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Electrónica Domótica Domótica

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ElectrnicaDomtica DomticaSin la electrnica no sera posible ni la domtica ni casi ninguna de las actividadesque llevamos a cabo en nuestra vida cotidiana, porque la electrnica es la base dehasta los dispositivos ms elementales que utilizamos: el reloj despertador que nosdespierta cada maana, el microondas en el que nos calentamos el desayuno, el coche, el ascensor, el mvil, los ordenadores y un largo etctera. Gracias a la electrnica sonposibles los viajes espaciales, la investigacin mdica, las grandes obras de ingeniera, la aeronutica y, por supuesto, la domtica.Los sistemas domticos, al igual que cualquier otro sistema o dispositivo de losenumerados en el prrafo anterior, estn compuestos por circuitos electrnicos, y por ello es tan importante que aprendas bien los conocimientos sobre electrnica que ponemos a tu disposicin en esta unidad.Con los conocimientos de electrnica que vas a adquirir podrs comprender mucho mejor el funcionamiento de los sistemas domticos. Te resultar ms fcil instalarlos,integrarlos e, incluso, localizar y reparar pequeas averas.La unidad consta de dos partes: Circuitos electrnicos analgicos y Circuitos electrnicosdigitales. Est as estructurada porque la electrnica engloba dos formas de tratar lainformacin (seales elctricas), de manera analgica o digital y su estudio es muydiferente.Los circuitos analgicos actan sobre variables analgicas, que son aquellas cuyo margende variacin es muy grande, tal es el caso, por ejemplo, de la temperatura, que puedellegar a expresarse con infinitos decimales: 21,12343233344... C, mientras que loscircuitos digitales actan sobre variables digitales o discretas, es decir, aquellas que slopueden adoptar un nmero de estados limitado. Una bombilla, por ejemplo, slo puedeestar encendida o apagada (dos estados).En esta unidad no se describe ningn aparato, sino slo circuitos, porque los aparatoselectrnicos siempre estn constituidos por circuitos bsicos interconectados entre s,como los que vas a estudiar en esta unidad. Los aparatos son como puzzles en los que,segn se monten los circuitos, se consiguen unos u otros dispositivos.IntroduccinEsquema de contenidoCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOSFuentes de alimentacinFuentes de alimentacin conmutadasCircuitos de control de potencia con tiristoresCircuitos de control de potencia con triacsAmplificadoresSumadoresComparadoresGeneradores de seal y osciladoresTemporizadoresFiltrosCIRCUITOS ELECTRNICOS DIGITALES BSICOSSistemas de numeracinLgica positiva y lgica negativaPuertas lgicasIntroduccin al lgebra de BooleDisparadores SchmittElectrnica secuencialElectrnica combinacionalFuentes de alimentacinCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOSLos circuitos y aparatos electrnicos funcionan con alimentacin continua debaja tensin, que se obtiene de pilas y/o acumuladores o bien a partir de la red dedistribucin de energa elctrica que, como sabes, es alterna de 230 V, por lo quees preciso, en este caso, efectuar una conversin de esta c.a. a una c.c. que posealas caractersticas exigidas por el aparato electrnico que deseamos alimentar.Las partes constituyentes de una fuente de alimentacin son:Transformador,cuyamisinesreducirelvalordelatensinalterna de la red.Rectificador, que tiene por finalidad convertir la corriente alterna(c.a.) de salida del transformador en una corriente continua (c.c.).Filtrado, o circuitos que alisen la tensin continua de salida delrectificadorparaconvertirlaenunatensincontinualomsconstante posible.TransformadorLostresparmetrosquedebesconsiderarparaelegiruntransformadorpara una fuente de alimentacin son su tensin de secundario, su potenciay su factor de regulacin.La tensin del secundario siempre se indica en valor eficaz (RMS) a plenacarga de potencia, mientras que la potencia se indica en voltioamperios (VA) oen vatios (W).Cuando al secundario no se conecta carga alguna la tensin del secunda-rio aumenta en un valor que viene determinado por el factor de regulacin. As,un transformador que proporciona 12 V eficaces en su secundario cuando tra-bajaaplenacarga,yqueposeeunfactorderegulacindel10%(valorstebastante normal en los transformadores de alimentacin), aumenta su tensinde secundario hasta 13,2 V cuando se desconecta la carga.No debes confundir la tensin eficaz de salida del secundario (VRMS) con latensincontinuadesalidadelafuentedealimentacinunavezrectificada(VCC), la cual es igual a:cuando se utilizan rectificadores en puente, y de:cuando se utilizan rectificadores con dos diodos y transformador con toma central.ELECTRNICA6Para la eleccin del transformador debes tener presente, adems, las ca-das de tensin que se producen en los diodos rectificadores, que son de unos600 mV en los de montaje en push-pull y el doble (1,2 V aproximadamente) enlos rectificadores en puente.El proceso a seguir para la eleccin del transformador ser pues el siguiente:1. Se decide el valor de la tensin continua de alimentacin del circuito y lacorrientequecircularporl,conlocualsedeterminalapotenciaquedebe suministrar el transformador en su secundario. As, por ejemplo, sideseasalimentarunaparatoconunatensinde18Vysabesquelaintensidad de corriente nominal de ese aparato es de 500 mA, la poten-cia que debe suministrar el transformador ser de 9 VA. ste es el valormnimo de potencia que debe suministrar el transformador.2. La tensin que se ha utilizado en el clculo anterior es la de alimentacin(VCC) del aparato, por lo que el siguiente paso es determinar qu cadade tensin se produce en los diodos rectificadores. Si se utiliza un puen-te rectificador esta cada de tensin es de unos 1,2 V, por lo que el trans-formador debe suministrar una tensin de pico de 19,2 V.3. La tensin eficaz del secundario, correspondiente a una tensin de picode 19,2 V es de:sta es la tensin eficaz del secundario con carga. Sin carga, teniendo pre-sente el factor de regulacin del transformador (un 10%), la tensin eficaz delsecundario ser un 10% mayor, es decir, 14,94 V. Se puede emplear un trans-formador que proporcione 15 V en su secundario en vaco, con una potencianominal de, al menos, 9 VA.Circuitos rectificadoresEn el rectificador se lleva a cabo la conversin de la c.a. proporcionada porel secundario del transformador en una c.c. Aunque tambin existen los rectifi-cadores de media onda, stos apenas s se emplean en los aparatos electr-nicos, por lo que slo describiremos los rectificadores de onda completa, quepueden ser de dos clases: en conexin push-pull y en puente.Rectificador en push-pullEn la figura 1 se ha dibujado el esquema de un circuito recti-ficadorcondosdiodos(D1yD2)conectadosenpush-pull.Setrata de una etapa rectificadora bifsica de media onda, cuyo fun-cionamiento es como sigue: al primario del transformador reduc-tor de tensin TR se aplica la c.a. de la red; el secundario poseeCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS7Figura 1. Fuente de alimentacin con dosdiodos rectificadores en conexin push-pull.unatomacentral,deformaqueeldiodoD1rectifiquelatensinalternaqueaparece entre los puntos C y D, y el diodo D2 la tensin alterna que apareceentre E y D. Los ctodos de los diodos estn unidos entre s, obtenindose enese punto una tensin cuya forma de onda es la que mostramos en la figura 2.Durante el primer semiperodo la tensin en C es positiva con respecto a Dy doblemente positiva con respecto a E. En esta circunstancia, D1 permite elpasodelacorrientedesdeChaciaelcircuitodelreceptorydesdestealatoma central D a travs de masa. El diodo D2 no permite el paso de la corrien-te de C a E por quedar polarizado en sentido inverso.Durante el segundo semiperodo el punto E es positivo con respecto al D ydoblemente positivo con respecto al C. Es ahora el diodo D2 quien permite elpaso de la corriente, encaminndose sta hacia el terminal D a travs del cir-cuitodelreceptor.D1permaneceahorabloqueadoporquedarpolarizadoinversamente.Rectificador en puenteEl circuito rectificador de onda completa, tambin denominado rectificadoren puente de Graetz, o simplemente rectificador en puente, presenta unascaractersticas tcnicas muy superiores a los de media onda, ya que en l serectifican todas las fases. La desventaja se encuentra en la necesidad de utili-zar dos diodos rectificadores por fase, es decir, el doble de elementos rectifi-cadores,aunqueesteinconvenientequedaresueltomedianteelempleodepuentes rectificadores dispuestos en una misma cpsula.Elfuncionamientodeestecircuitoescomosigue(figura3):supnqueenelprimersemiperodoelterminalsuperiordelsecundario del transformador es positivo con respecto al termi-nalinferior.Enestecasolacorrientesaledeesteterminalyseencamina a travs del diodo D1, que le permite el paso (D4 seopone) hacia el circuito del receptor.Como puedes observar en la figura 3, ste es el nico cami-noquepuedeseguirlacorriente,puestoqueD4yD2leblo-quean el paso por estar polarizados en sentido inverso.ELECTRNICA8Figura 2. Forma de onda dela tensin en la salida delcircuito rectificador de lafigura 1.Figura 3. Circuito rectificador en puente.Despus de pasar por el receptor, la corriente se dirige hacia el nodo deD3 a travs del conductor negativo (en negro), que al igual que D1 permite supaso, y de D3 al terminal inferior del secundario del transformador.Enelsiguientesemiperodoelterminalinferiorespositivoconrespectoalsuperior. La corriente sale del terminal inferior y se encamina hacia el receptora travs del diodo D2 (que es el nico que le permite el paso, puesto que D3 yD1 estn en oposicin).Despus de atravesar el receptor la corriente del segundo semiperodo sedirigehaciaelterminalsuperioratravsdelalneanegativa(ennegro)yeldiodo D4.En sucesivos perodos de la c.a. se repite todo el ciclo descrito.Al igual que en el caso del rectificador en push-pull, la forma de onda de latensin de salida no es continua pura, por lo que es preciso conectar en para-leloconelreceptoruncondensadorelectrolticodeelevadacapacidadquealise la corriente de salida.Condensador de filtroLatensinqueseobtieneenlasalidadelosrectificadoresescontinua,puesto que no cambia de sentido, pero presenta un curso sinusoidal (figura 2),que no es adecuado para la alimentacin de los aparatos electrnicos.Paraalisarlatensindesalidasedisponeenderivacinconelcircuitodelreceptor un condensador electroltico C de elevada capacidad (figura 4), el cual secarga rpidamente con la tensin que se le aplica desde los rectificadores y man-tiene ese valor de tensin durante cierto tiempo al descargarse lentamente sobrela carga. Como consecuencia de este proceso la tensin adquiere una forma simi-lar a la dibujada en la figura 5, la cual se acerca ms a la tensin continua pura.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS9Figura 5. Al aadir elcondensador de filtro latensin continua de salida seaplana por la descarga lentadel condensador sobre elaparato alimentado.Figura 4. Disposicin delcondensador de filtro en derivacin con la carga oaparato receptor.Cuanto mayor sea la capacidad del condensador mayor es el tiempo de ladescarga, mejorando la forma de onda de la tensin de salida.Para la eleccin del condensador de filtro se ha de tener en cuenta su ten-sin de perforacin (que debe ser superior al valor de la tensin de pico delaondarectificada)ysucapacidad,quedeterminaelvalordelatensin derizadoqueapareceenlasalidadec.c.cuandoelcircuitosuministracorriente.Reguladores de tensinLasfuentesdealimentacindescritasenlosapartadosanterioresnopro-porcionan una tensin continua de salida estable, debido a las posibles subi-das y bajadas de la tensin de red o a un filtrado insuficiente. Para conseguiruna tensin continua prcticamente pura se aade, a continuacin del conden-sador de filtro, un circuito regulador de tensin que, en el estado actual de latecnologa, suele ser integrado.Losreguladoresdetensinintegradossondeprecioreducidoymontajesencillo,puessloposeentresterminalesdeconexin:unoparalaentrada,otro para la salida y un tercero comn para la entrada y salida.Unosreguladoresdetensindeestaclasesonlosdelasseries78XXy79XX; los primeros con salida positiva y los segundos con salida negativa.Sefabricanparanumerosastensionesycorrientesdesalida,quevienenindicadas por un sufijo que sigue a la indicacin 78 o 79.Laprimeraletradespusde78o79indicalaintensidaddecorrientequepueden soportar, segn el siguiente cdigo:A continuacin siguen dos cifras que indican la tensin de salida. Estas ten-siones son de 05, 06, 08, 12, 15, 18 y 24 V.As, el IC 78M06 es un regulador de tensin con salida positiva, capaz deproporcionar una intensidad de corriente de salida de hasta 500 mA y una ten-sin de salida estabilizada en 6 V, mientras que un 7912 es un regulador de ten-sin con salida negativa, capaz de proporcionar una intensidad de corriente dehasta 1 A y una tensin de salida estabilizada en 12 V.Otro dato que debes considerar de estos integrados es la tensin mnimaquepuedesaplicarasuentrada,indicadaenelsiguientecuadro.Latensinmxima de entrada en todos es de 35 V.ELECTRNICA10L M Ninguna S H0,1 A 0,5 A 1 A 2 A 5 AEnlasfiguras6y7sehandibujadolosesquemasdedosfuentesdeali-mentacin con regulador de tensin integrado, el primero de ellos con salidapositiva de 12 V (7812) y el segundo con salida negativa de 12 V (7912). Amboscircuitos proporcionan una corriente de salida mxima de 1 A.Estoscircuitossonvlidosparacualquierentradaqueestcomprendidaentre 12 y 35 V.Esimportantequetengaspresenteconectaruncondensadordediscocermicode,almenos,270nFentreelterminaldeentradadelintegradoymasa, y otro electroltico de 10 F (o mayor) entre el terminal de salida y masa.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS11Salida positiva Salida negativa Tensin de entrada mnima7805 7905 8 V7806 7906 9 V7808 7908 11 V7812 7912 15 V7815 7915 18 V7818 7918 21 V7824 7924 27 VFigura 6. Fuente dealimentacin con reguladorde tensin 7812 para salidapositiva de 12 V.Figura 7. Fuente dealimentacin con reguladorde tensin 7912 para salidanegativa de 12 V.Fuentes de alimentacin conmutadasLas fuentes de alimentacin en modo conmutado o SMPS (Switched ModePowerSupplies)sehanconvertidoenlossistemasdealimentacinidealespara cualquier aparato electrnico, debido a su elevado rendimiento, reducidasdimensiones y poco peso.El sistema consiste (figura 8) en rectificar y filtrar primero la tensin alternade la red; luego esta tensin rectificada se aplica a un conmutador electrnico,que la convierte en impulsos con una frecuencia superior a 20 kHz. Para ello seutilizan transistores rpidos con una tensin de ruptura de unos 800 V, que pue-dentrabajarsinproblemascontensionesrectificadasdereddeunos340V.Estos impulsos se aplican al primario de un transformador con ncleo de ferri-ta, el cual transfiere la energa al secundario, donde se dispone un nuevo rec-tificador y filtro para obtener la c.c. necesaria para la alimentacin del receptor.En la figura 8 se han dibujado tambin las formas de ondas obtenidas, aun-quedadoquelosimpulsosposeenunafrecuenciasuperioralos20kHzlaformadeondadeestasealnoguardaproporcinconladelatensindeentrada en lo que respecta a la duracin de los impulsos, ya que resulta impo-sible un dibujo en proporcin de dos frecuencias de valores tan dispares.La tensin continua de salida se mantiene constantemente bajo control gra-cias a un circuito detector del nivel de tensin, el cual proporciona una seal decorreccin que se aplica al circuito de control del conmutador.ELECTRNICA12Figura 8. Diagrama de bloques de una fuente de alimentacin conmutada.Cualquier variacin en el valor de la tensin de salida produce un reajustedeltiempodecierredelconmutador,compensndoseascualquiervariacinen la salida, tanto si es debida a las fluctuaciones de la tensin de red como sies debida a variaciones de carga.El sistema es ms complejo que el de las fuentes de alimentacin clsicas,sin embargo, es muy bien aceptado por los profesionales por las ventajas quese exponen a continuacin, comparando los dos sistemas.En una fuente de alimentacin convencional se precisa de un transformadorreductor de entrada, de elevado precio, volumen y peso; a continuacin se pro-cede a un rectificado y filtrado, para lo cual se precisan condensadores elec-trolticos de capacidad muy elevada para poder compensar la cada de la ten-sin de red. Como, adems, el valor de la frecuencia del rizado de la tensinrectificada es bajo, la capacidad y, por tanto, el volumen de estos condensa-dores es muy grande, agravando an ms la falta de espacio.En las fuentes de alimentacin conmutadas el nivel de la tensin de salidaseobtienemedianteuntransformadorconncleodeferrita(dadalaaltafre-cuencia de los impulsos que proporciona el conmutador) en lugar de la plan-cha de hierro, por lo que sus dimensiones se reducen considerablemente, ascomo las prdidas.Otraventajadeestasfuentesdealimentacinesladeutilizartransistoresde conmutacin rpida y alta tensin, los cuales funcionan como interruptores,generndose en ellos poco calor y, como consecuencia, precisan de radiado-res de calor de dimensiones menores.En lo que respecta al rectificador y filtro que se dispone a la salida del trans-formador con ncleo de ferrita, destaca que la tensin continua de salida llevasuperpuestaunaondulacincuyafrecuenciaesmuyelevaday,porlotanto,exige un condensador de filtro de capacidad mucho menor.Interferencias producidas por una fuente de alimentacin conmutadaElhechodequelasSMPStrabajenconunafrecuenciadeconmutacinmuy elevada, unido a la presencia en ellas de elevadas tensiones y corrientes,son las causas de la produccin de cierta cantidad de interferencias, las cua-les se inyectan en la red de suministro elctrico.Lasnormasestablecenunasespecificacionesdelnivelmximopermisiblepara las perturbaciones de red; por lo tanto, debes tomar las adecuadas precau-ciones para evitar que dichas perturbaciones no rebasen los niveles establecidos.Uno de los sistemas consiste en disponer un filtro LC entre la alimentacinde red y la entrada a la fuente de alimentacin. Este filtro reduce las interferen-cias simtricas de la red debidas al flujo de corriente de rizado a travs del rec-CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS13Circuitos de control de potenciacon tiristorestificador de red de la SMPS por debajo del nivel mximo permitido por el Comi-t Internacional Especial de las Perturbaciones Radioelctricas (CISPR). Paraunamayoreficaciadelmismodebedisponerselomscercaposibledelaentrada de la SMPS.Para reducir las interferencias asimtricas de la red, que aparecen entre tie-rraycadaunadelasfasesdelared,yquesoncausadasporlascorrientesque circulan a travs de la capacidad entre tierra y los componentes que llevanaltas tensiones de c.a., deben reducirse las capacidades entre tierra y los dis-tintos componentes que llevan altas tensiones de c.a.En una SMPS aislada de la red la causa principal de este tipo de interferen-cias viene dada por la capacidad entre los devanados primario y secundario dela inductancia de salida, por lo que para reducirla basta con disponer un con-densador entre el chasis y el lado del primario de la fuente de alimentacin. Noobstante, y por necesidades de aislamiento de la red, el valor de este conden-sador queda limitado a unos 5 nF, por lo que otro medio para reducir la capa-cidadentredevanadosdelainductanciadesalidaconsisteendisponerdosblindajesentrelosdevanados,unodeellosconectadoalextremofrodeldevanado primario y el otro al chasis.En la tcnica de control de potencia se emplean tiristores (diodos rectifica-dores controlados de silicio) y triacs. El control de estos dispositivos se realizapor fase o por disparo por salvas, siendo el control de fase el mtodo ms uti-lizado, ya que presenta ciertas ventajas.Disparo por salvasEn la figura 9 puedes ver el circuito bsico de un rectificador en el que seutiliza un diodo controlado de silicio. La carga, o aparato por el que circula lacorriente rectificada, y el diodo estn conectados en serie, y alimentados poruna tensin alterna.Porelcircuitoslocirculacorrientedurantelossemiciclosenlosqueelnodo (A) es positivo con respecto al ctodo (K) y, adems, entre electrodo degobierno (G) y ctodo (K) se aplique un impulso de corriente positivo (con elpositivo a la puerta y negativo a ctodo). Se han de dar, por tanto, simultnea-mente dos circunstancias en el circuito para que por l circule la corriente elc-trica. Si una cualquiera de ellas falla el diodo controlado de silicio no pasa alestado de conduccin.ELECTRNICA14Figura 9. Circuito rectificadorcon diodo controlado desilicio.Ahora mediante una seal aplicada a la puerta podemos controlar el tiem-po de conduccin del tiristor y, por lo tanto, el tiempo que circula la corrientepor el aparato consumidor (motor, lmpara, etc.).Para ello supn que al circuito de la figura 9 le aplicas una tensin de ali-mentacin alterna como la dibujada en la parte superior de la figura 10.Sientreelectrododegobiernoyctodoseaplicanimpulsosdecorrienteque coincidan con el inicio de cada semiperodo positivo de la corriente alter-na, el tiristor conducir todos los semiperodos positivos. En este caso el pasode corriente por el tiristor y la carga a l conectada ser mximo, pues es con-ductor para todos los semiperodos positivos.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS15Figura 10. En la parte superior se tiene la forma de onda de la tensin alterna dealimentacin. En el centro la forma de los impulsos de control del tiristor, que seaplican entre electrodo de gobierno y ctodo. En la parte inferior se han dibujadolos semiciclos positivos que pueden pasar a travs del diodo.Si los impulsos de control se aplican slo durante el inicio de ciertos semi-perodos positivos, por ejemplo, con el inicio de los semiperodos positivos 2,3, 6, 7... (figura 10), slo circula corriente durante los semiperodos elegidos, esdecir,hacemospasaralgunossemiperodospositivosybloqueamoselpasode otros. Como consecuencia, el valor medio de la corriente por la carga des-ciende de valor.Cuantomsdistanciadosestnentreslosimpulsosdedisparo,menorser el nmero de semiperodos positivos que circulen y, como consecuencia,menor ser el valor de la intensidad de corriente media a travs de la carga.Para el disparo por salvas se puede utilizar cualquier circuito capaz de pro-porcionar impulsos de tensin, como, por ejemplo, un multivibrador o generadorde impulsos, cuyo estudio desarrollamos ms adelante en esta misma leccin.Control de faseEste mtodo de control resulta ms apropiado para aplicaciones en las quese requiera una alimentacin ms uniforme de la potencia controlable. Se utili-za exactamente el mismo circuito bsico de la figura 9, puesto que lo que cam-bia es el circuito de control, no el circuito controlado.Mientras que en el disparo por salvas los impulsos entre electrodo de gobier-no y ctodo coinciden con el inicio de todos o algunos de los semiperodos posi-tivos, en el control de fase los impulsos de control tienen lugar dentro del tiempode duracin de cada semiperodo positivo de la tensin alterna (figura 11).El mximo paso de corriente se produce cuando el ngulo de disparo es iguala cero (semiperodo 1 de la figura 11), mientras que el mnimo (corriente nula) seda cuando el ngulo de disparo es igual a 180 (semiperodo 6 de la figura 11).El ngulo , durante el cual el tiristor no conduce, se denomina ngulo dedisparo, porque al finalizar el tiristor se dispara (pasa a conducir), mientrasqueelngulo,duranteelcualeltiristoresconductor,sedenominangulode conduccin.Decalador para el control de faseSe denominan decaladores los circuitos que provocan el disparo del tiristor(paso del estado de bloqueo al de conduccin) en el tiempo deseado. Consis-ten en un simple circuito RC (figura 12), que posee una constante de tiempo decarga cuyo valor es igual al producto del valor hmico de la resistencia por elde la capacidad.Recuerda que en un circuito RC serie la intensidad de corriente es la mismaen ambos componentes, mientras que la tensin en el condensador atrasa 90ELECTRNICA16CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS17Figura 11. En la parte superior de la figura: forma de onda de la tensin alterna dealimentacin. En el centro, los impulsos rectangulares de control del tiristor. En laparte inferior, parte de los semiciclos positivos que pueden pasar a travs deltiristor y cuyos inicios coinciden con la presencia de la seal de puerta.respectoalacorrienteylatensinenlaresistenciaestenfaseconlaintensidaddecorriente;portanto,latensinenlaresistenciaylatensinenelcondensadorestn desfasadas 90 (figura 13).La suma vectorial de VRy VCes igual ala tensin total aplicada al circuito VT.El ngulo de la figura 11 indica el des-fase entre la tensin en el condensador VC(queeslaquecontrolaaltiristor)ylaten-sin total VT.Figura 13. Diagrama vectorialcorrespondiente a lastensiones y corriente delcircuito de la figura 12.Figura 12. Circuito decalador,para el control de fase de lostiristores.Circuitos de control de potencia con triacsEn la figura 14 puedes ver un circuito para regular el flujo lumi-noso de una lmpara incandescente mediante el control del pasode corriente por un tiristor mediante un decalador. Los diodos D1y D2 evitan que llegue una tensin demasiado elevada al electro-do de gobierno del tiristor durante los semiciclos negativos de lac.a. de alimentacin.La resistencia R es ajustable, con el fin de poder variar la cons-tante de tiempo RC del circuito y con ella el ngulo de desfase .La lmpara L se conecta en serie con el tiristor o diodo contro-lado de silicio DCS. Ha de ser incandescente porque este circui-to no sirve para ser utilizado con lmparas fluorescentes o de bajoconsumo, ya que en estas ltimas se precisa una tensin mnimaentre sus electrodos para que se produzca el encendido del tubo, por lo queparatensionespequeasnoconseguiramosencendidoalguno,apartedeque, aunque as fuera, el nivel de iluminacin no depende de la intensidad decorriente, sino de la ionizacin de ciertas sustancias fluorescentes.La resistencia RLevita un paso excesivo de corriente a travs del diodo D1,que producira su destruccin. Tngase en cuenta que durante los semiciclosnegativos al diodo queda aplicada la suma de la tensin de la fuente de alimen-tacin ms la presente en el condensador, por lo que si no hubiera resistencialimitadoraseproducirauncortocircuitodirectoenlalneadealimentacinatravs del condensador y el diodo. Durante el semiciclo negativo el condensa-dor C se descarga a travs de D1 y RL, y queda preparado para ser cargadootra vez con polaridad adecuada al aparecer el siguiente semiciclo, que serde nuevo positivo.Por la lmpara del esquema de la figura 14 slo circulan los semiciclos posi-tivosdelac.a.(completosopartedeellos),porloquelalmparaseapagadurantelossemiclosnegativos,aunquenuestravistanoloapreciedebidoalefecto ptico de retencin de imgenes en la retina. Por tanto, la tensin y lacorriente que circulan por la lmpara tendrn la mitad del valor que tendran sipor ella circularan los dos semiciclos de la c.a. y la potencia en la lmpara serla cuarta parte de la que tendra si circularan los dos semiciclos. Como resul-tado, la luz proporcionada por la lmpara ser mucho menor.Para controlar el paso de la corriente a travs de la lmpara en los dos sen-tidos, con una mejor regulacin del flujo luminoso desde cero (lmpara apaga-da) hasta el flujo mximo (cuando los dos semiciclos de la c.a. circulan en sutotalidad por ella), se emplean triacs, y para el gobierno de los triacs se empleandiacsodiodosdisparadoresbidireccionales,quedejanpasarlacorrienteenambos sentidos cuando la tensin que se les aplica sobrepasa un cierto valor.ELECTRNICA18Figura 14. Circuito para el control del flujo luminoso de una lmparaincandescente.Control de triacs con diacsEn la figura 15 puedes ver el esquema de un circuito de dis-paro de un triac mediante un diac y, naturalmente, el correspon-dientecircuitotemporizadorRC,queestablecereltiempoenque se alcance la tensin de ruptura del diac y con ello su pasoal estado de conduccin.El funcionamiento del circuito es muy simple y similar al estu-diado para el control de tiristores. La diferencia est en la presen-ciadeundiacparaelcontroldeltriac,nosiendonecesarioeldiodo de bloqueo D2 de la figura 14, puesto que al triac s puedeaplicarse tensin de control positiva o negativa a su electrodo degobierno. Tampoco es necesario el diodo D1 y la resistencia limi-tadoradecorrientedelafigura14,yaqueelcondensadorCdebe cargarse en los mismos tiempos tanto durante los semici-clos positivos como negativos.Otra diferencia, aunque sta no tiene importancia, es que en el esquema delafigura15seempleaunpotencimetroparaajustareltiempodecargadelcondensador.Alconectarelcursordelpotencimetrodirectamenteaunodesus dos terminales extremos lo convierte en una resistencia ajustable.Al aplicar al circuito una tensin de alimentacin por la lmpara no circulacorrientealguna,puestoqueeltriacnorecibeantensindedisparoensuelectrodo de gobierno. En esta circunstancia circula una corriente elctrica porel potencimetro R que carga al condensador C. El tiempo de carga dependedel valor hmico de R, por lo que si lo ajustas a un valor bajo el condensadorse carga con ms rapidez que si lo ajustas a un valor alto.En el condensador va aumentando poco a poco la tensin, a medida quese carga, hasta que en l aparezca la tensin de ruptura del diac, que suele serentre 28 y 36 V, momento en el cual el diac conduce y el electrodo de gobier-no del triac recibe una tensin positiva con respecto a su electrodo A2 y pasaa conducir encendindose la lmpara L.Alfinalizarelsemiciclopositivoeltriacdejadeconducir,puestoqueseinvierte la polaridad de la c.a. y, por tanto, el electrodo A2 (conectado al borneB) pasa a ser positivo. Este cambio de polaridad provoca la descarga del con-densador C, disminuye la tensin en l y bloquea al diac.Duranteelsemiciclonegativoelfuncionamientoesexactamenteigualaldescritoparaelsemiciclopositivo,aunque,lgicamente,teniendopresenteslos cambios de polaridad.La intensidad luminosa de la lmpara depende de los tiempos de conduc-cindeltriacencadasemiciclodelac.a.Cuantomstiempoconduzcaeltriacmsalumbralalmparao,sisetratadeunmotor,conmsvelocidadgirar.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS19Figura 15. Circuito para el gobierno del flujoluminoso de una lmpara incandescentemediante triac y diac.AmplificadoresEnlafigura16hemosdibujadoloquepodraserlaformadeondadelacorriente que circula por la lmpara para un ngulo de disparo .Sedenominaamplificador todocircuitoelectrnicocapazdecontrolarelpasodeunacorrienteelctricamedianteotracorrientedemenorvalor,demaneraquelaformadeondadelacorrientecontroladaadquieralamismaforma y frecuencia que la de la corriente controladora.ClasificacinLos amplificadores pueden clasificarse de varias formas. As, por el valor dela frecuencia de las seales que amplifican, se clasifican en amplificadores debaja y de alta frecuencia; por el valor de la intensidad de corriente de salida, enamplificadores de pequea, media o alta potencia; por la magnitud que ampli-fican, se clasifican en amplificadores de tensin, corriente o potencia; etc. Esdecir, son muchas las distintas formas de clasificar un amplificador.Desde el punto de vista del tipo de componente empleado para la amplifi-cacin, los amplificadores se clasifican en amplificadores con vlvulas o consemiconductores,ydentrodeesteltimogrupodistinguiremosentrelosamplificadores transistorizados y los integrados.Elestudiodelfuncionamientodelosamplificadoressobrepasaraamplia-mente el contenido de este curso, aparte de ser un tema propio de los profe-ELECTRNICA20Figura 16. Forma de onda de la corriente a travs de la lmpara del esquema de la figura 15, para unngulo de disparo .sionales electrnicos, por lo que en esta leccin nos limitaremos al estudio delos llamados amplificadores operacionales, que son unos amplificadores inte-grados muy populares, de fcil montaje y mltiples aplicaciones.Amplificador operacionalCon la denominacin de amplificador operacional se identifican una seriede circuitos integrados que se emplean en multitud de circuitos electrnicos decontrol y regulacin, amplificadores, osciladores, filtros, etc.Se representan en los esquemas mediante un tringulo equiltero cuyo vr-tice situado a la derecha indica el sentido de circulacin de la seal. En el ladoopuestoaesevrticesetienendosentradas,unadeellasseindicaconelsigno - y corresponde a una entrada inversora; la otra entrada se indica conel signo + y corresponde a una entrada no inversora.Si se aplican seales a las dos entradas simultneamente, la seal de sali-da es proporcional a la diferencia entre ambas.Adems de estas tres conexiones (dos entradas y una salida), el amplificadoroperacional dispone de otros dos terminales para su conexin a una fuente de ali-mentacin que permita su funcionamiento, pero en los esquemas se suele pres-cindir de dibujar los terminales de conexin a la fuente de alimentacin, ya que sesobreentiende que han de estar presentes.En la figura 17 se ha dibujado la disposicin de los terminales de conexindel amplificador operacional A741. En este integrado los terminales indicadoscon offset null no se conectan.Amplificador inversorUnamplificadoroperacional(abreviadamenteAO)puedetrabajarcomoamplificador de tensin inversor y no inversor. En el caso de trabajar como inver-sor la tensin de salida est en oposicin de fase con la de entrada. En el casodeserutilizadocomoamplificadornoinversorlatensindesalidatendrlamisma fase que la de entrada.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS21Figura 17. Disposicin de losterminales del amplificadoroperacional integrado A741.El esquema de la figura 18 corresponde al de un AO tra-bajandocomoamplificadorinversor.Estecircuitopuedeutilizarseparaamplificartantosealescontinuascomoalternas. La corriente i1es la de la seal de entrada que sedeseaamplificar,ei2lacorrientederealimentacin desdela salida a la entrada del AO.La tensin de salida vodepende del valor de R2y de lacorriente i2que circula por ella, segn la frmula:vo= i2 R2El cociente vo/ vies la ganancia de tensin Avdel ampli-ficador, o relacin entre la tensin de salida voy la tensinde entrada vi. Esta relacin se mantiene en el cociente dela resistencia R2por R1.Te resultar mucho ms sencillo calcular la ganancia del AO a partir de losvalores de R2y R1, pues stos son fijos.La ganancia del amplificador inversor de la figura 18 es, por tanto,En esta ltima frmula el signo menos que est delante del cociente R2/ R1indica que la seal de salida est desfasada 180 con respecto a la de entrada.As, por ejemplo, si R2tiene un valor de 100 k y R1de 10 k, la ganancia entensin del amplificador ser de 10, y si se utiliza una resistencia R2de 470 k yuna R1de 4,7 k, la ganancia ser de 100. Puedes elegir cualquier combinacinde resistencias para obtener del circuito la ganancia en tensin que necesites.Amplificador no inversorEn el amplificador no inversor la seal de salida se encuentra en fase con lade entrada. Por tanto, aqu debe aplicarse la seal a amplificar a la entrada noinversora del operacional (figura 19).La ganancia en tensin de este amplificador es tambinigual al cociente de la tensin de salida dividida por la deentrada,porloquepuededemostrarsematemticamenteque su ganancia es igual a:El valor de R3se determina mediante la frmula:ELECTRNICA22Figura 18. Amplificador inversor diseado con unamplificador operacional. No se han indicado en elesquema, como es costumbre, las conexiones parala alimentacin del integrado.Figura 19. Amplificador no inversor diseado conun amplificador operacional.SumadoresCuando se desea mezclar seales procedentes de distintas fuentes se uti-lizancircuitossumadores (omez cladores)comoeldelafigura20,enelqueslohemosdibujadotresentradas,peroque,dehecho,puedetenertantascomo se necesiten hasta un mximo de diez.Su funcionamiento es como sigue: la intensidad de corriente iies igual a lasumadelascorrientesparcialesdelastresentradas(segnestablecelasegunda ley de Kirchhoff):ii= i1+ i2+ i3Cada una de estas corrientes parciales depende del valor de su correspon-diente tensin de entrada y del valor de la resistencia por la que circula. Segnla ley de Ohm:Como la intensidad de corriente iitiene el mismo valor y es de signo opues-to a la corriente realimentada io, podemos escribir:ii= - ioPor otro lado, sabemos que la tensin de salida es igual a:vo= io R4= - ii R4CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS23Figura 20. Circuito sumadorde tensin con amplificadoroperacional.ComparadoresPor lo que sustituyendo en esta ltima ecuacin iipor la suma de las corrien-tes parciales de las entradas tendremos las nuevas igualdades:vo= - R4(i1+ i2+ i3)Si las cuatro resistencias fuesen iguales, entonces se establece la igualdad:vo= - (v1+ v2+ v3)Que nos demuestra que, efectivamente, se trata de un circuito sumador y,este caso, inversor de seal.Si, como es normal, R4tiene un valor muy superior al de las otras tres resis-tencias, entonces se tiene una amplificacin de la suma resultante de las tresseales de entrada.Se conoce como comparador el circuito que compara dos magnitudes dela misma especie y suministra una seal de salida que nos indica si los valoresabsolutosdedichasmagnitudessonigualesono.Normalmente,loscom -paradoresmidenunamagnitudylacomparanconotraqueseutilizacomopatrn de precisin.UtilizandounAOcomoenlafigura21,stesecomportacomo un comparador de tensin, en el cual la salida puede tomardos posibles estados:Si vi1< vi2, la salida voser positiva (vo+).Si vi1> vi2, la salida voser negativa (vo-).Efectivamente, el AO trabajando en lazo abierto (sin realimen-tacin de la salida a la entrada) presenta una elevada ganancia,alcanzandosusalidaunnivelprximoaldelafuentedealimentacin,porloque cualquier variacin entre las tensiones de entrada har que en la salida sealcance la tensin de saturacin, tomando sta uno u otro sentido con respec-to a masa (positivo o negativo), segn sea el nivel de tensin de una entradacon respecto a la otra.Si la tensin mayor es la correspondiente a la entrada no inversora, resultaevidente que la tensin de salida ser positiva. Por contra, si la tensin mayores la aplicada a la entrada inversora, entonces la salida ser negativa.Loscomparadorestienenmultituddeaplicaciones,principalmenteenlaindustria y en circuitos de alarma, entre otras muchas.ELECTRNICA24Figura 21. Comparador de tensiones conamplificador operacional.Comparador de ventanaLoscomparadoresdeventanaconstandeunpardecom paradoresajustadosparaestablecerunlmiteinferioryotro superior de una magnitud (figura 22).Como los amplificadores operacionales estn trabajan-do en lazo abierto, sus salidas se encontrarn siempre ensaturacin positiva o en negativa.Las tres resistencias del comparador forman un divisorde tensin. En el punto de unin R1R2la tensin v2(con res-pectoamasa)esmayorquelapresenteenelpuntodeunindeR2-R3(tambinconreferenciaamasa),alaquehemos denominado v3. Como consecuencia, la entrada noinversoradelamplificadoroperacionalAO1recibemayorpotencial que la entrada no inversora del segundo amplifi-cador operacional AO2. Ello supone que los operacionalestrabajan con tensiones de referencia distintas.Por otro lado, las dos entradas inversoras estn unidasa una nica entrada, a la que se aplica la tensin vi.Dependiendo del valor instantneo de vi, se presentarnlos siguientes estados en las salidas:Si vi< v3, entonces tambin vi< v2:En estas condiciones, tendremos:vo1= saturacin positivavo2= saturacin positivaSi v2> vi> v3, entonces:vo1= saturacin positivavo2= saturacin negativaEn este estado de funcionamiento el circuito se encuentra dentro del mar-gen (ventana) establecido por la resistencia R2.Finalmente, si vi> v2> v3:vo1= saturacin negativavo2= saturacin negativaCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS25Figura 22. Comparador de ventana conamplificador operacional.Generadores de seal y osciladoresOsciladoresLososciladoressoncircuitosgeneradoresdesealessinusoidales(c.a.)que estn constituidos por un circuito oscilante (con resistencias y condensa-dores o con inductancias y condensadores), un amplificador y un lazo de reali-mentacin desde la salida del amplificador a su entrada y que suministra al cir-cuito oscilante la energa que pierde.Segnlaclasedecircuitooscilanteutilizado,seclasificanen:osciladoresRC, osciladores LC y de cristal.Oscilador en puente de WienEl oscilador en puente de Wien es uno de los ms uti-lizadosenlaprctica,puespermitemodificarconbas-tante facilidad su frecuencia de oscilacin (figura 23).DosdelosbrazosdelpuentedeWienloformanlaresistencia R1, en serie con el condensador C1, y amboscomponentesenserieconelconjuntoformadoporlaresistencia R2en derivacin con el condensador C2. Losotros dos brazos son puramente resistivos (resistenciasR3y R4).A una frecuencia f1= 0 Hz (c.c.), la capacidad C1seopone totalmente al paso de la corriente, por lo que en elconjunto R2-C2la tensin es nula.Para una frecuencia f2= Hz, la capacidad C2corto-circuita la seal y la tensin en el conjunto R2-C2es tam-bin nula.Entreambosvaloresextremoshayunafrecuenciaalacuallatensinen R2-C2es mxima. Esta frecuencia es igual a:Donde fOviene dado en hercios, R1y R2en ohmios y C1y C2en faradios.Para variar la frecuencia de oscilacin fOdeben modificarse los valores delas resistencias o las capacidades constituyentes del puente, o de ambas a lavez.ELECTRNICA26Figura 23. Circuito oscilador RC en puente de Wiencon amplificador operacional.Para que el circuito entre en oscilacin es necesario que la tensin de sali-da voest en fase con la tensin aplicada a la entrada no inversora videl ope-racional. De esta forma, se produce la realimentacin necesaria para mantenerlas oscilaciones.Observa en la figura 23 que la tensin de salida voes igual a la tensin totalpresente en el puente de Wien, mientras que la tensin vies igual a la presen-te en el conjunto R2-C2.Para que las dos tensiones citadas estn en fase es necesario que se cum-pla la igualdad:R1 C1= R2 C2En la prctica se acostumbra a dar valores iguales a las resistencias R1y R2,as como a los condensadores C1y C2. En tales condiciones la mxima tensinde salida voen ausencia de desfasamiento, es decir, a la frecuencia de reso-nancia del oscilador, es equivalente a la tercera parte de la de entrada vi.Para el mantenimiento de las oscilaciones se requiere que las tensiones desalida y realimentada tengan la misma amplitud, por lo que la amplificacin detensin Avdeber ser igual a 3, y los valores deR3y R4se deben establecerpara obtener la ganancia de 3.Debers tener presente que en la prctica el valor de Aves bastante crtico,ya que si Aves mayor que 3 los picos de la seal quedan recortados y la formadeondadelasalidatiendehaciaunasealcuadrada,mientrasquesiAvesmenor que 3 la seal queda amortiguada y la oscilacin desaparece.Si se establecen las igualdadesR1= R2= RyC1= C2= Cla frmula para el clculo de la oscilacin puede simplificarse a:La forma de onda de la seal generada por este oscilador es sinusoidal, aun-que no muy estable en amplitud, especialmente cuando es de frecuencia variable.Oscilador con red desfasadora RCEste oscilador est dotado de un circuito oscilante formado por una red detres elementos RC que producen un desfasamiento de 180 de la seal videentrada con respecto a la de salida vo.El esquema de la figura 24 corresponde a un oscilador con red desfasado-ra RC, en el que las resistencias estn dispuestas transversalmente y los con-CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS27densadores longitudinalmente, y el de la figura 25 el mismo circuito pero invir-tiendo las posiciones de las resistencias y los condensadores.La principal condicin que debe cumplirse para que el circuito oscile es quela realimentacin de la seal de salida se aplique a la entrada inversora del AO,pues slo as se obtiene un segundo desfase de 180 que har que se cumplala condicin de fase necesaria para mantener las oscilaciones.La atenuacin total en estos osciladores es de 29, por lo que la ganancia detensindelcircuitodebeserigualosuperioraestevalor.EstoseconsiguehaciendoR5 29R4LafrecuenciadeoscilacindependedelosvaloresdeloselementosRC.En general, y para facilitar el clculo, se establecen las igualdades:R1= R2= R3= RyC1= C2= C3= CCon estos valores la frecuencia de oscilacin del circuito viene dada por lafrmula:ELECTRNICA28Figura 24. Oscilador con reddesfasadora RC yamplificador operacional, enel que las resistencias estndispuestas transversalmente ylos condensadoreslongitudinalmente.Figura 25. Oscilador con reddesfasadora RC yamplificador operacional, enel que las resistencias estndispuestas longitudinalmentey los condensadorestransversalmente.Donde fOviene dado en hercios, R en ohmios y C en faradios.Como 6 es aproximadamente igual a 2,45, y igual a 3,14, podemos escri-bir la siguiente frmula, que permite calcular con bastante exactitud la frecuen-cia de oscilacin y que resulta ms sencilla de utilizar:En el caso del oscilador de la figura 25 la frecuencia de oscilacin se calcu-la con la frmula:Donde R se expresa en ohmios, C en faradios y fOen hercios.Operando con los valores de y de 6, cuyos valores aproximados son 3,14y 2,45, respectivamente, puedes utilizar la frmula ms sencilla:Oscilador HartleyLa caracterstica fundamental de estos osciladores es la de utilizar un divi-sor de tensin inductivo (devanados L1- L2de la figura 26).Para obtener un buen rendimiento es preciso que el transistor trabaje comoamplificador clase C, es decir, polarizando la base con respecto al emisor deforma que el transistor quede bloqueado si entre dichos electrodos no se apli-ca seal alguna. Esta polarizacin se consigue con las resistencias R2y R3. Laalimentacin del colector se obtiene a travs del devanado L2.Lareaccinseobtienepormediodelafuerzaelectro-motriz inducida en el arrollamiento L1, que a travs del con-densador C2se realimenta a la base del transistor; es decir,elcondensadorC2constituyeellazoderealimentacin y,adems,bloqueaelpasodelac.c.poreldevanadoL2hacia la base del transistor. C1es el condensador de fugade la resistencia de emisor R1.La frecuencia de oscilacin de este circuito depende dela capacidad C y de las inductancias L1y L2.DondeL eslainductanciatotal(L1 +L2)enhenrios; C la capacidad en derivacin con ella, en faradios, y fOesla frecuencia de oscilacin en hercios.CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS29Figura 26. Oscilador Hartley transistorizado.Osciladores de cristalLos osciladores de cristal estn constituidos por unsistema oscilante, consistente en un cristal piezoelc-trico, cuya frecuencia de oscilacin viene determinadapor sus caractersticas propias, un amplificador y unarealimentacinqueproporcionapartedelaenergaobtenidaalasalidadelamplificadoralcristal(figura27). Por tanto, las partes constituyentes de un oscila-dorconcristalpiezoelctricosonexactamentelasmismas que en cualquier otro tipo de oscilador.Los osciladores de cristal se utilizan para la gene-racin de altas frecuencias, al igual que los oscilado-res LC.En el circuito de la figura 27 la seal de realimen-tacin se toma del colector y se aplica a la base a tra-vs de los condensadores C1y C2y el cristal en deri-vacin con ellos.LoscondensadoresC1yC2formanundivisordetensincapacitivoylasresistencias R1, R2y R4son las de polarizacin del transistor.MultivibradoresAunqueexistenvariostiposdemultivibradores(astables,monoestablesybiestables),nosostrosestudiaremosslolosastables,yaquesonstoslosque se utilizan como generadores de impulsos o relojes (en ingls clock) en loscircuitos electrnicos digitales que se estudian en la siguiente leccin..Paraempezardiremosqueelprefijoa delantedeunapalabrasignificanegacin,esdecir,queastable significanoestable.Unmultivibradorastablees, por tanto, un circuito no estable que cambia continuamente de estado.Aunqueesposibledisearmultivibradorescontransistores,eldiseoyfabricacinesalgocomplejo,porloquelosfabricantesdesemiconductoresproporcionan, entre sus numerosos productos, circuitos integrados que, ade-cuadamente conectados, permiten la obtencin de un tren de impulsos de fre-cuenciamuyestable,conmuypocoscomponentesadicionalesydediseosencillo y econmico.En la figura 28 puedes ver el circuito completo de un generador de impul-sosdiseadoconelintegrado555,queesunintegradomuypopular.Losnmerosenrojoindicanelnmerodelterminaldelintegradoadondedebenconectarse los componentes.ELECTRNICA30Figura 27. Oscilador de cristal.El circuito se activa poniendo por un instante la entrada (ter-minal 2) a 0 V (su posicin de reposo es de 5 V). En este casoenlasalidaapareceunatensinpositivaypermaneceasuntiempoprefijado(descargadelcondensador),despusdelocual vuelve a 0 V.Lafrecuenciadeesterelojpuedevariarentrelmitesmuyamplios, segn los valores de las resistencias R1y R2y del con-densador C1.Para el clculo de la frecuencia del tren de impulsos gene-rado por este circuito integrado se utiliza la frmula:Valores tpicos de estos componentes para el temporizador555 son los de 4,7 k para R1y R2y de 100 nF para C1. Conestos valores se obtiene una frecuencia de salida de:Es decir, una frecuencia de unos 1.000 Hz, que es una frecuencia normali-zada para muchas aplicaciones en electrnica.ElcondensadorC2,de100nF,esuncondensadordedesacoplequeennada afecta a la frecuencia generada por el reloj.Tambin es posible ajustar el reloj a otra gama de frecuencias, modificandoel valor del condensador C1y/o de una o las dos resistencias R1y R2.Si conoces el valor de la frecuencia, y lo que deseas averiguar es el valor delos componentes del grupo RC, bastar con que averiges primero la constan-te de tiempo (en segundos) mediante la frmula:Donde f es la frecuencia de los impulsos de reloj que deseas obtener.Unavezcalculado,yapuedesdeterminarlosvaloresdeR1,R2yC1,deformaqueelproductodelaprimeraresistenciaporeldobledelvalordelasegunda por la capacidad del condensador nos d el tiempo .Si conoces el valor de las resistencias que vas a emplear en el circuito, y loque deseas averiguar es la capacidad del condensador, sta la calculars conla frmula:CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS31Figura 28. Esquema de un generador deimpulsos diseado con el integrado 555.TemporizadoresPara compensar las tolerancias de los componentes y la diferencia entre losvalores ideales obtenidos por clculo y los reales de los componentes norma-lizados, puedes actuar de dos formas:a) Disponerunpotencimetroounaresistenciaajustableenlugardeunade las dos resistencias del temporizador, y ajustar luego su valor hmico,y con ello la frecuencia de los impulsos. Para este ajuste se debe utilizarun frecuencmetro o un osciloscopio, que te permita medir con exactitudla frecuencia.b) Aplicar al terminal 5 del integrado una tensin obtenida de un divisor detensin ajustable, ya que si se aplica a dicho terminal una tensin la fre-cuencia de los impulsos puede ajustarse variando el valor de sta. Tam-bin en este caso debers recurrir a un frecuencmetro o un osciloscopiopara medir con exactitud la frecuencia de los impulsos.Se denominan temporizadores aquellos circuitos capaces de poner en mar-cha o desconectar un aparato o circuito despus de transcurrido un cierto tiempo.Se conocen tambin con el nombre de circuitos RC, lo cual nos indica que estnformados por una resistencia y un condensador conectados en serie (figura 29).Al aplicar una tensin continua VCCal circuito se produce una corriente decargai hastaqueelcondensadorquedatotalmentecargado,instanteenelcual deja de circular corriente y el circuito se comporta como un aislante.El tiempo o constante de tiempo del circuito, transcurrido el cual la tensinvCen el condensador alcanza un 63% del valor VCC, es fijo y puede calcularsecon la frmula: = R CDonde R se expresa en ohmios, C en faradios y en segundos.En la figura 30 se ha dibujado la curva de carga delcondensador.EstacurvaesmuyimportanteyaquesirveparacualquiercircuitoRC yconellapodrsdeterminar el tiempo de carga de cualquier condensa-dor, es decir, el tiempo que ste tarda en cargarse.Observa que la ordenada de la curva de carga seha dividido en porcentajes, mientras que la abscisa enfracciones de tiempo. Cuando la constante de tiempo es 1 (que no quiere decir que sea 1 segundo, sinoque 1 representa el producto de R por C) el conden-sador se ha cargado en un 63%, es decir, en l apare-ce el 63% de la tensin total aplicada al circuito.ELECTRNICA32Figura 29. Circuitotemporizador RC, mediantecarga del condensador.Figura 30. Curva de carga del condensador de la figura 29.En la segunda constante de tiempo ( = 2), el condensador se ha cargadoa un 86% aproximadamente; en la tercera constante de tiempo a un 95%, etc.(comprueba que todo esto es cierto en la figura 30).Comopuedeselegircualquiercondensadorycualquierresistenciaparadisear un circuito como el de la figura 29, resulta evidente que podrs disearun circuito cuyo tiempo de carga sea el que necesites para un fin dado.Efectivamente,supnqueenelcircuitodelafigura29haselegidounaresistencia de 1 M y un condensador de 47 nF. La constante de tiempo deese circuito ser: = R C = 106 47 10-9F = 47 10-3s = 47 msEsto quiere decir que transcurridas 47 milsimas de segundo en el conden-sador aparece el 63% de la tensin total aplicada al circuito. Si dicha tensines de 12 V, al cabo de 47 ms en el condensador encontrars una tensin de:Como el condensador se carga completamente transcurrido un tiempo decinco veces , podemos decir que cuando ha pasado un tiempo de:5 = 5 47 ms = 240 msen el condensador aparece la tensin de 12 V de la fuente de alimentacin.Si aumentas el valor de la resistencia o del condensador, o ambos, podrsaumentar el tiempo de carga y obtener cualquier temporizacin.Vamos a estudiar ahora un circuito temporizador basado en la descarga deun condensador sobre una resistencia, el cual tambin es utilizado en electr-nicaconlosmismosfinesqueelanteriorperotrabajandodeformainversa.Para ello supn que dispones de un condensador que se ha cargado previa-mente, es decir, que entre sus placas tienes una tensin elctrica igual a la ten-sin de la fuente de alimentacin que hayas utilizado para su carga.Sialcondensadorleconectasunaresistencia(figura31)elcondensadoractacomounafuentedealimentacincuyatensinvCquedaaplicadaalaresistencia R. Como consecuencia, se produce la descarga del condensador atravsdelaresistencia,esdecir,queporstacircularunaintensidaddecorriente i cuyo valor depende de la tensin en el condensador vCy del valorhmico de la resistencia. Cuanto mayor sea el valor de R menor ser la inten-sidad de corriente de descarga y mayor ser el tiempo que tarda C en descar-garse,aligualquecuantomayorsealacapacidaddelcondensadormayorser la carga elctrica existente en sus placas y tambin ser mayor el tiempoque tarde en descargarse.El tiempo , o constante de tiempo del circuito, transcurrido el cual la ten-sin vCen el condensador alcanza el 37% del valor inicial, es fijo y se calcula,al igual que en el caso de la carga, mediante la frmula: = R CCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS33Figura 31. Circuitotemporizador RC mediantedescarga del condensador.Donde R se expresa en ohmios, C en faradios y en segundos.En la figura 32 se ha dibujado la curva de des-cargadelcondensador,queesidnticaaladecargaperoencada,esdecir,bajandoelvalordetensin en el condensador a medida que ste se vadescargando.Observe en la figura 11 que cuando la constan-te de tiempo es 1, el condensador se ha descar-gado en un 63%, es decir, en l aparece el 37% dela tensin inicial.Circuito temporizador con integrado 555En la figura 33 hemos dibujado el esquema de un temporizador diseadoconelintegrado555,queeselmismointegradoquehemosutilizadoenunapartadoanterioralestudiarloscircuitosmultivibradoresogeneradoresdeimpulsos.Comparaambosesquemasyversquesonmuysimilares.Lasmodificaciones que hemos introducido en el circuito de la figura 33 hacen queste trabaje como monoestable, es decir, como un circuito de un nico estado,que empleamos como temporizador.A cada impulso de disparo que se aplique al terminal 2 se obtiene un nivel altoen la salida del terminal 3, cuya duracin depende de la constante de tiempo deRC de los componentes externos. El circuito de disparo del temporizador est for-mado por las resistencias R2y R3, el condensador C2y el conmutador S.ELECTRNICA34Figura 32. Curva dedescarga del condensadorde la figura 31.Figura 33. Esquemacompleto de un circuitotemporizador utilizando elintegrado 555.Estando el conmutador S en la posicin indicada en la figura 33, las dos pla-cas del condensador reciben potencial positivo a travs de las resistencias R2yR3(delmismovalor),locualsuponequeenelterminal2delintegradosetiene la tensin de 15 V de la fuente de alimentacin.Para disparar el temporizador basta con accionar el conmutador S a la posi-cin de masa. Con ello se obtiene, justo al iniciarse la conmutacin, una brus-ca cada de tensin a 0 V en el terminal 2 del integrado, ya que el condensa-dor C2se encuentra sin carga. Esto provoca que en la salida del temporizador(terminal 3), la tensin suba a, prcticamente, el valor de la tensin de alimen-tacin, permaneciendo en l.Con el conmutador S conectado a masa se tiene un paso de corriente porR2hacia C2, que hace que ste se cargue siguiendo la curva de carga que yaconoce. A medida que el condensador se carga aumenta el potencial positi-vo aplicado al terminal 2 del 555, con lo que se alcanza un instante en el cualel circuito bascula y la tensin de salida (en el terminal 3), descienda a 0 V. Enlaprcticaestatensinnuncaalcanzalos0V,sinoqueestcomprendidaentre 0,1 y 2,5 V, dependiendo de la tensin de alimentacin y de la corrientede salida.Si el conmutador S regresa a su posicin de reposo, el condensador C2sedescargaatravsdeR2yR3yelcircuitoquedapreparadoparainiciarunanueva temporizacin.ParaqueladuracindelimpulsodedisparoseapequeaesnecesarioquelaconstantedetiempoR2C2seapequea,locualseconsiguedandovalores pequeos a ambos componentes. En nuestro circuito esta constantede tiempo la hemos cifrado en 10 s. Recuerda que a esta constante de tiem-po la tensin en el condensador alcanza el 63% del valor total (9,45 V en nues-tro ejemplo).El tiempo que permanece en nivel alto la salida del 555 depende de la cons-tante de tiempo R1C1y, en alguna medida, de la tensin de la fuente de alimen-tacin.As, con una resistencia R1de 68 k y un condensador de 10 F la dura-cin del impulso de salida es de unos 0,75 s cuando el circuito trabaja con lamximatensindealimentacin,ydesciendea0,71scuandotrabajacon 4,5 V de alimentacin. Entre ambos valores extremos de tensin de alimenta-cinseobtienenlostiemposintermediosdepermanenciaennivelaltodelasalida.La frmula para el clculo de la duracin del impulso no es, por tanto, deltodo fiable, pero con bastante aproximacin puede utilizarse la igualdad: = 1,1 R1 C1As, en el ejemplo que hemos puesto, la duracin del impulso es de: = 1,1 68 103 10-6F = 0,748 sCIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS35FiltrosExisten cuatro tipos fundamentales de filtros:El filtro paso bajo.El filtro paso alto.El filtro paso banda.El filtro eliminacin de banda o para banda.Enlaslneasquesiguenestudiaremoslosprincipalesfiltroselctricos,apartir de los cuales pueden disearse otros ms complejos.Filtros paso bajoLos filtros paso bajo estn compuestos por una o ms bobinas, en seriecon la fuente de alimentacin y la carga (aparato alimentado por dicha fuentede alimentacin), y uno o dos condensadores en derivacin con la fuente dealimentacin y la carga. En la figura 34 tienes el esquema del filtro paso bajoms sencillo, formado por una sola inductancia en serie y un condensador enderivacin.El funcionamiento de stos, y cualquier otro tipo de filtro de los que estudia-remos en esta leccin, se basa en la reactancia que oponen las bobinas y loscondensadores al paso de la c.a. Las inductancias dejan pasar las bajas fre-cuenciasyseoponenalpasodelasaltas,mientrasqueloscondensadoresdejan pasar las altas frecuencias y se oponen al paso de las bajas.Para describir el efecto de un filtro paso bajo suponte que a la entrada delfiltro de la figura 34 conectas un generador con una frecuencia regulable entre0 Hz (c.c.) e Hz (figura 35). En la salida del filtro conectas la carga o aparatoen el cual no deseas que se apliquen frecuencias por encima de un determina-do valor.Latensinproporcionadaporelgeneradoresconstante,cualquieraquesea la frecuencia de ste. Esto queda reflejado en la figura 36a, en la que semuestra, mediante rayas verticales, la amplitud de las tensiones para todas lasfrecuencias que proporciona el generador y que son aplicadas a la entrada delELECTRNICA36Figura 34. Filtro paso bajoelemental.Figura 35. Conexin de un filtro.filtro. Cuanto ms a la derecha de una de estas rayas verticales, mayor es elvalor de la frecuencia. Este tipo de representacin de amplitudes de tensioneso corrientes alternas para una gama de frecuencias recibe el nombre de espec-tro de frecuencias.El efecto del filtro paso bajo consiste en dejar pasar las bajas frecuencias yoponerse a las altas a partir de un valor determinado, por lo que la tensin desalidaquedafuertementedebilitadaapartirdeunvalordefrecuenciadado.Esto queda reflejado en la figura 36b, en la que se muestran las amplitudes delas frecuencias de salida del filtro y que se aplican a la carga.Observa en la figura 36b que la tensin permanece constante (con la mximaamplitud) para las frecuencias comprendidas entre 0 Hz y un valor determinado.A partir de ste queda fuertemente amortiguada (baja el valor de la tensin).Lo que te hemos descrito se debe a que la bobina presenta una reactanciainductivabajaalasbajasfrecuenciasyaltaalasaltasfrecuencias,mientrasque los condensadores actan de forma inversa, es decir, presentan una reac-tancia capacitiva elevada para las bajas frecuencias y baja para las altas fre-cuencias.En los filtros pueden determinarse dos frecuencias, denominadas frecuen-cia de corte inferior y frecuencia de corte superior. La primera es aquella parala cual el filtro suministra una tensin de salida igual al 70,7% de la tensin deentrada para las frecuencias bajas. La frecuencia de corte superior es aquellapara la cual el filtro suministra una tensin de salida igual al 70,7% de la ten-sin de entrada para las frecuencias altas (figura 36).CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS37Figura 36. a) Espectro defrecuencias proporcionadas porel generador de la figura 35. b) Espectro de frecuencias enla salida del filtro paso bajo yque se aplican a la carga.Enunfiltropasobajo,lafrecuenciadecorteinferiores0Hz,puesdejapasar todas las frecuencias por debajo de un determinado valor. Las frecuen-cias de corte superior vienen dadas por la frmula:Donde es el nmero pi (3,14), C la capacidad total de todos los conden-sadores que forman el filtro y L el coeficiente de autoinduccin total de todaslas bobinas que forman parte del filtro.El valor 70,7% se ha establecido internacionalmente, ya que si bien las fre-cuencias con valor por encima de la de corte tambin pasan a travs del filtro,sus amplitudes son insuficientes para provocar algn efecto sobre la carga. Pordebajo de la frecuencia de corte, aunque algunas amplitudes de las tensionesde salida del filtro no alcancen el 100% de la tensin de entrada, s que ejerceninfluenciasobrelacarga;esdecir,todaslasfrecuenciascuyasamplitudesestn comprendidas entre el 70,7% y el 100% de la amplitud de la tensin deentrada influyen sobre la carga y, por lo tanto, se consideran como las corrien-tes que pasan a travs del filtro.Los filtros paso bajo son muy adecuados para el aplanamiento de la tensinde salida en los rectificadores, puesto que proporcionan una corriente continuapura.Aesterespectodiremosque,dadoelbajovalordelafrecuenciadelac.a. de la red, no es necesaria la bobina, bastando un condensador en parale-lo con la salida del rectificador, tal y como viste al estudiar los filtros para recti-ficadores.Filtros paso altoEl filtro opuesto al paso bajo es el paso alto. ste se compone, al igual queaqul, de una o ms bobinas y de uno o ms condensadores, pero con su situa-cin invertida con respecto a los filtros paso bajo, es decir, los condensadores seconectanenserieconlafuentedealimentacinylacargaylasbobinasseconectan en derivacin con la fuente de alimentacin y la carga (figura 37).Al igual que en los filtros paso bajo, en los paso alto las inductancias dejanpasar las bajas frecuencias y se oponen al paso de las altas, mientras que loscondensadores dejan pasar las altas frecuencias y se oponen al paso de lasbajas.Para describir el efecto de un paso alto recurrimos al mismo circuito de lafigura 35. Recuerda que la tensin proporcionada por el generador es constan-te, cualquiera que sea su frecuencia (figura 38a).El efecto del filtro paso alto consiste en dejar pasar las altas frecuencias yoponerse a las bajas a partir de un valor determinado, por lo que la tensin desalida queda fuertemente debilitada por debajo de un valor de frecuencia dadaELECTRNICA38Figura 37. Filtro paso altoelemental.(figura 38b). Observa que la tensin queda amortiguada para las frecuenciascomprendidas entre 0 Hz y un valor determinado. A partir de ste permanececonstante.En un filtro paso alto la frecuencia de corte inferior viene dada por la frmula:Su frecuencia de corte superior es infinita, puesto que cuanto mayor sea lafrecuencia mejor podr circular por el condensador.Filtros paso bandaTanto en el filtro paso bajo, como en el paso alto, existe siempre un lmite parauna determinada frecuencia. Encima de esta frecuencia lmite empieza, para elfiltro paso alto, el rgimen de paso y por debajo de ella est el rgimen de blo-queo. En el paso bajo es justo lo contrario. En otro tipo de filtros, llamados pasobanda, el rgimen de paso banda est entre dos regmenes de bloqueo.Los filtros paso banda o filtros de banda, estn formados por un circuitoLC serie que se opone al paso de cualquier frecuencia excepto una, llamadade resonancia, y las comprendidas en el ancho de banda del circuito, o por uncircuito LC derivacin que deja pasar todas las frecuencias menos la de reso-nancia y su ancho de banda (figura 39).CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS39Figura 38. a) Espectro defrecuencias proporcionadaspor el generador de la figura35. b) Espectro defrecuencias en la salida delfiltro paso alto y que seaplican a la carga.Se llama frecuencia de resonancia de un circuito LC aquella frecuencia parala cual tanto la bobina como el condensador presentan la misma reactancia uoposicin al paso de corriente; y ancho de banda todas las frecuencias, cerca-nas a la de resonancia, que entre los terminales de conexin del circuito se pre-sentan con una amplitud por encima del 70,7% de su valor mximo.La frecuencia de resonancia de un circuito LC se calcula mediante la frmula:Y el ancho de banda por la frmula:Donde Q es el factor XL/R de calidad del circuito, es decir, el cociente:Paradescribirelfuncionamientodeuncircuitofiltropasobandarecurrire-mos al mismo circuito de la figura 35. La tensin proporcionada por el genera-dor es constante, cualquiera que sea la frecuencia de ste (figura 40a). El efec-ELECTRNICA40Figura 39. Dos formas deconseguir un filtro pasobanda.Figura 40. a) Espectro defrecuencias proporcionadas porel generador de la figura 35. b) Espectro de frecuencias enla salida del filtro paso banday que se aplican a la carga.to del filtro paso banda consiste en dejar pasar una gama de frecuencias com-prendidas entre dos lmites (figura 40b). Observa que la amplitud (tensin) estamortiguada para las frecuencias comprendidas entre 0 Hz y la frecuencia decorte inferior del filtro (fci) as como para las frecuencias comprendidas entre lafrecuencia de corte superior (fcs) y una frecuencia de valor infinito.En un filtro paso banda la frecuencia de corte inferior viene dada por la frmula:Y la frecuencia de corte superior por la frmula:En estas dos frmulas fres la frecuencia de resonancia del circuito y Abes elancho de banda del circuito, que puedes calcular con las frmulas siguientes:Frecuencia de resonancia:Ancho de banda:Para aumentar el ancho de banda del circuito, es decir, para conseguir que elmargen de frecuencias que pueda pasar por l sea mayor o menor, basta condisminuir su factor de calidad Q, lo cual se consigue aadiendo, en paralelo o enserie con la bobina, una resistencia hmica, ya que sta, al quedar en paralelocon la resistencia del hilo conductor del devanado, har que disminuya la resis-tencia total del conjunto (aumento de la calidad) y si se coloca en serie har queaumentelaresistenciatotal(disminucindelacalidad).Lgicamente,niquedecirtienequetambinesposiblemodificarlacalidaddelfiltroutilizandootrabobina distinta que posea una calidad adecuada a nuestras necesidades.Filtros para bandaEl filtro para banda es justamente lo contrario del filtro paso banda. En elfiltro para banda el rgimen de bloqueo est entre dos regmenes de apertura.Los filtros para banda estn compuestos por un circuito resonante LC deri-vacin, en serie con la fuente de energa y el consumidor, que se opone al pasode la frecuencia de resonancia y dejan pasar las frecuencias por encima y pordebajo del ancho de banda del circuito, o mediante un circuito resonanteLCserie en derivacin con la carga (figura 41).CIRCUITOS ELECTRNICOS ANALGICOS BSICOS41Enlafigura42a hemosdibujadoelespectrodefrecuenciassuministradopor el generador de la figura 35 a la entrada del filtro, y cuyas amplitudes detensin son todas iguales sea cual sea la frecuencia generada.Alasalidadelfiltrolatensinquedaamortiguadaentrelafrecuenciadecorte inferior (fci) y la frecuencia de corte superior del filtro (fcs) (figura 42b).En un filtro para banda las frecuencias de corte inferior y superior se calcu-lan mediante las mismas frmulas que las de los filtros paso banda.ELECTRNICA42Figura 41. Dos formas deconseguir un filtro parabanda.Figura 42. a) Espectro defrecuencias proporcionadas porel generador de la figura 35. b) Espectro de frecuencias enla salida del filtro para banday que se aplican a la carga.RESUMENLas partes principales de una fuente dealimentacin son el transformador, elrectificador y el filtro.Los parmetros principales de untransformador para fuente de alimentacinson la tensin del secundario, su potenciay su factor de regulacin.La tensin del secundario se indica envoltios eficaces a plena carga de potencia,mientras que la potencia se indica envoltioamperios o en vatios.Las cadas de tensin que se producen enlos diodos rectificadores son de unos 600 mV en los de montaje en push-pull yel doble en los rectificadores en puente.En el rectificador se lleva a cabo laconversin de la c.a. proporcionada por elsecundario del transformador en una c.c.Los circuitos rectificadores principales sonen conexin push-pull y en puente deGraetz.Cuanto mayor sea la capacidad delcondensador de filtro ms se acerca latensin rectificada y filtrada a una tensincontinua pura.La tensin de perforacin de loscondensadores de filtro debe ser superioral valor de la tensin de pico de la ondarectificada y su capacidad determina elvalor de la tensin de rizado que apareceen la salida de c.c.Para conseguir una tensin continua purase aade, a continuacin del condensadorde filtro, un regulador de tensin.En las fuentes de alimentacin en modoconmutado o SMPS (Switched ModePower Supplies) se rectifica y filtra primerola c.a. de la red; luego la tensinrectificada se aplica a un conmutadorelectrnico, que la convierte en impulsoscon una frecuencia superior a 20 kHz.Estos impulsos se aplican al primario deun transformador con ncleo de ferrita, yfinalmente la tensin presente en elsecundario se rectifica y filtra para obtenerla c.c. que alimentar al receptor.Dado que las SMPS trabajan con altasfrecuencias de conmutacin y elevadastensiones y corrientes, se generan en ellasinterferencias que deben anularsemediante un filtro LC entre la alimentacinde red y la entrada a la fuente dealimentacin.En la tcnica de control de potencia seemplean tiristores (diodos rectificadorescontrolados de silicio) y triacs. El controlde estos dispositivos se realiza por fase opor disparo por salvas, siendo el control defase el mtodo ms utilizado.Mientras que en el disparo por salvas losimpulsos entre electrodo de gobierno yctodo coinciden con el inicio de todos oalgunos de los semiperodos positivos, enel control de fase los impulsos de controltienen lugar dentro del tiempo de duracinde cada semiperodo positivo de latensin alterna.Se denominan decaladores los circuitosque provocan el disparo del tiristor en eltiempo deseado. Consisten en un simplecircuito RC (constante de tiempo ).Se denomina amplificador todo circuitoelectrnico capaz de controlar el paso deuna corriente elctrica mediante otra demenor valor, de forma que la forma deonda de la corriente controlada adquierala misma forma y frecuencia que la de lacorriente controladora.43Un amplificador operacional(abreviadamente AO) puede trabajar comoamplificador de tensin inversor y noinversor. En el caso de trabajar comoinversor la tensin de salida est enoposicin de fase con la de entrada. En elcaso de ser utilizado como amplificadorno inversor la tensin de salida tendr lamisma fase que la de entrada.El cociente vo/ vies la ganancia detensin del amplificador.Cuando se desea mezclar sealesprocedentes de distintas fuentes seutilizan circuitos sumadores (o mez -cladores), que consisten en amplificadorescon varias entradas.Los comparadores son circuitos quecomparan dos magnitudes de la mismaespecie y suministran una seal de salidaque indica si los valores absolutos dedichas magnitudes son iguales o no.Normalmente, los com paradores midenuna magnitud y la comparan con otra quese utiliza como patrn de precisin.Los comparadores de ventana constan deun par de com paradores ajustados paraestablecer un lmite inferior y otro superiorde una magnitud.Los osciladores son circuitos generadoresde seales sinusoidales (c.a.). Constan deun circuito oscilante (con resistencias ycondensadores o con inductancias ycondensadores), un amplificador y un lazode realimentacin desde la salida delamplificador a su entrada y que suministraal circuito oscilante la energa que pierde.Los multivibradores astables se utilizancomo generadores de impulsos o relojes(en ingls clock) en los circuitoselectrnicos digitales.Se denominan temporizadores aquelloscircuitos capaces de poner en marcha odesconectar un aparato o circuito despusde transcurrido un cierto tiempo. Estnformados por una resistencia y uncondensador conectados en serie.Existen cuatro tipos fundamentales defiltros: paso bajo, paso alto, paso banda ypara banda.Los filtros paso bajo estn compuestospor una o ms bobinas, en serie con lafuente de alimentacin y la carga, y uno odos condensadores en derivacin con lafuente de alimentacin y la carga. Dejanpasar las bajas frecuencias y se oponen alpaso de las altas.Los filtros paso alto se componen de unao ms bobinas en derivacin con la fuentede alimentacin y la carga y uno o mscondensadores en serie con la fuente dealimentacin y la carga. Dejan pasar lasaltas frecuencias y se oponen a las bajas.Los filtros paso banda o filtros de bandaestn formados por un circuito LC serieque se opone al paso de cualquierfrecuencia excepto una, llamada deresonancia, y las comprendidas en elancho de banda del circuito, o por uncircuito LC derivacin que deja pasartodas las frecuencias menos la deresonancia y su ancho de banda.Los filtros para banda estn compuestospor un circuito resonante LC derivacin, enserie con la fuente de energa y elconsumidor, que se opone al paso de lafrecuencia de resonancia y dejan pasar lasfrecuencias por encima y por debajo delancho de banda del circuito, o medianteun circuito resonante LC serie enderivacin con la carga.44Rodea con un crculo la V si cada una de las siguientes afirmaciones es verdadera, o la F si es falsa.1. La capacidad de los condensadores de filtro de las fuentes de alimentacin debe ser pequea.2. Los amplificadores operacionales poseen dos entradas, ambas invertidas.3. Los filtros paso alto dejan pasar las frecuencias por encima de un determinado valor.4. Los decaladores se utilizan para el control de los tiristores y triacs.5. La constante de tiempo corresponde al 37% de la carga del condensador.6. Se llaman relojes a los multivibradores astables.7. En los circuitos osciladores es imprescindible un lazo de realimentacin.8. Los cristales de cuarzo se utilizan en los circuitos comparadores.9. Los diacs se utilizan en los circuitos de control de los DCS.10. La ganancia de tensin de un amplificador operacional trabajando como amplificador inversorde seal es igual al cociente de la resistencia de realimentacin por la resistencia en su entra-da inversora.11. Cuanto mayor es el factor de regulacin de un transformador menor es su tensin en vaco.12. Lasfuentesdealimentacinconmutadasgeneraninterferenciasradioelctricasdealtafre-cuencia que deben eliminarse mediante filtros adecuados.13. Los reguladores de tensin se disponen entre el transformador de alimentacin y el puente derectificadores.14. La amplitud de la tensin a las frecuencias de corte superior e inferior de un filtro para bandaes igual al 70,7% de su amplitud antes de pasar por el filtro.15. Si se aumenta el factor de calidad Q de la bobina de un filtro paso banda, su ancho de bajaaumenta.16. Los osciladores LC son ideales para generar seales sinusoidales de baja frecuencia.17. Los condensadores de filtro en la salida de una fuente de alimentacin conmutada tienen unacapacidad menor que en la salida del puente rectificador.18. Los sumadores son amplificadores operacionales con una entrada y varias salidas.19. Los impulsos de control de un triac se aplican entre su puerta y uno de sus nodos.20. La tensin en la salida de un amplificador operacional est en oposicin de fase con respec-to a la tensin aplicada a su entrada negativa.Compara tus respuestas con las que te indicamos al final de la unidad. Si has cometido errores, repasa la parte correspondiente del tema antes de proseguir tu estudio.F VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF VF V45Ejercicios de autocomprobacinSistemas de numeracinLos aparatos y dispositivos empleados en domtica son digitales, es decir,son circuitos electrnicos que responden a todo o nada (1 0). En esta leccinse hace un resumen de los circuitos electrnicos digitales con el fin de familia-rizarte con ellos y que comprendas posteriormente mejor el cmo y el porqudel funcionamiento de las instalaciones domticas.Un sistema de numeracin puede emplear cualquier nmero de dgitos. Elsistemadenumeracinempleadonormalmenteporelhombreestbasado,desde tiempos remotos, en los diez dedos de sus manos, ya que mostrandouna cantidad de dedos determinada poda efectuar sus transacciones comer-ciales. Este sistema de numeracin recibe el nombre de sistema de numera-cin decimal.Con la aparicin de la Electrnica Digital se hizo necesario el conocimientode nuevos sistemas de numeracin, siendo el ms importante el sistema denumeracin binario.Sistema de numeracin binarioEn el sistema de numeracin binario slo se emplean dos cifras: el 0 y el 1,aunque el nmero de dgitos puede ser cualquiera.As, por ejemplo, el nmero binario 1011 posee dos cifras (0 y 1) y cua-trodgitos.Elvalordelascifrasesmayorcuantomsalaizquierdaseencuentren. En nuestro ejemplo, el primer 1 tiene mayor valor que el segundo(escrito en tercer lugar) y ste mayor que el ltimo.En el cuadro al margen se escriben los nmeros decimales del 0 al 10 y suequivalencia en binario.Enelsistemabinario,unnmeroparterminasiempreen0yunnmeroimpar termina siempre en 1.BitUnbit eslaexpresinabreviadadelaspalabrasinglesasBInarydigiT.Expresa,porlotanto,undgitobinario.Comoenelsistemabinariosloseempleanlascifras0y1,unbiteselestadoindividual(01)dentrodeunnmero binario.Por ejemplo, el nmero binario 11001011 posee 8 bits.ELECTRNICA46Decimal Binario012345678910011011100101110111100010011010CIRCUITOS ELECTRNICOS DIGITALES BSICOSPonderacin de cada bitEn el sistema de numeracin binario, la ponderacin de cada bit tiene doblevalor que la ponderacin del bit anterior. De esta forma, las ponderaciones deunnmerobinariosepuedenrecordarycalcularfcilmente.Vamosatomarcomo ejemplo el nmero binario anterior:Si en esta tabla sumamos todas las ponderaciones de los bits 1 del nme-ro binario, obtendremos el equivalente decimal del nmero binario. En nuestroejemplo:128 + 64 + 8 + 2 + 1 = 203Palabra binariaUnapalabrabinaria esungrupodebitsqueseutilizanconjuntamentepara el proceso de datos, clculo con nmeros binarios, conversin de estosnmeros a otros sistemas de numeracin, etc.La longitud de una palabra binaria es el nmero total de bits que la for-man. En los circuitos electrnicos digitales se utilizan palabras binarias de 4, 6,8, 12, 16, 32, 36 y, en los grandes ordenadores, de 64 bits. En resumen, en loscircuitos digitales no se opera con bits individuales, sino con palabras binariasconstituidas por los grupos de bits.Bit de signoCuando se sita un (+) o un () delante de un nmero decimal, le asigna-mos un signo, es decir, utilizamos una marca escrita como parte de la defini-cindelnmero.Comoenelsistemabinarioslopuedenutilizarse01,elprocedimientomssencilloesutilizarestossmbolospara asignarsigno.Elconvenio adoptado para el bit de signo es el siguiente:Bit de signo positivo (+): 0Bit de signo negativo (): 1CIRCUITOS ELECTRNICOS DIGITALES BSICOS47Nmero binario del ejemplo 1 1 0 0 1 0 1 1Ponderacin128 64 32 16 8 4 2 1Las palabrasbinarias msutilizadas en loscircuitos digitalesson el cuarteto(palabras con 4 bits)y el octeto o byte(palabras con 8 bits).Por ejemplo, en el nmero binario 0.0101.1001 el primer bit (0) indica que el nmero es positivo. Los otrosocho bits constituyen la palabra binaria (en este caso un octeto o byte).Elnmerobinario1.0111.0101constadeunbitdesigno,queenestecasoesnegativo(1)yunbyte(0111.0101) que forma el nmero. El equivalente decimal de este nmero binario ser, por tanto, 117.Lgica positiva y lgica negativaVariables binarias aplicadas a los circuitos elctricosSe define como variable binaria toda variable que slo pueda tomar dosvalores, que correspondan a dos estados distintos y exclusivos. Vamos a ponerunos ejemplos:1. Lmpara encendida o apagada. Se trata de una variable binaria, puestoque son dos estados distintos y exclusivos de la lmpara. Si est encendi-da no puede estar apagada y viceversa (un estado excluye al otro).2. Interruptorabierto ocerrado.Setratadeotravariablebinaria,puestoque tambin son dos estados distintos y exclusivos del interruptor.Estos dos estados se representan por las cifras 1 y 0. As, en el caso de lalmpara podemos dar el valor 0 cuando est apagada (no circula corriente porella)y1cuandoestencendida(scirculacorrienteporella);enelcasodelinterruptor, daremos el valor 0 cuando est abierto (no pasa corriente por l) yel valor 1 cuando est cerrado (s circula corriente por l). En ambos casos seda el valor 0 al no paso de corriente y el valor 1 al paso de la corriente.De conformidad con lo expuesto podemos establecer una variable binaria refe-rida a la corriente elctrica: circula o no por un componente, o por un circuito.En la denominada lgica positiva, el ms positivo de dos niveles de ten-sin, o nivel H (alto), est definido como el estado lgico 1, y el menos positi-vo o nivel L (bajo), como el estado lgico 0. As pues, en la lgica positiva losdos niveles de tensin pueden ser (figura 43):a) Una tensin positiva (por ejemplo, +5 V), que representa el estado lgi-co 1, y una tensin nula, que representa el estado lgico 0.b) Una tensin nula, que representa el estado lgico 1, y una tensin nega-tiva (por ejemplo, 5 V), que representa el estado lgico 0.Fjate que tanto en el supuesto a) como en el b) de la lgica positiva, el nivel1 siempre es positivo con respecto al nivel 0.En la lgica negativa, el ms negativo entre dos posibles niveles, o nivelL (bajo), est definido como el estado lgico 1, y el menos negativo, o nivel H(alto),comoelestadolgico0.Talcomoseexpresaenlafigura44,losdosniveles de tensin en lgica negativa pueden ser:a) Una tensin positiva (por ejemplo, +5 V),que representa el estado lgico 0, y unatensinnulaquerepresentaelestadolgico 1.ELECTRNICA48Figura 43. Niveles consideradosen lgica positiva.Figura 44. Niveles considerados en lgica negativa.Puertas lgicasb) Una tensin nula, que representa el estado lgico 0, y una tensin nega-tiva (por ejemplo, 5 V), que representa el estado lgico 1.Fjatequetantoenelsupuestoa)comoenelb)delalgicanegativa,elnivel 1 siempre es negativo con respecto al nivel 0.Lapuertalgica eselcircuitomselementalcapazdetrabajarconunavariable binaria, es decir, con dos estados lgicos distintos y excluyentes.Las puertas lgicas fundamentales son las puertas AND, OR, NOT, NAND,NOR, EOR Y ENOR.Puerta lgica ANDLa puerta lgica AND, o puerta Y (AND significa Y en castellano), respondea la condicin de que una cosa es llevada a cabo si se cumplen previa y simul-tneamente una serie de condiciones, sin excluir ninguna de ellas.As, supongamos que deseas hacer un viaje de varios das. Para llevarlo acabo es imprescindible que se cumplan varios requisitos, pues la falta de slouno de ellos lo anulara.Las condiciones para realizarlo son:Si falla una sola de estas condiciones el viaje no se podr realizar.Observa que entre una y otra condicin hemos escrito Y. Si todas ellas secumplenlarespuestaserS,perobastaquefalleunasolaparaquelares-puesta sea NO.Cmo podemos obtener una respuesta afirmativa o negativaa nuestra pregunta mediante un circuito elctrico? Pues bien, eneste caso podemos utilizar un circuito como el que se muestra enla figura 45, formado por cuatro interruptores conectados en serieconunalmpara.Cadaunodelosinterruptoresrecibeelnombre de entrada de la puerta lgica, mientras que la lm-para ser la salida de la puerta.Las entradas de la puerta se designan con las letras A, B, C,D..., mientras que la salida se designa con la letra Y.Tener dinero Y tener das libres Y tener un medio de transporte Y tener alojamiento.CIRCUITOS ELECTRNICOS DIGITALES BSICOS49Figura 45. Esquema de una puerta AND concuatro interruptores (entradas) conectadosen serie con un diodo emisor de luz (salida).En el caso del esquema de la figura 45, el led o salida Y sloestar encendido (en estado 1) si los cuatro interruptores A, B, Cy D estn cerrados, es decir, tambin estn en estado lgico 1.Basta que uno de estos interruptores est abierto (en esta-do0)paraqueporelcircuitodejedepasarcorrientey,portanto, se apague el led (pasa a estado lgico 0), dando as unarespuesta negativa a la pregunta.LapuertalgicaANDquehemospuestocomoejemploposeecuatroentradas,peropuedendisearsepuertaslgi-cas AND con cualquier nmero de entradas siempre que stassean como mnimo dos.ElnmerototaldecombinacionesposiblesenunapuertaAND es siempre igual al resultado de multiplicar el nmero deestados (dos) tantas veces por s mismo como entradas posea.As, en el caso de una puerta AND de dos entradas (A y B)el nmero total de combinaciones posible es de:2 2 = 4Esto queda demostrado en el cuadro de la izquierda, dondeseindicantodaslascombinacionesposiblesdeestadosenuna puerta lgica de dos entradas.Si se aade al cuadro anterior una columna que indique el estado de la sali-da Y, se obtiene lo que se denomina tabla de la verdad (o tabla veritativa) dela puerta.As, la tabla de la verdad de la puerta lgica AND de las figuras 45 y 46 esla que se expone a continuacin.ELECTRNICA50Entrada A Entrada B Entrada C Entrada D Salida Y00000000111111110000111100001111001100110011001101010101010101010000000000000001Figura 46. En el esquema superior las cuatroentradas estn en nivel lgico 1 (interruptorescerrados), y la salida est en nivel lgico 1 (led encendido).En el esquema inferior laentrada B est en nivel lgico 0 (interruptorabierto), por lo que la salida tambin lo estar(led apagado).Entrada A Entrada B00110101En la columna de esta tabla correspondiente a la salida Y se escribe un 1 siel led est encendido o un 0 si est apagado. Lgicamente, slo ser 1 si loscuatro interruptores (A, B, C y D) estn todos cerrados (en estado 1).De esta tabla se deduce una importante ley, vlida para todas las puertaslgicas AND, sea cual sea el nmero de entradas que posean:Enmuchsimasocasioneslosestadoslgicosnoserepresentanconlosnmerosbinarios0y1,sinoconlasletrasH,delinglsHight (alto)oL,delingls Low (bajo), por lo que a partir de aqu nosotros utilizaremos estas letrasa lo largo del texto. La tabla veritativa de una puerta AND de dos entradas seescribir, por tanto:Smbolos para representar las puertas ANDExisten tres formas de representar una puerta AND. Una de ellas segn lasnormas MIL-STD americanas (figura 47), la otra segn las normas DIN alema-nas (figura 48) y la tercera segn establece la Comisin Electrotcnica Interna-cional (CEI) (figura 49). En las normas CEI consiste en un rectngulo en cuyointerior se escribe la letra &.El smbolo de la norma DIN tiende a desaparecer, por lo que no lo utilizare-mos en este curso.En Espaa el sistema reconocido es el de las Normas CEI, a travs de lasnormas espaolas UNE, pero al ser mucha la bibliografa que utiliza los smbo-los MIL, hemos optado por emplearlos en este curso, al menos en lo que res-En las puertas lgicas AND la salida estar en nivel alto (1) cuandotodas sus entradas estn en nivel alto (1), y slo en este caso.CIRCUITOS ELECTRNICOS DIGITALES BSICOS51EntradasSalidaYA BLHLHLLHHLLLHLa letra &(abreviatura de lapalabra latina et,cuya traduccin alcastellano es y)Figura 47. Smbolo de unapuerta AND de dos entradassegn las normas MIL-STD.Figura 48. Smbolo de unapuerta AND de dos entradassegn las normas DIN.Figura 49. Smbolos de unapuerta AND de dos entradassegn las normas CEI.pecta a esquemas de circuitos digitales sencillos y tambin en las puertas lgi-cas integradas.CuandolaspuertasANDposeenmsdedosentradas,elsmboloeselmismoperoaadiendotantaslneasalaentradacomonmerodestasposea,talycomohemospuestodeejemploenlasfiguras50,51y52parapuertasAND de tres, cuatro y ocho entradas. En las normas MIL y DIN, si elnmerodeentradasesexcesivo,sealargalalneaadondevanlaslneasdeentrada, de forma que no queden demasiado juntas y perjudiquen la claridaddel esquema.Puerta lgica ORLa puerta lgica OR o puerta O (or significa o en castellano), responde a lacondicin de que algo es llevado a cabo si se cumple al menos una condicinprevia.Volviendo al ejemplo que expusimos para las puertas AND, referente a lascondiciones que deban darse para llevar a cabo un viaje:resulta evidente que en la primera, tercera y cuarta hay varias alternativas parapoder hacer el viaje.Tiene dinero Y tiene das libres Y tiene un medio de transporte Y tiene alojamiento.ELECTRNICA52Figura 50. Smbolos depuertas AND de tres, cuatro yocho entradas segn lasnormas MIL-STD.Figura 51. Smbolos depuertas AND de tres, cuatro yocho entradas segn lasnormas DIN.Figura 52. Smbolos depuertas AND de tres, cuatro y