Sumador en serie En un sumador en serie, las entradas A y B consisten en trenes de impulsos sincronizados en dos líneas del operador. Hemos destacado, anteriormente, que la adición de dos números de varios dígitos puede hacerse añadiendo a la suma de los dígitos de significado idéntico al arrastre del resultado inmediatamente anterior. Con respecto a los trenes de impulsos, señalaremos que la premisa anticipada equivale a decir que, en un momento dado, debemos sumar en forma binaria, a los impulsos A y B, el impulso de acarreo procedente del resultado obtenido en un periodo de tiempo anterior.
Este circuito difiere de la configuración del sumador completo en paralelo por la inclusión de un tiempo de retardo, que será igual al lapso entre impulsos. Por tanto, el impulso de acarreo se retrasa dicho tiempo y se agrega a los impulsos, dígitos de A y de B, en el momento exacto.
Se observa que la suma en paralelo es más rápida que en serie porque todos los dígitos se suman simultáneamente en el primer caso, y secuencialmente en el segundo. Pero, en el sumador en serie, sólo se precisa un sumador completo, mientras que en el sistema en
paralelo se necesita uno por cada bit. Por lo que la suma en paralelo supone más incremento de coste que la suma en serie.
Sumador en paralelo
Con circuitos integrados, la suma se realiza empleando sumadores completos, y no con dos semisumadores. El circuito tiene tres entradas: Los sumandos An y Bn, y el acarreo, arrastre o "carry", Cn-1. Las salidas son la suma S y el acarreo Cn. La tabla de verdad que representa a un sumador en paralelo es la siguiente:
An
Bn
Cn
S
Cn
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
De esta tabla de verdad podríamos deducir las ecuaciones lógicas correspondientes a las salidas S y Cn, correspondientes a la suma y al acarreo final, respectivamente. El circuito de la figura representa la solución a las ecuaciones correspondientes a un sumador completo. CIRCUITO DERIVADOR El Circuito Derivador realiza la operación matemática de derivación, de modo que la salida de este circuito es proporcional a la derivada en el tiempo de la señal de entrada. En otras palabras, la salida es proporcional a la velocidad de variación de la señal de entrada. La magnitud de su salida se determina por la velocidad a la que se aplica el voltaje a los cambios de la entrada. Cuanto más rápido se produzcan los cambios en la entrada, mayor será la tensión de salida.
COMPONENTES El circuito derivador es exactamente lo opuesto al circuito integrador. Como con el circuito integrador, en el circuito derivador hay una resistencia y un condensador formando una red RC a través del amplificador operacional, pero en este caso, la reactancia, X C, está conectada a la entrada inversora del amplificador operacional, mientras que la resistencia, R F, forma el elemento de realimentación negativa. La reactancia del condensador juega un papel importante en el rendimiento de un circuito derivador. Resumiendo, los componentes necesarios que hay que conectar a un amplificador operacional son los siguientes: •
Un condensador conectado a la entrada inversora.
•
Una resistencia de realimentación conectada entre la salida y la entrada inversora. CÁLCULOS
Dado que la entrada no-inversora está conectada a tierra:
Si se considera el amplificador operacional como un amplificador operacional ideal:
Por lo tanto, las corrientes que atraviesan el condensador y la resistencia serán iguales:
Esta corriente tendrá la siguiente expresión:
La tensión VR es:
La tensión de salida es:
La tensión de salida tendrá la siguiente expresión:
FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO Si la tensión aplicada a la entrada cambia a un ritmo lento, es decir, con una pendiente pequeña, el circuito responde de la siguiente manera: •
La reactancia del condensador en ohmios es alta.
•
La relación RF/XC es baja.
•
La ganancia del amplificador operacional es baja.
Si la tensión aplicada a la entrada cambia a un ritmo acelerado, es decir, con una pendiente grande, el circuito responde de la siguiente manera: •
La reactancia del condensador en ohmios es baja.
•
La relación RF/XC es alta.
•
La ganancia del amplificador operacional es alta.
Cuando la tensión aplicada a la entrada inversora cambia de 0 voltios a una tensión negativa, la salida es una tensión positiva.
Cuando la tensión aplicada a la entrada inversora cambia de 0 voltios a una tensión positiva, la salida es una tensión negativa.
Si se aplica una señal que cambia constantemente en la entrada del amplificador operacional (señales de onda cuadrada, triangular o de onda sinusoidal), la salida resultante cambiará, y su forma dependerá de la constante de tiempo RC de la combinación de la resistencia y el condensador.
INCONVENIENTES El circuito derivador en su forma básica tiene dos desventajas principales. Una es que sufre de inestabilidad a altas frecuencias, y la otra es que la entrada capacitiva hace que sea posible que señales de ruido aleatorio y cualquier tipo de ruido o armónicos presentes en el circuito se amplifiquen más que la señal de entrada. Esto ocurre porque la salida es proporcional a la pendiente de la entrada, por lo que se requiere algún tipo de filtro. Para minimizar estos inconvenientes (inestabilidad y ruido), se modifica la forma básica de un circuito derivador con amplificador operacional de la siguiente manera:
Se coloca en la entrada inversora una resistencia R in (en serie con el condensador C in) y se agrega un condensador Cfen paralelo con la resistencia de realimentación R f. De esta manera, a bajas frecuencias, el circuito actuará como un circuito derivador, y a altas frecuencias, actuará como un amplificador con realimentación resistiva, porporcionando un rechazo mejor ante el ruido. Estos dos componentes (Rin y Cf) reducen la capacidad de derivación del circuito, pero sólo lo hacen hasta la frecuencia que determinan las resistencias y condensadores.
INTRODUCCION A INVERSORES
Un inversor, también llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los inversores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas. Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's. Inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. Se pueden clasificar en general de dos tipos: 1) inversores monofasicos y 2) inversores trifasicos. Condensadores e inductores pueden ser utilizados para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador.
Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual es generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente. Inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia. Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada).
2) DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO Se trata de un montaje de un transistor bipolar BJT, tipo NPN (MC 140) en emisor común. El transistor está polarizado mediante un divisor de tensión compuesto por R1, R2, Rc y Re. R1 y R2 se encargan de que los 12V que se le aplican como alimentación, queden reducidos a un valor adecuado para polarizar la base. Rc y Re son unas resistencias que limitan la intensidad que circula por el colector y por el emisor. C1 es un condensador de acoplamiento y C2 y C3 son condensadores de desacoplamiento, cuya misión es aislar
la componente continua de la señal que se le aplica, de una etapa con respecto a la siguiente. Ve es por donde se le aplica la señal de entrada y Vs1 y Vs2 son los terminales de salida. Funcionamiento: Este circuito corresponde a un inversor trifásico de 2 niveles con modulación PWM, que lo componen una señal moduladora senoidal, encargada de dar la referencia de la tensión de salida del inversor en forma y frecuencia y una señal portadora con forma triangular encargada de generar la frecuencia de los pulsos de disparo en los switch, los pulsos de disparo los conseguiremos por medio de la comparación de la señal portadora y la señal moduladora, a esta comparación se le denomina control PWM.
CONSTRUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL JFET La construcción básica del JFET de canal-n se muestra en la figura 1. Observe que la mayor parte de la estructura es el material tipo n que forma el canal entre las capas difundidas en material tipo p. El extremo superior del canal tipo n se conecta mediante contacto óhmico a la terminal denominada como drenaje (drain) (D), mientras que el extremo inferior del mismo material se conecta por medio de contacto óhmico a la terminal llamada la fuente (source) (S). Los dos materiales tipo p se encuentran conectados juntos y al mismo tiempo hacia la terminal de compuerta(gate) (Q). Por tanto, esencialmente el drenaje y la fuente se conectan en esencia a los extremos del canal tipo n y la compuerta, a las dos capas del material tipo p. En ausencia de cualquiera de los potenciales aplicados, el JFET tiene dos uniones p-n bajo condiciones sin polarización. El resultado es una región de agotamiento en cada unión, como se ilustra en la figura 1, que se parece a la misma región de un diodo bajo condiciones sin polarización. Recuérdese también que una región de agotamiento es aquella región carente de portadores libres y por lo tanto incapaz de permitir la conducción a través de la región.
Figura 1. Estructura física de un JFET canal n. En la figura 2 se ha aplicado un voltaje positivo VDS y a través del canal y la compuerta se ha conectado en forma directa a la fuente para establecer la condición VGS = 0 V. El resultado es que las terminales de compuerta y fuente se hallan al mismo potencial y hay una región de agotamiento en el extremo inferior de cada material p, semejante a la distribución de las condiciones sin polarización de la figura 1. En el instante que el voltaje VDD ( = VDS) se aplica, los electrones serán atraídos hacia la terminal de drenaje, estableciendo la corriente convencional iD con la dirección definida de la figura 2. La trayectoria del flujo de carga revela con claridad que las corrientes de fuente y drenaje son equivalentes (iD = Is). Bajo las condiciones que aparecen en la figura 2, el flujo de carga es relativamente permitido y limitado únicamente por la resistencia del canal n entre el drenaje y la fuente.
Figura 2.Operación del JFET en un circuito externo. En cuanto el voltaje VDS se incrementa de 0v a unos cuantos voltios, la corriente aumentará según se determina por la ley de Ohm, y la gráfica de iD contra VDS aparecerá como se ilustra en la figura 3. La relativa linealidad de la gráfica revela que para la región de valores inferiores de VDS la resistencia es esencialmente una constante. A medida que VDS se incrementa y se aproxima a un nivel denominado como Vp en la figura 3, las regiones de agotamiento de la figura 2 se ampliarán, ocasionando una notable reducción en la anchura del canal. La reducida trayectoria de conducción causa que la resistencia se incremente, y provoca la curva en la gráfica de la figura 3. Cuanto más horizontal sea la curva, más grande será la resistencia, lo que sugiere que la resistencia se aproxima a "infinito" ohmiaje en la región horizontal. Si VDS se incrementa hasta un nivel donde parezca que las dos regiones de agotamiento se "tocarían", como se ilustra en la figura 4, se tendría una condición denominada como estrechamiento (pinch-off). El nivel de VDS que establece esta condición se conoce como el voltaje de estrechamiento ó pellizco y se denota por Vp, como se muestra en la figura 3. En realidad, el término "estrechamiento" es un nombre inapropiado en cuanto a que sugiere que la corriente iD disminuye, al estrecharse el canal, a 0 A. Sin embargo, como se muestra en la figura 4, es
poco probable que ocurra este caso, ya que iD mantiene un nivel de saturación definido como IDSS en la figura 3. En realidad existe todavía un canal muy pequeño, con una corriente de muy alta densidad. El hecho de que iD no caiga por el estrechamiento y mantenga el nivel de saturación indicado en la figura 3 se verifica por el siguiente hecho: la ausencia de una corriente de drenaje eliminaría la posibilidad de diferentes niveles de potencial a través del canal de material n, para establecer los niveles de variación de polarización inversa a lo largo de la unión p-n. El resultado sería una pérdida de la distribución de la región de agotamiento, que ocasiona en primer lugar el estrechamiento.
Figura 3. Característica iD-VDS para un JFET de canal n.
Figura 4. JFET en condición de estrechamiento. En la figura 5, se muestran las características de transferencia y las características iD-VGS para un JFET de canal n. Se grafican con el eje iD común. Las características de transferencia se pueden obtener de una extensión de las curvas iD-VDS. Un método útil de determinar la característica de transferencia es con ayuda de la siguiente relación (ecuación de Shockley):
(1)
Por tanto, sólo se necesita conocer IDSS y Vp, y toda la característica queda determinada. Las hojas de datos de los fabricantes a menudo dan estos dos parámetros, por lo que se puede construir la característica de transferencia o utilizar la ecuación (1) directamente. Nótese que iD se satura (es decir, se vuelve constante) conforme VDS excede la tensión necesaria para que el canal se estreche. Esto se puede expresar como una ecuación para VDS(sat) para cada curva, como sigue: (2)
Conforme VGS se vuelve mas negativo, el estrechamiento se produce a menores valores de VDS y la corriente de saturación se vuelve mas pequeña. La región útil para operación lineal es por arriba del estrechamiento y por debajo de la tensión de ruptura. En esta región, iD está saturada y su valor depende de VGS, de acuerdo con la ecuación (1) o con la característica de transferencia.
(a)Características
de
transferencia
(b)Características
iD-
VGS Figura 5. Características del JFET. Nótese, de la figura 5, que conforme VDS aumenta desde cero, se alcanza un punto de ruptura en cada curva, más allá del cual la corriente de drenaje se incrementa muy poco a medida que VDS continua aumentando. El estrechamiento se produce en este valor de la tensión drenaje a
fuente. Los valores de estrechamiento de la figura 5 están conectados con una curva roja que separa la región ohmica de la región activa. Conforme VDS continua aumentando más allá del punto de estrechamiento, se alcanza un punto donde la tensión entre drenaje y fuente se vuelve tan grande que se produce ruptura por avalancha. En el punto de
ruptura, D aumenta lo suficiente, con incrementos insignificantes en VDS. Esta ruptura se produce en la terminal de drenaje de la unión compuerta-canal. Por tanto, se produce avalancha cuando la tensión drenaje-compuerta, VDG, excede la tensión de ruptura (para VGS=0v), para la unión pn. En este punto, la característica iD-VDS exhibe la peculiar forma mostrada a la derecha de la figura 5.
