en amplitud bastará con visualizar la entrada (CANAL-I) y medir el valor de amplitud o el valor de pico a pico. Posteriormente se conmutará el canal del osciloscopio para mostrar la salida (CANAL-II) y se procederá del mismo modo. El cociente de amplitudes, o alternativamente, el cociente de valores de pico a pico, será el valor de la respuesta en magnitud para la frecuencia de trabajo.

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Para calcular el desfase entre dos señales se visualizarán las dos señales de forma simultanea en la pantalla. A continuación se identificarán los dos pasos por cero (con igual pendiente) de ambas formas de onda y se calculará la diferencia de tiempos ∆t tal y como se indica en la Figura 3-10.

Figura 3-10. Medida de desfase mediante visualización simultanea

Una vez medida la diferencia de tiempos o el retraso de la señal del Canal II respecto del Canal I, se calcula el desfase entre las dos señales. Teniendo en cuenta que el tiempo correspondiente a un periodo de señal equivale a 360º, el desfase vendrá expresado en la Ecuación [3-14], donde T representa el periodo de la señal periódica.

[ ] [ ]-1 22 360 t ºt rad

T Tπφ φ φ ×∆ ×∆∆ = = = Ecuación [3-14]

3.3 Realización práctica

3.3.1 Montaje del circuito RC

El circuito que se muestra en la Figura 3-11 es un circuito RC en configuración de paso bajo que se va a utilizar durante la práctica.

Utilice los componentes necesarios para montar dicho circuito en la placa de pruebas. Para ello, efectúe la medida (utilizando el polímetro o el código de colores) de las diferentes resistencias, e identifique numéricamente el valor de la capacidad del condensador. Identifique los puntos A-B-C del circuito de la figura en el circuito, y localice dónde se encuentra la entrada y la salida del circuito en el montaje realizado.

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R=1KΩ

+

-

Salida

C=1µF

+

-

Entrada

ve(t) vs(t)

BA

C

Figura 3-11. Circuito RC paso bajo.

3.3.2 Medida de la constante de carga.

Ahora se procede a generar y excitar el circuito del apartado anterior con una señal cuadrada de características descritas en la Tabla 3-1.

Parámetro Valor

Tipo de señal CUADRADA

Frecuencia 100 Hz.

Periodo 10 msec.

Valor de amplitud

2,5 v

Nivel de continua

2,5 v

[Min, Max] [0, 5]

Tabla 3-1. Señal de excitación

Figura 3-12. Señal de excitación.

INSTRUCCIONES:

1) Conecte un latiguillo BNC-cocodrilo al generador de funciones. El BNC irá conectado al generador de funciones y los cocodrilos irán conectados a la sonda del osciloscopio. El montaje se muestra en la Figura 3-13.

2) Encienda el osciloscopio. Ajuste el nivel de intensidad y enfoque que permita distinguir la información que a parece en la pantalla.

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R

C

+

-

+

-

Entrada Salida

OSCILOSCOPIO

Generador de funciones

Figura 3-13. Excitación del circuito RC con la señal de tensión de forma cuadrada.

3) Ajuste el nivel de tierra (GD) del osciloscopio en el nivel marcado como 0% de la pantalla del osciloscopio.

4) Ajuste la señal de excitación empleando los cursores a la especificada en la Tabla 3-1. Esto implica medir: la frecuencia de 100 Hz. (10msec. de periodo) y los valores máximos y mínimos serán de 5 y 0 v. respectivamente. Tenga en cuenta que el nivel cero se encuentra en el marcador de 0%.

5) Conecte la señal de excitación al circuito.

6) Mida con el osciloscopio las señales de voltaje: ve (t) con el canal 1 (CH-I) y vs (t) con el canal 2 (CH-II) del osciloscopio.

7) El osciloscopio le permitirá visualizar cada uno de los canales por separado o los dos canales simultáneamente. Pulse para cambiar de visualización individual a simultanea el botón DUAL.

8) Refleje las medidas de ve (t) y vs (t) en la memoria de la práctica.

9) Con los cursores verticales marque el corte de la curva de carga con los puntos 10% y 90% marcados en la pantalla del osciloscopio. La distancia entre cursores verticales será el tiempo de subida. Compruebe que se cumple la expresión de la Ecuación [3-6].

10) Aumente gradualmente la frecuencia de la entrada y observe el comportamiento del circuito. Intente justificar dicho comportamiento.

3.3.3 Medida de la función de transferencia

En este apartado se procede a realizar la medida de la función de transferencia del circuito RC que se encuentra montado en la placa e pruebas.

INSTRUCCIONES:

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1) Conecte el generador de funciones a la entrada del circuito. Seleccione una señal senoide con una frecuencia de 1KHz sin componente de DC.

2) Visualice la señal generada conectando el Canal I del osciloscopio a la entrada del circuito. Ajuste el valor de la amplitud en el generador de funciones hasta conseguir un valor de 1 V.

3) Conecte la sonda del Canal II a la salida del circuito y seleccione del Canal II en el osciloscopio. Mida la amplitud de la señal representada empleando los cursores.

4) Active el modo DUAL para ver la entrada y la salida en la pantalla del osciloscopio. Empleando los cursores de tiempo (verticales) mida el desfase entre ambas señales como se muestra en la Figura 3-10. Aplique la Ecuación [3-14] para obtener el valor del desfase.

5) Repita el procedimiento y rellene la siguiente tabla:

|H(f)| f (Hz) Ae(v.) As(v.)

(u.n) dB ∆t φs(f)-φe(f)

100 1

500 1

1 K 1

10 K 1

3.4 Aspectos importantes a recordar

− Identificación de los controles del generador de funciones y su funcionalidad. − Manejo del osciloscopio como instrumento para medir señales de entrada y salida de un

circuito: ajuste de escalas, cursores, representación simultánea, etc. − Respuesta transitoria de un circuito RC: ecuaciones teóricas y obtención experimental de la

respuesta mediante la medida del tiempo de subida. − Respuesta permanente de un circuito RC ante entrada seno: ecuaciones que rigen el

comportamiento del circuito, comportamiento de filtro, medida de la respuesta en amplitud y en fase en el laboratorio.



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4. Circuitos con diodos


El objetivo de esta practica es doble: por un lado se obtendrá de forma experimental la característica I-V (característica estática) de un diodo, para a continuación estudiar una aplicación típica de diodo: los circuitos rectificadores. Se medirán diferentes configuraciones de circuitos rectificadores con diodos, evaluando el comportamiento de las diferentes configuraciones en función de los parámetros de calidad que se definan.

Antes de presentar los circuitos correspondientes a la realización práctica se procederá a estudiar con mayor detalle el funcionamiento del osciloscopio.

4.2 OSCILOSCOPIO: sincronismo, nivel y pendiente de disparo

El problema que nos encontramos en un osciloscopio es el de tener que representar señales en el tiempo de duración ilimitada en una pantalla de dimensiones limitadas. La única forma que se tiene para visualizar estas señales periódicas es representando un trozo de la misma sucesivamente. Por tanto, un osciloscopio representa un trozo de señal una y otra vez, es decir, cuando termina de representar una pantalla completa comienza a representar otra y así sucesivamente.

Se denomina barrido a cada una de las representaciones de una pantalla. La señal que determina el instante de tiempo en el que el osciloscopio ha de inicia la representación de un barrido se denomina señal de sincronismo.

Como puede observarse en la Figura 4-1, existe un tiempo entre que el osciloscopio termina de representar una pantalla y comienza a representar la siguiente, para que el trozo de señal representado en pantalla sea siempre el mismo. Este tiempo se denomina tiempo de Hold-Off, y durante este tiempo la señal a representar no se aplica al canal vertical.

Para que la porción de señal que se representa en la pantalla del osciloscopio pueda visualizarse de forma estática, el osciloscopio habrá de comenzar a representar la señal siempre en el mismo punto.

Se denomina Nivel de Disparo (LEVEL) al nivel de la señal de sincronismo que una vez alcanzado supondrá el inicio del barrido. Para una señal periódica el nivel de disparo estará unívocamente determinado junto con su Pendiente de disparo ( ó ).

La señal de sincronismo podrá ser la del Canal I, Canal II o Externa (enchufada al conector correspondiente del frontal del osciloscopio).

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Osciloscopio

Figura 4-1. Explicación gráfica de los conceptos.

La señal de sincronismo podrá ser generada por el osciloscopio de forma automática (AT) o de forma normal (NM). Es recomendable utilizar el modo automático de generación de señal de sincronismo salvo que las señales a representar sean muy complejas. En ambos modos de funcionamiento tanto el Nivel de disparo (LEVEL) como la Pendiente de disparo ( y ) pueden seleccionarse mediante los correspondientes controles del instrumento.

En la Figura 4-1 se muestra lo que ocurriría cuanto el osciloscopio representa una señal de tensión seno conectada al Canal I que es capturada cuando dicha señal alcanza un nivel de disparo con pendiente positiva (). La propia señal del Canal I funciona como señal de sincronía.

Finalmente, el osciloscopio dispone de algunos modos de disparo específicos para determinados tipos de señales. Generalmente se trabajará con el modo de disparo AC, excepto cuando se representen señales de muy baja frecuencia donde se utilizará el modo de disparo DC. Los modos de disparo HF, LF, TVL y TVF son modos de sincronismo para señales complejas como por ejemplo señales de televisión.

Si el nivel de disparo no es alcanzado por la señal de sincronismo, el barrido no se iniciará, y por lo tanto no se mostrará de forma estática la señal en la pantalla. Ajuste, mediante el control LEVEL del instrumento, para asegurar que la señal siempre alcanza el nivel de disparo.

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4.3 Obtención característica I-V de un diodo

EL CIRCUITO DE MEDIDA

Para la medida de la característica estática de un diodo se deberá medir tanto la caída de tensión que se produce entre sus bornas (VD) como la corriente eléctrica que circula por él (ID). La representación de ambas magnitudes se muestra en la Figura 4-2.

Para la media de la característica estática se empleará el circuito de la Figura 4-3 Dicho circuito está formado por dos ramas iguales excitadas por la misma tensión.

La tensión que cae en el diodo VD podrá ser medida en los puntos A-B, mientras que la medida de la corriente que circula por el diodo no es inmediata ya que el osciloscopio solamente mide tensiones. Por esto, la intensidad que circula por el diodo se medirá a través de la caída de la resistencia (C-B) que se encuentra en serie con el diodo. Dicha tensión será proporcional a la intensidad que circula por el diodo.

Para obtener una representación del tipo I-V se utilizará el modo XY del osciloscopio. Este modo, que se activa dejando pulsado el botón DUAL, representa el canal 1 (CH-I) en el eje horizontal frente al canal 2 (CH-II) en el eje vertical.

Conectando el canal 1 (CH-I) a los puntos A-B (VD ) y los puntos C-B al canal 2 (CH-II), se mostrará la característica estática del diodo. Es necesario tener en cuenta que en eje vertical no se muestra la intensidad del diodo sino un valor que es proporcional a la ID.

ID

VD

Vγ

ID

VD

Vγ

-VΖ

(a) (b)

Figura 4-2. Características estáticas o característica I-V de (a) un diodo convencional y (b) un diodo Zener.

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ID

+

-

VR

D

R

B

CR

ID

D

+

-

VD

A

Figura 4-3.Circuito utilizado para la medida de la característica I-V.

POTENCIA CONSUMIDA POR EL DIODO

Una vez que se conocen las caídas de tensión en el diodo y la corriente que circula a su través (calculada a partir de la caída de tensión en la resistencia) puede calcularse la potencia instantánea que se disipa en el diodo aplicando la expresión:

RvvivP R

DDDdis ⋅=⋅=

[4-1]

Es importante que el valor de potencia disipada máxima se encuentra por debajo de la especificación dada por el fabricante.

4.4 Aplicación: circuitos rectificadores basados en diodos

Un Circuito Rectificador es un circuito que permite obtener una tensión continua a partir de una tensión alterna. Estos circuitos rectificadores se utilizan en la práctica totalidad de los dispositivos electrónicos que se conectan a la red eléctrica y convierten la tensión alterna de alimentación, generalmente 220V, en tensión continua (3,6,12,10V etc.). El comportamiento general de cualquier circuito rectificador se muestra en la Figura 4-4.

A continuación se presenta un breve resumen de las configuraciones de circuito rectificador que van a utilizarse en el desarrollo de la práctica, haciendo especial hincapié en los parámetros que determinan la calidad de la señal rectificada.

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t

Ve

t

Vs

Rectificador

+

-

Ve

+

-

Vs

=

Figura 4-4. El Circuito Rectificador visto como una caja negra.

4.4.1 Parámetros característicos de tensiones AC y DC

VALOR EFICAZ Y VALOR MEDIO

La tensión alterna a la entrada del circuito rectificador tendrá la forma de expresada en la [4-2], siendo Ae la amplitud de la tensión Ve, f la frecuencia en Hertzios (50Hz en el caso de la red eléctrica nacional), t el tiempo en segundos y φ un desfase en radianes.

Una forma muy común de indicar la magnitud de la tensión alterna de entrada es mediante su Valor Eficaz definido de forma genérica en la [4-3] y particularizada para una señal seno en la [4-4].

Por el contrario, la señal de salida del circuito rectificador Vs se caracterizará por tener una cierta componente de DC. Se define Valor Medio o componente de continua (DC) como el valor resultante de aplicar la [4-5].

FACTOR DE RIZADO

Para estimar la calidad de la tensión rectificada a la salida del circuito, que en el caso ideal sería una señal continua, se utiliza el parámetro de Factor de rizado (Fr) ( [4-6]).

El Factor de Rizado se define como la relación entre la tensión pico-pico de la señal rectificada (diferencia entre la fluctuación máxima y el mínimo alrededor del valor medio) y la componente continua de la misma.

El caso de circuito rectificador ideal se correspondería con un factor de rizado igual a cero

)tf2(senAV ee φ+⋅⋅π⋅= [4-2]

∫=T

0

2eeff,e dtv

T1V

[4-3]

2AV e

eff,e =

[4-4]

∫=T

0ss dt)t(v

T1v

[4-5]

(%)100v

vF

o

picopicor ×= −

[4-6]

DC Vpico-pico

t

Figura 4-5. Tensión rectificada

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ya que la amplitud pico-pico de la señal continua sería igual a cero. En general, puede concluirse que cuanto menor sea el factor de rizado mejor comportamiento presentará el circuito rectificador.

Consideraremos como valores de medida de la calidad del circuito rectificador el Factor de Rizado y el Valor Medio de la señal rectificada.

4.4.2 Circuitos rectificadores medidos en la práctica

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

En la Figura 4-6 se presenta el esquema del circuito rectificador de media onda. Dicho circuito consta de un diodo simple 1N4007 en serie con una resistencia. El circuito se excita a su entrada con una señal seno Ve y a su salida se obtiene la señal rectificada, Vs, sobre la carga R.

La tensión rectificada Vs a la salida del circuito rectificador estará determinada por la característica del diodo. El diodo conduce cuando está polarizado en directa con una tensión mayor que la tensión umbral Vγ y está cortado cuando está polarizado con una tensión menor que la tensión umbral o en inversa.

La tensión alterna de entrada es rectificada por el diodo eliminando a la salida los semiciclos de tensión negativa, y obteniendo a la salida del circuito rectificador una forma de onda de tensión Vs.

+

-

Ve

R=1

2kΩ

D=1N4007

Vs

+

-

Ve

R=1

00nF

D=1N4007

C=1

nF Vs

Figura 4-6. Circuito rectificador de media onda. Figura 4-7. Circuito rectificador de media onda y filtrado con condensador.

La Figura 4-8 muestra las formas de onda del circuito rectificador de media onda. La señal de salida se caracteriza por tener una componente continua u offset mayor que cero y que puede calcularse mediante la expresión de la [4-5].

Como se desprende de la Figura 4-9, los semiciclos positivos de la tensión alterna Ve y la tensión rectificada Vs no coinciden exactamente debido a que el diodo necesita una pequeña polarización directa igual a Vγ para comenzar a conducir.

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t

Ve Vs

Vγ

Vs

DT

Ve Vs

Figura 4-8. . Formas de onda del circuito rectificador de media onda.

Figura 4-9. . Formas de onda del circuito rectificador de media onda filtrada.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON FILTRADO

Las prestaciones del circuito rectificador de media onda pueden mejorarse considerablemente mediante el filtrado de la tensión a la salida del circuito mediante un condensador. El circuito se presenta en la Figura 4-7.

El condensador permitirá disminuir el factor de rizado y aumentar la componente continua de la señal rectificada. Durante el semiciclo en el cual el diodo está cortado la tensión de salida no caerá hasta cero sino que el condensador la mantendrá hasta que llegue el siguiente semiciclo positivo. Las formas de onda de las tensiones a la entrada y a la salida del circuito rectificador en cuestión se representan en la Figura 4-9. Puede verse que la componente continua de la señal rectificada Vs ha aumentado, y el factor de rizado habrá disminuido gracias a que el rizado de la señal rectificada ha sido reducido. En definitiva, las prestaciones (Fr y DC) del circuito rectificador de media onda con filtrado son superiores al ciruito visto en el apartado anterior.

Es importante destacar como consideración de diseño que el valor de la capacidad del condensador deberá de estar acorde con la frecuencia de la tensión alterna a la entrada del circuito y con la resistencia de salida del circuito rectificador según la [4-7], donde T es el periodo de la señal a rectificar.

2TRC >⋅=τ [4-7]

CIRCUITO REGULADOR CON DIODO ZENER

La calidad de la señal rectificada por el circuito rectificador puede mejorarse aún más utilizando un diodo Zener a la salida del circuito. Dicho diodo será encargado de regular la tensión rectificada de salida.

Como ya es conocido, en un diodo Zener polarizado en inversa la caída de tensión entre sus bornas (Vd) se mantiene prácticamente constante cualquiera que sea de la intensidad (Id) que lo atraviesa.

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Utilizando esta idea es posible regular la tensión rectificada mediante un circuito rectificador de media onda y filtrado con condensador, y mejorar sus prestaciones.

La configuración de circuito regulador con diodo Zener que se utilizará en la práctica se muestra en la Figura 4-10.

Ve

D

C Z

R+

-

Vs

Figura 4-10. Circuito regulador de tensión con diodo Zener

La calidad de la tensión regulada por diodo Zener es muy buena ya que prácticamente es una señal continua, es decir, el factor de rizado es prácticamente nulo. Sin embargo, no debe de olvidarse que el precio que se ha de pagar para conseguir esta calidad de tensión continua es un menor rendimiento del circuito en cuanto a la relación entre la potencia de señal a la entrada y la potencia de señal entregada a la carga.

4.5 Realización práctica 4.5.1 Medida de la característica estática del diodo

INSTRUCCIONES:

1) Identifique la placa de circuito impreso que contiene el circuito empleado en la medida de la característica I-V del diodo (Figura 4-3).

2) Conecte la salida del generador de funciones a la sonda de canal 1 (CH-I). Ajuste la señal generada a la especificada en Tabla 4-1.

3) Ajuste GD en el centro de la pantalla en ambos canales.

4) Ajuste el modo DC en cada canal.

5) Aplique la señal de excitación a la entrada del circuito.

6) Mida la caída de tensión en el diodo, VD, con el Canal I del osciloscopio y refleje en la memoria de la práctica la pantalla qué se observa en el osciloscopio, indicando la base de tiempos, factor de deflexión y posición del GD. Intente explicar la forma de onda obtenida.

Parámetro Valor

Forma de onda TRIANGULAR

Frecuencia 1KHz

Amplitud 7 V

DC -2 V

Valor mínimo -9 V

Valor máximo 5 V

Tabla 4-1. Señal de excitación

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7) Con el Canal II del osciloscopio mida la caída de tensión en la resistencia de la otra rama, VR, a partir de la cual puede obtener la corriente que circula a través del diodo. Refleje en la memoria de la práctica la pantalla que se visualiza en el osciloscopio e intente explicar la forma de onda obtenida.

8) A partir de las medidas de caída de tensión en el diodo y la corriente que lo atraviesa, calcule la potencia instantánea máxima que disipa el diodo. Justifique la respuesta.

9) Para obtener la forma de la característica I-V cambie el modo de operación del osciloscopio al modo XY. Refleje en la memoria de la práctica la pantalla obtenida en el osciloscopio.

10) Tome las medidas de: tensión umbral, tensión Zener, intensidad máxima alcanzada en directa e intensidad máxima en inversa.

4.5.2 Medida de los parámetros de calidad de circuitos rectificadores

INSTRUCCIONES :

1) Identifique la placa de circuito impreso que contiene los tres circuitos rectificadores estudiados en la introducción teórica de la práctica.

2) Localice el circuito rectificador de media onda (Figura 4-6) en la placa suministrada.

3) Genere una tensión senoidal de 500 Hz y 6 V de amplitud (sin DC). Para ello utilice el osciloscopio para asegurarse de los valores especificados.

4) Mida el valor eficaz de la tensión generada empleando para ello el multímetro. Conecte los latiguillos adecuados para realizar la medida. Selección modo tensión (V) y alterna (AC). Anote el resultado.

5) Conecte la señal generada a la entrada del circuito.

6) Empleando la sonda del canal I (CH-I) mida la salida del rectificador.

7) Meda el valor de continua (DC) que muestra el osciloscopio. Previamente debería accionar el modo DC del osciloscopio.

8) Mida el factor de rizado. Para ello es recomendable desactivar el modo DC y pasar a AC. De esta forma la señal queda centrada en la pantalla y, cambiando la escala de forma adecuada, podrá medirse el rizado de la misma.

9) Repita las medidas para el circuito rectificador de media onda con red RC de filtrado (Figura 4-7).

Para la medida del tercer rectificador, el circuito basado el diodo zener, siga las siguientes instrucciones.

Esta parte de la práctica requiere la conexión a la RED ELÉCTRICA. Extreme la precaución y siga cuidadosamente las indicaciones siguientes.

INSTRUCCIONES:

1) Localice el circuito regulador basado en diodo Zener de la Figura 4-10 e identifique el transformador que se suministra en la práctica.

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2) Tome dos latiguillos Banana-Cocodrilo, uno ROJO y otro NEGRO. Conecte el cocodrilo NEGRO a la masa del circuito y conecte el cocodrilo ROJO al positivo de la entrada del circuito.

3) IMPORTANTE: asegúrese que el cocodrilo NEGRO y el ROJO no llegan nunca a estar en contacto. Evite que por un movimiento se provoque contacto entre ambos.

4) Enchufe el trasformador a la RED. El transformador sólo se conectará (mediante el interruptor frontal) cuando se esté realizando alguna medida. Desconéctelo cuando no sea necesario.

5) Con un par de latiguillos banana-banana podremos medir el valor eficaz entre terminales del transformador. Utilizaremos el multímetro.

6) Conecte los terminales ROJO-NEGRO del transformador a los latiguillos que se encuentran conectados al circuito.

7) Mida la característica de la señal proporcionada por el transformador conectando el canal I (CH-I). Mida la frecuencia exacta y la amplitud.

8) Mida el DC de la salida. Recuerde que el canal deberá estar en modo DC.

9) Conmute a AC y mida el rizado. Tendrá que disminuir la escala vertical.

R. de media onda R. de media onda con

red RC R. de media onda

con red RC y Zener

f=500Hz f=10KHz f=500 Hz f=10 KHz Red Eléctrica

Amplitud de entrada (Ve) 6 V 6 V 6 V 6 V Entrada al

rectificador Valor eficaz de la entrada

Componente continua de salida (VS)

Rizado de la salida Salida del

rectificador Factor de rizado, Fr [%]

Tabla 4-2. Resultados de la práctica

4.6 Conceptos importantes a recordar

− Barrido, señal de sincronismo, disparo. Modo X-Y del osciloscopio. − Característica estática del diodo convencional y del diodo Zener: distinción de las regiones

de funcionamiento, estimación del punto de consumo máximo, etc. − Parámetros de medida de la calidad de circuitos rectificadores. − Circuitos rectificadores presentados: funcionamiento, estimación de los parámetros de

calidad, valoración cualitativa de la potencia disipada de cada componente, etc.



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5. Introducción al simulador Pspice

5.1 Realización del esquema del circuito (Schematics)

Al ejecutar el programa Schematics aparece la pantalla mostrada en la Figura 5-1.

La ventana se puede dividir en tres zonas:

- Barra de menú: en esta zona de la pantalla pueden elegirse con el ratón los menús de comandos y submenús que posee el programa.

- Barras de botones: En esta zona se encuentran los botones de acceso directo a las órdenes más importantes del programa. Cada botón tiene un icono que representa la función que realiza la orden.

- Zona de dibujo: en esta zona de la pantalla pueden colocarse los diferentes componentes de un circuito y crear un esquema. Dicho esquema representa un circuito eléctrico/electrónico y se puede simular su comportamiento mediante el programa Pspice

El primer paso para realizar el esquema de un circuito es acceder a los componentes disponibles en el programa. Estos componentes pueden dividirse en elementos de circuito, elementos de medida, elementos especiales (que realizan funciones especiales dentro del conjunto de programas de Pspice Student) y elementos de conexión.

Figura 5-1. Ventana principal de Schematics

Barra de menú

Barras de botones

Zona de dibujo

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INSERTAR COMPONENTES

Para insertar cualquier tipo de componente hay que ejecutar el comando Get New Part dentro del menú Draw o pulsar el botón . Aparecerá la ventana Part Browser Basic donde puede elegirse el componente a insertar. Para ver el símbolo del componente hay que pulsar el botón >>Advanced para cambiar a la ventana Part Browser Advanced. Además, se indican los pasos necesarios para insertar un componente.

Al pulsar el botón Place & Close aparece el símbolo del componente en el puntero del ratón. Para colocar el componente hay que mover el ratón a la localización deseada y pulsar el botón izquierdo para colocarlo en el esquema. El símbolo aparece de nuevo en el puntero del ratón para repetir la operación cuanto se desee; si se quiere insertar otro componente basta pulsar el botón derecho para hacer desaparecer el símbolo y repetir los pasos anteriores para insertar otro componente.

MOVER COMPONENTES

Para mover un componente basta pulsar el botón izquierdo del ratón y mantenerlo pulsado mientras se arrastra el componente hacia su nueva posición en el esquema.

GIRAR COMPONENTES

Seleccionar el componente que se desea girar (pulsar el botón izquierdo del ratón sobre el componente), ejecutar el comando Rotate del menú Edit para rotar el componente 90º en el sentido antihorario. Esta operación puede hacerse además mediante la combinación de teclas Crtl+R.

Si se desea hacer la operación de dar la vuelta sobre su eje vertical a un componente (equivalente a una rotación de 180º sobre dicho eje) ejecutar el comando Flip del menú Edit.

BORRAR COMPONENTES

Para eliminar un componente del esquema hay que seleccionarlo previamente y después pulsar la tecla Supr.

EDITAR LOS PARÁMETROS DE LOS COMPONENTES

Los componentes disponibles en Schematics poseen unos parámetros que los caracterizan y cuantifican. Estos parámetros pueden editarse mediante la ventana que aparece en la figura 4. Dicha ventana aparece al pulsar dos veces con el botón izquierdo del ratón sobre el componente (en este caso, se trata de una resistencia). Por ejemplo: uno de los parámetros de una resistencia es su valor numérico en Ohmios y se puede cambiar al valor deseado, como se puede ver en la Error! Reference source not found..

CONECTAR COMPONENTES

Es necesario conectar los componentes de un circuito para cerrarlo. Para ello, se utiliza el comando Wire del menú Draw o bien puede pulsarse el botón . El puntero del ratón se transforma en un lápiz. Cualquier conexión debe hacerse entre un terminal de un componente y un terminal de un segundo componente. Debe pulsarse el botón izquierdo del ratón en el terminal inicial, en cualquier punto donde se desee cambiar de dirección y en el terminal final.

GRABACIÓN DEL ESQUEMA EN UN ARCHIVO

Para guardar el trabajo realizado en un esquema se debe ejecutar el comando Save As del menú File o bien pulsar el botón . En la ventana que aparece podemos escribir el nombre del archivo

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que tendrá extensión .sch. Además se puede elegir el directorio donde se va a guardar el archivo. Pulsar el botón Aceptar y quedará guardado el archivo.

OTROS COMANDOS DE SCHEMATICS

Menú File:

Comando Open: abrir un archivo.

Comando New: nueva pantalla en blanco para crear un esquema.

Menú Draw:

Comandos Arc, Circle, Box, Polyline, Text y Text Box: insertar en el esquema elementos de dibujo como un arco de círculo, círculo, rectángulo, polilinea, texto y cuadro de texto.

Menú View:

Comandos Fit, In, Out, Area, Previous y Entire Page: herramientas para hacer un zoom en partes del esquema y para visualización del esquema en general.

Comando Redraw: redibuja el circuito eliminando cualquier resto que no sea un componente del circuito.

Menú Markers:

Comandos Mark Voltage/Level, Mark Voltage/Differential, Mark Current into Pin: para insertar los marcadores de tensión (mide la tensión entre el nodo en el que está el marcador y tierra), marcadores diferenciales de tensión (mide la tensión entre dos nodos) y los marcadores de corriente (mide la corriente de entrada en el terminal un componente), respectivamente. El marcador de corriente no puede colocarse en cualquier parte del circuito; solo en los terminales de un elemento. Al ejecutar cualquiera de estos comandos el puntero del ratón toma la forma del marcador correspondiente que puede colocarse en el esquema pulsando el botón izquierdo del ratón.

5.2 Simulación del circuito

Una vez terminada la tarea de creación del esquema, el siguiente paso es la elección de las opciones de simulación y la realización de la misma mediante el programa Pspice.

Para elegir el tipo simulación a realizar se debe ejecutar el comando Setup del menú Analisys o bien pulsar el botón . Aparece la ventana Analisys Setup (Figura 5-2).

En esta ventana se pueden elegir las diferentes opciones para realizar la simulación del circuito. Se va a describir a continuación cada una de ellas.

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Figura 5-2. Cuadro Analisys Setup

Figura 5-3. Cuadro AC Sweep and Noise Analisys

5.2.1 AC Sweep

Marcando esta opción se realiza un análisis en pequeña señal cuando se hace variar una o más fuentes de AC en un rango de frecuencias. Además se puede realizar un análisis de ruido del circuito.

Pulsando el botón AC Sweep aparece la ventana AC Sweep and Noise Analisys con los parámetros necesarios para realizar el análisis en alterna (AC Sweep), Figura 5-3.

El tipo de análisis más común es el lineal en el que se especifica el número total de frecuencias repartidas linealmente entre la frecuencia inicial y la frecuencia final. En los tipos logarítmicos se especifican el número de puntos por octava y por década, respectivamente.

5.2.2 Save Bias Point.

Marcando esta opción pueden guardarse los datos correspondientes al punto de polarización de un circuito dado en un archivo para su utilización posterior en otra simulación. Es necesario escribir el nombre del archivo en la ventana que aparece.

Número de puntos en el rango de frecuencias

Frecuencia inicial del rango

Frecuencia final del rango

Tipos de análisis: lineal, logarítmico por octavas y logarítmico por décadas

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5.2.3 Load Bias Point.

Marcando esta opción puede usarse los datos de un punto de polarización como condiciones iniciales de un circuito dado. Se debe escribir el nombre del archivo desde donde se van a leer los datos del punto de polarización.

5.2.4 DC Sweep

Al marcar esta opción se está indicando al programa Pspice que realice un análisis en continua. El análisis en continua (DC Sweep) nos permite calcular el punto de polarización de un circuito al variar dentro de un rango de valores una fuente (que puede ser de tensión o de corriente), un parámetro o la temperatura.

Pulsando el botón DC Sweep aparece el cuadro DC Sweep (Figura 7) donde se pueden especificar los parámetros para hacer el análisis.

Figura 5-4. Cuadro DC Sweep

Se puede seleccionar una segunda variable a analizar. Este segundo análisis se realizará de forma simultánea al primero. Debe pulsarse el botón Nested Sweep (Figura 5-4).

Para activar el análisis de la segunda variable (Nested Sweep) es necesario marcar la casilla Enable Nested Sweep. Para volver a la pantalla del análisis de la primera variable pulsar Main Sweep.

Figura 5-5. Ventana DC Nested Sweep

Tipo de variable

Nombre de la variable

Tipo de barrido: puede incluirse lista de valores

Valor inicial

Valor final

Incremento entre dos valores consecutivos

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5.2.5 Monte Carlo/Worst Case

Marcando esta casilla se pueden realizar dos tipos de análisis estadísticos: el análisis de Monte Carlo y el análisis del peor caso.

El análisis de Monte Carlo computa la respuesta de un circuito a los cambios aleatorios en los valores de los componentes con una tolerancia dada. Se obtiene con esto información estadística de la respuesta de un circuito a la variación de los parámetros de un circuito.

El análisis del peor caso calcula la combinación de variables del circuito (sujetas a un rango de variación determinado) que dan como resultado la peor salida posible.

5.2.6 Bias Point Detail

Al marcar esta casilla el programa que realiza la simulación (Pspice) incluye en el fichero de salida información adicional sobre el punto de polarización del circuito. Cuando la casilla no está marcada se incluye solamente las tensiones o los estados digitales de los nodos.

5.2.7 Digital Setup

Al pulsar este botón pueden seleccionarse diversas opciones del programa de simulación Pspice relacionadas con los circuitos digitales.

5.2.8 Options

En la ventana que aparece al pulsar en este botón podemos elegir las opciones de simulación relacionadas con los cálculos numéricos que realiza el programa Pspice.

5.2.9 Parametric

El análisis paramétrico realiza múltiples simulaciones haciendo variar un parámetro del circuito. Dicho parámetro puede ser un parámetro global, un parámetro de modelo, el valor de un componente o la temperatura operacional. Al pulsar el botón Parametric aparece el cuadro del mismo nombre. (Figura 5-6).

5.2.10 Sensitivity

El análisis de la sensibilidad en continua de un circuito calcula la sensibilidad de un nodo de un circuito a las variaciones en los parámetros de los siguientes dispositivos: resistencias, fuentes de tensión y corriente independientes, fuentes de tensión controladas por intensidad, diodos y transistores bipolares. La sensibilidad se calcula linealizando todos los componentes alrededor del punto de polarización.

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Figura 5-6. Cuadro Parametric

5.2.11 Temperature

Cuando se marca esta casilla Pspice ejecuta una simulación del circuito a la temperatura especificada en el cuadro subsiguiente. Si no se especifica ninguna temperatura se realiza una simulación a 27ºC.

5.2.12 Transfer Function

Marcando esta casilla se realiza un cálculo de la Función de Transferencia en pequeña señal de un circuito linealizando el circuito alrededor del punto de polarización. Se calcula la ganancia en pequeña señal, la resistencia de entrada y la resistencia de salida. En la ventana que aparece al pulsar el botón Transfer Function debe escribirse el nombre de la variable de entrada y de la variable de salida.

Tipo de variable Nombre de la variable

Valor inicial

Valor final

Incremento entre dos valores consecutivos

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Figura 5-7.. Cuadro Transient

5.2.13 Análisis transitorio

El análisis transitorio de un circuito estudia el comportamiento del mismo en el tiempo desde t = 0 hasta un tiempo especificado. Las opciones del este análisis se fijan en el cuadro Transient al pulsar el botón del mismo nombre (Figura 5-7).

La casilla Detailed Bias Pt. activada provoca que el programa Pspice reporte información detallada del punto de polarización transitorio del circuito (parámetros en pequeña señal) en el fichero de salida. La casilla Skip Initial Transient Solution marcada provoca que Pspice no calcule el punto de polarización transitorio. Marcando la casilla Enable Fourier puede hacerse el Análisis de Fourier de una variable.

Una vez elegidas las opciones de simulación, se debe ejecutar el comando Simulate del menú Analisys o bien pulsar el botón . En el caso de que el circuito tenga errores se parará la simulación y se devolverá un mensaje con los errores encontrados.

5.3 Visualización de los resultados (Probe)

Una vez terminada la simulación, se ejecuta automáticamente el programa Probe para la visualización de las curvas de las variables del circuito.

Al igual que Schematics, Probe tiene una barra de menús, una barra de botones y una zona de trazado de curvas.

Si en el esquema no hubiera ningún marcador colocado la zona de trazado estaría vacía. Solo se muestran las curvas de las variables marcadas con un marcador en Schematics.

Incremento o paso en el tiempo para dibujar las gráficas Tiempo final

de simulación

En este campo puede establecerse el retraso en el trazado de la gráfica

En esta casilla se establece el paso en el cálculo numérico

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En la zona de trazado se pueden distinguir además los dos ejes (horizontal y vertical) marcados y con sus unidades respectivas, así como el nombre de la variable que se representa

5.3.1 Incluir en una gráfica más curvas de variables

En una misma gráfica pueden incluirse más de una curva y representarlas frente a la misma variable del eje horizontal. Debe ejecutarse el comando Add del menú Trace o bien pulsar el botón

. Aparecerá la ventana Add Traces (Figura 5-8) donde se puede elegir la variable que se desea trazar de una lista.

Una vez escrito el nombre de la nueva variable a trazar pulsar Aceptar. La curva de la nueva variable quedará incluida en la gráfica.

Figura 5-8. Cuadro Add Traces

5.3.2 Aplicar un operador o función matemática a una curva

En Probe se pueden aplicar operadores o funciones matemáticas a las curvas trazadas. Por ejemplo, para calcular el valor eficaz de una curva existe el operador RMS(). El primer paso para realizar tal operación consiste en pulsar dos veces con el botón izquierdo del ratón sobre el nombre de la variable en la pantalla principal del Probe. Aparecerá el cuadro Modify Trace (idéntico al cuadro Add Trace) pero con el nombre de la variable en el campo Trace Expression. A continuación se debe escribir el nombre del operador o función con la variable encerrada entre paréntesis. Por ejemplo, RMS(V(U1:OUT)). Finalmente pulsar Aceptar. También se puede realizar esta función ejecutando el comando Modify Object del menú Edit.

Aquí se escribe el nombre de la variable a trazar

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5.3.3 Cambiar las opciones de los ejes.

Se puede hacer un cambio de escala de los ejes o bien cambiar la variable representada en el eje horizontal. Para cambiar las opciones del eje horizontal pulsar dos veces con el botón izquierdo del ratón sobre la zona del eje. Aparece entonces el cuadro X Axis Settings (Figura 5-9).

Figura 5-9. Cuadro X Axis Settings

Al pulsar el botón Axis variable se puede cambiar la variable representada en el eje.

Para cambiar las opciones del eje vertical pulsar dos veces con el botón izquierdo del ratón sobre la zona del eje. Aparece entonces el cuadro Y Axis Settings en el que se pueden hacer las mismas operaciones que en el eje horizontal excepto cambiar de variable. También pueden ejecutarse los comandos X Axis Settings e Y Axis Settings del menú Plot.

5.3.4 Calcular los valores numéricos de los puntos de una curva

El Probe posee una herramienta que nos permite movernos por una curva e ir evaluando los valores numéricos da cada punto (abcisa y ordenada). Dicha herramienta se denomina cursor. Probe posee dos cursores que se pueden mover independientemente. Para situar los cursores en una curva se debe ejecutar el comando Cursor/Display del menú Tools. Como ejemplo, en la Figura 5-10 aparecen los dos cursores situados sobre una curva senoidal.

El cursor A1 se sitúa sobre la curva pulsando el botón izquierdo del ratón y puede moverse con la tecla → y el cursor A2 se sitúa pulsando el botón derecho y se mueve con la combinación Crtl-→. En la figura 16 se puede apreciar la ventana pequeña Probe Cursor en la que se dan los valore numéricos de la abcisa y la ordenada da cada cursor, así como la diferencia de los dos cursores.

Elegir User Defined para cambiar el rango de la representación gráfica

Escala del eje: lineal o logarítmica

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Figura 5-10. Los cursores situados sobre una curva

5.3.5 Insertar una nueva gráfica

En la pantalla principal de Probe puede haber más de una gráfica. Para añadir una gráfica nueva se debe ejecutar el comando Add Plot del menú Plot. El paso siguiente sería añadir curvas y seleccionar las opciones de los ejes de la nueva gráfica. Cuando hay más de una gráfica pulsando con el botón izquierdo del ratón se selecciona cualquiera de ellas.

5.3.6 Otros comandos de Probe

Menú File:

Comando Open: abrir un archivo.

Menú View:

Comandos Fit, In, Out, Area, Previous y Entire Page: herramientas para hacer un zoom en partes de la gráfica y para visualización de zona de trazado en general.

Comando Redraw: redibuja la gráfica eliminando cualquier resto.

Menú Tools:

Comando Cursor/Peak: cuando el cursor está situado sobre una curva busca el pico más próximo.

Comando Cursor/Trough: cuando el cursor está situado sobre una curva busca el valle más próximo.

Comando Cursor/Slope: cuando el cursor está situado sobre una curva busca el punto de inflexión más próximo

Comando Cursor/Min: busca el máximo absoluto de una curva.

Comando Cursor/Max: busca el mínimo absoluto de una curva.

Comando Cursor/Point: cuando el cursor está situado sobre una curva busca el punto siguiente.

Cursor A1

C rsor A2

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5.3.7 Esquema funcional de Pspice

En la figura anterior está representado el esquema de funcionamiento del Pspice. En ella puede apreciarse las relaciones existentes entre los diferentes programas. En primer lugar se crea el esquema en Schematics que se traduce en la creación de un fichero con extensión .sch (ejemplo.sch).

Al realizarse la simulación del esquema eléctrico se crean tres ficheros con información sobre el circuito. Un primer fichero (netlist) con extensión .net que contiene información sobre los nodos existentes en el circuito, un fichero con extensión .als con que contiene la lista de los nombres asignados a los elementos del circuito y un último fichero con extensión .cir que constituye el fichero de entrada del programa Pspice.

Figura 5-11. Esquema funcional de Pspice

Una vez que Pspice ha realizado la simulación se crean dos ficheros. El primero con extensión .out (fichero de salida de Pspice) en el que se describe en detalle el proceso de simulación, incluyendo posibles errores encontrados en el transcurso de la misma. El segundo fichero tiene extensión .dat y en él están compilados los datos numéricos de las variables del circuito durante la simulación. Este fichero constituye la entrada del programa Probe.

El programa de visualización Probe, como se ha dicho toma un fichero de datos como entrada y devuelve un fichero con extensión .prb una vez terminada la sesión en Probe. En dicho fichero se describen las acciones realizadas durante la sesión

Schematics Probe

Marcadores

Pspice A/D

Modelos

Símbolos

Encapsulados

Lista de nodos y directivas de

Ejemplo.cir Ejemplo.als

Informe de la simulación

Ejemplo.out

Ejemplo.dat

Ejemplo.net

Definiciones de encapsulado

PCBoards

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Schematics tiene también una relación directa con las librerías de símbolos y modelos y con el programa PCBoards que realiza diseños de Placas de Circuito Impreso a partir del fichero Netlist de Schematics y de las librerías de encapsulados de componentes.

5.4 Realización de la práctica

Figura 5-12. Circuito a simular

INSTRUCCIONES:

1) Dibujar el circuito de la Figura 5-12 en el programa Schematics.

2) Realizar el análisis del circuito. Seleccionar Transient en Setup de la opción Análisis del programa Schematics y especificar los siguientes parámetros: Print Step: 0ns; Final Time: 200ms

3) Ejecutar la simulación y visualizar la gráfica que representa la entrada frente a la salida.

4) Medir con los cursores el tiempo de carga del condensador.

5) Modificar los valores de la resistencia y el condensador.

6) Comparar los resultados obtenidos en simulación con los obtenidos teóricamente del análisis del circuito.

7) Comentar los resultados obtenidos.



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6. Simulación de filtros RC Las figuras 1 y 2 presentan el circuito RC en configuración de filtro paso de bajo (LPF) y filtro paso de alto (HPF). En este apartado se estudiará el comportamiento del circuito en el dominio de la frecuencia, es decir, se hallará la respuesta en frecuencia de dichos filtros.

Fig. 1. Filtro LPF-RC Fig. 2. Filtro HPF-RC

Instrucciones:

1) Dibuje el circuito de la figura 1 en el Schematics de Pspice:

2) Conecte el condensador y resistencias indicando en sus propiedades los valores de la figura.

3) La fuente V1 es del tipo denomina VSIN cuyos parámetros son: AC=1, VOFF=0; VAMP=1, FREQ=1k.

4) Realizaremos un análisis AC sweep. Para ello active dicho análisis en Analisys/Setup. Este análisis permite variar la frecuencia de la fuente V1 del circuito en el intervalo que especifiquemos en el análisis a pesar de que se haya configurado con una frecuencia determinada. Utilice la opción Decade.

5) Coloque las etiquetas de “entrada” y “salida”.

6) Simule el circuito (F11).

7) Una vez que la herramienta probe está en la pantalla muestre las tensiones correspondientes a las etiquetas de “entrada” y “salida”. Para ello utilice el menú Trace/Add Trace

8) Empleando los cursores mida la frecuencia de corte de 3dB definida como la ω a la que la función de transferencia vale ( ) ( )

20

3HH dB =ω .

9) Repita los pasos anteriores con el circuito de la figura 2.

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7. Estudio de un sistema de Tx/Rx digital En este apartado de la práctica se estudiará el sistema de comunicaciones que se muestra en la figura 3. Dicho sistema se aproxima al problema 4c planteado en la colección B-3.

El sistema de comunicaciones está compuesto por un transmisor en el que una fuente de información (tensión cuadrada) es modulada por una portadora de frecuencia “w” que permite elevar la frecuencia central del espectro de la señal de información. En el receptor el procesamiento llevado a cabo es el inverso: bajada del espectro y filtrado.

Fig. 3. Filtro HPF-RC

7.1 Instrucciones:

a) Dibuje el circuito de la Fig. 3 en el Schematics:

1. Utilice como fuente de información (v_info) una fuente VPULSE con los siguientes parámetros: V1=0; V2=1; TR=TD=TF=0, PW=1m, PER=2ms.

2. Utilice el multiplicador ideal denominado MULT.

3. La fuente cos_wt es una fuente VSIN con los siguientes parámetros: VOFF=0.1m, VAMP=1, FREQ=40K.

4. Incluya las etiquetas: “info_tx”, “s_tx”, “s_rx” e info_rx.

b) Simule el circuito frente al tiempo (análisis transitorio con final-time=100m y print-step=1u)

c) Represente las siguientes señales por separado:

1. info_tx: mida la frecuencia de dicha señal. Represéntela en el dominio de la frecuencia (modo FFT de la herramienta Probe). Compruebe que el aspecto es parecido al mostrado en la Fig. 4.

2. Repita el mismo procedimiento para las señales s_tx y s_rx y compruebe que son parecidas a las mostradas en la Fig. 5 y la Fig. 6. ¿En qué frecuencias están centradas?

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3. info_rx y la señal info_tx: ¿qué diferencias hay? Justifique la respuesta.

d) Cambie el periodo de v_info de 1ms a 0.1ms. Repita las simulaciones. ¿Se recupera la información? Proponga una solución.

Fig. 4. Señal v_info

Fig. 5. Señal s_tx

Fig. 6. Señal s_rx

7.2 Conceptos a recordar

− Respuesta en frecuencia de filtros LPF y HPF. − Simulación frente al tiempo (análisis transitorio) y frente a la frecuencia (AC sweep). − Medida de la frecuencia de corte de filtros. − Modulación y demodulación: desplazamiento del espectro, filtrado, etc.



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8. Amplificadores en Emisor Común


El objetivo de esta práctica es analizar el funcionamiento de un amplificador basado en transistores BJT en configuración de emisor común. Durante la práctica se ajustará el amplificador para que cumpla unas determinadas especificaciones de funcionamiento. Posteriormente se procederá a analizar en detalle las características del circuito. Por último se presentará un amplificador selectivo en frecuencia que es utilizado en comunicaciones radio.

8.2 Introducción teórica.

Un Amplificador es un circuito electrónico esencial en los sistemas de comunicaciones ya que proporciona a su salida (Vs) un aumento de la amplitud de entrada (Ve).

Una señal que se propaga por un canal sufrirá una atenuación como se muestra en la Figura 8-2. La atenuación es compensada mediante un amplificador que proporciona una Ganancia de la señal de entrada.

El proceso de amplificación implica una inyección de potencia a la señal de entrada. Dicha potencia extra es proporcionada por una fuente de la alimentación Vcc. El esquema de un amplificador se muestra en la Figura 8-1.

La función del circuito amplificador ideal será obtener una señal de salida, Vs(t), réplica exacta de la señal de entrada Ve(t), pero con una amplitud mayor. La relación entre la amplitud de la señal de salida y la amplitud de la señal de entrada se denomina Ganancia en tensión del amplificador (G ó Av), y suele expresarse en decibelios (dB).

1020 log | |salida

entrada

AGA

= (8-1)

Los circuitos amplificadores son muy empleados en sistemas de telecomunicación tales como receptores de radio y TV, telefonía móvil, etc.

Ve

+

-

AVs

+

-

Vcc

Figura 8-1. Amplificador

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Tx Rx

PPTx

PRx

d (Km, m)

Amplificador

A1

GA2

Figura 8-2. Utilización de un amplificador para compensar los efectos de la atenuación de un canal (A1 y A2)

8.2.1 Cálculo del punto de polarización del circuito

El funcionamiento como amplificador del transistor BJT se consigue polarizando en activa dicho componente. En este estado, la unión de base-emisor estará en polarización directa y la unión de base colector se encontrará en inversa.

El transistor en activa permite una amplificación lineal cuya ganancia es función de la relación existente entre las intensidades de emisor y base (β). El valor de β no es constante y depende del punto de polarización en el que se encuentre el transistor y dentro de un rango proporcionado por el fabricante (ver anexo).

En el circuito de la Figura 8-3 se presenta el amplificador que se va a emplear en la práctica. Se pueden observar los siguientes elementos:

− Q1: transistor BJT responsable de la amplificación. − R1, R2 y Rc: resistencias de polarización. − V_ajuste: fuente de control del punto de polarización. − Resistencia de carga RL. − Ce y CL: condensadores de desacoplo de continua. − Alimentación Vcc. − Señal de excitación Ve. −

Las relaciones teóricas que modelan el punto de operación o punto de polarización del circuito serán:

C

CEccC R

VVI

−= (8-2)

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βI

I CB = (8-3)

2121 R

VVR

VVIII ajusteBEBEccB

+−

−=−= (8-4)

donde IC e IB representan las corrientes de colector y base, β representa la ganancia en corriente del transistor, e I1 e I2 las corrientes que atraviesan las resistencias R1 y R2, respectivamente.

Puede observarse que la polarización es dependiente de la fuente V_ajuste. Dicha fuente nos permitirá variar el punto de polarización según las necesidades de amplificación que tengamos que cumplir.

Figura 8-3. Circuito amplificador con transistor bipolar en configuración de emisor común y control de ganancia

Verifique los puntos de unión entre los dirversos cables. Debe aparecer un punto azul indicando que hay conexión

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8.2.2 Cálculo de la ganancia en tensión del amplificador

Para el cálculo teórico de la ganancia en tensión del amplificador se analizará el modelo en pequeña señal del circuito. El circuito de pequeña señal del amplificador, en su versión de baja frecuencia, se representa en la Figura 8-4.

La Ganancia en Tensión del circuito se define en la ecuación (8-5) y, en general, es una función que depende de la frecuencia de la señal de entrada. En el análisis teórico del circuito de pequeña señal no se tendrá en cuenta la dependencia de la ganancia en tensión con la frecuencia, y por tanto, las relaciones que modelan el comportamiento del circuito serán:

( )

== LCie

fe

entrada

salida RRhh

AAG 1010 log20||log20

(8-5)

Siendo hie y hfe los correspondientes parámetros h del transistor. Es importante resaltar que el parámetro hfe, o también denominado β, es dependiente del punto de polarización.

Realmente la señal a la salida del amplificador sufre un desfase de 180º que hace que aparezca la señal con signo inverso respecto a la señal de entrada.

R1 R2 hie RcVe

+

-

ib

RL Vs

+

-

ibhfe

Figura 8-4. Circuito de pequeña señal del amplificador con BJT en configuración de emisor común.

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8.3 Amplificador de audio para sistema de comunicaciones

8.3.1 Definición de especificaciones

Se pretende ajustar un amplificador basado en BJT en configuración de emisor común para que pueda ser empleado en la amplificación de la señal que se obtiene a la salida de un micrófono. Las especificaciones se presentan en la siguiente tabla:

El amplificador ya se encuentra diseñado con los valores de la Tabla 8-2. La fuente de tensión v_ajuste permitirá ajustar la ganancia del montaje. Para ello se simulará en PSPICE el amplificador y se ajustará la fuente de ajuste para poder conseguir la ganancia requerida.

R1=12KΩ Q1: 2N2222

R2=12KΩ Ce=1µF

RC=1KΩ CL=1µF

RL=100KΩ v_ajuste

Tabla 8-2. Valores de los componentes del emisor común

8.3.2 Realización práctica

El diagrama de la Figura 8-6 muestra los pasos a seguir en el ajuste y análisis del amplificador.

Ajuste de la ganancia

Una vez dibujado el circuito en el entorno PSPICE, se procede a realizar simulaciones de alterna (AC) para diversos valores de la fuente de ajuste. Para ello:

1) Varíe la fuente de ajuste al valor de v_ajuste = 8v, 10v y 10,5V. Observe el comportamiento de la ganancia frente a la frecuencia en un rango de 10 Hz a 100MHz. Rellene la siguiente tabla y observe el comportamiento que tiene la ganancia frente a la fuente de ajuste.

V_ajuste 8v 10v 10.5v

Ganancia máxima

G=40dBAe=1mV

RL=100k

Figura 8-5. Amplificador a diseñar en la práctica Amplitud de la Señal de entrada

1mV

Ganancia mínima requerida 40dB

Tabla 8-1. Especificaciones

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Dibujar esquema del amplificador

Análisis ACV_ajuste variable

Análisis de punto de operación

- Localizar V_ajuste que permite una ganancia de 40dB - búsqueda por intervalos

Análisis Transitorio

- Potencia consumida- Aumentar la amplitud de entrada hasta la saturación- Representar en frecuencia

¿Activa?

No

Si

Figura 8-6. Diagrama de flujo

2) La forma eficiente de estudiar el comportamiento que se ha visto en el apartado anterior es mediante un análisis paramétrico, esto es, se trata de hacer varias simulaciones AC en las que cambia un parámetro del circuito. En nuestro caso el parámetro que cambia de una simulación a otra es la fuente de ajuste. La simulación paramétrica se configura en setup indicando el parámetro que cambia (v_ajuste) y el intervalo de estudio (de 8 a 11 con saltos de 0.5 en primera aproximación)

3) Fijar un intervalo en el que se encuentra el valor buscado y volver a repetir la simulación hasta afinar el valor de la tensión de ajuste.

Una vez ajustada la fuente que controla la ganancia del amplificador procedemos a estudiar en detalle qué está ocurriendo en el sistema.

Compruebe los valores prácticos de ganancia con los teóricos.

Punto de polarización del circuito

El punto de polarización BJT nos indica en qué estado se encuentra dicho dispositivo. Para ver dicho estado basta con ver el archivo de salida del simulador (Analysis/Examine Output).

Con los valores de la simulación rellene la tabla siguiente y deduzca el estado del transistor.

Variable Vbe Vbc Vce Ic Ib β

Valor de simulación

Valor teórico

Es condición necesaria que el dispositivo se encuentre en ACTIVA para que la amplificación sea lineal, de lo contrario es necesario volver al paso anterior en el diagrama de flujo.

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Análisis transitorio del amplificador

El análisis transitorio nos permite observar el comportamiento del amplificador frente al tiempo. Para ello se excitará el amplificador con señales sinusoidales de diversas frecuencias y amplitudes y se observará la señal de salida.

ecuerde que para poder visualizar las señales de forma adecuada deberá simular un número significativo de periodos de señal (al menos 10), por lo que en cada momento deberá tener en cuenta el periodo (1/f) de la señal que está analizando.

Se observará la potencia consumida de la fuente como valor rms del producto de la tensión de alimentación y la intensidad que proporciona dicha fuente.

Rellene la siguiente tabla con la información que puede obtener de las simulaciones:

frecuencia Amplitud de entrada Amplitud de salida Potencia Consumida

100 Hz 1mV

1 KHz 1mV

100 KHz 1mV

1 MHz 1mV

10 MHz 1mV

100 MHz 1mV

500 MHZ 1mV

10 KHz 100mV

10 KHz 10mV

Las simulaciones de las filas sombreadas de la tabla tienen por objetivo observar el comportamiento no lineal del amplificador. Para ello:

1) Se excitará el amplificador con una señal grande, de 100mV, en una frecuencia que en teoría el amplificador es capaz de amplificar.

2) Observe qué ocurre a la salida del amplificador.

3) Active el modo FFT de la aplicación que representa las señales (probe). Observe las frecuencias que aparecen y compare con las situaciones en las que la amplitud de la señal de entrada era de 10mV y 1mV.

Como ha podido observarse el amplificador que es excitado con una señal demasiado grande produce componentes en frecuencia diferentes a la frecuencia de la excitación. Este efecto, denominado saturación del amplificador, es el causante de interferencias en los sistemas de comunicaciones.

8.4 Amplificador - BPF para sistema de comunicaciones

El amplificador diseñado en el apartado anterior se caracteriza por tener una respuesta en frecuencia paso-bajo con un ancho de banda (BW) del orden de centenas de MHz, proporcionando una ganancia de 40dB en un rango suficientemente amplio.

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Existen aplicaciones donde sólo interesa obtener amplificación en un rango estrecho de frecuencias. Tal es el caso de los sistemas de comunicaciones radio, donde es necesario que el transmisor limite las componentes de frecuencia que emite al espacio radioeléctrico para evitar interferencias con otros servicios. Para ello es necesario que la amplificación tenga una característica selectiva en frecuencia, es decir, que sólo amplifique un conjunto de frecuencias que pertenecen a la denominada Banda de Paso, y que atenúe el resto de componentes.

Esta parte de la práctica tiene por objetivo estudiar un amplificador con comportamiento selectivo en frecuencia. En la Figura 8-7 se puede observar el sistema a analizar, que está compuesto conceptualmente por un amplificador y un filtro paso de banda (BPF).

Figura 8-7. Diagrama funcional del sistema a simular

Partiendo del diseño del apartado anterior, se sustituirá la resistencia de colector por una impedancia variable con la frecuencia que proporcionará el comportamiento selectivo al circuito. Concretamente se empleará un tanque resonante (véase Figura 8-8) sintonizado a la frecuencia fc:

1

2cf LCπ= (8-6)

Una vez dibujado el esquema del circuito, realice las siguientes simulaciones:

1) Análisis del circuito frente a la frecuencia. Verá el efecto que produce el tanque resonante en la respuesta en frecuencia.

2) Compruebe la frecuencia de paso y el ancho de banda de 3dB del filtro-amplificador.

3) Varíe el valor de la Lc para cambiar la frecuencia de paso.

4) Realice simulaciones frente al tiempo (transitorio) con diversas frecuencias (dentro y fuera de la frecuencia de paso) para mostrar el comportamiento del circuito.

5) Introduzca una señal de 100mV de amplitud a la frecuencia de paso, simule frente al tiempo y compruebe la salida. Observe el comportamiento en frecuencia empleando el modo FFT.

8.5 Conceptos a recordar

− Concepto de amplificación, ganancia y unidades de medida de la ganancia.

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− Punto de polarización: dependencia del comportamiento del amplificador con el punto de polarización.

− Modelo de pequeña señal y cálculo teórico de la ganancia del circuito. − Simulación de la respuesta en frecuencia del circuito. Análisis paramétrico. − Deducción del estado del transistor a partir de los resultados de simulación. − Simulación frente al tiempo. − Saturación del amplificador: aparición de componentes no deseadas en frecuencia. − Comportamiento en frecuencia del tanque resonante. − Amplificador en emisor común con tanque resonante en el colector: cálculo de la frecuencia

de paso, ancho de banda, etc.

Figura 8-8. Amplificador BPF

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