Download Guiones de Prácticas de CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

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/
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
1.7
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
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
4 / 58
1.8
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
Entrega de Memorias
Práctica
Fecha de Entrega
L-2
3 Mayo
S-3
1 Junio
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PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
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:
R(Ω) = [ xy ] × 10Z ± tolerancia
Figura 2-2. Esquema de bandas de colores de las resistencias
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COLOR
x
z
Tolerancia
Plata
-2
10%
Oro
-1
5%
Negro
y
0
0
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).
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
de la resistencia, una conectada al terminal negro y la
Gris
8
8
otra conectada al terminal rojo. Progresivamente iremos
Blanco
9
9
disminuyendo la escala de resistencias (rueda) para
Tabla 2-2. Código de colores de las resistencias
2.3
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
conseguir la medida más precisa posible.
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.
8 / 58
A
R1=1K
B
R2=1K
V
C
Figura 2-3. Divisor de tensión.
2.4
Figura 2-4. Montaje del divisor del tensión en la placa.
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).
9 / 58
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.
Generador de funciones
OSCILOSCOPIO
ROJO
Latiguillos
BNC
Sonda
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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PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
3.
Respuesta de circuitos RC
3.1
Objetivo de la práctica
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:
f =
1
(Hz)
T
T=
1
(Seg.)
f
Figura 3-1.Parámetros característicos de las señales periódicas
11 / 58
− 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.
12 / 58
− 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,
Sistema
?
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
Figura 3-3. Respuesta transitoria
dicho sistema.
Concretamente, en un sistema eléctrico formado por un
13 / 58
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
R
el comportamiento eléctrico del circuito son dos: la relación
i(t)
+
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]).
ve(t)
vc(t)
C
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.
Figura 3-4. Circuito RC
i( t ) = C
dv c ( t )
dt
ve ( t ) = Ri( t ) + v c ( t )
v g = RC
dv c ( t )
+ v c (t)
dt
Ecuación [3-1]
Ecuación [3-2]
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:
vc ( t ) = [v0 − v∞ ]
14 / 58
−t
RC
e
+ v∞
Ecuación [3-4]
Particularizando para el caso que nos interesa, tensión inicial del condensador cero (vc(t=0)=0), y
sustituyendo RC=τ, obtenemos:
−t 

vc ( t ) = v∞ 1 − e τ 


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.
Ve(t)
Vg
t
Vg
Vc(t)
t
T/2
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
Figura 3-6. Caracterización de un sistema
de primer orden
internas que controlan dichos procesos, por lo que
solamente se cuenta con la información de la entrada y la
salida.
15 / 58
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].
Ecuación [3-6]
t s = 2.2τ
V
100%
90%
10%
ts
t
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].
v e ( t ) = A esen (2π f t + φe )
vs ( t ) = Assen (2π f t + φs )
Donde:
− Ae y As: amplitud de la señal.
− f: frecuencia.
− φe y φs: fase.
16 / 58
Ecuación 3-7]
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].
H (f ) = H (f )
e jφ ( f ) =
H(f ) dB = 20 × log
A s (f )
A e (f )
ej
[φs ( f ) - φe ( f ) ] Ecuación [3-8]
A s (f )
A e (f )
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
R
Para determinar el comportamiento del circuito
cuando es excitado con tensiones seno, se procede a
I(jω)
+
estudiar las diversas impedancias y su dependencia
+
con la frecuencia. Así, las ecuaciones siguientes
1/(jωC)
Ve(jω)
Vc(jω)
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.
Figura 3-8. Respuesta en frecuencia del circuito
RC
Z R ( jω) = R
Ecuación 3-10]
17 / 58
ZC ( jω) =
1
jω C
Ecuación
[3-11]
Vc ( jω)
1
=
Ve ( jω) jωCR + 1
H ( j ω) 2 =
Ecuación
[3-12]
1
Ecuación
[3-13]
[ ωCR ]2 + 1
ang H ( j ω) = − tan−1 (RC ω)
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.
Respuesta en magnitud
Respuesta en fase
0
0
−1
−2
−0.5
−3
rd
dB
−4
−5
−1
−6
−7
−8
−9
−1.5
0
10
20
30
40
50
60
Frecuencia en Hz
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
Frecuencia en Hz
70
80
90
100
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.
18 / 58
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.
∆φ = φ1 - φ2 =
3.3
2π × ∆ t
360 × ∆t
[ rad ] =
[º]
T
T
Ecuación [3-14]
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.
19 / 58
B
R=1KΩ
A
+
+
Salida
Entrada
C=1µF
ve(t)
-
vs(t)
-
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]
Figura 3-12. Señal de excitación.
Tabla 3-1. 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.
20 / 58
OSCILOSCOPIO
Generador de funciones
R
+
Entrada
+
Salida
C
-
-
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:
21 / 58
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.)
(u.n)
3.4
100
1
500
1
1K
1
10 K
1
∆t
As(v.)
φs(f)-φe(f)
dB
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.
22 / 58
PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
4.
Circuitos con diodos
4.1
Objetivo de la práctica
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).
23 / 58
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.
24 / 58
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
ID
-VΖ
VD
VD
Vγ
Vγ
(a)
(b)
Figura 4-2. Características estáticas o característica I-V de (a) un diodo convencional y (b) un diodo Zener.
25 / 58
ID
ID
R
D
A
C
+
+
VD
D
R
VR
-
B
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:
Pdis = v D ⋅ i D = v D ⋅
vR
R
[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.
26 / 58
Ve
Vs
+
+
Ve
t
Vs
Rectificador
-
t
-
=
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
Ve = A e ⋅ sen ( 2 π ⋅ f ⋅ t + φ)
[4-2]
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.
1
T
Ve, eff =
Una forma muy común de indicar la magnitud de la
tensión alterna de entrada es mediante su Valor Eficaz
Ve ,eff =
∫
T
0
v e2 dt
[4-3]
Ae
[4-4]
2
definido de forma genérica en la [4-3] y particularizada
para una señal seno en la [4-4].
T
Por el contrario, la señal de salida del circuito rectificador
vs =
Vs se caracterizará por tener una cierta componente de DC.
1
v s ( t )dt
T ∫0
[4-5]
Se define Valor Medio o componente de continua (DC)
como el valor resultante de aplicar la [4-5].
Fr =
v pico − pico
FACTOR DE RIZADO
vo
× 100(%)
[4-6]
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
DC
Vpico-pico
rizado (Fr) ( [4-6]).
El Factor de Rizado se define como la relación
t
entre la tensión pico-pico de la señal rectificada
(diferencia entre la fluctuación máxima y el
Figura 4-5. Tensión rectificada
mínimo
alrededor
del
valor
medio)
y
la
ideal
se
componente continua de la misma.
El
caso
de
circuito
rectificador
correspondería con un factor de rizado igual a cero
27 / 58
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
Vs
-
R=100nF
Ve
R=12kΩ
D=1N4007
C=1nF
D=1N4007
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.
28 / 58
Ve
Ve
Vs
Vs
Vγ
Vs
t
DT
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.
τ = C⋅R >
T
2
[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.
29 / 58
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.
+
D
R
C
Ve
Z
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.
Parámetro
Valor
Forma de onda
TRIANGULAR
Frecuencia
1KHz
Amplitud
7V
DC
-2 V
Valor mínimo
-9 V
Valor máximo
5V
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.
Tabla 4-1. Señal de excitación
30 / 58
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.
31 / 58
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
Entrada al
Amplitud de entrada (Ve)
rectificador
Valor eficaz de la entrada
R. de media onda con
red RC
f=500Hz
f=10KHz
f=500 Hz
f=10 KHz
6V
6V
6V
6V
R. de media onda
con red RC y Zener
Red Eléctrica
Componente continua de salida (VS)
Salida del
rectificador
Rizado de la salida
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.
32 / 58
PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
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.
Barra de menú
Barras de
botones
Zona de dibujo
Figura 5-1. Ventana principal de Schematics
33 / 58
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.
35 / 58
Figura 5-2. Cuadro Analisys Setup
Número de
puntos en el
rango de
frecuencias
Tipos de
análisis:
lineal,
logarítmico
por octavas y
logarítmico
por décadas
Frecuencia
inicial del
rango
Frecuencia
final del
rango
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.
36 / 58
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.
Tipo de
variable
Nombre de la
variable
Tipo de barrido:
puede incluirse
lista de valores
Valor inicial
Valor final
Incremento
entre dos
valores
consecutivos
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
37 / 58
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.
38 / 58
Nombre de
la variable
Tipo de variable
Valor inicial
Valor final
Incremento entre
dos valores
consecutivos
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.
39 / 58
Incremento o paso en
el tiempo para dibujar
las gráficas
Tiempo final
de simulación
En esta casilla se
establece el paso
en el cálculo
numérico
En este campo puede
establecerse el retraso
en el trazado de la
gráfica
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.
40 / 58
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.
Aquí se escribe el
nombre de la variable a
trazar
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.
41 / 58
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).
Elegir User
Defined para
cambiar el rango
de la
representación
gráfica
Escala del eje:
lineal o logarítmica
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.
42 / 58
Cursor A1
C rsor A2
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.
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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.
Encapsulados
Definiciones
de
encapsulado
PCBoards
Símbolos
Ejemplo.net
Schematics
Probe
Marcadores
Modelos
Lista de nodos
y directivas de
Ejemplo.cir
Ejemplo.als
Pspice
A/D
Ejemplo.dat
Ejemplo.out
Informe de la simulación
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
44 / 58
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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PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
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PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
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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
9)
Repita los pasos anteriores con el circuito de la figura 2.
función de transferencia vale H (ω3dB ) =
47 / 58
H (0 )
.
2
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
a)
Instrucciones:
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?
48 / 58
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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PRÁCTICAS
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
8.
Amplificadores en Emisor Común
8.1
Objetivo de la práctica
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
Vcc
sistemas de comunicaciones ya que proporciona a su salida
(Vs) un aumento de la amplitud de entrada (Ve).
+
A
Una señal que se propaga por un canal sufrirá una
+
Ve
Vs
-
-
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
Figura 8-1. Amplificador
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).
G = 20 log10 |
Asalida
|
Aentrada
(8-1)
Los circuitos amplificadores son muy empleados en sistemas de telecomunicación tales como
receptores de radio y TV, telefonía móvil, etc.
50 / 58
P
P Tx
Tx
Rx
A1
A2
G
P Rx
Amplificador
d (Km, m)
Figura 8-2. Utilización de un amplificador para compensar los efectos de la atenuación de un canal (A1 y
A 2)
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:
IC =
Vcc − VCE
RC
(8-2)
51 / 58
IB =
IC
β
I B = I1 − I 2 =
(8-3)
Vcc − VBE VBE + Vajuste
−
R1
R2
(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
52 / 58
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:
G = 20 log 10 |
 h fe
Asalida
(RC RL )
|= 20 log 10 
Aentrada
 hie

(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.
ib
+
+
R1
Ve
R2
hie
ibhfe
-
Rc
RL
Vs
-
Figura 8-4. Circuito de pequeña señal del amplificador con BJT en configuración de emisor común.
53 / 58
8.3
Amplificador de audio para sistema de comunicaciones
8.3.1 Definición de especificaciones
Se pretende ajustar un amplificador basado en
G=40dB
BJT en configuración de emisor común para que
Ae=1mV
RL=100k
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:
Figura 8-5. Amplificador a diseñar en la práctica
Amplitud de la Señal de
entrada
1mV
Ganancia mínima requerida
40dB
Tabla 8-1. Especificaciones
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
Ganancia máxima
54 / 58
10v
10.5v
Dibujar esquema del
amplificador
- Localizar V_ajuste que permite
una ganancia de 40dB
- búsqueda por intervalos
Análisis AC
V_ajuste variable
No
Análisis de punto de
operación
- Potencia consumida
- Aumentar la amplitud de entrada
hasta la saturación
- Representar en frecuencia
¿Activa?
Análisis Transitorio
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.
55 / 58
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
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
Amplitud de salida
Potencia Consumida
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.
56 / 58
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:
fc =
1
(8-6)
2π LC
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.
57 / 58
− 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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