Fuente auxiliar negativa.

En ocasiones se necesita generar tensiones negativas de baja corriente, para alimentar la tensión V- de amplificadores operacionales por ejemplo.
Estas tensiones se pueden generar fácilmente con un par de diodos y de capacitores, y una resistencia, alimentándolas desde pulsos obtenidos por ejemplo de un microcontrolador.
El circuito es el siguiente.

















Como funciona?
Si hacemos un dibujo simplificado, durante el nivel alto del pulso de entrada (la tensión es aprox. 5V en un sistema con microcontrolador) la resistencia R1 queda a tensión de aprox. 5V, D2 queda polarizado en inversa por lo tanto no conduce, el circuito simplificado es el siguiente


















El capacitor C2 se carga a través de R1 y D1 a una tensión de 5V menos la caída en D1, que para un diodo de silicio es aprox. 0,7V. O sea se carga aprox. a 4,3Vcc siendo positiva su placa marcada +.
Cuando el pulso de entrada va a cero, la placa marcada + de C2 queda a masa, a través de R1. En el lado - de C2 aparece entonces una tensión negativa respecto a masa (la tensión a la que se había cargado C2 en el techo del pulso), el D1 queda polarizado en inversa y el circuito simplificado es el siguiente.















Entonces el D2 conduce y parte de la energía almacenada en C2 de transfiere a C1, generando una tensión negativa, que idealmente (al cabo de varios ciclos que permitan completar la carga de C1) es de un valor igual al techo del pulso de entrada, menos la caída en los dos diodos del circuito, es decir menos aprox. 1,4V. para un pulso de 5V resulta una tensión de -3,6Vcc.

Un circuito de amplificador inversor, alimentado mediante una fuente con un circuito como el que analizamos es el siguiente.


















Por una necesidad de diseño de un circuito real, los pulsos para generar V- son de 50Hz ¿se animan a deducirlo del circuito de la figura anterior? (el dibujo corresponde a una simulación en el Linear SwitcherCAD IV).
El operacional usado en la realidad es un OP77.
Lo que se evalúa habitualmente es si efectivamente la tensión negativa es suficiente para la aplicación, sencillamente con un multímetro, midiendo en el circuito real.
Un poco mas complejo es verificar si la corriente que tomamos de la salida del micro no es excesiva.
Para comprobarlo conectamos las puntas de un osciloscopio, CH1 en la entrada de pulso (unión de V1 y R4) y CH2 en la unión de R4 y C2. Elegimos 1V por división en ambos canales, configuramos para obtener una onda en pantalla, estable.
Luego elegimos modo matemático CH1-CH2 o bien en un osciloscopio analógico add con Ch2 invertido o CH1 sub CH2, según el osciloscopio.
En pantalla obtenemos entonces la caída de tensión sobre R4.
Medimos los picos de esa tensión, y dividiendo por 100 ohms obtenemos la corriente pico que el micro suministra.

El siguiente es el oscilograma obtenido para el circuito.

















Calculando el pico de corriente como Ip+=720mV/100 ohms= 7,20mA ; Ip-=1240mV/100 ohms= 12,40mA
El microcontrolador usado es un 68HC908JK1 que admite +/-25mA de salida máximo.
El circuito de la fuente auxiliar se puede ensayar a mano, conectando el C2 (de las primeras figuras) a +5Vcc, midiendo las tensiones. Luego a masa, volvemos a medir y repetimos varios ciclos manualmente hasta que se estabilice la tensión en C1.
También se puede hacer el circuito y evaluarlo en el simulador. Verifiquen los parámetros para diferentes corriente de carga (conecten una resistencia en paralelo con C1) y para diferentes frecuencias de pulsos.
El circuito presentado es sólo UNA aplicación, los valores de los componentes deberán adecuarse a la necesidad. Por ejemplo para frecuencias mas altas de pulsos, el tamaño de los capacitores C1 y C2 puede reducirse mucho. (Verifíquenlo, para mantener una determinada corriente de fuente V-, con un cierto ripple, varíen la frecuencia en el simulador Y en un circuito real, y vean que valor de capacitores permite obtener el mismo ripple, a que frecuencias).

Medición de inductores

El objetivo es determinar el valor de inductores utilizando los instrumentos estándar del laboratorio de electrónica (generador de audio o de funciones y osciloscopio en este caso).

Se trata de determinar la frecuencia de resonancia de un circuito R-L-C serie, en el cual se utiliza un capacitor de referencia, y el inductor cuyo valor se trata de determinar.

La frecuencia de resonancia es aquella a la cual el valor de la reactancia inductiva es igual al valor de la reactancia capacitiva. Ambas se cancelan mutuamente, y el circuito opera como si sólo existiera la resistencia serie.
De manera que en resonancia serie se cumple: la tensión aplicada está en fase con la corriente del circuito, la corriente alcanza un punto máximo, la tensión cae a su valor mínimo (debido a la caída en la resistencia interna del generador al alcanzarse la máxima corriente en el circuito).


Procedimiento:

Busque algunos capacitores de la mejor precisión que consiga (existen con tolerancia 1% como en la foto, pero para la mayoría de las aplicaciones los capacitores de marca de poliester, o bien los Siemens caja plástica sirven), de valores del orden de entre 1uf y 10nf.

Conecte el circuito como en la figuras








































La resistencia puede ser de cualquier valor entre 10 y 100 ohms.
Utilice un valor tentativo de C para empezar.
El canal 1 mide la tensión aplicada, el canal 2 la corriente (caída en la resistencia).
Aplique tensión sinusoidal, sin componente de continua (para permitir la máxima excursión de salida del generador si es necesario), de una amplitud en el rango alto del generador (2 ó 3 Vrms son suficientes).
Empiece con una frecuencia de 1KHz.
Centre ambos trazos verticalmente en el centro de pantalla.
Adecue la ganancia de ambos canales del osciloscopio, y de la base de tiempo, para obtener lecturas en pantalla.
Observará dos ondas desfasadas entre si.
El objetivo ahora es barrer en frecuencia, reajustando la ganancia de los canales del osciloscopio y la base de tiempo en cada caso para mantener las ondas visibles, hasta reducir el desfasaje entre las ondas a cero.
Cuando se obtenga esta condición, el circuito está en resonancia, se cumple que:

XL=XC, es decir 2 π f L = 1/ 2 π f C

Donde f es la frecuencia de la onda aplicada al circuito, L la inductancia en Henrios y C la capacidad en faradios.

Si despejamos L en la fórmula L= 1/ [(2 π f )^2 C] entiendase (2 π f) elevado al cuadrado

Conocida la frecuencia de resonancia y el capacitor, podemos calcular la inductancia.
Cambie el capacitor, si es necesario, para obtener una frecuencia de resonancia en el rango de los KHz, o bien para el rango de frecuencias que su generador puede suministrar.

En el ejemplo utilicé un capacitor al 1% de 0,01uf y una resistencia de 10 ohms.

Me dió una frecuencia de resonancia de 73,06 KHz.

Aplicando la fórmula L= 1/ [(2 π 73060 )^2 0,01e-6] =474uHy

El inductor que medí estaba marcado como de 470uHy

La precisión de la lectura depende de la precisión de la lectura de frecuencia, y de la exactitud del valor del capacitor.

Las ondas en resonancia se ven mas o menos asi:





















La frecuencia la podemos leer en el dial o el display del generador, en un frecuencímetro externo, en el frecuencímetro del osciloscopio si lo tiene, en un multímetro con la función de medir frecuencia, o, si no disponen de ninguna de estas opciones, contando las divisiones de un período en el osciloscopio, multiplicando por la base de tiempo, y haciendo f=1/T

Curvas de transistor

Habitualmente se necesita de un trazador de curvas si se quieren obtener las curvas de un transistor.
El uso de osciloscopios de memoria nos permite trazar esas curvas con los instrumentos básicos que habitualmente se encuentran en un laboratorio de electrónica.
Para trazar un grupo de curvas en función de un parámetro (por ejemplo las curvas de tensión de colector/ corriente de colector de un transistor bipolar en función de la corriente de base) hacemos de a una curva por vez cambiando manualmente la corriente de base.
Aparte del osciloscopio necesitamos un par de fuentes de tensión ajustable entre 0 y 10V, un microamperímetro (la mayoría de los multímetros digitales sirve) y un par de resistencias.
El objetivo es trazar la curva de corriente de colector (eje Y) en función de la tensión de colector (eje X) para varias corrientes de base.
El circuito es el siguiente:


















El transistor es un BC337.
Conectamos las masas de ambas sondas al emisor del transistor, y las sondas como se indica en el dibujo.








Configuramos el canal 2 (Y) para 1V/A de manera que la escala nos quede en corriente directamente (recordar poner la punta en X1 para que la escala sea válida). Si el instrumento no cuenta con esa posibilidad, solo tenemos que recordar que al medir sobre 1Ω nos quedan 1mA por mV medido. Seleccionar inversión del canal.












Elegimos el modo X-Y, movemos los trazos a la posición donde queremos que se inicie el grupo de curvas, elegimos persistencia infinita.
Se puede empezar seleccionando en X 0,2V/div y en Y 20 ó 50mA/div.
Se ajustan ambas fuentes para 0V y se conectan.

El procedimiento es:
Elegir la corriente de base para la primera curva (por ejemplo 100μA), ajustar V2 hasta que el microamperímetro mida esa corriente.
Subir lentamente la fuente V1 hasta que el trazo se haga horizontal, regresar la fuente a cero.
Elegir la corriente para la segunda curva variando V2.
Nuevamente subir V1 para trazar la segunda curva, volver a cero.
Repitiendo este proceso trazar todas las curvas que se necesiten.

Las curvas de este ejemplo fueron trazadas con un transistor BC337 a corrientes de base de (de abajo hacia arriba) 100, 200, 300, 500, 750 y 1000μA.




















Este procedimiento no se puede hacer con un osciloscopio que no sea de memoria, pero se puede hacer con cualquier osciloscopio de memoria aunque no sea digital.
Como ejemplo tracé una familia de curvas similares con un viejo osciloscopio con memoria de tubo (Tektronix 7613).




















Opciones:
Si solo cuentan con una fuente variable, pueden usar para V2 una fuente fija (incluso una batería de 9V) y en lugar de R2 usar una resistencia de 8K2 en serie con un potenciómetro de 100K.
Si no tienen microamperímetro, pueden usar la fuente fija y elegir la resistencia R2 (cambiándola para cada curva) mediante la fórmula R2=(V2-0,65V) /Ib

El tema de la temperatura:
Si están haciendo el ensayo a corrientes relativamente altas, el calentamiento del transistor desplaza las curvas, de modo que las mismas no "van" y "vuelven" por los mismos caminos, especialmente si hacemos muy lentamente el proceso de subir y bajar V1 en el trazado de cada curva.
La gráfica siguiente ilustra este caso, haciendo deliberadamente lento el trazo para el mismo BC337 y corrientes de base de 750 y 1000 μA respectivamente.

Preocupaciones

Preocupaciones
Algunos de los que estamos haciendo electrónica en Argentina, vemos con preocupación el notable déficit de tecnología que hay en el país.
La destrucción sistemática de la educación técnica en los 90 (con la complicidad, aunque sea por omisión, de los gremios de la educación) seguramente es una de la causas, aunque el nivel de la educación en general, y de la técnica en particular viene deteriorándose incluso desde antes de esta década.
Con honrosas excepciones en cuanto a escuelas, docentes y directivos, en la gran mayoría de los casos se imparte una educación anecdótica, se hace poca práctica o se la hace mal, el sistema no favorece la participación de la gente que realmente está haciendo electrónica, y muchos de los docentes probablemente nunca en su vida han trabajado efectivamente en la profesión (y estas falencias se notan también en la enseñanza superior, en las carreras de ingeniería).
Me tocó recientemente hacer algunas charlas en colegios técnicos de la ciudad de Córdoba, para docentes de la especialidad, de manejo de osciloscopios digitales.
De allí surgió la idea de poner a disposición de los mismos algunas ideas y circuitos mediante este blog, con la intención de que sean un (modesto) aporte a la educación.
En la medida que mis escasos tiempos me lo permitan, iré agregando información que considere de utilidad.

Medición de capacitores

En muchos casos en que estamos haciendo trabajo de campo, es posible que tengamos dudas del valor de determinados capacitores electrolíticos, y no dispongamos de un capacímetro.
Los capacímetros de los multímetros, por otra parte, no suelen medir grandes capacidades.
El método propuesto, relativamente simple, se puede hacer con un osciloscopio digital y algunas resistencias con las que contemos en la caja de componentes.
Se trata de medir el tiempo de descarga del capacitor sobre una resistencia conocida.

La fórmula de la descarga de un capacitor es:






Donde Vc es la tensión de descarga, E la tensión aplicada, R la resistencia de descarga y t el tiempo transcurrido desde que se inicia la descarga (desde que se desconecta la fuente E).
Cuando el exponente de e, (t/RC) es igual a 1, se cumple que t=R.C
e elevado a la -1 es 0,367 , de manera que cuando la tensión de descarga Vc es aproximadamente 0,37 del valor E al que se inició la descarga, se cumple que t=R.C

Entonces:
Busquemos una fuente de tensión con la cual podamos cargar el capacitor (alguna de las tensiones con las que contemos en el tablero, alguna batería de 9V, alguna batería de 12V, etc.)
Conectemos un canal del osciloscopio en los terminales del capacitor, sujetando una resistencia (ver tabla).
Conectemos -con la polaridad correcta- la fuente auxiliar, en paralelo con la resistencia, el capacitor y la entrada del osciloscopio.
























Ubiquemos la posición vertical del trazo en la primera división inferior, y la ganancia de manera que el trazo quede lo mas arriba posible en la pantalla.
Pongamos el barrido en auto y la base de tiempo para el capacitor que se espera medir (ver tabla).
Usando RUN/STOP detener y reiniciar el barrido.
Cuando el trazo llegue aproximadamente a la primer división horizontal, desconectar la fuente de alimentación.
Cuando la tensión caiga por debajo del 30% de la tensión con que se alimentó, detener el barrido.
Poner cursores, modo tiempo, colocar el primero justo antes de que empiece la descarga.
Leer en el cursor la tensión, multiplicarla por 0,37.
Mover el segundo cursor hasta leer la tensión calculada.
Leer la diferencia de tiempo entre cursores.
Calcular el capacitor usando la fórmula
C= t/R





















En este caso, se midió con resistencia de 1Kohm, y para el delta t medido de 10,4Seg, la capacidad es C=10,4Seg/1Kohms=10400uf
Es correcto, el capacitor medido está marcado como de 10000uf

Tabla de referencia

Capacitor......resistencia......base de tiempo
1000uf.............10K..............2,5Seg/div
4700uf.............1K................1Seg/div
10000uf............1K...............2,5Seg/div
50000uf............1K...............10Seg/div
100000uf...........1K...............25Seg/div

Alternativas:
Esta nota es una aplicación de osciloscopio, ahora bien, si no cuentan con un osciloscopio:
Conecten un multímetro en la escala de voltios en lugar del osciloscopio, junto con la resistencia de descarga, conecten la fuente, lean la tensión, calculen 0,37*tensión leída, comiencen a medir tiempo en el preciso momento en que desconecten la fuente (mediante un reloj, un cronómetro, el cronómetro del teléfono móvil, etc), detengan la cuenta de tiempo en el preciso momento en que la tensión llegue al valor calculado, calculen el capacitor como explicamos mas arriba utilizando el valor de la resistencia de descarga y el tiempo medido.

Maestros

Me llegó hace un tiempo un correo con este texto.
Es sorprendente que a pesar de la diferencia de época y de país (de Rusia a Argentina) buena parte de lo que está en negrita sea bastante parecido actualmente.

Dice Máximo Gorki en el prólogo de Obras de Antón Chéjov.

--Una vez Chéjov me invitó al pueblo de Kuchuk-Koi, donde tenía un pequeño pedazo de tierra y una casita blanca de 2 pisos. Allí, mostrándome sus posesiones me decía:
--Si tuviera mucho dinero instalaría aquí un sanatorio para maestros rurales, ¿sabe? Construiría un edificio muy claro, con mucha luz, con ventanas grandes y techos altos. Tendría una maravillosa biblioteca, varios instrumentos musicales, colmenas, un huerto, árboles frutales, se podrían dar clases de agronomía, de meteorología, el maestro debe saberlo todo, por Dios, todo!
Si usted supiera cuánto necesita el campo ruso unos maestros buenos, inteligentes, instruidos. Aquí en Rusia se les tendría que dar unas ciertas condiciones especiales –y esto hay que hacerlo cuanto antes mejor—si es que entendemos que sin una formación amplia del pueblo el estado se desmoronará como una casa levantada con ladrillos mal cocidos. El maestro debe ser un artista, debe estar ardientemente enamorado de su labor, y en nuestro país el maestro es un paria, un hombre mal instruido que va al campo a enseñar a los niños con la misma ilusión con la que iría al destierro. Pasa hambre, se le maltrata, esta asustado ante la posibilidad de perder su trozo de pan.
En cambio haría falta que fuese el primer hombre de la aldea, que supiera responder a todas las preguntas del campesino, que los campesinos reconocieran en él una fuerza digna de atención y respeto, que nadie se atreviera a gritarle... a humillarlo, como lo hacen todos: el policía, el tendero rico, el pobre, el comisario, el director de escuela, el síndico municipal y este funcionario al que llaman inspector de escuelas, pero que solo se preocupa de si se cumplen escrupulosamente las circulares de su distrito y no de mejorar la educación.
Es absurdo pagarle una miseria a la persona que esta llamada a educar al pueblo --¿me entiende?--, ¡Educar al Pueblo! No se puede permitir que ese hombre ande en harapos, que tiemble de frío en las escuelas húmedas y desvencijadas, que se ahogue, se constipe, que a los 30 años se haya ganado una laringitis, un reumatismo, una tuberculosis... ¡Esto nos avergüenza! Nuestro maestro, ocho, nueve, diez meses al año vive como un ermitaño, no hay nadie que le diga una palabra, se embrutece en la soledad, sin libros, sin distracciones. Pero si llama a sus amigos se le considerará como un elemento sospechoso, ¡sospechoso! Estúpida palabra con la que los astutos atemorizan a los imbéciles... Es repugnante todo esto... como una humillante burla a una persona que hace un gran trabajo, terriblemente importante. ¿sabe? Cuando veo a un maestro me siento incómodo ante él y, por su timidez y porque está mal vestido, me parece que también en algo yo soy culpable por ese estado lamentable del maestro. ¿Me entiende?
Calló. Quedó pensativo y dejando caer la mano en un gesto de cansancio, dijo en voz baja:
--¡Qué absurdo y torpe país es nuestra Rusia!
La sombra de una profunda tristeza cubrió sus divinos ojos, los finos trazos de sus arrugas los rodearon hundiendo su mirada. Miró a su alrededor y riéndose de sí mismo dijo:
--¿Ve?, le he soltado todo un editorial de un periódico liberal. Vamos, le voy a dar un té por su paciencia.

Anton Chejov (Rusia, 1860-1904)

Zeners

Un circuito simple para ver en el osciloscopio la curva V - I de un zéner.
El circuito fue dibujado en el LTspice/SwitcherCAD III.















El generador de tensión es el secundario de un transformador 220/ 12+12 (usando el secundario entre extremos).
En el osciloscopio, al medir con el canal 2 sobre 10 ohms les queda una lectura de 10mV/mA. Si el osciloscopio que usan admite la inversión de polaridad de los canales, inviertan la polaridad del canal 2, asi la curva les queda al derecho.

El circuito para el simulador es



Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 176 80 80 80
WIRE 336 80 256 80
WIRE 80 128 80 80
WIRE 336 128 336 80
WIRE 80 240 80 208
WIRE 176 240 80 240
WIRE 336 240 336 192
WIRE 336 240 256 240
WIRE 336 256 336 240
FLAG 336 256 0
SYMBOL voltage 80 112 R0
WINDOW 3 -180 6 Left 0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 33.8 50)
SYMBOL res 272 224 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 0
WINDOW 3 32 56 VTop 0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10
SYMBOL res 272 64 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 0
WINDOW 3 32 56 VTop 0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 2K
SYMBOL zener 352 192 R180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 -150 28 Left 0
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value BZX84C8V2L
SYMBOL Fle 352 80 R180
SYMATTR InstName X1
SYMBOL Fle 144 256 R270
SYMATTR InstName X2
TEXT -102 290 Left 0 !.tran 0 .2 0 100u
TEXT 408 80 Left 0 ;Canal 1
TEXT 96 312 Left 0 ;Canal 2

Copien el texto, guárdenlo con el nombre que quieran y la extensión asc en la carpeta del simulador.
Igualmente, es muy fácil de hacer desde cero en el simulador.

Cuando vayan a la curva en la simulación, elijan (directamente en modo gráfico pasando el cursor del mouse sobre la R1) corriente en el circuito, luego, hagan click con el botón izquierdo sobre el eje X, y en quantity plotted, escriban V(n002). Ahora pueden ver la curva similar a como la van a ver en el osciloscopio.

















Si me dejan un correo, les mando una nota de aplicación de teoría de zéner muy completa de onsemi (en inglés).