CIRCUITOS RECORTADORES, MULTIPLICADORES Y SUJETADORES. Comprobar el comportamiento tanto físico como simulado de los circuitos recortadores de voltaje en paralelo, un desplazador de nivel de voltaje en corriente directa variable positiva y un cuadriplicador de voltaje.
Circuitos recortadores de voltaje
Fig. 5.1 Forma de onda de entrada y salidas posibles de recortadores tipo paralelo
Los circuitos recortadores o limitadores de voltaje tienen, como su nombre lo indica, la función de impedir que un voltaje no sobrepase de cierto valor preestablecido, o en su defecto, que a partir de cierto voltaje se permita alimentar a alguna carga, siendo este tipo de recortador complementario al otro como se muestra en la Figura 5.1. Los recortadores pueden ser tipo paralelo y tipo serie. Recortadores de voltaje tipo paralelo En general, los circuitos recortadores utilizan una fuente de voltaje de corriente directa, un diodo y un resistor; los de tipo paralelo, no modifican el eje de simetría de la señal, porque la red de recorte se conecta en paralelo con la carga, mientras que los de tipo serie, agregan o restan el voltaje de la fuente de DC a la señal recortada, ya la red de recorte se conecta en serie con la carga. Para que un circuito recortador paralelo lleve a cabo su función, es necesario utilizar una fuente de directa cuya magnitud sea menor que el voltaje máximo de la señal que se desea recortar, en este caso se utilizará, una señalsenoidal.
La Figura 5.2a ilustra un recortador de voltajes de cresta tipo paralelo, el cual tiene dos etapas de funcionamiento que dependen de la polarización del diodo. a.- Si el voltaje de entrada es mayor que V X , el diodo se polariza en directo haciendo que el voltaje de salida sea Vx mas el voltaje de conducción del diodo, el cual idealizado se considera de cero volts. El resistor R s limita el valor de la corriente para que el voltaje de entrada no produzca una alta corriente en VX que pudiese dañarla, por tal motivo se recomienda que el valor de R S sea mucho mayor que la resistencia interna de la fuente que se desea recortar (R recortar (RS >>Rint). >>Rint). El circuito equivalente de esta etapa se presenta en la Figura 5.2b b.- Cuando el voltaje de entrada es menor que VX, el diodo se polariza en inverso aislando la fuente de directa del circuito constituido por el voltaje de entrada y los resistores R s y R L los cuales forman un divisor de tensión en la carga por lo que se requiere que R L sea mucho mayor a R S para que el voltaje de salida tienda a ser el voltaje de entrada, el circuito equivalente de esta etapa se encuentra en la Figura 5.2c, la Figura 5.2d nos muestra la forma de onda del voltaje de salida.
Fig. 5.2a Recortador paralelo de cresta positiva
Fig. 5.2b Forma de onda de voltaje de salida
Fig. 5.2c Circuito equivalente
Fig. 5.2b Circuito equivalente
Si en el circuito recortador de la Figura 5.2 se invierte la polaridad del diodo y la polaridad de la fuente V X se obtiene un recortador de cresta negativa como el que se observa en la Figura 5.3a cabe mencionar que en los recortadores de tipo paralelo no interfieren entre sí dos redes de recorte, la que recorte la cresta positiva con la que recorte la cresta negativa pudiéndose recortar amb as simultáneamente. Las dos condiciones de funcionamiento del circuito son:
a.- Si el voltaje de entrada cumple con la condición voltaje en la carga a valor nivel
el diodo se polariza en directo, recortándose el
, si se aproxima el voltaje del diodo a cero, el recorte tendrá el
.
b.- Cuando el voltaje de entrada satisface la condición el diodo se polariza en inverso aislando la fuente V x de la malla externa, la cual proporciona un voltaje de salida.
Los circuitos equivalentes para cada condición y la forma de onda del voltaje de salida se presentan en las Figuras 5.3 b-d.
Fig. 5.3a Recortador paralelo de cresta negativa
Fig. 5.3c Circuito equivalente
Fig. 5.3d Circuito equivalente
Fig. 5.3b Forma de onda de voltaje de salida
En los recortadores anteriores al cambiar la polaridad de la fuente de recorte entregan una señal de salida que tiene la forma del complemento de lo que actualmente recortan, estos circuitos y su forma de onda de salida se exhiben en la Figura 5.4 y 5.5
Fig. 5.4 Recortador de complemento de cresta positiva, forma de onda del voltaje de salida y circuitos equivalent es.
Fig. 5.5 Recortador de complemento de cresta negativa, forma de onda del voltaje de salida y circuitos equivalentes.
Multiplicadores de Voltaje Los multiplicadores de voltaje son circuitos que se alimentan con un voltaje de alterna y entregan un voltaje de directa, cuya magnitud es un número entero de veces la amplitud máxima de la señal alterna que los excitó. Existen otros tipos de circuitos multiplicadores que no serán estudiados en éste libro, cuya función consiste en multiplicar el valor de dos señales de voltaje mediante amplificadores logarítmicos yantilogaritmicos, o en otros casos utilizando convertidores digital-análogo (DACs) éste tipo de multiplicadores se aplican principalmente en el campo de las comunicaciones. Los multiplicadores que analizaremos están constituidos por lo general de un transformador elevador de voltaje, diodos y capacitores, el voltaje que previamente eleva el transformador alimenta a un arreglo de diodos y capacitores, los diodos entran en conducción en algunos de los semiciclos de la señal para cargar a los capacitores y los mismos diodos se polarizan posteriormente en inverso para evitar que se descarguen, al final se tiene un conjunto de capacitores en serie cargados con uno o dos veces el voltaje máximo de la señal de entrada que entregan el voltaje de salida del circuito. Como el voltaje se obtiene de las terminales de capacitores que se encuentran en serie, los multiplicadores de voltaje no tienen la capacidad de suministrar corrientes elevadas, salvo en el caso en que se utilicen capacitores de gran capacitancia. Es común que algunos circuitos multiplicadores se utilicen una señal alterna de entrada de alta frecuencia, que permite el uso de capacitores de baja capacitancia, porque su tiempo de descarga es reducido debido a esta condición. La Figura 5.6 ilustra un bloque funcional de la operación que realiza un multiplicador, estos circuitos tienen aplicaciones tan diversas como aceleración de haces electrónicos en tubos de rayos catódicos, filtros electrostáticos, encendido electrónico en autos o en estufas, perforación de plásticos para impresión de tintas, repulsión electrostática de partículas etc.
Fig. 2.46 Bloque funcional de un multiplicador de voltaje
Multiplicador de voltaje de media onda El análisis del funcionamiento de éste circuito se llevará a cabo construyendo el mismo, etapa por etapa y se utilizará el modelo de diodo ideal para facilitar su comprensión. Primera etapa, suponiendo que el circuito de la Figura 5.7a se encuentra recibiendo el semiciclo positivo a partir de cero, el diodo D1 se polariza en directo y permitirá que el capacitor C1 almacene el voltaje máximo en sus terminales al alcanzar la señal t = /2 radian, a partir de t > /2 radian el voltaje de la fuente senoidal empezará a decrecer respecto al máximo por lo cual la tensión en las terminales del diodo, que resulta de la suma del voltaje máximo en el capacitor con el nuevo voltaje de la fuente, provocan que se polarice en inverso, evitando que el capacitor C1 se descargue, conservando con ello el voltaje máximo, lo anterior está representado en la Figura 5.7 bc.
Fig. 5.6 Recortador Serie y forma de onda de salida
Fig. 5.7 Funcionamiento de la primera etapa de un multiplicador de voltaje de ½ onda respecto al desplazamiento angular
Si se agrega una etapa con un nuevo capacitor C2 y diodo D2 como se observa en la Figura 5.8a, se aprovecha el semiciclo negativo del voltaje de entrada, para polarizar al diodo D2 en directo y cargar al capacitor C2 con el voltaje máximo previamente almacenado en C1 y el nuevo voltaje máximo que entrega la fuente en t = 3/2 rad. A partir de t >3/2 rad el voltaje de la fuente comienza a crecer respecto a su valor máximo negativo polarizando al diodo D2 en inverso evitando que el capacitor C2 se descargue y almacene VC2 =2Vm como lo muestran las Figuras 5.8 b-c.
Fig. 5.8 Funcionamiento de la segunda etapa de un multiplicador de voltaje de ½ onda respecto al desplazamiento angular
Con una nueva etapa de capacitor C3 y diodo D3 como lo muestra la Figura 5.9a el segundo semiciclo positivo se utiliza para cargar a través del diodo D3 al capacitor C3 con el nuevo voltaje máximo de entrada menos el voltaje máximo de C1 y dos veces el voltaje máximo almacenado previamente en C2 con lo cual C3 almacenará 2Vm, evitando D3 que se descargue porque a partir de 5/2 se polariza en inverso, la condición de los diodos y los capacitores se observa en la Figura 5.9 b-c.
Fig. 5.9 Funcionamiento de la tercera etapa de un multiplicador de voltaje de ½ onda respecto al desplazamiento angular
Este proceso continua con los diodos y capacitores restantes dando por resultado el circuito cuadruplicador con la forma de onda de voltajes de salida que se muestran en la Figura 5.10a y 5.10b. Estos voltajes de salida se obtienen de las terminales de los capacitores que al usuario convenga con el correspondiente factor de rizo que se define en función de valor del resistor de carga conectado. Es conveniente aclarar que en la medida que se multiplica más
veces el voltaje, el circuito pierde capacidad de regulación porque el capacitor equivalente que alimenta la carga es menor en forma inversamente proporcional al número de par de veces que se multiplique el voltaje, reduciendo con ello la constante de tiempo del circuito serie RC de salida.
Fig. 5.10a Funcionamiento de la cuarta etapa de un multiplicador de voltaje de ½ onda respecto al desplazamiento angular
Fig. 5.10b Forma de onda secuencial de los voltajes de salida de un cuadruplicador de voltaje
Circuito sujetador de voltaje o desplazador de nivel En el campo de la electrónica es común que se requiera que a las señales se les modifique su nivel de directa positiva o negativamente para poderlas procesar como se muestra en la Figura 5.11. Para solventar ésta necesidad, la solución no es tan simple como conectar en serie una fuente de directa con la fuente de señal, puesto que existirán instantes en que ambas fuentes se encuentren con polaridad opuesta forzando la fuente de mayor magnitud a que circule corriente por la otra en sentido opuesto utilizándola como carga con las consecuencias de sobrecalentamiento o daño esperados. En la práctica se recurre a circuitos sujetadores de voltaje en los que se utiliza un capacitor, un diodo y una fuente de directa para realizar el desplazamiento del nivel. El capacitor tiene como función permitir que la señal que depende del tiempo circule hacia la carga y al mismo tiempo, bloquea la directa para impedir que ésta llegue a la fuente de señal, el diodo y la fuente de directa tienen como función desplazar el nivel de directa hasta el valor deseado. Eventualmente existen otras alternativas de solución como el amplificador cascode o el uso de amplificadores operacionales que no se analizarán de momento.
