7.- Rectificación y amplificación.

Transcripción

1 Lección 8. Circuits de crriente alterna ectificación y amplificación ectificación En multitud de dispsitivs es necesari dispner de crriente cntinua para su funcinamient (placas base de rdenadres persnales, impresras, equips de radi, etc ). Dad que ls sistemas de alimentación habituales en aplicacines dmésticas e industriales suelen ser de crriente alterna, es necesari utilizar dispsitivs cnversres de crriente alterna en cntinua (cnversres AC/DC) para alimentar este tip de aparats. Ests cnvertidres cnstan de un transfrmadr, para reducir la tensión de ls 220V eficaces de crriente alterna de ls que nrmalmente se dispne a la tensión de funcinamient de ls dispsitivs, y de un circuit para cnvertir la crriente alterna en cntinua. El prces de cnversión de la crriente alterna en cntinua se denmina rectificación. El element fundamental en td rectificadr es el did que ya se estudió en la lección 4 cm limitadr de crriente. El circuit rectificadr más simple es el que muestra en el siguiente esquema: V S (t) V (t) T/2 Cm se puede ver, el circuit cnsta de un generadr de crriente alterna, un did y una resistencia. En verde mstrams la señal de entrada. T/2 Si cnsiderams un did ideal la salida del circuit es la que e muestra en rj en la figura de la derecha. En efect, durante el semiperid psitiv de la señal del generadr, el did está plarizad y deja la tensión de salida será la misma que la de entrada sin ninguna alteración. Durante el semiperid negativ, el did está plarizad en direct y pr tant n cnduce. El resultad es una señal en la que ha desaparecid la parte negativa y que tiene, pr tant, un valr medi n nul. Es evidente que esta señal n es cntinua per al mens prprcina una crriente en un únic sentid. Este tip de rectificadr se denmina rectificadr de media nda pr el tip de salida que prprcina.

2 Lección 8. Circuits de crriente alterna. 31 Evidentemente se mejrará el cmprtamient de rectificadr si es capaz de aprvechar la parte negativa de la señal de entrada. Est se cnsigue cn ls llamads rectificadres de nda cmpleta para ls que existen varis diseñs. El primer es el que se muestra en el siguiente esquema ε(t) a c V ac b V bc D 1 I 1 I 1 +I 2 I 1 D 2 En este circuit, se han cnectad ds dids a ls brnes (a y b) de un transfrmadr cn ds secundaris y se han unid sus terminales de salida. En el punt de unión se ha cnectad una resistencia de carga (en la que se tmará la señal de salida) que tienen su tr terminal cnectad al punt medi del secundari del transfrmadr que está cnectad a tierra. I 2 I 2 I 1 +I 2 Señal rectificada en nda cmpleta Es evidente que en el semiperid psitiv de la señal de entrada, el did D 1 cnduce mientras que D 2 está blquead, pr tant la intensidad que circula pr la resistencia será I 1 durante el semiperid negativ el que cnduce será D 2 y pr la resistencia circulará la intensidad I 2. r tant frma de la intensidad que circula pr la resistencia se carga (I 1 +I 2 ) es la que se muestra en la figura. Cm la tensión de salida será el prduct de la intensidad que pr la resistencia se ha btenid una tensión de salida rectificada en nda cmpleta. Otr circuit que prprcina una rectificación en nda cmpleta es el rectificadr pr puente de dids que mstrams en la figura siguiente. Su funcinamient es sencill de entender pr simple análisis del circuit. ε(t) L

3 Lección 8. Circuits de crriente alterna. 32 La tensión rectificada en nda cmpleta n es tdavía una tensión cntinua ya que presenta tdavía grandes variacines (que suelen denminarse rizad de la señal). ara disminuir el rizad, se añada a la salida del rectificadr un filtr pasa baja de frma que se btiene una señal prácticamente cntinua. ε(t) C C L La resistencia C del filtr debe ser pequeña para que n se prduzca una caída apreciable de tensión en el mism. El cndensadr debe ser ls suficientemente grande para que la cnstante de tiemp del filtr C sea much mayr que el perid de la señal de salida del rectificadr. De esta frma se cnsigue que la variación de la carga (y pr tant del ptencial) del cndensadr debid al rizad sea muy pequeña.en la figura se muestran las frmas de nda de entrada y salida del filtr. Además de para rectificar ls dids se pueden utilizar para variar la frma de una señal alterna. Un ejempl puede ser el siguiente circuit denminad recrtadr de nivel cn did plarizad. Vi 5kΩ 2 V V +4 V Si la entrada es una señal alterna sinusidal, vems que durante el semiperid psitiv, el did cnduce siempre que la señal de entrada sea mayr de 2 V (supnems que el did es ideal). El resultad es el que se muestra en la figura. -4 V +2V

4 Lección 8. Circuits de crriente alterna Amplificación La amplificación es una de la funcines fundamentales de la electrónica. dems definirla cm el prces mediante el cual se aumenta el la amplitud de una señal eléctrica (intensidad, tensión ptencia) cnservand ls aspects fundamentales de la misma, es decir, sin distrsinarla. El sistema blque que realiza esta función se llama amplificadr. La señal de salida puede ser prprcinal a la de entrada (dentr de cierts límites de amplitud y frecuencia), en cuy cas se dice que el amplificadr es lineal; bien la entrada y la salida pueden estar relacinadas mediante una función n lineal (cuadrática, lgarítmica, etc...). V i AMLIFICADO V Desde el punt de vista de la electrónica se cnsidera que un sistema es amplificadr si presenta ganacia en ptencia, es decir, un aument en la ptencia dispnible de la señal. r l tant, un transfrmadr elevadr de tensión, n es un amplificadr. La mayr ptencia que presenta la señal de salida, respect de la de entrada, prcede de la fuente de alimentación del amplificadr (generalmente un circuit de DC). Mirad así, el amplificadr puede cnsiderarse cm un cnversr de energía que la tma en frma de DC y la "imprime" la frma de la señal de entrada, suministrándla así a la salida. El cntrl del fluj de energía desde ésta a la señal de salida l realiza la señal de entrada, a traves del element, elements activs del circuit. v i v t v i AMLIFICADO v t Alimentación DC Si la tensión de salida es superir a la de entrada se dice que el amplificadr es de tensión. Análgamente, existen amplificadres de crriente. Ls sistemas amplificadres l sn sól para una clase de señales cmprendidas entre cierts

5 Lección 8. Circuits de crriente alterna. 34 márgenes de frecuencia; fuera de ells el sistema puede n cmprtarse cm amplificadr. Lueg un dat imprtante cuand ns referims a un sistema amplificadr es el rang de frecuencias (banda) en el que actúa cm tal. Así, pr ejempl, ls amplificadres usads nrmalmente en ls equips de alta fidelidad l sn en el rang de frecuencias audibles (20 Hz a 20 khz), sea, sn amplificadres de audi frecuencia; Un sistema amplificadr de víde debe cubrir un rang que va desde las bajas frecuencias hasta ls MHz, etc. Un amplificadr se puede cnsiderar cm un element de circuit de cuatr terminales, ds de entrada y ds de salida. La señal de salida se utiliza para estimular excitar una carga (pr ejempl un altavz, un mtr, una impresra, una antena, etc.), cuy equivalente electrónic se representa mediante una impedancia Z L. i in (t) i (t) v s (t) Z S v i (t) AMLIFICADO Z L v (t) El cciente entre las ptencias medias cnsumidas en ls terminales de entrada ( i () t = ii () t vi () t ) y de salida ( = i () t v () t en ptencia del amplificadr que se suele expresar en decibelis: ) recibe el nmbre de ganancia G ( db) = 10lg i Si supnems que las señales sn sinusidales y que las ptencias se disipan en resistencias puras iguales de valr se cumplirá que: 2 Vi = ; i i = V 2 0 en dnde V i y V sn ls valres máxims de la tensión en ls terminales de entrada y salida respectivamente. Según est tenems: G v V V ( db) = 10lg = 20lg V i Vi que se denmina ganancia en tensión (véase que n es más que la función de transferencia). Análgamente se puede definir la ganancia en crriente. Un amplificadr debe mantener su ganancia cnstante en td el rang de frecuencias de 2

6 Lección 8. Circuits de crriente alterna. 35 interés. En la práctica, al subir y bajar la frecuencia a partir de cierts valres típics la ganancia disminuye. Suelen tmarse cm límites de la zna de ganancia cnstante las frecuencias (alta y baja) para las que la ganancia es 3 db inferir a la típica. Al rang cmprendid entre estas frecuencias se le denmina anchura de banda del amplificadr. G V 3 db B=ω H - ω L ω ω L ω H La razón física apr la cual disminuye la ganacia a ciertas frecuencias el presencia de elements capacitics en ls circuits que cmpnne el amplificadr. Un mdel simplificad de amplificadr es el siguiente: I i I V s Z S V i Z Z in Gv V V Z L AMLIFICADO Cuand se trabaja cn elements de cuatr terminales (cuadripls) llamams impedancia de entrada (en circuit abiert) a la relación: Z i Vi = I 1 I = 0 entre la tensión y la intensidad. Cm se puede apreciar el circuit equivalente del amplificadr se ha cnstruid cn una impedancia de entrada y el equivalente Thèvenin del circuit en la salida. La ganancia del amplificadr está incluida en la fuente de tensión dependiente de tensión del circuit.