Bucles de

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  • BuclesdecontrolHeestadorecibiendounmontndepreguntasdeloslectoressobrelosbuclesdecontrolyestabilidaddelbucle,especialmenteenrelacinconfuentesdealimentacinconmutadas.Yahoraunodeelloslepreguntabiertamentequeescribounapginawebacercadeesteasunto.Porsupuesto,loslazosdecontrolsonampliamenteyampliamentediscutidoenloslibrosdeingenieraelectrnica,perolamayoradeestoslibrossebasanengranmedidaenmatemticas,mientrasmsprctica,prcticaelectroniciansparecenaborrecermatemticasconmsfuerzaquelanaturalezaaborreceelvaco!

    Asquevoyatratardeexplicarestascuestionesentrminosfsicoslamayoradelagentepuedevisualizaryentender.Voyatenerqueutilizaralgunosconceptosmatemticos,pordesgracia,peromuchomenosquelamayoradeloslibrosdetextohacen.

    Elconceptodeunbucledecontrol

    Todoescuestindeteneralgndispositivoconunaentradayunasalida,quetieneunciertocomportamiento:Daleunpocodeentrada,yproducirunasalidaespecficaquedependedeestaentradadealgunamanera.Yluego,tomarunamuestradequelaproduccin,compararloconloqueustedquierequeeldispositivodehacer,ycalcularslolaentradaexactaderechonecesarioparaobligaraqueeldispositivoparaproducirexactamenteelresultadoquedesea.Tansencillocomoeso.

    Noeslosuficientementesimple?Bueno,miraatualrededor!Elmundoestllenodelazosdecontrol!Porejemplo,mirarauncocheenmarchaporlacarretera.Elcocheysucomportamientodinmicoesundispositivodeestetipo.Laentradaeslaposicindelvolante,mientrasquelasalidaesladireccinqueelcochevarealmente.Lafuncindetransferenciadeentradaasalidaesuncomplice,nolinealenabsoluto!Puedesercasilinealmientrasqueelcochesemuevelentamente,sinviento.Esasuvezacualquierladodelvolantesegira.Perocuandohayunpocodevientolateral,elcochetenderamoversehacialosladosconelviento,yelvolantedebeserdadovueltalevementesloparamantenerelcocherecto!Lomismosucedecuandoelcaminonoesperfectamentenivelado.Cuandoustedconduceporcaminosdegrava,losneumticostiendenadeslizarsedemanerasignificativa,ysenecesitanmsrotacindelaruedadedireccinparaproducirunciertocambiodesentidodelamarcha.Yamedidaqueelcochevamsrpido,lascosasseponenrealmenteextrao!Enungiroaaltavelocidad,elcochepodraseguirlaentradadevolantehastaunaciertacantidadderotacin,yderepentelosneumticospierdenagarre,yelcochesimplementesedetienedespusdelaentradadelvolante!Enesepunto,senecesitaunaestrategiatotalmentediferentepararecuperarcontrol,comomoverelvolanteenladireccinopuesta,hastaqueelcontrolesreadquirida,yluegomoverlomsmoderadamente.

    Conloanterior,esclaroqueparahaceruncochesigarecto,noessuficienteparaempatarelvolanteenunaposicinfija.Ensulugar,senecesitaalgunainformacin,quecierraelbucle.Estaretroalimentacingeneralmenteestosdasestodavaunserhumano,sentadodetrsdeesevolante.Detectaloqueelcocheesthaciendo,sobretodoatravsdesusojos,perounconductorexperimentadotambinsienteloqueelcocheesthaciendo,atravsde,bueno,lapartedesucuerpoqueestsentadoen.Seprocesatodalainformacin,yconstantementehacepococorreccionesalaposicindelvolante.Siestesistemaderetroalimentacinhumanaestfuncionandocorrectamente,elcochesequedabiencentradoenelcarril,ysiguetodaslasvueltas.Sielsistemaderetroalimentacinhumanaseencuentratodavaenlafasedeaprendizaje,yporlotantoesdemasiadolentoenelprocesamientodelainformacindetectada,elcocheesprobablequevayaenlneasdeslalom,peroanaspermanecerenlacarretera,esdeesperar.Ysielsistemaderetroalimentacinhumanaestprocesandolainformacinmuchomslentodelonormal,porejemploacausadehaberingeridounabotelladevodka,elresultadohabitualesqueelcocheterminafueradelacarretera,contraunrbol,lightpoleoatrapadoenunedificio.

    Estoleenseaqueelcontroldebuclesdebenserlosuficientementerpidoparaqueelprocesoseestncontrolando.Recuerdaesto.Comodiseadordelcircuito,sutareaeseldiseodecircuitosderegulacinquenosecomportancomosituvieranvodkaborracho.Oalmenosnounabotellaentera!

    Enelectrnica,buclesdecontrolestnentodaspartes.Cadaamplificadordeaudioqueutilizaretroalimentacinnegativatieneunbuclededichocontrol.Fuentesdealimentacinreguladassonejemplosimportantes,comosonlossistemasdecontroldeposicinparaunrobot,elpilotoautomticodeunaaeronave,oelsistemadecontroldetrayectoriadeuncohetedelanzamientodeunsatliteenunarbitaprecisa.UnPLLesbsicamenteunhermosolazodecontrol,independientementedesiestamoshablandodeunsimplePLLparadecodificarunasealdeFMounsintetizadordefrecuenciaPLL.Controladoresdeprocesosindustrialesson,bsicamente,controlarbuclesdeesteroides,mientrasqueunamplificadoroperacionalhumildeesnormalmentetambinfunciondeesamanera.

    Caracterizacindelaetapadepotencia

    Loprimeroquetenemosquesaber,paradisearuncircuitodecontrol,esexactamentecmoeldispositivoqueremoscontrolarcomporta!Yesoesmuyamenudomuchomsdifcildeloqueparecealprincipio.Consideremoselsiguientereguladorbsicotensindeconmutacin,uncircuitodepelotasencillacuyodeberesmantenerlatensinouputconstante,a,digamos,12V:

    Tenemosunosciladorquefuncionaa50kHz,laalimentacindeunmoduladordeanchodepulso,queproduceunasalidadeondacuadradade50kHzconunciclodetrabajoproporcionalalatensindeentrada.EstaondaseutilizaparacontrolarunMOSFETdepotencia,atravsdeuncircuitoconductor.ElMOSFETseenciendeyapaga,aplicando20Vdelafuenteprimariaalfiltroouputcuandoestencendido,ydejandoqueelfiltrodesalidaflotantecuandoestapagado.Hastaestepuntoelcomportamientoessimple.Peroloqueelfiltronoesmuysimpleenabsoluto!Parasimplificarlo,paraunaprimeraaproximacin,voyasuponerquelaresistenciadecargaestdentrodelrangoquesetraducirenlaoperacinenmodocontinuo.Estosignificaquelacorrienteenelinductorsedetienenuncadeltodo,perosloflucta.Msabajovoyaaadirloquesucedecuandoestenoeselcaso.SiemprequeelMOSFETestapagado,lacorrientedelinductorslopuedefluiratravsdeldiodo.Porlotanto,enmodocontinuolatensinenelnododelMOSFET,inductoryeldiodosersobre0.7V(cadadeundiodo)cadavezqueelMOSFETestapagado,yporsupuestoquevaasermuycercade20VcuandoelMOSFETestencendida.Estonosdaunaondacuadradaenestecruce,quetieneelmismociclodetrabajocomoelquevienedelPWM,sloaotrosnivelesdetensin.Sinosfijamosenestaondacuadradaciclodetrabajovariableenunanalizadordeespectro,verquetiene(porsupuesto!)fuertescontenidosen50kHzysusarmnicos,perotambintieneuncomponentedeCCyfrecuenciasmsbajas.LaDCybajasfrecuenciaspresentessonunacopiaamplificadadelasealpresentadaalaentradadelPWM!Elinductor,condensador,juntoconlaresistenciadecarga,formanunfiltrodepasobajo.Estefiltrohacedoscosas:PasaaDCycomponentesdebajafrecuencia,mientrasquelaatenuacindecadavezmsaltas.Normalmenteestdiseadoparaunafrecuenciadecortemuchomsbajaquelafrecuenciadeloscilador,almenosenunarelacinde01:10.Asserbloquearlassealesde50kHzrazonablementebien,ysusarmnicosinclusomejor,mientraspasalacopiaamplificadadelasealdeentradadelaPWMalasalida.SeafectaralafasedetodosloscomponentesdeCAquepasanatravsdel.Mientrasqueelefectosobreloscomponentesdebajafrecuenciaesmuypequea,inclusodespreciable,elefectoenaltasfrecuencias(50kHz,porejemplo)esdramtica,acercndoseaunainversindefasecompleta!Esoquieredecir,simplemente,quesibienelMOSFETestencendido,ylatensinenlaentradadelfiltroestsubiendo,latensinenlasalidadelfiltrosevahaciaabajo!Esunabuenaideaparavisualizarelcomportamientodeunfiltrodeestetipopormediodeunpardegrficos,unoquemuestralaganancia(oatenuacin)conrespectoalafrecuencia,elotroquemuestraeldesplazamientodefaseentrelaentradaysalida:

  • UnpardegrficosTalesllamadoundiagramadeBode.Paradisearlazosdecontrol,esnecesarioentenderdiagramasdeBode,pienseendiagramasdeBode,diagramasdeBodesudor,inclusosoarcondiagramasdeBode!

    Porlotanto,vamosaempezaraentenderesta.Setratadeunfiltrodepasobajoquetieneunafrecuenciadecorteligeramenteporencimade1kHz,ysecargaporlaresistenciadeunvalormoderado,comounafuentedealimentacinrealpodrafuncionar.Sloengaadounpoco,yloscomponentesperfectossimulados,enlugardeelmundoreal,loscomponentesconprdidasquepuedacomprar!Mssobreestomsadelante.

    Comosepuedever,enlasfrecuenciasbajasdehastaunospocoscientosdeHertzestefiltrohaceprcticamentenada:LagananciaescerodB,yelcambiodefaseesesencialmentecerotambin,loquesignificaquelasalidadelfiltroesidnticaalaentrada.Esoestotalmentelgico,teniendoencuentaquelareactanciadelinductoresdespreciableenestasfrecuencias,porloqueesencialmentecortocircuitoslasalidaalaentrada.

    Peroamedidaquenosacercamosalafrecuenciaderesonancia,lascosastomanungiromsdramtico:Elfiltroempiezaamostraralgunagananciadetensin,hastaaproximadamente17dBenestecaso,ensuresonanciaexacta.Enelmismorangodefrecuenciasalrededordelaresonancia,lafasedelasalidacambiadramticamente,alcanzando90fasederetardoenlafrecuenciaderesonanciaexacta,yluegoacercarsea180lagafrecuenciassloligeramentemsaltos.

    Afrecuenciasanmsaltas,muyporencimadelaresonanciadelfiltro,seobtieneuncomportamientoestabledenuevo,conunaconstantefasedelatenciade180,yuna"ganancia"negativa,omsbienunaatenuacin,quecreceaunritmoconstantede40dBpordcadadefrecuencia.Porquprecisamente40dBpordcada?Estenmero,quesevecomomaterialdelibrodecocina,realmenteprovienedeunhechomuysimple:Lareactanciadeuninductorseelevaproporcionalmentealafrecuencia,mientrasquelareactanciadeuncondensadorcaeenproporcininversaalamisma.Asque,siaumentamoslafrecuenciadiezveces,elinductorpasaslo1/10otantoactual,yconelcondensadorquetieneslo1/10osureactanciaanterior,hacequeslo1/100odelacadadetensininicial.Comoresultado,durantediezvecesmayorfrecuencia,noescienvecesmenosdesalida.Yunarelacindetensinde100vecespasaaser40dB.

    Cerrandoelciclo

    Paraactivarelcircuitodecomposicinabiertasemuestraarribaenunbuclecierto,ustedtienequetomarunamuestradelasalida,yprocesarlaparaobtenerunasealdeentradaadecuadaquesepuedealimentaralaentrada.Disearelcircuitoquehaceestoeslatareamstemidosolamuchosdiseadoreselectrnicostienenqueenfrentar!Eldiabloelmaldelainestabilidaddelbucle,amenudoconducealaautooscilacinaparentementeimparable,sigueestospobresmuchachosensussueosmsdulces,convertirlosenpesadillasbatido!Enuncircuitocomoestereguladordevoltaje,loprimeroquetenemosquehaceresaveriguardndeestamosdepie,esdecir,loqueelpresentetensindesalidaesabsoluta!Paraellonecesitamosunareferenciadetensin,yuncomparadordealgntipo.ElvoltajedereferenciapuedeobtenerseapartirdeundiodoZenerconpolarizacinresistor,peromuchomejorprecisinseobtieneapartirdecircu