LECCIÓN B07: CIRCUITOS LIMITADORES Y FIJADORES

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1 LECCIÓN B07: CIRCUITOS LIMITADORES Y FIJADORES OBJETIVOS MATERIAL Pruebas en vacío y en carga en los circuitos limitadores. Utilización de un circuito fijador de límite superior. Utilización de un circuito fijador de límite inferior. Estudio del comportamiento de un circuito fijador en función de la capacidad y la resistencia de la carga. Unidad básica para sistema IPES (Unidad de alimentación mod. PS1- PSU/EV, Caja de soporte de los módulos mod. MU/EV, Unidad de control individual mod. SIS1/SIS2/SIS3) Módulo de experimentación mod. MCM3/EV Osciloscopio con sonda diferencial Generador de funciones Multímetro B07.1 NOCIONES TEÓRICAS Circuitos limitadores Se definen "limitadores" aquellos circuitos cuya tensión de salida no puede superar un valor predeterminado, denominado "límite" (positivo o negativo). El límite es superior si la tensión de salida no puede superar este límite, mientras que es inferior si la tensión de salida no puede ser inferior a este límite. En la figura B07.1 se muestra un circuito de limitación superior, cuyo valor se regula con continuidad mediante un trimmer. fig. B

2 Circuitos fijadores Suponiendo que la carga R L presente una resistencia infinita, que la resistencia interior del diodo sea nula en polarización directa e infinita en polarización inversa y que el valor de la resistencia del trimmer R TR sea mucho menor que la de la resistencia R (de modo que la tensión V o extraída en el terminal central del trimmer tenga un comportamiento como generador ideal), el funcionamiento del limitador puede explicarse de la manera siguiente: en los instantes en los cuales V G es positiva, el diodo conduce si (V G - V o ) es superior a la tensión de umbral V s. La tensión en sus extremos permanece constante e igual a la tensión de umbral hasta que (V G - V o ) sea inferior a V s ; por lo tanto, durante todo este tiempo la tensión presente en los extremos de la carga R L se mantiene (V o + V s ); en cambio, cuando (V G - V o ) es inferior a V s, el diodo no conduce, no hay caída de tensión en R y por consiguiente toda la tensión V G se estabiliza en los extremos de la carga; este circuito presenta entonces un límite superior y para obtener un límite inferior es suficiente invertir las polaridades del diodo; el circuito que proporciona la tensión de límite V o está constituido por un trimmer y dos tensiones de alimentación continuas, las cuales permiten hacer variar V o de valores positivos a valores negativos. En algunas aplicaciones electrónicas, las señales poseen una componente continua (valor medio diferente de cero), la cual representa ya por sí misma una información; es el caso, por ejemplo, de la señal de televisión. Cuando una señal tiene un valor medio diferente de cero (figura B07.2a) y es transmitida de un circuito a otro a través de un acoplamiento capacitivo, pierde inevitablemente su componente continua y se convierte en valor medio nulo (figura B07.2b). (a) fig. B07.2 (b)

3 Para obtener nuevamente la marcha original es preciso añadir a la señal de valor medio nulo una componente continua de valor apropiado; este proceso se denomina "reinserción de la componente continua". Esta operación se cumple con circuitos especiales, denominados fijadores. Los circuitos fijadores se basan en la carga de un condensador a través de un diodo, tal como se muestra en el circuito de la figura B07.3. fig. B07.3 En ausencia de carga, suponiendo que la señal aplicada sea de tensión alterna sinusoidal v G (t) = V G sen(w t), (véase figura B07.4), el funcionamiento del circuito puede explicarse de la manera siguiente: en el instante inicial t=0, el condensador está totalmente descargado; cuando v G (t) se vuelve positiva y superior a la tensión de umbral del diodo, éste último comienza a conducir y el condensador C comienza a cargarse hasta que su tensión se vuelve igual a la amplitud máxima de v G (t), o sea V G ; ya que el condensador no puede descargarse a través del diodo, la tensión en los extremos del diodo es igual a la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión del condensador (figura B07.4). fig. B

4 La tensión de salida presenta un valor medio igual a -V G. Si se conecta una tensión continua V o en serie al diodo (figura B07.5a), el nuevo valor medio de la señal V RL ya no es -V G sino -(V G - V o ); en efecto, el condensador puede descargarse sólo cuando el diodo conduce y esto ocurre cuando V G es superior a V o. En este caso las diferentes tensiones están representadas en la figura B07.5b, donde: v RL (t) = -V G [1 - sen(w t)] + V o fig. B07.5 Para mantener enganchada la señal de entrada al nivel Vo incluso en presencia de fluctuación de la amplitud, se puede insertar una resistencia en paralelo al diodo (puede ser suficiente la misma resistencia de carga). Esta resistencia, descargando parcialmente el condensador tras cada período, permite que su tensión V C siga las variaciones de la amplitud de la señal de entrada. El valor de esta resistencia por lo general es un centenar de veces mayor que la resistencia equivalente del diodo y por lo tanto su efecto se percibe sólo cuando el diodo no conduce. El circuito analizado fija un límite superior positivo (sinusoide enganchado por debajo de un límite positivo). Para obtener un límite inferior es suficiente invertir el diodo. El circuito completo de un fijador de límite inferior variable se muestra en la figura B07.6. fig. B

5 B07.2 EJERCICIOS MCM3 Desconectar todos los puentes SIS1 Situar todos los interruptores en la posición "OFF" SIS2 Teclear el código de la lección: B07 Pruebas en vacío con circuitos limitadores Conectar los puentes J32 y J38 de manera de realizar el circuito que se muestra en la figura B07.7 Aplicar a través del generador de funciones una señal sinusoidal de amplitud 20 Vpp, valor medio nulo y frecuencia 200 Hz. Conectar el osciloscopio, tal como se muestra en la figura B07.7. fig. B07.7 Observar la marcha de la tensión V RL en función de la posición del trimmer RV 4. Determinar si el circuito se encuentra en el límite superior o en el límite inferior. SIS1 Situar el interruptor S7 en la posición "ON" SIS2 Pulsar "INS" Q1 Determinar el nuevo límite del circuito: V V V V 5 4 ninguno V

6 SIS1 Situar el interruptor S7 en la posición "OFF" Desconectar el puente J38 y conectar el puente J37. Variando RV 4 determinar el límite de este circuito, visualizado por el canal CH2 del osciloscopio. En el primer caso la tensión de salida está limitada superiormente, mientras que en el segundo está limitada inferiormente. Se puede observar que la tensión V RL resulta un poco atenuada respecto a la tensión de alimentación; esto se debe a la resistencia de entrada del osciloscopio que no es infinita sino que alcanza valores de aproximadamente 1 megaohmio. Regular RV 4 para obtener una tensión V o de 10 V. Observar la marcha del límite inferior: en el límite se visualiza un error. La razón es la siguiente: cuando el diodo no conduce, la tensión de referencia se mantiene estable; en cambio, cuando el diodo conduce, dicha tensión disminuye al aumentar la amplitud de la señal alterna de entrada. Este hecho se debe al trimmer RV 4 que no es un generador de tensión ideal, sino un generador cuya resistencia interna está dada por el paralelo de las dos resistencias del trimmer determinadas por la posición del cursor central. Para reducir este inconveniente es posible filtrar la tensión de referencia mediante el uso de dos condensadores electrolíticos en conexión para AC. Conectar los condensadores C 7 y C 8, a través de J35, tal como se muestra en al figura B fig. B07.8

7 Observar la tensión de referencia al variar RV 4 y compararla con la del circuito anterior. La estabilidad de la tensión de referencia aumenta al aumentar las capacidades de los condensadores de filtrado. Pruebas en carga en los circuitos limitadores Conectar los puentes J32, J37, J35 y J39 de manera de realizar el circuito que se muestra en la figura B07.9. Aplicar a través del generador de funciones una señal sinusoidal de amplitud 20 Vpp, valor medio nulo y frecuencia 200 Hz. fig. B07.9 Regular el límite inferior V o a -5 V actuando sobre RV 4. Variar la carga actuando sobre RV 5 y observar la marcha de la tensión V Rc. Repetir las medidas para V o = O V y para V o = +5 V. Q2 El límite fijado por V o depende del valor de la resistencia de carga? 1 3 sí, siempre y para las tres pruebas 2 1 no, en ningún caso 3 5 no, Vo no varía, cambia sólo la amplitud de la señal de salida 4 2 sí, cuando V o = 0 V 5 4 sí, cuando V o = 0 V y la carga R c = 50 KΩ

8 Circuitos fijadores Realizar el circuito que se muestra en la figura B07.10 conectando los puentes J33, J34, J35, J38 y conectar el osciloscopio a los puntos marcados con CH1, CH2 y COM. Aplicar a través del generador de funciones una señal sinusoidal de amplitud 20 Vpp, valor medio nulo y frecuencia 200 Hz. fig. B07.10 Regular al valor máximo la amplitud de la señal actuando sobre RV 3. Variar la tensión de fijación V o actuando sobre RV 4. Q3 El circuito es un fijador de límite inferior o superior? 1 2 límite inferior 2 3 límite superior 3 1 no realiza ninguna fijación Invertir las polaridades del diodo insertado, desconectando J38 y conectando J37; de esta forma, se cambia el límite al circuito. Regular V o hasta aproximadamente -10 V, luego variar la amplitud de la tensión V G a través de RV 3. Verificar que la señal de salida quede enganchada a V o. Repetir las medidas anteriores después de haber desinsertado R 6 desconectando J34; luego, ilustrar la marcha de la señal. Sin R 6, variando la amplitud de la señal mediante RV 3, la señal de salida se fija en V o con mayor lentitud ya que la capacidad se descarga sólo a través del osciloscopio, cuya resistencia de entrada generalmente es de 1 MOhm

9 Q4 Qué hay que hacer para fijar rápidamente la tensión de entrada en el límite Vo? 1 2 reinsertar R 6 o aumentar V G 2 5 disminuir V G 3 1 cortocircuitar D desconectar el osciloscopio 5 4 cortocircuitar C 7 y C 8 B07.3 CUESTIONARIO RECAPITULATIVO Q5 De qué depende el tipo de límite (superior o inferior) de un circuito limitador? 1 5 del generador 2 3 de la conexión del diodo 3 4 del condensador de entrada 4 1 de la carga de salida 5 2 de ninguna de las respuestas anteriores Q6 Qué es lo que determina la calidad de un circuito fijador? 1 5 la constante de tiempo R C, la cual tiene que ser muy superior al período de la señal de entrada 2 4 la distorsión de la señal de entrada 3 1 la tensión de alimentación del diodo 4 2 la polarización del condensador 5 3 la impedancia de entrada Q7 Qué hay que hacer para cambiar un circuito de límite superior por uno de límite inferior? 1 4 invertir el diodo 2 5 invertir la tensión de entrada 3 1 desconectar el diodo 4 3 invertir la tensión V o 5 2 desconectar la carga