1.9 Recortadores y Sujetadores (Cambiadores de nivel).Recortadores Existe una variedad de redes de diodos denominadas recortadores que tienen la capacidad para recortar una parte de la señal de la entrada, sin distorsionar la parte restante de la forma de onda alterna. El rectificador de media onda es un ejemplo de la forma más sencilla de recortar el diodo (una resistencia y un diodo). Dependiendo de la orientación del diodo, se "recorta" la región positiva o negativa de la señal de entrada. Son dos las categorías generales de los recortadores: En serie: La configuración en serie se define como aquella donde el diodo está en serie con la carga En paralelo. La variedad en paralelo tiene el diodo en una rama paralela a la carga. En serie La respuesta de la configuración en serie de la figura 1.56a para una diversidad de formas de ondas alternas se presenta en la figura 1.56b. Aunque se presentó primero como un rectificador de media onda (para formas de ondas senoidales), no hay límites en relación con el tipo de señales que pueden aplicarse a un recortador. Figura 1.56a Recortador serie. Figura 1.56b Respuesta del recortador de la figura 1.56a con diferentes tipos de señales. La adición de una fuente de cd tal como la que se muestra en la figura 1.57 puede tener un pronunciado efecto en la salida de un recortador. Figura 1.57 Recortador serie con fuente de cd. La alimentación de cd requiere además que el voltaje vi sea mayor que V volts para que el diodo conduzca. Para el diodo ideal la transición entre estados ocurrirá en el punto de las características en que vd =0 e id = 0 A. Ejemplo 1.12: Determine la forma de onda de la salida para la red de la figura 1.58 Figura 1.58 Solución: Las experiencias anteriores sugieren que el diodo se encontrará en el estado de conducción en la región positiva de vi (en especial al notar la contribución de V = 5V). La red aparecerá entonces como se ilustra en la figura 1.59 y V o = V i + 5V. Sustituyendo id = 0 en vd = 0 para los niveles de transición, obtenemos la red de la figura 1.60 yV i = -5Vcd. Figura 1.59 V o con el diodo en estado de conducción Figura 1.60 Determinación del nivel de transición para el recortador de la figura 1.58 Para voltajes más negativos que -5V, el diodo está en estado de circuito abierto en tanto que para voltajes más positivos que -5V el diodo está en estado de corto circuito. Los voltajes de estrada y de salida aparecen en la figura 1.61. Figura 1.61 Esquema de V o para el ejemplo. Ejemplo 1.12: Repita el ejemplo anterior (1.11) para la entrada de onda cuadrada de la figura 1.62. Figura 1.62 Señal de entrada para el ejemplo 1.12. En paralelo La red de la figura 1.63a es la más simple de las configuraciones de diodo en paralelo con la salida para las mismas entradas de la figura 1.58. El análisis de las configuraciones en paralelo es muy similar al que se aplica a las configuraciones en serie, como demuestra el siguiente ejemplo: Figura 1.63 Recortador en paralelo y respuesta para un recortador en paralelo. Ejemplo 1.13: Determine Vo para la red de la figura 1.64 Figura 1.64 Recortador del ejemplo 1.13. Solución La polaridad de la fuente de cd y la dirección del diodo sugieren fuertemente que el diodo se encontrará en el estado "de conducción" en la región negativa de la señal de entrada. En esta región la red aparecerá como se muestra en la figura 1.65, donde las terminales definidas para Vo requieren que Vo = V= 4 V. El estado de transición puede determinarse a partir de la figura 1.66, donde se ha impuesto la condición i d = 0 A en V d = 0 V. El resultado es V i (de transición) = V = 4 V. Figura 1.65 Vo para la región negativa de Vi. Puesto que es evidente que la alimentación de cd "fuerza" al diodo para que permanezca en el estado de corto circuito, el voltaje de entrada debe ser mayor que 4 V para que el diodo se encuentre en el estado "de corte". Cualquier voltaje de entrada menor que 4 V dará como resultado un diodo en corto circuito. Figura 1.66 Determinación del nivel de transición para el ejemplo 1.13. En el estado de circuito abierto, la red será como se muestra en la figura 1.67, donde Vo = Vi,. Al completar la gráfica de Vo se obtiene la forma de onda de la figura 1.68. Figura 1.67 Determinación de vo para el diodo en estado de no conducción. Figura 1.68 Esquema de vo para el ejemplo. En la figura 1.69 se presentan diversos recortadores en serie y en paralelo. Figura 1.69 Recortadores en serie y paralelo. SUJETADORES (Cambiadores de Nivel) La red de sujeción es aquella que "sujeta" una señal a un diferente nivel de cd. La red debe tener un capacitor, un diodo y un elemento resistivo, pero también puede emplear una fuente de cd independiente para introducir un corrimiento adicional. La magnitud de R y C debe elegirse de manera tal que la constante de tiempo = RC sea suficientemente grande para asegurar que el voltaje en el capacitor no descargue en forma significativa durante el intervalo en el que el diodo no está conduciendo. A lo largo del análisis supondremos que para todos los propósitos prácticos el capacitor se cargará o descargará por completo en cinco constantes de tiempo. La red de la figura 1..70 sujetará la señal de entrada en el nivel cero (en el caso de diodos ideales). El resistor R puede ser el resistor de carga o una combinación en paralelo del resistor de carga y el resistor diseñado para proporcionar el nivel deseado de R. F i g u r a 1 . 7 0 C i r c u i t o s u j e t a d o r . Durante el intervalo 0 —> T/12 la red aparecerá como se muestra en la figura 1.71, con el diodo en el estado "encendido" efectivo "cortocircuitando" el efecto del resistor R. La constante de tiempo RC resultante es tan pequeña (1a resistencia inherente de la red determina el valor de R) que el capacitor se cargará rápidamente hasta V volts. Durante este intervalo el voltaje de salida está directamente a través del corto circuito y Vo = 0 V. Figura 1.71 Diodo en estado de conducción y el capacitor cargandose a V voltios. Cuando la entrada cambia al estado -V, la red será como se muestra en la figura 1.72, con el equivalente en circuito abierto para el diodo determinado por la señal aplicada y el voltaje almacenado en el capacitor (ambos, "fuerzan" la corriente a través del diodo de ánodo a cátodo). Ahora que R se encuentra de nuevo en la red, la constante de tiempo determinada por el producto RC es lo bastante grande para establecer un período de descarga 5t mucho mayor que el período T/2 —> T y puede suponerse en forma aproximada que el capacitor sostiene toda su carga y, por tanto, su voltaje (puesto que V = Q/C) durante este período. Figura 1.72 Deteminación de Vo con el diodo en estado de no conducción. Como Vo está en paralelo con el diodo y el resistor, puede también dibujarse en la posición alterna que se muestra en Ía figura 1.72. La aplicación de la ley del voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla de entrada dará como resultado: -V - V - vo = 0 vo = -2V El signo negativo se debe al hecho de que la polaridad de 2V es opuesta a la definida para Vo. La forma de onda de salida resultante aparece en 1a figura 1.73 con la señal de entrada. Figura 1.73 Esquema de vo para la red de la figura 1.73. La señal de salida se sujeta a 0 V en el intervalo de O a T/2, pero mantiene la misma excursión total (2V) que la entrada. Para una red de sujeción: La excursión total de la salida es igual a la excursión total de la señal de entrada. Este hecho constituye una excelente herramienta de verificación del resultado obtenido. En general, los siguientes pasos pueden resultar útiles cuando se analizan redes de sujeción: 1. Siempre se inicia el análisis de las redes de sujeción considerando aquella parte de la señal de entrada que polarizará directamente el diodo. Quizá esto requiera saltar un intervalo de la señal de entrada (como demuestra el ejemplo siguiente), pero el análisis no se extenderá por una medida innecesaria de investigación. 2. Durante el período en el que se encuentra en el estado encendido puede suponerse que el capacitor se cargará en forma instantánea hasta un nivel de voltaje determinado por la red. 3. Se supone que durante el período que el diodo está en circuito abierto (estado "de corte") el capacitor mantendrá toda su carga y consecuentemente su voltaje. 4. En todo el análisis debe tenerse cuidado respecto a la localización y polaridad de referencia para Vo para asegurar que se obtienen los niveles apropiados de dicha cantidad. 5. No se olvide la regla general que establece que la excursión de la salida total debe corresponder con la de la señal de entrada. Ejemplo 1.14: Determine Vo en la red de la figura 1.74 para la entrada indicada. Figura 1.74 Señal aplicada y red para el ejemplo 1.14. Solución Nótese que la frecuencia es de 1000 Hz, lo que produce un período de 1 ms y un intervalo de 0.5 ms entre niveles. El análisis se iniciará con el período t 1 t 2 de la señal de entrada porque el diodo se encuentra en el estado de corto circuito. En este intervalo, la red aparecerá como se indica en la figura 1.76. La salida es a través de R, pero se encuentra también directamente a través de la batería de 5 V cd si seguimos la conexión directa entre las terminales definidas para Vo y las correspondientes a la batería. El resultado es Vo = 5 V cd para este intervalo. Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla de entrada se obtendrá como resultado: -20 V cd + V c - 5 V cd = 0 V c = 25 V cd Figura 1.75 Determinación de vo y vc con el diodo en estado de conducción El capacitor se cargará, por lo tanto, hasta 25 V cd . En este caso, el resistor R no se pone en corto por el diodo, pero un circuito equivalente de Thévenin de esa parte de la red, que incluye la batería y el resistor, dará lugar a R th = 0 con E th = V = 5 V cd . En el período t 2 t 3 la red aparecerá como se indica en la figura 1.76. Figura 1.76 Determinación de vo con el diodo en el estado de no conducción. El equivalente en circuito abierto para el diodo hará que la batería de 5 V cd no tenga ningún efecto sobre Vo y la aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff en torno a la malla exterior de la red dará como resultado: +10 V cd + 25 V cd - V o = 0 V o = 35 V La constante de tiempo de descarga de la figura 1.76 se determina mediante el producto RC y su magnitud es: = RC = (100 k )(0.1 F) = 0.01 s = 10 ms El tiempo de descarga total es, por lo tanto, 5 = 5(10 ms) == 50 ms. Como el intervalo t2 t3 durará sólo 0.5 ms, es sin duda una buena aproximación suponer que el capacitor sostendrá su voltaje durante el período de descarga entre pulsos de la señal de entrada. La salida que resulta aparece en la figura 2.99 junto con la señal de entrada. Obsérvese que la excursión de la salida de 30 V cd equivale a la excursión de entrada. Figura 1.77 V i y V o para el sujetador de la figura 1.74 Pág. Principal del Profesor: Luis Gerardo Guerrero Ojeda Pág. Principal de Apuntes de Cursos Pág. Principal Apuntes de Electrónica I Pág. Principal de Electrónica DIODO ZENER Tc= AVz/Vz T1-T0 X10
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