La función básica de un filtro paso bajo es dejar pasar las frecuencias por debajo de una frecuencia de corte especificada.
El eje de abscisas muestra la frecuencia angular normalizada respecto la frecuencia de corte. El eje de ordenadas muestra la función de transferencia del filtro. Existen dos zonas bien diferenciadas en la respuesta del filtro, la banda de paso y la suprimida.
La banda de paso define el contenido frecuencial que se desea seleccionar. En el caso ideal, es la zona en la cual las señales no se verán atenuadas por el filtro. Ésta zona viene delimitada por la frecuencia de corte, que normalmente valdrá uno en el caso de estar normalizada. El margen frecuencial que contiene la banda de paso se denomina ancho de banda del filtro, que para el caso de un filtro paso bajo coincide con la frecuencia de corte.
La banda suprimida es en el caso ideal la zona en la cual el filtro ya no deja pasar ninguna componente frecuencial. En realidad, la atenuación que ofrece es muy alta pero no llega a ser infinito.
También suele definirse como especificación de entrada una frecuencia ws para la cual se precisa una atenuación mínima deseada. La atenuación es de 30 dB para la frecuencia ws definida.
Los filtros son redes que permiten el paso o detienen el paso de un determinado grupo de frecuencias (banda de frecuencias).
Tipos de filtros: - filtros paso bajo
- filtros paso alto
En estos filtros una de sus principales característica es su frecuencia de corte, que delimita el grupo de las frecuencias que pasan o no pasan por el filtro.
En el filtro paso bajo pasarán las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte y en el filtro paso alto pasarán las frecuencias por encima de la frecuencia de corte.
- filtros pasa banda
- filtro supresor de banda o rechazo de banda
FILTRO PASO BAJO
Un filtro paso alto RC es un circuito formado por un resistor y un capacitor conectados en serie.
El filtro paso bajo permite sólo el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias por encima de esta frecuencia.
Estos filtros RC no son perfectos por lo que se hace el análisis en el caso ideal y el caso real.
La unidad de frecuencia es el: Hertz, Hertzio, ciclo por segundo
Filtro Paso Bajo ideal
El filtro paso bajo ideal es un circuito formado por un resistor y un capacitor, que permite el paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que sean superiores a ésta.
Filtro paso bajo Real
La reactancia capacitiva cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XC es baja logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas. En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia capacitiva es grande, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son afectadas muy poco por el filtro.
La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso, y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación
Nota: π = Pi = 3.14159
Filtro RL (resistor - inductor) paso bajo
Filtro ideal y real
Un filtro paso bajo RL es un circuito formado por una resistencia y una bobina conectados en serie de manera que este permite solamente el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia en particular llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias por encima de esta frecuencia.
Estos filtros RL no son perfectos por lo que se hace el análisis en el caso ideal y el caso real.
Filtro Paso Bajo ideal: El filtro paso bajo ideal es un circuito formado por una resistencia y una bobina, que permite el paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que sean superiores a ésta. Filtro paso bajo ideal
Filtro paso bajo Real:La reactancia inductiva (XL) cambia con la frecuencia. Para altas frecuencias XL es alta logrando con esto que las señales de estas frecuencias sean atenuadas.
En cambio a bajas frecuencias (por debajo de la frecuencia de corte) la reactancia inductiva es pequeña, lo que causa que estas frecuencias no se vean afectadas o son afectadas muy poco por el filtro.
Filtro paso bajo real
La banda de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte se llama Banda de paso, y la banda de frecuencias por encima de Fc se llama Banda de atenuación
Filtro activo paso bajo con Amplificador Operacional
frecuencia de corte, ganancia
Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son solamente una combinación de resistencia, capacitores e inductores.
En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada
En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como amplificadores operacionales o transistores.
En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada.
El temporizador 555 fue introducido al mercado en el año 1971, (hace más de 35 años) por la empresa Signetics Corporation con el nombre: SE555 / NE555
Este integrado fue llamado "The IC Time Machine" (el Circuito integrado máquina del tiempo"), que en esos momentos era el único integrado de su tipo disponible.
1-Tierra o masa.
2 - Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
3 - Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que este conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla # 4 (reset)
4 - Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee"
5 - Control de voltaje: Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la practica como Vcc-1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 esta en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla # 5 puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar las interferencias
6 - Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo
7 - Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
8 - V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios
El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los mas importantes están: como multivibrador astable y como multivibrador monoestable
Multivibrador astable: Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración dependen de los valores de R1 y R2.
T1 = 0.693(R1+R2)C1 y T2 = 0.693 x R2 x C1 (en segundos)
La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:
f = 1 / [0.693 x C1 x (R1 + 2 x R2)]
y el período es simplemente = T = 1 / f
Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta), ver gráfico.
Multivibrador Monostable:En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración).
El esquema de conexión es el que se muestra. La Fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo que la salida esta en nivel alto) es:
T = 1.1 x R1 x C1 (en segundos).
Observar que es necesario que la señal de disparo, sea de nivel bajo y de muy corta duración en el PIN # 2 del C.I. para iniciar la señal de salida.
En la actualidad existen otros proveedores de este circuito integrado, como la empresa On Semiconductores con el MC1455.
Este Circuito Integrado (C.I.) es para los experimentadores y aficionados un dispositivo barato con el cual pueden hacer muchos proyectos.
Este temporizador es tan versátil que se puede incluso utilizar para modular una señal en frecuencia y lograr lo que se conoce como una señal de frecuencia modulada (F.M.)
Está constituido por una combinación de comparadores lineales, Flip Flops (básculas digitales), transistores de descarga y excitador de salida.
Estructura interna del temporizador 555
Los voltajes de referencia de los comparadores se establecen en 2/3 V para el primer comparador C1 y en 1/3 V para el segundo comparador C2, por medio del divisor de voltaje compuesto por 3 resistores iguales R.
La versión original sigue produciéndose con mejoras y algunas variaciones a sus circuitos internos.
Hay un circuito integrado de se compone de dos temporizadores en una misma unidad, el 556
Si ha visto algún circuito comercial moderno, no se sorprenda si se encuentra un circuito integrado 555 trabajando en él.
El 555 es muy popular para hacer osciladores que sirven como reloj (base de tiempo) para el resto del circuito.
Temporizadores integrados (555 monostable)
Existen en el mercado un conjunto de circuitos integrados denominados temporizadores (timers) especialmente diseñados para realizar multivibradores monoestables y astables.
El temporizador 555 (NE555 de Signetics en versión bipolar y TLC555 de Texas Instruments en versión CMOS) es un circuito integrado barato y muy popular que fue desarrollado en 1972 por Signetics Corporation.
El 555 en la configuración monoestable. Al aplicar un pulso negativo en Vi con una tensión inferior a 1/3Vcc, el condensador C se carga libremente a través de R. Este proceso de carga finalizará cuando la VC =2/3Vcc, en cuyo caso se produce la descarga brusca de C a través del transistor de salida.
El pulso de salida tiene una duración T, especificado por el tiempo que tarda el condensador en pasar de ~0V a 2/3Vcc, viene definido por la siguiente ecuación
Temporizadores integrados (555 astable)
Se presenta al 555 en la configuración multivibrador astable. En este caso el condensador varía su tensión entre 1/3VCC y 2/3VCC.
El proceso de carga se realiza a través de RA+RB y el de descarga a través de RB.
Como resultado se genera a la salida una onda cuadrada no-simétrica definido por dos tiempos T1 y T2.
El porcentaje de ocupación del ciclo (duty cicle) viene definido por:
El duty cycle es mayor que 0.5 (50%) lo que significa que la onda cuadrada no es simétrica y la duración del estado lógico alto es mayor que el bajo (T1> T2).
En 1949, Walter Houser Brattain, John Bardeen y William Bradford Shockley, científicos de la “Bell Telephone Laboratories”, iniciaron una revolución en la electrónica con la invención del transistor. En 1956 recibieron el premio Nóbel de Física por su trabajo.
Tipos de Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico de estado sólido de gran uso tanto en la electrónica analógica (amplificador) como en la digital (conmutador).
Hay distintos tipos:
BJT= BiJunction Transistor (Transistor de unión o bipolar)
JFET=Junction Field Effect Transistor (Transistor de efecto de campo)
MOSFET= Metal Oxide Semiconductor Field Effect
TRANSISTOR BIPOLAR
El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales -emisor, colector y base-puede ser de dos tipos: NPN y PNP. La forma de distinguir un transistor de tipo NPN de un PNP es observando la flecha del terminal de emisor. En un NPN esta flecha apunta hacia fuera del transistor; en un PNP la flecha apunta hacia dentro. Además, en funcionamiento normal, dicha flecha indica el sentido de la corriente que circula por el emisor del transistor.
Estructura física
El transistor bipolar es un dispositivo formado por tres regiones semiconductoras, entre las cuales se forman unas uniones (uniones PN). Para el análisis de un transistor bipolar, se debe cumplir siempre que el dopaje de las regiones sea alterno, es decir, si el emisor es tipo P, entonces la base será tipo N y el colector tipo P. Esta estructura da lugar a un transistor bipolar tipo PNP. Si el emisor es tipo N, entonces la base será P y el colector N, dando lugar a un transistor bipolar tipo NPN.
El transistor se fabrica sobre un substrato de silicio, en el cual se difunden impurezas1, de forma que se obtengan las tres regiones antes mencionadas. El Aspecto bipolar real, de los que se encuentran en cualquier circuito integrado podemos describir de la siguiente manera: sobre una base n (substrato que actúa como colector), se difunden regiones p y n+, en las que se ponen los contactos de emisor y base.
Las dimensiones reales del dispositivo son muy importantes para el correcto funcionamiento del mismo.
• El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.
• La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector, como veremos más adelante. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.
• El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor.
Configuraciones del transistor
Al analizar el transistor hay 4 variables importantes, que dependen el tipo de conexión: Vsalida, V entrada, I salida, I entrada
FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar un gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.
Corrientes y tensiones
Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor considerar un transistor de tipo PNP, polarizado de la siguiente manera:
Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa, como se verá en los siguientes apartados. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa.
Las principales corrientes (de electrones y huecos) que aparecen en el transistor tras aplicar la polarización indicada anteriormente. Podemos observar en la siguiente figura:
- Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa.
- El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base, sino que siga hacia el emisor (ICp)
- Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (ICnmás una parte ínfima de ICp)
- Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de base (IEn+ICn+IBr)
A partir de lo anterior podemos obtener algunas ecuaciones básicas como son las siguientes:
Esta ecuación viene impuesta por la propia estructura del circuito, es decir, el transistor es un nodo con tres entradas o salidas, por tanto la suma de las corrientes que entran o salen al mismo ha de ser cero.
Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma:
Relaciones más importantes. Parámetros α y β
En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor.
Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir:
Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma:
En general el parámetro α será muy próximo a la unidad1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100).
A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable:
Funcionamiento cualitativo del transistor
En función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar podemos conseguir que éste entre en una región u otra de funcionamiento. Por regiones de funcionamiento entendemos valores de corrientes y tensiones en el transistor, que cumplen unas relaciones determinadas dependiendo de la región en la que se encuentre.
Regiones de funcionamiento
Corte
Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE= 0 ó IE<>
Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0.
Activa
La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa.
En general:
Saturación
En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:
donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente).
Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC= β ⋅IB
CURVAS CARACTERÍSTICAS
Entendemos por curvas características de un transistor la representación gráfica de las relaciones entre sus corrientes y tensiones. Esta información es muy útil para el diseñador a la hora de elegir uno u otro transistor para un circuito, pues permite tanto observar todas las características del mismo, como realizar el diseño en sí.
Curvas características en emisor común
Como ejemplo se describen aquí las curvas características de salida en la configuración de emisor común1por ser la más utilizada en la práctica.
Las curvas características indicadas, representan el eje Y la corriente de colector (IC), en el eje X la tensión colector-emisor (VCE), y se dibuja una curva para cada uno de los valores de la corriente de base (IB) que se consideren, por ejemplo en la figura se toma el intervalo de 10 a 70 μA.
A partir de estas curvas es posible determinar el punto de trabajo del transistor, es decir, las tensiones y corrientes del mismo, una vez polarizado.
Identificación de las regiones de funcionamiento en las curvas características
Es posible identificar las distintas regiones de funcionamiento de un transistor bipolar en sus curvas características. En la figura 15 se muestran las curvas características en emisor común con la indicación de cada una de las regiones de funcionamiento. Atendiendo a la definición dada de regiones de funcionamiento se identifican de la siguiente forma:
- Región de corte. Cuando no circula corriente por el emisor del transistor, lo cual se puede aproximar como la no circulación de corriente por el colector y la base, luego la zona corresponde a corriente IB=IE=IC=01.
- Región de saturación. En esta región se verifica que la tensión colector-emisor es muy pequeña (VCE≤ 0,2V, zona próxima al eje de coordenadas).
- Región activa. El resto del primer cuadrante corresponde a la región activa
Encapsulado de Transistores
Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados Base, Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas.
Los transistores están encapsulados de diferentes formas y tamaños, dependiendo de la función que vayan a desempeñar. Hay varios encapsulados estándar y cada encapsulado tiene una asignación de terminales que puede consultarse en un catálogo general de transistores. Independientemente de la cápsula que tengan, todos los transistores tienen impreso sobre su cuerpo sus datos, es decir, la referencia que indica el modelo de transistor.
Cápsula TO-3. Se utiliza para transistores de gran potencia, que siempre suelen llevar un radiador de aluminio que ayuda a disipar la potencia que se genera, el chasis del transistor, los otros terminales no están a la misma distancia de los dos agujeros.
