Electrònica de potència i generació de senyal

Avui dia hi ha una gran quantitat de dispositius elèctrics que requereixen una variació de la seva alimentació (tensió) per funcionar correctament. Aquests sistemes d’alimentació variables es duen a terme fent servir components i circuits electrònics que permeten la regulació de velocitat d’un motor, la variació de la intensitat lluminosa, controls de temperatura de forns, alimentacions regulades, etc.

Aquests circuits utilitzen bàsicament semiconductors, com el tiristor i el triac per controlar la potència, i el diac.

Els circuits temporitzadors són utilitzats en el control d’apagada i encesa automàtica de motors, bombetes, ventiladors, etc. Veurem també circuits oscil·ladors d’ona sinusoïdal i circuits generadors de diferents tipus d’ones. Aquests circuits s’utilitzen per generar senyals de control, d’ajust i sincronització en altres circuits més complexos.

Per realitzar tots aquests circuits, utilitzarem transistors, amplificadors operacionals i algun circuit integrat lineal específic per a aplicacions analògiques.

Tiristor, fototiristor, triac i diac

L’aplicació dels dispositius semiconductors a l’electrònica de potència s’adreça primordialment al control i transformació de potència. Tots aquests dispositius dedicats a la potència deriven en una manera o en una altra del díode i del transistor. A grans trets, són els següents:

  • Tiristors, també anomenats rectificadors controlats de silici o SCR (de l’anglès silicon controlled rectifier).
  • Triacs o triodes per a corrent altern.
  • Diacs o díodes per a corrent altern.

Tiristors

El tiristor (SCR, silicon controlled rectifier o rectificador controlat de silici) és un dispositiu semiconductor biestable format per quatre capes P i N alternativament disposades (PNPN), tal com podem veure en la figura.

Un tiristor és un interruptor gairebé ideal i un rectificador.

Figura Representació del tiristor

  • Símbol elèctric del tiristor
  • Símbol elèctric del tiristor

El tiristor està format per tres terminals anomenats ànode (A), càtode (K) i porta (G, de l’anglès gate) respectivament. L’instant de commutació pot ser controlat amb tota precisió actuant sobre la porta (G). El tiristor és un element unidireccional, actua com un interruptor i només condueix corrent en un sentit, d’ànode a càtode. Sempre que l’element estigui polaritzat en sentit directe (tensió ànode positiu / càtode negatiu) i es faci aplicant un senyal a la porta (G) el tiristor conduirà.

El tiristor es comporta com un interruptor governat per un element, el terminal porta (G). Quan apliquem un impuls o un petit corrent a la porta (G), activem el pas de corrent que circularà pel tiristor (corrent entre ànode i càtode). Si la polarització és inversa (tensió ànode negatiu / càtode positiu), l’element estarà sempre bloquejat.

El tiristor pot tenir les aplicacions següents:

  • Rectificació: aprofitant que és un element unidireccional, fa la funció d’un díode.
  • Interruptor de corrent: si el fem servir com a interruptor, pot reemplaçar els contactors mecànics, molt més problemàtics.
  • Regulació: com que té la possibilitat d’ajustar el moment precís de conducció, permet governar la potència o el corrent de càrrega.
  • Amplificació: atès que el corrent de comandament és molt petit comparat amb el corrent principal, es produeix un fenomen d’amplificació de corrent o potència.

Càrrega

La càrrega és una resistència de consum que fa servir l’energia per dur a terme una feina. En són exemples una bombeta, un motor, un escalfador, etc.

El tiristor posseeix una sèrie de característiques que el fan apte per ser utilitzat en circuits de potència. Podem destacar-ne les següents:

  • Interruptor gairebé ideal
  • Amplificador eficaç (un petit senyal de porta produeix un gran senyal A-K).
  • Fàcil control
  • Característiques en funció de situacions passades (memòria)
  • Capacitat per suportar altes tensions.
  • Capacitat per controlar grans potències.
  • Rapidesa relativa

Podem distingir dos tipus de tiristors. Són els següents:

  • GTO, o gate turn-off, que vol dir que es pot apagar mitjançant la porta.
  • MCT o MOS controlled thyristor que vol dir tiristor control·lat per transistors de tipus MOS o MOSFET.

GTO

  • Símbol elèctric del GTO
  • Símbol elèctric del GTO

El GTO (gate turn-off) és un dispositiu semiconductor de potència que combina les característiques més desitjables d’un tiristor convencional i les d’un transistor bipolar, presentant l’avantatge de poder passar de l’estat de conducció a l’estat de bloqueig per mitjà de l’aplicació d’un impuls negatiu a la porta.

La característica V-I del GTO és similar a la d’un tiristor convencional. La tensió ànode-càtode (VAK) quan el dispositiu condueix serà aproximadament de 3 V, i el corrent que hi circula només es trobarà limitat per la càrrega exterior col·locada en el circuit.

La característica inversa del GTO és equivalent a una resistència que és incapaç de bloquejar tensió o de conduir un corrent significatiu. Per al corrent continu, el dispositiu no presenta cap problema. Això no obstant, si es vol bloquejar qualsevol tensió inversa, caldrà connectar en sèrie un díode amb el GTO, i si es vol que passi el corrent, haurem de connectar un díode en antiparal·lel amb el dispositiu. Això ho podem veure representat en la figura.

Figura Configuració d’un GTO en inversa

La característica de comandament s’estudia sobre un possible circuit de comandament de porta que inclou, a més, un sistema de protecció contra sobretensions i sobreintensitats del GTO, similar al que es fa servir amb els tiristors.

Figura Configuració de comandament

En la figura, podem veure el següent: d’una banda, per limitar la velocitat de creixement de la variació de tensió es fa servir el circuit format per la resistència RS, el díode DS, i el condensador CS; i de l’altra, per limitar la velocitat de creixement del corrent s’utilitza el circuit format per la bobina LZ, la resistència RLZ, i el díode DLZ.

En aquest circuit de comandament hi ha un temps durant el qual el senyal és positiu respecte al càtode —i dóna senyal—, i un altre durant el qual és negatiu i no dóna cap senyal.

MCT

  • Símbol elèctric del MCT
  • Símbol elèctric del MCT

L’MCT (MOS controlled thyristor) és un tiristor o un GTO integrat en una pastilla juntament amb dos transistors tipus MOSFET. Un d’aquests transistors passa el tiristor de l’estat de tall a l’estat de conducció, mentre que l’altre el passa de l’estat de conducció a l’estat de tall.

La freqüència de commutació del dispositiu pot ser superior als 20 kHz. Caldrà tenir en compte que la caiguda de tensió en conducció del MCT és baixa, atès que es troba al voltant de 1,1 V.

El MCT té una sèrie de propietats que cobreixen un ampli rang d’aplicacions. El seu principal desavantatge és que la seva capacitat de bloqueig invers del dispositiu és inferior a la del GTO, en favor de la velocitat de commutació.

Funcionament del tiristor en corrent continu

  • Símil elèctric del tiristor/-20
  • Símil elèctric del tiristor

El tiristor és com un díode: l’hem de polaritzar correctament, tal com es pot veure en la figura. Hem d’aplicar el potencial positiu (+ de bateria) a l’ànode (A), i el negatiu (− de bateria) al càtode (K). En aquestes circumstàncies, el tiristor estarà en disposició de conduir, però no conduirà fins que no apliquem una petita tensió o corrent al terminal porta (G).

Figura Polarització directa

Símil elèctric

Com a concepte de funcionament del tiristor es pot substituir el tiristor per un interruptor per entendre que el seu comportament és similar. La porta governarà quan es tanca l’interruptor i quan s’obre.

Si, al contrari, polaritzem inversament (figura), és a dir, si apliquem el potencial negatiu (− de bateria) a l’ànode (A), i el positiu (+ de bateria) al càtode (K), el dispositiu no funcionarà mai, encara que apliquem alguna tensió o corrent al terminal porta (G). El seu comportament serà el d’un interruptor obert.

Figura Polarització inversa

VAK: tensió entre ànode i càtode

En la corba característica de la figura idealitzada del tiristor, hi podem distingir tres zones:

  1. Zona 1. VAK positiva (l’ànode té major potencial que el càtode). La intensitat de l’ànode (IA) pot seguir essent nul·la. El dispositiu es comporta com un circuit obert (es troba en estat de bloqueig directe).
  2. Zona 2. VAK positiva. En aquest instant s’introdueix un senyal de comandament per la porta que fa que el dispositiu basculi de l’estat de bloqueig a l’estat de conducció i que circuli una IA pel dispositiu, intensitat que estarà limitada només pel circuit exterior. L’element està en estat de conducció. El pas d’estat de conducció a estat de tall es fa polaritzant la unió ànode-càtode en sentit invers, el que provocarà que la intensitat principal que circula es faci menor que el corrent de manteniment (IH).
  3. Zona 3. VAK negativa. La IA és nul·la, per la qual cosa el dispositiu equival a un circuit obert i es troba en estat de bloqueig invers.

Figura Símbol i gràfic de característiques de funcionament en CC

Quan el polaritzem inversament —figura— (tensió ànode negatiu / càtode positiu), el tiristor no conduirà, es comportarà com un interruptor obert. Ara bé, el tiristor pot suportar una tensió inversa màxima que dóna el fabricant, anomenada VRSM (tensió inversa màxima no repetitiva): si superem aquest límit, el tiristor conduirà en efecte allau i es destruirà.

Quan el polaritzem directament —figura— tenim dues possibilitats:

  1. Sense excitació de porta, és a dir que no apliquem cap senyal al circuit. En aquestes condicions, si no s’aplica cap senyal en la porta (G) i l’ànode-càtode està polaritzat directament (tensió ànode positiu / càtode negatiu), el tiristor no conduirà.
  2. Amb excitació de porta, és a dir que apliquem senyal al circuit. Si apliquem un corrent de porta (G), el tiristor entrarà en conducció i es comportarà com un interruptor tancat, de manera que circularà corrent entre l’ànode i el càtode. La tensió ànode-càtode VAK en conducció és d’entre 1 i 2 V.

En la figura, corresponent a les corbes característiques del tiristor, podem observar que en el primer quadrant no hi ha corrent IA, encara que augmenti la tensió VAK, el que indica que el tiristor no condueix. Quan hi ha un corrent de porta IL sí que condueix, la qual cosa queda reflectida en l’augment de corrent IA. El valor IH és el corrent mínim de porta (G) per mantenir el tiristor en conducció. El valor VT és la caiguda de tensió del tiristor quan condueix.

Figura Corbes característiques del tiristor

En el tercer quadrant podem veure com el tiristor polaritzat inversament no condueix, fins que arriba al valor màxim que pot suportar (VRSM —tensió inversa màxima no repetitiva), en què es produeix l’efecte allau.

Tant per a l’estat de bloqueig directe com per a l’estat de polarització inversa, hi ha uns petits corrents de fugues.

Modes de comandament de tiristors

Als Annexos del web hi trobareu un arxiu per simular un tiristor comandat amb corrent continu i un altre de comandat per corrent altern.

Es poden distingir tres modes de comandament per al tiristor:

  1. Comandament de porta per corrent continu. En el circuit de la figura podem veure com aplicant un corrent d’una bateria es pot governar el tiristor perquè condueixi.
  2. Comandament de porta per corrent altern. En el circuit de la figura podem veure com aplicant un corrent altern també es pot governar el tiristor per què condueixi.
  3. Comandament per pols de senyal o tren d’ones. En el circuit de la figura podem veure com aplicant un successió de polsos elèctrics també es pot governar el tiristor perquè condueixi.

Figura Comandament per corrent continu

Figura Comandament per corrent altern

Figura Comandament per pols de senyal

Triac

  • Símbol electrònic del triac
  • Símbol electrònic del triac

El triac és un semiconductor de tres terminals: dos de principals (E1 i E2, o T1 i T2), i un altre de control, denominat porta (G). Aquest dispositiu té la capacitat de controlar el pas de corrent en ambdues direccions (és a dir, és un dispositiu bidireccional), per la qual cosa és molt utilitzat en la regulació de corrent altern.

El triac presenta l’avantatge de poder passar a l’estat de conducció tant per a tensions negatives com per a tensions positives. Una manera simple de descriure’n el comportament és comparant-lo amb dos tiristors connectats en antiparal·lel, com es veu en la figura.

Figura Símil en antiparal·lel

És més fàcil controlar un triac que dos tiristors, però quan la potència que s’ha de controlar és excessiva per a les característiques del triac (atès que la potència que el triac pot dissipar és reduïda), es pot substituir per dos tiristors col·locats en antiparal·lel.

El triac és sensible a variacions poc brusques de tensió i corrent en un espai de temps reduït. Per tant, es pot dir que el dispositiu té baixa velocitat de commutació (una freqüència de treball d’entre 50 i 60 Hz). El límit de freqüència per a aquest tipus de dispositius es troba a l’entorn dels 400 Hz. També s’hi pot veure que la corba característica del triac és idèntica a la del tiristor. Aquesta característica la veiem representada en la figura, on podem observar la simetria del dispositiu. Però com que el triac pot conduir en els dos sentits, aquesta corba és simètrica en els quadrants 1 i 3.

Figura Corba característica del triac

Modes de funcionament del triac

Segons es pot apreciar en la figura, hi ha quatre modes de comandament.

Figura Modes de funcionament del triac

En el primer quadrant podem veure com al terminal T2 s’hi aplica el potencial positiu i al terminal T1, el negatiu, i a la porta G un potencial positiu. En el segon quadrant tenim els terminals T2 i T1, igual que en l’anterior, però la porta ara és negativa. En conclusió, el triac pot conduir tant si el corrent de porta (G) és positiu com si és negatiu. En el tercer i quart quadrants, al terminal T2 s’hi aplica el potencial negatiu i al terminal T1, el positiu. En aquest cas, el triac també condueix, tant si el corrent de porta (G) és positiu com si és negatiu.

En la figura veiem un regulador de corrent altern amb triac. Com podem observar en el circuit i en els oscil·logrames, quan arriba el senyal a la porta (G) el triac condueix, la qual cosa queda reflectida en el gràfic de corrent del triac. Quant el corrent altern passa per zero, el triac deixa de conduir, i no condueix fins que no arriba un altre senyal a la porta.

Figura Regulador d’alterna amb triac

Diac

  • Símbol del diac
  • Símbol del diac

Figura Corba característica de diac

El diac és un element semiconductor simètric; és a dir, no està polaritzat. La seva tensió de conducció és aproximadament d’uns 30 volts.

Els diacs són molt útils per fer variadors de potència molt simples. Permeten obtenir corrents de comandament de valor elevat amb condensadors de poc volum. Com podem observar en la figura, la corba característica del diac condueix en els dos sentits del corrent i es dispara en la tensió VBO del gràfic.

Sistemes d'alimentació controlats

El control dels sistemes d’alimentació es realitza mitjançant els circuits de comandament, que són els circuits destinats a fer el control i a governar el funcionament dels elements de control de potència. Els circuits de comandament de tiristors i triacs presenten dues maneres de controlar:

  1. El circuit de tot o res, que s’utilitza en els circuits:
    • relés estàtics,
    • control de potència.
  2. El circuit per angle de fase, que s’utilitza en els circuits:
    • rectificació controlada,
    • control de corrent altern,
    • altres circuits de control.

Circuit de tot o res

La característica general d’aquest circuit és que només hi ha dos estats de comportament o funcionament: l’estat de conducció o tot (conducció sempre al mateix corrent) i l’estat de bloqueig o res.

Relés estàtics

Relé estàtic

Un relé estàtic és un interruptor electrònic, normalment per a un tiristor o un transistor de potència.

Els tiristors i els triacs substitueixen en gran mesura els relés i els contactors convencionals, ja que presenten alguns avantatges respecte d’aquests, com són:

  • Una major rapidesa de resposta
  • Menor mida
  • No hi ha contactes mecànics
  • No hi ha espurneig entre contactes

En la figura podem veure per blocs els elements que formen un relé estàtic.

Figura Blocs d’un relé estàtic

Els circuits que fan servir tiristors o triacs com a interruptors estàtics acostumen a tenir la mateixa disposició, tal com queda reflectit en la figura. Allà es pot apreciar l’element de control de potència (tiristor, triac…) connectat a la càrrega. Un circuit de control de comandament està governat bé per un interruptor, o bé per un sensor com ara una fotocèl·lula, un termistor, etc.

Circuit de control de potència asíncron

En nombroses aplicacions, un circuit electrònic ha de respondre directament a tot o res per mantenir una variable física (temperatura, llums, etc.) a un valor constant, regulant-ne la potència. Així, podem distingir entre els circuits de control de potència síncrons (sincronitzats a la freqüència de la xarxa) i els asíncrons (més econòmics però més dèbils enfront les interferències a radiofreqüències i paràsits).

Figura Exemple de circuit de control de potència asíncron

Als Annexos del web hi trobareu un arxiu per simular un control de potència asíncron.

El funcionament d’aquest circuit mostrat a la figura es basa en el següent: quan la fotocèl·lula F (sensor) està il·luminada, la seva resistència és baixa i el condensador es podrà carregar a la tensió de conducció del diac D (element de comandament) i podrà aplicar un pols de corrent al triac Tr (element de control de potència), de manera que pugui circular corrent per la bombeta (càrrega); en canvi, si la fotocèl·lula F es troba amb poca llum, la seva resistència serà molt alta i el condensador no es podrà carregar a la tensió de conducció del diac D, de manera que el triac Tr no conduirà i la bombeta no s’encendrà.

Circuit de control de potència síncron

Aquest circuit té l’avantatge respecte dels circuits asíncrons que no produeix paràsits ni interferències en la commutació. I tot això és gràcies al circuit de detecció de pas per zero.

LDR: resistència que varia amb la llum.

NTC: resistència que baixa el seu valor amb la temperatura.

PTC: resistència que augmenta el seu valor amb la temperatura.

Figura Circuit de control síncron

Tal com podem veure en la figura (en què se’ns mostra l’esquema de blocs típic d’aquest circuit), el circuit de control de potència síncron consta dels elements següents:

  • Detector de pas per zero: encarregat de sincronitzar el circuit cada vegada que passa per zero volts.
  • Comparador: verifica les condicions establertes pel sensor. Compara les sortides del generador de polsos i del detector de pas per zero.
  • Generador de polsos: tren de polsos per sincronitzar el sistema.
  • Element de control de potència: rep els polsos de govern del comparador.

Tot es pot controlar o bé per l’interruptor I o bé per un altre sensor del tipus PTC, NTC, LDR, etc.

Aquests circuits de potència s’acostumen a dissenyar per a necessitats molt concretes, normalment amb circuits integrats, ja que aquests circuits de control són més complexos.

Circuit de control per angle de fase

El circuit de control per angle de fase és un circuit (figura) que serveix bàsicament per aplicar a la porta (G) un senyal de comandament en un temps diferent del temps d’aplicació de tensió entre ànode i càtode.

Figura Circuit bàsic

Circuit RC

Un circuit RC és un circuit format per una resistència i un condensador en sèrie, que produeix un retard de temps.

Això s’aconsegueix amb circuits RC, que desfasen o retarden el temps, cosa que podem observar en l’oscil·lograma de la figura.

Figura Oscil·lograma de resposta en RC

Figura Angle de control en corrent continu

En la figura veiem en els gràfics i les formes d’ona com el tiristor només pot variar l’angle de comandament i control com a màxim els primers 90° en els circuits de corrent continu.

Rectificador controlat

El rectificador controlart és un circuit que converteix el corrent altern en un corrent polsant, en el qual el corrent polsant pot variar en funció del control de comandament (figura).

Figura Rectificador controlat

Podem observar que és un pont rectificador normal en què s’han substituït dos díodes per dos tiristors. El seu funcionament és idèntic al d’un rectificador, amb els circuits de comandament, que són els que governen el temps de conducció. En la forma d’ona veiem el control de com podem retallar el pas de corrent.

Circuits de control de corrent altern

Els circuits de control de corrent altern proporcionen a la càrrega una tensió retallada en el semicicle positiu (figura).

Figura Control de corrent altern

Si variem la part retallada (conducció) i el potenciòmetre R1, obtindrem el control de potència.

Figura Oscil·lograma del circuit de corrent altern

Com podeu veure a l’oscil·lograma de la figura, el canvi d’angle de conducció es produeix variant en el desfasador la resistència variable R1 i fent que a la càrrega li arribi més o menys corrent. En aquest circuit podem controlar l’angle de conducció de 0° a 180°.

Temporitzadors

Els circuits temporitzadors s’utilitzen en multitud d’aplicacions industrials quan es necessita un temps de retard entre una actuació i la següent. N’hi ha de tot tipus, des dels més senzills, basats en circuits RC, fins als més complicats retards digitals, passant pels sistemes basats en el circuit integrat 555, d’us molt estès.

555

El circuit 555 és un circuit integrat capaç de funcionar en múltiples configuracions tant com a temporitzador com a oscil·lador, entre d’altres.

Si bé els retards basats en circuits RC són poc precissos, els basats en el 555, que funciona generant trens de polsos a freqüència control·lada, són molt satisfactoris.

En general, els circuits temporitzadors es basen en una estructura anomenada multivibrador monoestable. Un multivibrador monoestable és un circuit en què la sortida té dos valors o estats possibles, un dels quals és estable i l’altre inestable. Els monoestables són circuits que només tenen una entrada de control. Aquesta entrada de control s’utilitza per canviar de l’estat estable a l’estat inestable introduint un petit impuls. Passat un cert temps, l’estat inestable acaba i el circuit torna a l’estat estable automàticament sense necessitat de cap impuls extern al circuit.

Els circuits monoestables s’utilitzen normalment com a temporitzador. Un circuit temporitzador proporciona a partir d’un impuls a la seva entrada un senyal de sortida d’una durada determinada.

Els temporitzadors s’utilitzen per controlar el temps de connexió o desconnexió d’alguns circuits o dispositius. Podeu trobar temporitzadors en:

  • Processos industrials
  • Controls automàtics: obertura de caixes fortes, control de reg, etc.
  • Aparells electrònics de consum: microones, forns, ventiladors, televisors, etc.
  • Sistemes d’alarma

Un temporitzador pot produir diferents tipus de retard:

  • Retard en la connexió
  • Retard en la desconnexió
  • Retard en la connexió i desconnexió

Temporitzadors amb circuits RC

Als Annexos del web hi trobareu explicacions extenses per simular un temporitzador basat en un circuit RC, així com uns arxius de simulació.

El circuit de la figura conforma el circuit de retard més senzill que es pot concebre. Basa el seu funcionament en el temps de càrrega d’un condensador de valor elevat a través d’una resistència.

Figura Retard amb circuit RC

Quan es tanca l’interruptor J1, com el condensador està descarregat, tot el corrent descriu el camí assenyalat com a I1, començant-se a carregar el condensador. El temps de càrrega vindrà donat per la constant de temps del circuit RC, que és τ = R · C.

Quan ha passat aproximadament un temps igual a la τ (durant el qual el condensador s’haurà carregat aproximadament fins a dues terceres parts de la seva capacitat), el corrent que anava pel camí I1 comença a deixar aquest camí per decantar-se progressivament pel camí marcat per I2, a on hi hauria col·locat l’actuador que s’hauria d’accionar (per exemple, un relé).

Amb aquesta configuració s’ha aconseguit un retard de temps tτ. El què passa és que depenent de la necessitat de corrent de l’actuador, així com de la integritat de la resistència i el condensador, entre d’altres factors, el temps real de retard no és gens precís.

Temporitzadors amb transistors

Es poden implementar circuits temporitzadors formats per transistors treballant en commutació.

Figura Temporitzador amb retard en la desconnexió

En la figura, inicialment el polsador està en estat de repòs, el condensador descarregat i el transistor en tall, ja que la tensió de base (Vb) és zero. Quan premeu el polsador, aquest connecta directament els extrems de condensador a VCC i queda carregat instantàniament. Quan el polsador torna a la seva posició de repòs, el condensador es descarrega a través de R i proporciona durant quasi tot el temps de descàrrega una Vb prou gran per saturar el transistor, i en conseqüència el LED s’il·luminarà tot el temps que el transistor estigui saturat.

El circuit de la figura, amb el polsador en la posició de repòs, el condensador es carrega a través de la resistència de 15 kΩ i satura el transistor T1. En estar T1 saturat, connecta la base de T2 directament a massa i col·loca T2 en tall i, per tant, el LED està apagat. Quan premeu el polsador, realitzeu un curtcircuit als extrems de C i el descarregueu, T1 passa a tall i T2 queda connectat a VCC a través de la resistència de 1 kΩ, passant a saturació i il·luminant el LED. En tornar el polsador a la seva posició inicial, el condensador es va carregant fins que, passat un temps, satura T1. Llavors, T2 bascula a tall i el LED s’apaga.

Figura Circuit temporitzador

En circuit de la figura, volem il·luminar el LED amb retard respecte al moment que accionem l’interruptor. Inicialment es pot observar que C està carregat, T1 en saturació, T2 en tall i el LED apagat. Quan accioneu l’interruptor, C es descarrega a través de R i, passat un temps, la tensió al condensador és zero (s’ha descarregat) i T1 bascula a tall. Llavors T2 queda connectat a través de la resistència a VCC i se satura, il·luminant el LED.

Figura Temporitzador amb retard en la connexió

Exemple

Observeu el circuit de la figura següent i intenteu deduir què passa amb la bombeta quan premeu el polsador.

Solució:

El circuit de la figura anterior és igual que l’introduït a la figura, amb la diferència que s’ha substituït el LED per un relé. Quan T2 se satura, el corrent travessa la bobina del relé i acciona el commutador, connectant la bombeta a la seva FA, de forma temporitzada.

Temporitzadors amb el 555

En la figura hi ha el 555, un circuit integrat molt estable i de gran precisió, que pot funcionar com a oscil·lador, temporitzador i oscil·lador controlat per tensió (VCO).

Figura Disposició de pius del 555 i estructura interna

Porta inversora NOT

La porta NOT si a l’entrada té un 1, a la sortida dóna un 0 i si a l’entrada té un 0, a la sortida dóna un 1. Aquest 1 equival a una tensió igual a la tensió d’alimentació (VCC) i el 0 a zero volts.

En la figura, podeu veure, en primer lloc, la disposició de pius del 555, que es presenta en forma de xip de vuit terminals. En segon lloc, en podeu veure l’estructura interna, que està constituïda per dos amplificadors operacionals (AO) funcionant com a comparadors i tres resistències de 5 k connectades entre elles, proporcionant les tensions de referència als dos AO (l’entrada inversora de l’AO1 val 2/3 de VCC, i l’entrada no inversora de l’AO2 val 1/3 de VCC). En el circuit, podeu observar també un biestable RS, un transistor i una porta inversora (NOT).

Reset: reiniciar, posar a zero un circuit.

és la sortida negada del biestable RS.

Els terminals del 555 són:

  • Els terminals 1 (GND) i 8 (VCC) es connecten al negatiu i positiu de la FA respectivament. L’integrat permet ser alimentat a una tensió compresa entre 4,5 i 16 V.
  • El terminal 4 és el reset (RES), si es connecta a terra (massa) l’integrat deixa de funcionar. Per a les aplicacions que veureu, aquest terminal es connecta directament al positiu de la FA.
  • El terminal 3 és la sortida del dispositiu (OUT).
  • El terminal 2 és l’entrada de disparament (TRI, de l’anglès trigger) i correspon a l’entrada inversora de l’AO2. Quan la tensió aplicada és més petita de 1/3 de la tensió d’alimentació (VCC), AO2 proporcionarà un nivell alt. Aquest nivell s’aplica a l’entrada S del biestable RS, i la seva sortida Q’ bascula a nivell baix. Això farà que el transistor passi a estat de tall. En aquest cas, l’entrada de la porta inversora valdrà 0 i, per tant, la sortida (OUT) del 555 serà 1.
  • El terminal 6 és l’entrada llindar (THR, de l’anglès threshold) i correspon a l’entrada no inversora de l’AO1. Quan la tensió en aquest terminal superi els 2/3 de VCC, l’AO1 proporcionarà a l’entrada R del biestable RS un nivell alt que farà bascular a nivell alt; això farà que el transistor passi a l’estat de saturació. En aquest cas, l’entrada de la porta inversora valdrà 1 i, per tant, la sortida (OUT) del 555 serà 0.

Als Annexos del web hi trobareu un arxiu per simular un temporitzador amb 555.

El circuit de la figura és l’esquema del 555 que funciona com a temporitzador. Amb aquest circuit podeu temporitzar des de microsegons (μs) fins a hores, amb una gran estabilitat i precisió.

Figura El 555 com a temporitzador

El seu funcionament és el següent:

  1. Inicialment, la sortida del biestable RS es troba a 1, cosa que significa que la sortida (OUT) està a 0; al mateix temps, el transistor està saturat, i en estar connectat en paral·lel amb el condensador C, aquest està descarregat. Aquesta situació es manté fins que es produeix un impuls a l’entrada de disparament (TRI). En la figura podeu veure la forma de l’impuls generat pel polsador. Consisteix a posar a 0 volts l’entrada durant un petit instant t1.
  2. Després de produir-se aquest impuls, la sortida de l’AO2 es posa a 1, igual que l’entrada S del biestable; en conseqüència, la seva sortida és igual a 0; d’aquesta manera, la sortida val 1. El transistor intern bascula a tall i deixa que el condensador C es carregui a través de R. Quan la tensió en els extrems del condensador són 2/3 de VCC, la sortida de l’AO es posa a nivell alt. L’entrada R del biestable es col·loca a 1 i tornem a la posició inicial , i la sortida a 0.

Figura Impuls a l’entrada TRI

El temps durant el qual la sortida es manté a nivell alt es troba a partir de la fórmula següent:

Exemple de circuit temporitzador

En un circuit temporitzador format per un 555, el valor de la resistència és de 100 kΩ i el valor del condensador és de 100 µF. Calculeu el temps en el qual la sortida estarà a nivell alt després de produir-se un impuls a l’entrada TRI.

Solució:

Substituint els valors en la fórmula teniu:

El temps de temporització és igual a 11 s.

Exemple de temporitzador d'enllumenat

El president de veïns d’un edifici ens proposa realitzar un circuit que controli la temporització dels llums de l’escala del bloc. Ens ha dit que quan s’activa el polsador, els llums han de romandre il·luminats durant cinc minuts aproximadament. Calculeu el valor de R i C del circuit temporitzador realitzat amb el 555.

Solució:

El temps T ha de ser igual a cinc minuts. El primer que heu de fer és passar a segons aquest valor:

Substituint en la fórmula:

Com que teniu una equació i dues incògnites, la R i la C, fixareu el valor d’una d’aquestes. Escollireu un valor normalitzat i fàcil de trobar al mercat del condensador, com pot ser 1000 µF. Aquest valor el substituïu en la fórmula i queda:

Aïllant la R de la fórmula teniu:

Oscil·ladors

Els oscil·ladors són circuits que a la seva sortida ofereixen un senyal periòdic. N’hi han de naturaleses molt diverses, i poden generar formes d’ona diferents, en funció de la seva estructura, que pot estar basada en:

  • Transistors
  • Amplificadors operacionals
  • 555
  • Cristalls de quars

Oscil·ladors RC

L’oscil·lador RC està format per un amplificador amb un circuit de realimentació constituït per tres resistències i tres condensadors. En la figura podeu veure, en primer lloc, un oscil·lador RC basat en un AO i, en segon lloc, un oscil·lador RC amb transistor FET.

L’amplificador FET, així com qualsevol altre transistor, produeix un desfasament de 180º entre el senyal d’entrada i el senyal de sortida. Per aquest motiu, la xarxa de realimentació ha de desfasar uns altres 180º el senyal, de tal manera que es produeixi un desfasament total de 360º, o sigui de 0º. Cada conjunt de condensador i resistència produeix un desfasament de 60º, i com que hi ha tres condensadors, el desfasament total serà 3 · 60º = 180º.

Figura Oscil·ladors RC amb amplificador operacional i FET

La freqüència d’oscil·lació de l’oscil·lador RC ve donada per la fórmula següent:

Exemple de càlcul de la freqüència d'oscil·lació

Calculeu la freqüència d’un oscil·lador RC si C = 22 µF i R = 1,5 kΩ.

Solució:

Si substituïu els valors donats de resistència i condensador en la fórmula de la freqüència, obteniu:

Oscil·ladors LC

En aquests oscil·ladors, la xarxa de realimentació està formada per bobines i condensadors. En la figura podeu veure el circuit ressonant, format per un condensador i una bobina.

Figura Circuit ressonant

En la figura, suposeu que el condensador ha estat prèviament carregat amb una tensió contínua. En connectar la bobina als extrems del condensador (a i b), el condensador trasllada la seva energia a la bobina —aquesta energia és emmagatzemada per ser alliberada després— per carregar un altre cop el condensador, i així successivament. Si no hi hagués pèrdues, entre a i b es generaria una ona sinusoïdal perfecta.

La freqüència d’oscil·lació d’un oscil·lador LC ideal ve donada per la fórmula:

En la majoria d’oscil·ladors LC la xarxa de realimentació està constituïda per tres impedàncies d’acord amb l’esquema general de la figura.

Figura Diagrama general d’un oscil·lador LC

Si en la figura, Z2 i Z3 són dues bobines i Z1 un condensador, estarem parlant d’un oscil·lador Hartley (figura) i si Z2 i Z3 són dos condensadors i Z1 una bobina estarem parlant d’un oscil·lador Colpitts.

Figura Oscil·lador Colpitts i oscil·lador Hartley

La freqüència d’oscil·lació ve donada per la fórmula anterior, però amb la diferència que en un oscil·lador Colpitts, com que hi ha dos condensadors, la capacitat equivalent és:

En canvi, a l’oscil·lador Hartley, la inductància total a considerar és:

Als Annexos del web hi trobareu un arxiu per simular un oscil·lador Colpitts.

Exemple d'oscil·lador Colpitts

En la figura següent teniu un oscil·lador Colpitts amb NPN. Trobeu el valor de la freqüència d’oscil·lació aplicant la fórmula i amb la utilització de l’oscil·loscopi.

Solució:

Si apliqueu la fórmula, substituint els valors obtinguts de la xarxa de realimentació de l’esquema anterior teniu: L = 1 mH; C1 = 1 µF; C2 = 1 µF.

Si calculem el valor de la freqüència a partir de la gràfica de la figura, el primer que heu de fer és trobar el període (T). En la figura, els indicadors verticals limiten un període (T) de la ona, per tant, la diferència dels dos temps T2T1 ens dóna el període T. Si observeu la part dreta superior T2T1 = 140,5 µs, i amb aquest valor, la freqüència és igual a:

Com podeu observar, són dues maneres diferents de trobar la freqüència d’oscil·lació, la primera teòricament aplicant la fórmula i la segona pràcticament utilitzant l’oscil·loscopi.

Exemple d'oscil·lador Hartley

En la figura següent veieu un oscil·lador Hartley amb NPN.

Trobeu el valor de la freqüència d’oscil·lació amb la utilització de l’oscil·loscopi.

Solució:

Primer de tot, connectarem l’oscil·loscopi a la sortida del circuit, amb els dos indicadors T1 i T2 marcarem un període (T). La diferència d’aquests dos punts és igual a 284,16 μs. (T = 284,16 μs). Si feu l’invers de T trobareu la freqüència (f).

A la figura següent podeu veure el resultat obtingut amb l’oscil·loscopi:

Oscil·ladors amb cristall de quars

A l’hora de realitzar oscil·ladors, de vegades interessa que la freqüència d’oscil·lació sigui el més estable possible. Els dispositius que ho fan millor són els cristalls de quars.

Quars

Els cristalls de quars s’utilitzen per fer oscil·ladors (clocks) per a sistemes digitals com comptadors, rellotges, microprocessadors, etc.

El quars és un mineral que presenta una sèrie de propietats anomenades piezoelectricitat:

  • En aplicar una tensió alterna entre els seus extrems, es produeixen unes forces interiors que originen una vibració de freqüència igual a de la tensió aplicada.
  • De la mateixa manera, si es produeix una força entre dues cares del cristall, aquest genera una diferència de potencial.

Aquestes dues propietats són utilitzades per crear oscil·ladors de gran estabilitat i precisió.

A la figura es pot veure l’estructura dels cristalls de quars i el seu símbol elèctric.

Figura Cristall de quars i símbol del cristall de quars

El comportament del cristall de quars és equivalent al circuit de la figura. El valor de la bobina depèn de la massa del cristall, la Cs de l’elasticitat, la R de la fricció mecànica i la Cp, que correspon a la capacitat electrostàtica als extrems dels terminals. Els valors de L, R, Cs i Cp depenen de les dimensions del cristall. Així doncs, aquests valors determinaran la freqüència d’oscil·lació (fo).

Figura Circuit equivalent al cristall de quars

En el mercat, podem trobar gran varietat de cristalls amb diferents freqüències d’oscil·lació, com poden ser: 1,5 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 15 MHz, 40 MHz, etc.

Exemple d'oscil·lador

El circuit de la figura següent és molt similar a un oscil·lador Colpitts, on s’ha substituït la bobina per un cristall. La bobina que apareix en el col·lector del transistor s’utilitza per impedir el pas de l’oscil·lació cap a la font d’alimentació (FA).

La figura següent correspon a la sortida de l’oscil·lador. Si l’observeu, el període de l’ona T = 664,8 ns, llavors la f = 1.504.211 Hz, que són aproximadament 1,5 MHz, el valor del cristall de quars col·locat en el circuit.

Multivibrador astable

Un circuit astable genera un senyal quadrat com el de la figura.

Figura Senyal típic de sortida d’un astable

El circuit de la figura està format per dos transistors i és totalment simètric.

Figura Multivibrador astable amb dos transistors

Quan es connecta a l’alimentació, un dels dos transistors, el de guany superior, se satura, i a causa de la connexió entre tots dos l’altre passa automàticament a estat de tall. Al cap d’un temps, en funció de la resistència de base (RB) i del condensador (C), el transistor que està en tall passa a saturació i el que està en saturació passa a tall. Aquest procés es repeteix contínuament sempre que es mantingui connectat. El circuit té dues sortides complementàries entre elles, la 1 i la 2. Com podeu veure, les sortides s’obtenen dels col·lectors dels dos transistors.

El període de l’ona originada s’obté amb l’aplicació de la fórmula següent:

On RB és la resistència de base i C la capacitat del condensador utilitzat. Si els components utilitzats són de les mateixes característiques i valors, els dos semiperíodes de l’ona són idèntics i iguals a T/2, essent T el període del senyal.

Aquest circuit té moltes aplicacions, una de les quals podria ser la de la figura, on s’han col·locat dos LED. Aquests s’apagaran i s’il·luminaran d’acord amb el període de l’ona creada.

Aplicacions

El multivibrador astable amb dos transistors podria tenir diverses aplicacions, des de la simulació d’alarma d’un cotxe fins a la simulació dels indicadors d’un pas a nivell en la maqueta d’un tren elèctric.

Figura Intermitent amb astable

Ultrasons

El ultrasons són ones de pressió sonora amb freqüència per sobre del nostre llindar audible. Els humans només podem sentir sons compresos en la banda de freqüències que va dels 20 Hz als 22 kHz. Avui en dia són moda els repel·lents d’insectes per ultrasons, que no són res més que un circuit astable en què la freqüència del senyal generat és l’adequada.

Exemple de multivibrador amb transistors

Simuleu el semàfor ambre que es troba en una cruïlla de trens d’una maqueta, on la intermitència ha de ser de 0,5 s.

Solució:

Segons l’enunciat, el LED ha d’estar il·luminat durant 0,5 s i durant 0,5 s apagat. Recordeu que quan un LED està il·luminat, l’altre està apagat, són complementaris. El T del senyal serà la suma del semiperíode alt més el semiperíode baix.

Si utilitzem la fórmula:

Substituint valors:

Teniu una equació amb dues incògnites. Quan s’arriba en aquesta situació s’ha d’escollir un valor de condensador, com pot ser 100 µF. Fixant aquest valor, trobareu el valor de RB. Aïlleu RB de la fórmula anterior i teniu:

Substituint els valors:

Per tant, heu dissenyat el circuit amb els valors següents C = 100 µF i RB = 7,246 Ω.

En el circuit de la figura, substituint un dels LED per un altaveu, aquest produiria un determinat so d’acord amb la freqüència de l’ona generada. Variant el valor de RB i C, el so pot ser des d’agut fins a greu. Fins i tot podríem generar ultrasons.

Multivibrador astable amb 555

Als Annexos del web hi trobareu un arxiu per simular un astable amb 555.

Per a què el 555 funcioni com a multivibrador astable s’han de realitzar les connexions externes de la figura.

Figura 555 com a astable

Segons el circuit de la figura, en un primer moment C està descarregat, la tensió als seus extrems és inferior a 1/3 de VCC i l’entrada TR de l’AO2 fa bascular el biestable, que lliura a la sortida (OUT) el nivell alt; al mateix temps, el transistor està en tall, amb la qual cosa el condensador (C) es començarà a carregar a través de Ra i Rb. Quan la tensió en el condensador superi 2/3 de VCC, l’entrada THR de l’AO1 farà bascular de nou el biestable i la sortida es posarà a nivell baix. En aquest cas, el transistor que estava polaritzat en tall passarà a saturació, fent un curtcircuit entre el terminal 7 i massa. Això fa que el condensador es descarregui a través de Rb. Quan la tensió en el condensador estigui per sota de 1/3 de VCC, tornarà a canviar el biestable i la sortida tornarà a agafar el nivell alt, el transistor passarà a tall i el condensador es tornarà a carregar a través de Ra i Rb i així successivament.

La sortida està a nivell alt durant el temps T1 (temps de càrrega del condensador):

La sortida està a nivell baix durant el temps T2 (temps de descàrrega del condensador):

El període serà igual a:

La freqüència d’oscil·lació serà:

Exemple de multivibrador amb 555

Si Ra i Rb valen 1 kΩ i C = 1 µF, quina serà la freqüència d’oscil·lació?

Solució:

Substituint els valors en les fórmules, teniu:

Si observeu els valors obtinguts, en aquest cas T1 és el doble de T2. A continuació calculareu el període i la freqüència:

Observant la forma d’ona originada a la figura, podeu veure que que el temps T1 dura el doble que el temps T2. El període del senyal és el temps comprès entre les dues marques verticals. La diferència entre les dues ens dóna un valor del període de 2,1879 ms. Amb aquest valor s’obtindria una freqüència de 457 Hz. Hi ha una petita diferencia entre el valor teòric calculat i l’obtingut per observació amb l’oscil·loscopi, degut a les toleràncies dels valors de les resistències i altres components, així com la falta de precisió humana en l’ús dels controls de l’oscil·loscopi.

Anar a la pàgina anterior:
Annexos
Anar a la pàgina següent:
Activitats