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,peromuchomejorprecisinseobtieneapartirdecircuitosintegradosoptimizadoscomoreferenciasdetensin.Yelcomparadorsepuedeimplementarconunsolotransistor,ounpardeellasparacancelarsudependenciadelatemperatura,peroesmuchomscomnelusodeunamplificadoroperacionalparaesatarea.Desdeunpuntodevistamuysimplista,podramosterminarconuncircuitocomoeste:

Laoperacinfundamentaldeestesistemaderetroalimentacinessimple:Eldivisordetensin2k/1kproduceunamuestradelatensindesalida,siendounterciotangrandeenestecaso.Paraunasalidade12V,estosera4V.UndiodoZenerseutilizaparaproporcionarunareferencia4V,yunamplificadoroperacionalcomparalareferenciaalamuestradetensindesalida,yenormementeamplificaladiferenciaentreellos.EstasealdeerroramplificadaseponeenelPWM.Yluegotenemostodoslospulgaresquevaatrabajar!Laideaesquesilatensindesalidaseponeunpocodemasiadobajo,lasalidadelamplificadoroperacionalobtendrmuchomsalto,estoaumentarelanchodepulso,aumentandoaslatensindesalidaycorregirelerror.Peronovaafuncionar.Porlomenosnomuybien!Lomsprobableestodoelbucleseautooscilarenunamanerahorrible!Veamosporqu.

Criteriosdeestabilidad,margendefase,elmargendeganancia,yotraspalabrasdemoda

Cualquierlazo,comoelquesemuestraaqu,tieneelpotencialdeoscilar,mediantelaadopcindeunasealdelasalida,deponerloenlaentrada,deahalasalida,ysigue,ysigue,ysigue...siserrealidadoscile,ovaaserestable,sepuededefinirdeunamaneramuysimple:Sihayalgunafrecuenciaalaquelagananciatotaldelbucleesexactamentelaunidad(0dB),yeldesfasetotalalrededordelbucleesexactamentecero,o360,ocualquiermltiplodeque,elcircuitoserinestable.Esosignificaqueoscilar.Siloanteriornoeselcaso,peronohayningunafrecuenciaalaquelagananciaesmayorquelaunidad,yelcambiodefaseescomoarriba,entonceselcircuitoser"condicionalmenteestable".Esoquieredecir,novaaoscilarmientrassemantenganestascondiciones.Elproblemaesquecualquiercondicindesaturacinmomentneadecualquierpartedelbuclereducelagananciamedia,porloqueenlaprcticatalcircuitosertpicamentesatisfaceralmenosmomentneamentelascondicionesdeinestabilidad,ycomenzaroscilante.Unavezquecomienzaoscilante,laoscilacinporsmantienelaconduccindelcircuitoalasaturacinperidica,autoajustedelagananciadelazoaesevalordulcedelaunidad,ymanteniendoaslaoscilacin.Porlotanto,parafinesprcticos,unbucle"condicionalmenteestable"esunainestable.Siningunadelascondicionesanterioressecumplen,loquesignificaqueencadafrecuencia,yasealagananciaesmenorquelaunidad,oeldesplazamientodefasenoes0,360,nicualquiermltiplodeeso,oambos,elbucleserestable.Porlotanto,analizarsinuestrocircuitoesestable,tenemosquedibujareldiagramadeBodeparatodoelbucle.Estoesmsfcildecirloquehacerlo!Podemosempezarencualquierpartedelbucle.ComoyatenemosundiagramadeBodeparaelfiltrodepasobajo,vamosaempezardesdeall.Elsiguienteelementoenelbucleeseldivisorresistivo.Noafectaalafasedecualquierseal,ydividetodopor3.Esosignificaunagananciaconstantede9.5dBacualquierfrecuencia,ycambiodefasecero.EsoesundiagramadeBodetansimplequenomemolestargenerarla.LacombinacindeestediagramadeBodealadelfiltrodepasobajo,elresultadoesunnuevodiagramadeBodeparaambassecciones,queseveexactamenteigualqueeldiagramadeBodeparaelfiltro,slodequetienetodalacurvadegananciade9,5dBdesplazadohaciaabajo.Elsiguientepartedelbucleeselampop.LareferenciadetensinconectadoalsloafectaalarespuestadeDC,ydesdelaautooscilacinaDCesimposible,quenoesnecesariopreocuparseporlareferencia.PeroelamplificadoroperacionaltieneunatramamuycaractersticoBode,questenemosquetenerencuenta.AquesundiagramadeBodedeuntpico,elrendimientomodestoamplificadoroperacional:

Hayvariascosasquesedestacanaqu:Sumuyaltagananciaafrecuenciasmuybajaslagananciabajadacasiuniformeentodoelespectrosuperior,en20dBpordcadaysucambiodefase,queseiniciadesde180afrecuenciasmuybajas,porqueestoymodelandounamplificadorinversor,yluegoprontocambiaporotrade90,completandoesecambiomsomenospor1kHz!Enlagrficadelagananciapodemosverdosrangosdefrecuenciaclaramentedistintasdeoperacin:Lasfrecuenciasmuybajashastaaproximadamente100Hz,dondelagananciaesmuyaltayconstante,yelrangodefrecuenciamsaltoporencimade100Hz,enelquelagananciadisminuyeaun20dBconstantepordcada.Ahorabien,sitenemosencuentaeldiagramadefasetambin,tenemosqueconsiderarelamplificadoroperacionaltienetresrangosdefrecuenciadistintos:Elrangobajoconaltagananciaconstanteyconstante180fase,hasta10Hzlagamaalta,conelaumentodependientedescendenteconstantey270fase,de1kHzhastayelintervalodetransicin,desde10Hza1kHz,enlasqueloscambiosdegananciaenlugarrpidamentedeplanoadescendentedel,mientrasqueloscambiosdefasemuchomsgradualmentede180a270.Estascurvassontpicasparacualquieramplificadoroperacional,aunqueelmuygananciabajafrecuenciaylafrecuenciadetransicin,dependendelamplificadoroperacionalespecfico.Tengaencuentaquecuandosehabladecambiodefase,180eselmismoque180,90eselmismoque270,yassucesivamente.Tambindebeseradvertidodequelamayoradelosautores,cuandosehabladeestosasuntos,nomencionanelhechodequelosamplificadoresdeerrorsesueleinvertiramplificadores,yporloquehablarandeundesplazamientodefasecambiade0a90enestecaso.Noimportaelmtodoqueuse,siempreycuandoustedesconscientedequeencualquiersistemaderetroalimentacinnegativa,comoelcontroldebuclesson,siemprehayunainversindefase,loquesignificaquelareferenciadetodaslascosasesuncambiode180fase!EnlamismaamplitudDebomencionarquelamayoradelosautoressebasansusdiagramasdeBodecomolneasrectasconngulosagudos,queseaproximanalaactualcurvasuavementelines.Inmiopinin,esoesunaprcticapeligrosa,porquelosrastrosrealespuedendiferirenvariosdBydecenasdegradosdelosdibujosdelneasrectas,engaosaundiseadorenlafabricacindeuncircuitoinestable!Porestarazn,estoyusandolosrastros,curvasrealesenmisdiagramasdeBode.Sonmshermosatambin!LasalidadenuestroamplificadoroperacionalvaalaPWM.TenemosquellegaraundiagramadeBodeparatodalaceldaqueconsisteenestaPWM,elcontroladoryMOSFET.SuponiendoqueestamosutilizandoelPWMincluidoenICstpicosdecontroldesuministrodeenerga,elrangodeentradaalaPWMsernormalmentealgoascomo1a3V,paraproducirunasalidadeceroa100%ciclodetrabajo(olosuficientementecercaparaeso).LatensinmediadespusdelaMOSFETserestemismoporcentajedelaentradade20V!As,en20Vdeentrada,ydadoelrangototaldecontrolde2V,estacluladenuestroreguladortieneunagananciadevoltajede10,queesde20dB.EstoesciertodesdeDCalasfrecuenciasmsaltasqueanpermitenelfuncionamientocorrectoPWM,esdecir,frecuenciasquesonmuchomsbajosquefueraosciladorderelojde50kHz.Cuandonuestrafrecuenciadelasealentraenelmismorangodelafrecuenciadereloj,mejorolvidarlo,porquetodotipodecosasextraassuceden!Sepodrapensar,enunprimermomento,queunPWMnocausaretrasodefase.Pero...lohace!Elproblemaesdenaturalezaestadstica:SiemprequeelvoltajedeentradaaloscambiosPWM,elPWMnopuedetransferirestecambioalasalidamsrpidoquelosimpulsosindividualespasan.Porlotanto,causaunretardodeentradaasalidaquepromediaunmediodeimpulsos,loquesera10sennuestroejemplo.Abajasfrecuenciasdeunretrasode10ssignificaunretrasodefaseinsignificante.Porejemplo,enunciclode100Hzlleva10ms,porloqueunretrasode10sesdeaproximadamenteuntercioderetardodefasedeungrado.Peroenlasfrecuenciasmsaltasdelretardodefaseseconvierteprogresivamentemayor.Ahorahemoscaracterizadotodosloselementosdelbucle,ylanecesidaddecombinartodosesosdiagramasdeBode.Elresultadoesalgocomoesto:

Noestotalmenteexactaporqueyoerademasiadoperezosoparamodelarloensutotalidad,yloqueesmspreocupante,yaqueestesimuladordecircuitosproduceunasalidasinsentido,tanprontocomolagananciadeCCexcede80dB!Esomeobligaajustaralgunascosas,loqueresultaenunacurvadegananciasobre15dBmenorquelacosareal,peroeslosuficientementecercaparaesteanlisiscrudo.Losnicoshechosqueustednecesitaparaverenestemomentosonlossiguientes:Abajasfrecuenciasdelbucletieneunagananciamuyalta,locualesmuyconvenienteparalograrunatensindesalidaexacta,yelcambiodefaseeslosuficientementecercade180porloquepodemosconsiderarestoesvlidocierto,laretroalimentacinnegativa.Peroalrededorde700Hzelretardodefasecrecerpidamente,yporlafrecuenciaderesonanciadelfiltro,alrededorde1.2kHz,llegaa360!Esosignificaque,ademsdelaaccininversoradeseadadelamplificadoroperacional,hayuna,llenafasedelatenciaadicionalde180,quevienedelfiltrodepasobajo,porloqueunretrasototalde360.Ahorarecordarloscriteriosdeestabilidad:Cuandoelretardodefaseesde0(o360,ounmltiplodeeso),laganancianoselepermiteser1osuperior.Peronuestrocircuitotieneunagananciaenormedemsde80dBaestafrecuencia!Asquees"condicionalmenteestable"solamente,loquesignificaqueenlaprcticaserinestable!

Elcomportamientorealdeestecircuitoseraeldeunbuclesencillodeencendido/apagadocontrolado:Alprincipio,elampopconduciraalaPWMciclodetrabajodel100%,demodoqueelMOSFETestaracontinuamenteen.Latensindesalidaseelevaraaunatasadeterminadaporelfiltrodepasobajo,ycuandosecruzalabarrera12V,amplificadoroperacionalseradeceleracinyconducirelPWMensugamadeciclodetrabajocero.AsqueelMOSFETseradesconectarporunlargotiempo,despusdehaberhechoslounospulsosdeanchuradecrecientea50kHz.Serapermanecerfueradurantemuchotiempo,mientrasqueelinductormantienelaentregadecorrientealcondensador,ylatensindesalidasigueaumentandoporuntiempo,hastaquedarsesinjugo.Enesemomentolatensinempiezaabajar,ycuandoseatraviesalabarrera12Vdenuevo,haciaabajo,elamplificadoroperacionalseralarampaencimadenuevo,elPWMvolveraairaciclodetrabajodel100%,yassucesivamente.

Enresumen,elcircuitopodraoscilaralafrecuenciaderesonanciadelfiltrodepasobajo,yeloscilador50kHzyPWMserabsicamentederrotado!Alasalidanosencontraremosconunvoltajepromediode12V,porloqueelcircuitodetipodeobrasperonoseraunagranondulacin1.2kHzenl!Ylacorrienteenlabobinayeltransistoralcanzaranivelespeligrosos.Todoestoharaqueelcircuitoinutilizable.

Esevidentequenecesitamosparadeshacersedelagananciaexcesivaenlafrecuenciacrtica,dondeeldesfasellegaacero.Unpensamientoobviaesagregargananciacontrolarresistenciasalamplificadoroperacional.Peroestonoesunabuenasolucin!Porejemplo,verqupasasireducimoslagananciadelamplificadoroperacionalaapenas10(20dB):

Loquetenemosahoraesbsicamentelarespuestadefasedelfiltrohastavarioskilohercios,debidoaqueelamplificadoroperacionaltieneunainversinbastantelimpio180fasehastaquelafrecuencia,enesteentornodebajaganancia.Retardodefasedelamplificadoroperacionalvieneenslodesde10kHzhaciaarriba,doblandolacurvadefasehaciaabajo.Esoestbien.Perotenemosunagananciatotaldelbucleabajasfrecuenciasqueesdeslo30dB.Estoestdadoporlagananciade20dBdelaetapadePWMyelpoder,ladBcerodelfiltrodepasobajo,laatenuacinde10dBcasideldivisorresistivo,ylagananciade20dBdelamplificadoroperacional.Estonoesunacantidadbrillantedebajagananciadefrecuenciaparatener!Cualquierperturbacin,porejemploondulacinde100Hzacaballoennuestrosuministrodeprimaria20V,obtendrhastaquelasalida,consolamente30dBdeatenuacin.Esoespobredesempeo!Yloqueespeor:Alafrecuenciaenqueelretrasodefasecruzacero,todavatenemosvariosdBdeganancia,porloqueelcircuitotodavaestaramosinestable!!!Porsupuestoquepodramoslograrlaestabilidadporlafuerzabruta,simplementereduciendolagananciadelamplificadoroperacionalsuficiente.Peroparaentoncestendramosmuypocaaccinreguladoraizquierda,loquehacetodoelcircuitosinsentido!Estbastanteclaroloquepodramosutilizar:altagananciaafrecuenciasbajas,perorodandofueralosuficientementerpido,juntoconuncomportamientodefasecontrolada,demodoquenosencontramosconelcriteriosdeestabilidady,almismotiempoqueproporcionaunabuenaregulacin!Paraello,tenemosquesabercmobajalagananciatienequeser,enlafrecuenciadecrucedefase.Aquesdondelosconceptosdemargendefaseymargendegananciavenir.Margendegananciaessimplementelacantidaddelagananciadebucleesinferioralaunidadenlafrecuenciaexactaenlaquelarespuestadefaseprimeracruzacero.Ymargendefaseescuntosgradosdedistanciadecero(o360,o360)lafasees,enlafrecuenciaexactadondelagananciaeslaunidad(0dB).EldiagramadeBodeanteriormuestraqueelmargendegananciaseobtieneesdeaproximadamente13dB,yaquelagananciaesde+13dBenelcrucedefasecero.Yelmargendefaseenesaparcelaesdeaproximadamente8.Enlugardelosvaloresqueporlogeneralseconsiderandeseablessonunmargendefasedeaproximadamente45a60,yunmargendegananciadealrededorde6a10dB.Siuncircuitooperabajomuchascondicionesdiferentes,estoscriteriossedebencumplirenlapeordetodaslascondicionesdefuncionamiento.Esevidentequetodavanoestamosall!

Darformaelbuclederespuesta,polosyceros,ylafuncindecontrolPID

Ahorasetratadehoradeaprender,siannolohahecho,cmounamplificadoroperacionalsecomportacuandoseconectacosasdiferentesalamisma.Porquenecesitamosestaherramientaparadarformaalarespuestadenuestroamplificadordeerror,aachivebuenaregulacin,juntoconlaestabilidadcompleta.UstedyavioeldiagramadeBodecomoresultadodeunopampdesnudo:Muyaltagananciaamuybajafrecuencia,disminuyendosuavementea20dBpordcada,mientrasquelarespuestadefaseseiniciaenelvalordeseado(180enunamplificadorinversor)enesasfrecuenciasmuybajasy,acontinuacinprontoaade90delag.Ahoravamosaverloquesucedecuandoaadimosunaredderealimentacinresistivasimplealmismoamplificadoroperacional,as,unagananciade40dBamplificadorinversor:

RecibimoselsiguientediagramadeBode:

Vercmoelmismoamplificadoroperacionalquetuvounarespuestatanterriblecuandosedejasinretroalimentacin,ahoratieneunabuenaganancia,muyestablehastavarioskHz,yalmismotiempodesuretrasodefaseobtienesignificativasloporencimade3kHztambin!Estosellamaunamplificadorproporcional,yaqueamplificatodaslasfrecuenciasenlamismaproporcin,hastaunlmitedeterminadoporlascaractersticasdelamplificadoroperacional.Porencimadeestagama,elampoplimitainternamentelarespuestadefrecuenciaycausaunretardodefase.Tengaencuentaqueloquehacelaretroalimentacinresistiva,conrelacinaloshuesosdesnudosamplificadoroperacional,essimplementeempujandohaciaabajolagananciaenelreaderespuestaplana,sincambiarlaposicindelalneadeventajaenpendiente.Estomuevelainterseccindelasdoslneas(omsbien,lacurva)enelespectro,yconellavaelretrasodefasede90.Paraunamplificadoroperacionaldado,menorserlagananciaseprogramapara,msampliasersugananciaplana,sinlaganchodebanda.Peromuyamenudoqueremosunamplificadordeerrorquetienemuchomsgananciaafrecuenciasbajasqueenlasaltas,inclusodentrodenuestragamadefrecuenciasdeinters.Estosehaceutilizandolaretroalimentacincapacitivo:

Estecircuitosellamaunintegrador,porquesusalidaeslaintegraldesuentrada.Pongaunescalndetensin,yseobtieneunarampadesalida.Pongaunaondacuadrada,yseobtieneunaondatriangularacabo.Pongaunseno,yseobtieneuncosenocabooalrevs,nomeacuerdo,porsermatemticamentedesafiammismo...Paraelectroniciansnomatemticos,detodosmodos,queeselmismoseno,sedesplaz90haciaatrsenlafase.SudiagramadeBodeesmsbienaburrido:

PeroestetipodediagramasdeBodeaburridos,conlneasmuyrectas,sonamenudolosmstiles!Sepuedeverqueentodalagamadefrecuenciasenlaquefuncionacomounintegrador,quetieneunagananciaenpendientehaciaabajoenunaconstantede20dBpordcada,yundesplazamientodefaseconstantede90conrespectoalanorma180decualquieramplificadorinversor.

EllmiteinferiordeestecomportamientoestdadoporlagananciafinitaDCdecualquieramplificadoroperacional,loqueloconvierteenunamplificadorproporcionalenelrangodefrecuenciamuybaja,tendiendoamuyaltaganancia,constanteall,ysloelnormalde180turno.Sloelcomienzodeestoesvisible

enestatrama,queseiniciadesde100Hz.Yellmitesuperiordelaconductalimpiaestdadaporotrosefectosinternosdelamplificadoroperacional,laadicindeunretardodefaseadicional,peroafrecuenciasmuyporencimadenuestragamadeintereses.

Porlotanto,loquehacelaretroalimentacincapacitivo,enrelacinconelescuetoamplificadoroperacional,estbsicamentecambiandolapartependientedesucurvadegananciahaciaabajo,sinafectaralalneadebajafrecuenciaplana.Estomuevelafrecuenciadeinterseccinhaciaabajo,delagrficaenestecaso.Esfcilhacerunintegrador,convaloresdeloscomponentesprcticos,quetieneunafrecuenciadeinterseccinpreciotanbajocomo0,01Hz!EnDC,lagananciadeunintegradoressiemprelagananciadelazoabiertodelamplificadoroperacional,porlogeneralde80a100dB.

Porsupuesto,tambinpodemosconstruirelcircuitoopuesto,aquelcuyagananciaaumentaconlafrecuencia:

Estosellamaundiferenciador,porquesusalidaesladerivadadelaentrada:Unarampaenlaentradaproduceunpasoenlasalida,untringuloenlaentradadauncuadradoenlasalida,yuncosenoenlaentradadaunsenoenlasalidaolaformamsredondaotra,porquetodavaestoymatemticamentedesafi!Detodosmodos,cambiaondassinusoidalesenladireccinopuestacomounintegradorhace.YsudiagramadeBode:

Ustedpuedeverlagananciaconstanteaumento,en20dBpordcada,hastaalcanzarunlmitedeterminadoporlascaractersticasdelamplificadoroperacional.Eldesplazamientodefasees90,queesuncambiopositivode90conrespectoala180decualquieramplificadorinversor.Perolasimperfeccionesdeunopampprctico,construidoenformaintencionada(ynecesariamente)enformadeunacapacidaddecompensacin,empezarprovocandoundesfasecrecienteentreunospocoskHz.Desdeestaparcelasevedemasiadotorcida,meencontrdenuevolasimulacin,utilizandounamejorampop.Ladiferenciaesimpresionante!Mequedconlamismaescala,paraqueseaobvio:

Aqutenemosundiferenciadorlimpio!Tengaestoencuenta:Cuandoustedestcuidandoslolasfrecuenciasbajas,sobreamplificadoresoperacionalesbaratoscomoel741,358,o324estnbien.Perocuandosenecesitaunamplificadoroperacionalparallevaracabolimpiamenteenfrecuenciasalgomsaltas,sertanbuenoypagarunpocomsporunamejor!Elamplificadoroperacionalutilizadoparaeldiferenciadortorcidaesun741,yalgunosdelosamplificadoresoperacionalesdentrodecircuitosintegradosdecontroldelafuentedealimentacinsonanpeor!EnlugarlautilizadaparaesteltimodiagramadeBodeesunLF400.La

gananciadeldiferenciadorsiguedisminuyendohaciafrecuenciasmsbajas,demodoqueenDCquealcanzaatenuacininfinita.EsosignificaquesusalidanoreaccionaenabsolutoacualquiervoltajeDCensuentrada.Podemoscombinarlasfuncionesdeintegracinproporcional,yamplificadoresdiferencialesenunsolocircuito.Porejemplo,estecircuitotienelostresdeellos:

EnDC,amboscondensadoressecomportancomocircuitosabiertos,porloqueelamplificadortieneunagananciatotaldelazoabiertodelamplificadoroperacional.Enelrangodebajafrecuencia,lareactanciadelcondensadorintegradoresaltoenrelacinalaresistenciadegananciaproporcional,porloquedominaelparserie.Almismotiempo,lacapacitanciadiferenciadortambintieneunaaltareactanciaencomparacinconlaresistenciadereferencia,demodoqueenesteparparalelo,laresistenciadomina.Elresultadoesqueenelintervalobajodefrecuenciadelcircuitofuncionacomounintegrador.Enlagamadefrecuenciamedia,lareactanciadeCdifftodavaesgrandeencomparacinconRref,peroreactanciadeCintsehaconvertidoenpequeoencomparacinconRprop.Comoresultado,ambasresistenciasdominan,yloscondensadoressonineficaces.Comoresultado,enesterangodefrecuenciamediaelcircuitofuncionacomounamplificadorproporcional.Yenelrangodealtafrecuenciaquesupusoquereactanciasamboscondensadores'sonpequeosencomparacinconsusresistenciasdecompaa,demodoqueenelgrupoparalelodeentradadeloscondensadoresdomina,yenelgrupodeseriesderetroalimentacindelaresistenciadomina.Comoresultado,elcircuitofuncionacomoundiferenciadorenesterangodealtafrecuencia.TodoelasuntosellamauncontroladorPID,yseescucharestapalabrademodamencionadomuyamenudoenelcontextodelateoradecontrol.PID,porsupuesto,significa"proporcional,integral,derivativo".ControladoresPIDseusanmuy,muyamenudo.Ymerefieroaeso!Otrosautoresllamanuncircuitoderetardoadelanto,yaqueofrecedesfasedealgnrangodefrecuencias,yelplomoenotrafase.Paraunapersonadeaudio,estemismocircuitoexactaseconoceconelnombrede"baeraecualizador".Bastaconmiraralacurvadegananciadeabajo,ysabesporqu!Unmontndenfasisdelosgraves,losagudosciertonfasis,conunrangomediodeprimido.Esunaformacomnparahacerunsonidoghettoblasterbarato"comounagranplataforma",almenosparalosodosdelosoyentesnoexigentes.YestonosllevaasudiagramadeBode:

Comosepuedever,enelrangodebajafrecuenciatenemosuncomportamientointegracin,quesecaracterizaporunapendientedeganancia20dB/dcadayunafasede270.Enelrangodefrecuenciasmediastenemosunabajagananciaplana,lafasedesernominalmenteel180decualquieramplificadorinversor.Yenelrangodealtafrecuencia,eldiferenciadorentraenaccin,conlagananciaenpendientearribaen20dB/dcada,ysiendolafase90conrelacinalaavanzada180delamplificadorinversor,esdecir,90.Estoesciertohastaunafrecuenciadondeelrendimientodelamplificadoroperacionalespecficacomienzaadesmoronarse.Yaestiempoahoraparaintroducirdosmsdenuestrosamigos,polosyceros.Un"polo"esunnombredefantasadadoadoblarlacurvadegananciabaja,porejemplodeplanoa20dB/dcada,ode20a40dB/dcada.Cualquierpolotambinhacequelafasedecambiar90msnegativo.Un"cero"esunnombredefantasaigualmentedadoaelefectocontrario,esdecir,lacurvadegananciadeflexinporunpasode20dB/dcada,yeldesplazamientodefasede90mspositiva.EneldiagramadeBodeanterior,podemosverdosceros,unosituadoa100Hz,elotroa10kHz.Elcircuitoenrealidadtambintienealmenosdospolos,peroquedanfueradelrangodefrecuenciadeestaparcela.Unopasaaunafrecuenciamuybaja,dondelacurvadegananciadelintegradorinterceptalagananciadebucleabiertodelamplificadoroperacional,probablementealrededorde80o90dBdeganancia,ycercadeundcimodeHertz!Elotro,paraesteopampbajoestascondiciones,probablementesucedeenunospocoscientosdekHz.Elprincipiodequeesvisibleenlacurvadefasetrazado.Alafrecuenciaexactadeunpoloouncero,lagananciaes3dBfueraelvalor"lnearecta"obtenidodibujandorectasmejorajustadas,yelcambiodefaseesprecisamente45fueradelvalorinicial..EstosepuedevermuybienenelgrficodearribaEldiseodeunamplificadordetalesPIDesbastantesimple:primeroescogeunvalorconvenienteparalaresistenciadereferencia.Luegosecalculalaresistenciadegananciaproporcionalparadarlelagananciadefrecuenciamediaadecuada.Sideseaunagananciadediez(20dB),loconviertenendiezvecesmayorquelaresistenciadereferencia.Luegodecolocarlosdosceros.ElinferiorsecolocamedianteelclculodelvalordelcondensadorintegradordetalmaneraquesureactanciaesigualaRpropalafrecuenciadeseadainferioracero,de100Hzenestecaso.Luegosecalculalacapacitanciadiferenciador,demaneraquesureactanciaeselmismovalorqueelRrefenlapartesuperiordefrecuenciacero,10kHzdeseadoenestecaso.Porltimo,silosvaloresdecomponentespocoprcticasoinconvenientescomoresultado,puedeescalarloscuatrovaloresquetegusta,loqueaumentalasresistencias

enlamismaproporcinquedisminuyelascapacidades.Listo!Uf!Peroahoratenemosqueponeresteconocimientoatrabajarparanosotros.Todavatenemosunatareadeespera:Diseodeunabuena,,circuitoderealimentacinestablerpidoparanuestroreguladordevoltaje!Yaprobamosusandounamplificadorproporcionalsimple,yencontramosquesireducimossugananciasuficienteparaalcanzarlaestabilidad,lagananciaenbajafrecuenciaesdemasiadobaja,loqueresultaenmuymalaregulacin.As,elsiguientepasoesttratandodeutilizarunintegradorlugar,quenoesmscomplejoqueelamplificadorproporcional.Tanslohayquesustituirlaresistenciaderealimentacinporuncondensador,as:

Peroestavezvamosacalcularelvalorptimo!Ylalgicadiceas:Desdenuestroamplificadorderealimentacinesunintegrador,tendr270cambiodefase.As,enlafrecuenciaenqueelfiltrodepasobajodelaseccindepotenciaproporcionaotro90cambiodefase,eldesfasetotalalcanzaruntotalde360,lacondicindeoscilacin.Aestafrecuencia,queeslafrecuenciaderesonanciadelfiltrode1.2kHz,necesitamoslagananciatotaldelbucleser6a10dB,paratenermargendegananciaadecuado.Vimoscaminoenestapginaqueaestafrecuenciaelfiltrodepasobajotienegananciade17dB.LaetapaPWMyelpoder,alimentadopor20V,proporcionaganancia20dB.Yeldivisordetensin2k/1kproporcionacasi10dBdeatenuacin.Asquetenemosunpocomsde27dBdegananciadelaizquierda,ynecesitamos6dBomsbajo,loquesignificaqueen1.2kHzamplificadordeerrordebeproporcionar34de"ganancia".34dBesunarelacindevoltajede50,loquesignificaqueelcondensadorintegradordebetenerunareactanciade50vecesmenorquelaresistenciadeentradaalamplificador,en1.2kHz.Laresistenciadeentradaeficaz,enestecircuito,estdadaporelequivalenteenparalelodela2ky1kresistencias.Estoes667.As,elcondensadornecesitatenerunvalorde10F.Siestevalorpareceimpracticablementealtaparauncondensadornopolarizado,porsupuesto,losvalorespuedenserescalados,porejemplo,puedeusar1Fyreemplazarlasresistenciasdivisorasde20ky10k.EldiagramadeBodeparaelbucletotal,incluyendoelamplificadordeerrorintegracin,miradascomoeste:

Comosepuedever,enlafrecuenciaenqueelretrasodefasealcanza360,lagananciaes7dB,satisfaciendoelrequisitodemargendegananciaparalaestabilidad.Ydondelagananciaseconvierteencero,entornoa80Hz,eldesfaseesde270,porloqueelmargendefaseesde90,queesunmontn.Estosignificaqueelbucleserestableusandoesteamplificadordeerrordeintegracin.Perosugananciadebajafrecuenciaesanpobre!Muchomejorqueladeunasolucinestablebasadoenunamplificadordeerrorproporcionalgananciabaja,perosiguesiendopobre.Porejemplo,sihayzumbidode100Hzennuestrosuministroprimario20V,elfiltrodepasobajonoatenaenabsoluto,yaquetiene0dBganarall.Yelamplificadordeerrortienealrededorde2dBdegananciaenesafrecuencia,yeldivisordetensintienecasi10dB,demodoqueelcircuitodecontrolharmuypocoparareducirelzumbido100Hz.Pasarladerechaatravsdelasalida,

haciendodeesteunreguladorpobres!Necesitamosalgomejor.Ytenemosquepensarunpoco,loquepodemoshacerparaqueseamejor.Elproblemaessimple:Elfiltrodepasobajoofreceunabuenaatenuacindecualquierondulacinnodeseado,solamentemuyporencimadesufrecuenciaderesonancia.As,enlasfrecuenciasbajasymedias,atravsyunpocomsalldelafrecuenciaderesonancia,sloelcircuitoderealimentacinsepuedeutilizarparareducircualquierondulacinnodeseada,elruido,yotrabasura.Porlotanto,esabsolutamentenecesariounsuficientementealtagananciaenelamplificadordeerror,atravsymsalldelafrecuenciaderesonanciadelfiltro!Peroelfiltrointroduceuncambiobastantebrusco180desagradable,faseentornoasufrecuenciaderesonancia.Estecambiovade0abajasfrecuencias,a180enlosaltos.Porlotanto,lomejorquepodemoshacer,teniendoencuentaquenopodemoseliminarelcambiodefasede180,esmoversehaciaarriba,porloquelarespuestadefasetotaldelbucle,enlugardeser180a360,opeoran,270a540,seconvierteen90a270!Esagamatienecapacidaddecambiodefasedelfiltrodepasobajo,ytambincumpleloscriteriosdeestabilidaddemargendefase,encualquierfrecuencia!Laherramientaparalograresteobjetivoesdarelamplificadordeerrorunaaccindediferenciar,enelrangodefrecuenciasentornoalaresonanciadelfiltro,yhastaalafrecuenciadondelagananciahadisminuidomuchomsalldelaunidad.Peronopodemosusarunasencilladiferenciadorcomounamplificadordeerror,yaquesurespuestaalDCseraningunoenabsoluto!Yenlasfrecuenciasbajasqueseratristementebaja.Porlotanto,todavatenemosunintegradordeobtenersuficientedebajafrecuenciaylagananciaDC,peroluegoseintroduceuncero,yelotrocero,ambospordebajodelafrecuenciaderesonanciadelfiltro.Compensaelprimercerodecambiodefasedelintegrador,conloquelafasedelamplificadordeerrordenuevohasta180.Yelsegundocerotraeademshasta90grados,demodoquetodalarespuestadefasedebucleentoncescomenzaraa270,moverhasta180y90,yluegoenlaresonanciadelfiltromoversehaciaabajodenuevopara270.Teniendoencuentaestoscambiosdefase,podemosdarelerrorAmplifercualquiergananciaquequeremos,yanasobtenerlaestabilidad!Elnicolmiteprcticoparaganaresqueafrecuenciasmuyaltasalgunafaseadicionalquedaaparece,enelamplificadoroperacionalyenotroslugares,porloqueenesasfrecuenciaslagananciadebesersuficientementebajaparamantenerlaestabilidad.Peroenesasfrecuenciasaltasdelfiltrodepasobajoesaltamenteefectivo,porloquenonecesitamosningunagananciadelamplificadordeerrorah.Vamosavercmoimplementaresto.Permtanmecomenzardiciendoquelosdoscerospuedensercolocadosendiferentesfrecuencias,opodrasercolocadotantoenlamismafrecuencia!Estarealidadledalamejorgananciadebajafrecuencia,paraunagananciadepasomuyaltafrecuenciacerodado.Vamosaintentarlo,usandonuestrocircuitoPID.Yvamosatratardecolocarloscerosen500Hz,yverqupasa.Estodebeserlosuficientementebajaparaquelesdenunbuenimpulsodefasea1200Hz,yalmismotiempolosuficientementealtaparaevitarlareduccindelamitaddelaumentodelafrecuenciademasiado.Tambinvamosahacerunintegradorqueproporcionaunagananciade40dBa100Hz,paraconseguirlareduccindeondulacinrazonable.TomandonuestrocircuitoPID,yelusodenuestro667resistenciadeentradaequivalenteparaRref,nosneetuncondensadorintegradorquetiene66.7kreactanciaa100Hz,paradarel40dBdegananciaall.Setratadeunvalorde24NF.Luegocolocamosunodelosceros,medianteRprop,quetienequetenerelmismovalorquelareactanciadelCintesa500Hz.Estoes13.3k.Yluegocolocamoselotroceroalamismafrecuencia.ParaesonecesitamosunCdiffquetiene667reactanciaa500Hz.Estaes477nF.Aquhayunpococaprichodemicircuitoreguladordevoltajeelegido:Desdequeusel2k/divisordetensin1kcomoresistenciadeentradaparaelamplificadordeerror,nohayunlugarobvioparaponerCdiff!Asquecolocamosenparaleloconlaresistenciade2k,peroluegosevetresvecesmsaltovoltaje,porloquetienequeserunterciodeltamao!Comoresultado,tenemosuncapacitor159nFenparaleloconlaresistenciade2k.Porsupuesto,enuncircuitoprcticousaramoslosvaloresglobalesmscercanos,talescomouncondensador22nFparaCint,unaresistenciade13kparaRpropyun160nFoincluso150nF.ocondensadorde180nFparaRdiffYeldiagramadeBodeparatodoelbucleahoraes:

Comosepuedever,ahoralafaseparatodalagamadelaCCamsde10kHznoseacercaaaproximadamente65hastaellmitepeligroso360.Elproblemadedesfaseprovocadoporelfiltrodepasobajosehaeliminado!TambinelaumentodelafrecuenciadeCCybajaesexcelente,enmediodelasfrecuenciaslagananciaestodavamucho,ylavidaesbuenaexceptoqueunanuevaresonanciasepresenten20kHz!All,elcambiodefasecruzalalneade360,ylagananciatotaldelbuclenoestodavaalto,aligualque40dB!Esosignifica:Oscilacincreoquemsomenosenestemomentodeempezaradarsecuentadequeeldiseodellazodecontrolnoesparalosdbilesdecorazn,niparapersonasquebuscanlasatisfaccininmediata!Enrealidadnoestoysegurodedondeestanuevaresonanciaestviniendo.Puedeserqueseauncaprichodelsimulador,enlugardeunefectoreal,otalvezesrealporcierto.Encualquiercaso,estsucediendoenlafrecuenciaenqueelamplificadoroperacionalalcanzasulmite,yunapendientedescendentedegananciacomienzadebidoalamplificadoroperacionaladecuada.Debidoalafuncindeladiferenciacin,ylagananciadepartidarelativamentealtoenlasfrecuenciasmedias,a20kHzseesperaqueelamplificadoroperacionalparaentregarcercade100dBdeganancia,loquenoescapazdehacer.Podramoshacerdoscosas:obienconstruirelcircuitodeverdadyprobarlo,oprimerrollodelagananciaaaltasfrecuencias,enlasquenonecesitamosdeganancia,deverdad.Elproblemaesquecualquieraumentoderolloffenlasfrecuenciasaltassignificalainsercindeunposte,queasuvezsignificacambiarlarespuestadefasede90haciaabajo.Yesonostraeraalatierradeoscilacindeinmediato!Asqueparecequetenemosquesacrificaralgodegananciatotal.Voyatratardehacerunpardecosas:Enprimerlugar,aadirunpoloen5kHz,mediantelainsercindeunaresistenciade200enserieconnuestra160nFCdiff.Estocancelalaaccindiferenciadorade5kHzparaarriba.Miraqupasa:

Mucho,muchomsbonito!Elpicoderesonanciaysurepentina180desfaseasociadoshandesaparecido.Peroelcruce360ocurreaunafrecuenciadondetodavatenemosunagananciadelazopositivo.Asquetodavaconseguimososcilacin!Enestepunto,elmejorcursodeaccinparecereducirlagananciatotal.Vamosatratardeeso.Tenemos360faseaaproximadamente15kHz,dondelagananciaesdealrededorde7dB.Sireducimoslagananciapor,digamos15dB,debemosconseguirlaestabilidad.15dBesunarelacindevoltajede5,6.Vamosaredondeara6,yaestoycansadoaestashorasdelanoche,despusdehaberpasadotodoeldaescribiendoestapgina.AsaumentamosCinta144nFyreducirRpropa2.2k.Elresultado:

xito!Ahoraenelpuntodefasede360,tenemosganancia8dB,losuficienteparasatisfacerelcriteriodemargendeganancia.Pero...ay!Elcriteriodemargendefasenoestsatisfecho!A0dBdeganancia,tenemosmuypocomargendefase!Tegustaestejuego?Puedeseradictivo!Talvezdespusdeotros10rondasresolvemoselproblema!)gursmatemticasdicenquepuedencomenzarapartirdelosparmetrosdelcircuitodepotencia,llenaraproximadamente25hojasdepapelconelclculointegral,enormesmatricesintimidatorios,unagrancantidaddepequeosgarabatosenlosbordes,yluegopresentarlosvaloresdeloscomponentesperfectosparaelamplificadordeerror.Elnicoproblemaesqueentodosloscasosquehevistoellostratandodehacerlorealmente,suscircuitosnofuncioncomosecalcula,ytuvoqueserajustadodetodosmodos!Enestepunto,simplementepodramosresolverelproblemareduciendoanmslaganancia.Ves,estoescomounmantra:Sioscila,!reducirlagananciaNecesitaramosparacolocarelpuntodeganancia6dBomenosen2kHzomenos,simplementecumplirconelrequisitodemargendefase.Peroentoncesvolvemosatenersuficientegananciadebajaymediafrecuencia!Loquenecesitamosesobienunaumentoderolloffmspronunciadasinelretrasodefaseasociado,obienmantenerlafasedealtasuficientehastaunafrecuenciaalta,dondeelfiltrodepasobajoreducelagananciasuficienteperoeseimpulsofasetendraquevenirsinningnaltafrecuenciaadicionalganar!Ambossonunailusin.Parecequenopuedollegaraunamuybuena,rpidaydealtaganancia,razonablementesimple,ysincondicionesdelcircuitodecontrolestableparaestereguladordevoltajesencillo!!!Acercadelomejorquepuedohacerescambiarligeramentehaciaabajoelpoloquehabacolocadoa5kHz,yaadirunpoloadicionalaunafrecuenciaalgomayor,pormediodelaadicindeuncondensadorenparaleloconRprop.Esteesunllamadocircuitodecompensacin"TipoIII".Creoqueestoyjustoeneldinerosiasumoqueporahoraestunpocoperdidosobrelaconfiguracindelcircuitoexactaqueestoyhablando,asiqueaquhayelesquemadelcircuitofinal.TodavatieneelPWMyelconductorsemuestraslocomobloques,peroesonodeberaserunproblema.

YesteeseldiagramadeBodealazocompletoqueofrece:

Mirndolodecerca,sepuedeverqueelmargendegananciaesaproximadamentedel6dBmnimorequerido,mientrasqueelmargendefaseesunpocoestrecho,apenas20.Asqueestecircuitotendrunatendenciaparaquesueneaaproximadamente3kHz,peronodebeautooscilar.Almismotiempo,sugananciadebajafrecuenciaesalta,porloquelaprecisindelaregulacindevoltajeserbueno.Enelrangodefrecuenciasmedias,lagananciaesmediocreamala,porloquecualquierondulacinenelsuministroprimarioobtendratravsdelasalida,conunaamplitudsignificativa.Losentimos,amigos!Estodoloquepuedohacer.

Elpoderdelaimperfeccin

Ahoravoyaromperunpocoamarganoticiaparausted:Todonuestrocuidadoajustesdeesteamplificadordeerroreraunacompletatontera,ycompletamenteintil,yaqueelcircuitodepotenciaqueestbamostratandodecontrolarslopuedeexistirenSimulatorland!Debidoaqueutiliza,componentessinprdidasperfectos.Peroelmundorealnoestansimple!Componentesrealessonimperfectos.LoscondensadorestienenalgnResistenciaserieequivalente,quenoesdespreciableencircuitoscomoeste.InductorestienenunmontndeESRtambin,yloqueespeor,elESRcambiaconfrecuencia!EnDCesslolaresistenciadelalambre,peroenvarioskHzysuperiorunaresistenciaadicionalsemuestra,queescausadaporlaprdidaenelncleomagntico.Yloqueesmsdifcildemanejaresquelosinductoressonbastantenolinealconlacorriente!NoslosuESRcambiaconlacorriente,suinductanciatambinlohace,ydemaneraespectacularsiteacercasalazonadesaturacin!Lasconsecuenciasdeestosondos:Elcircuitodepotenciasencillaqueestbamostratandodecompensarsimplementenoexisteenelmundorealmundo,yloqueespeorparaelelectronicianvirtual,queesextremadamentedifcildesimularcorrectamentetalcircuitoenelsoftware!Independientementedelacantidaddeesfuerzoqueustedinvierteenconseguirsuderechodesimulacin,elcircuitorealtodavasecomportardemaneradiferente.Slopuedeacercarseconlasimulacin,ylocercaquetedandependemuchodepurasuerte,porquesiemprehayalgunascosasqueustednosabeacercadesucircuitoreal.Elniveldeacuerdoentrelossimuladoresdecircuitoselectrnicosyloscircuitosrealesescasitanbuenacomoladelaprediccindeltiempode5dasconelclimareal!Paradecirlosinrodeos:simuladoresdecircuitossonmentirososenlamismaclasequelosmeteorlogos!Ambostienenlasmejoresintencionesdehacerlascosasbienyambostepierdaslamarcaporunampliomargen!Yotiendoausarsimuladoressolamenteparaloscasosrelativamentesimples,ycuandoyosmuybienloquedeberasuceder,parahacerunacomprobacindevalidezrazonabledelsimuladordedesalida.ParaesteartculoestoyutilizandoMicroCap,simplementeporquemepermitecreardiagramasdeBodedeaspectoagradable.Perocuandotengoquedisearuncircuitodecontrolreal,yoprimeromedirelcomportamientodelcircuitoreal,real,fsico.Detodosmodos,porahoravamosacontinuarutilizandoelsimulador,perovamosasimularalmenosalgunosmejoresaproximacionesalcomportamientorealdenuestrocircuito!Esmuyimportantehacerlo,porquelasimperfeccionesdeloscomponenteselectrnicosnosonsiempreunproblema.Enalgunoscasosespecficos,comoeldelamano,sepuedejugaranuestrofavor!AquesteldiagramadeBodedenuestrofiltrodepasobajo,endosversiones:LacurvadegananciadeazulylacurvadefaserojasonexactamentelosmismosqueenelprimerdiagramadeBodeenestapginawebdelargo,quemuestralarespuestadeunfiltrodepasobajoLCconcomponentessinprdidasperfectos.Porcierto,losvaloresson20Hy1mf(personaspasadasdemodaescribenquecomo1000F),yunacargade1.Lacurvadegananciaverdeycurvadefasedecolorrosasonelmismofiltro,perolaadicindelaESRparacadaparte.Aad0.05ESRalcondensador,quedebeserbastanterealista,y0.16ESRalinductor,loqueimplicaunfactorinductordeQ50alafrecuenciaresonante,quetambinesbastanterealistaparaeltipodeinductorescomnmenteutilizadoenlaconmutacinfuentesdealimentacin.Ahoramiraloquepas:

Comosepuedeverfcilmente,elpicoderesonanciadelfiltrosimplementehadesaparecido,ylopeordesfaseprovocadoporelfiltromundorealessloalrededorde100,encomparacinconel180dela,filtroidealterico!Ycadaunadeestasdosdiferenciasnosayudamuchoeneldiseodeunamplificadordeerrorqueproporcionaunagananciasuficientefrecuenciamedia,juntoconunabuenaestabilidad!Estetemaeslosuficientementeimportantecomoparaanalizarloconmsdetalle,delaCCaaltasfrecuencias:EnDCyhastaaalrededorde100Hz,lasresistenciasparsitastienenmuypocoefecto.Bsicamentelacurvadegananciaesunpocopordebajode0dB,porquelaESRdelinductorformaundivisordetensinconlaresistenciadecarga.Peroentodaslasfrecuenciassuperioresalosrequisitosesencialesdeseguridadsonimportantes.Elinductor20Htieneunareactanciaigualasu0.16ESRa1273Hz,demodoqueestafrecuenciahaciaarribadesdelainductanciacomienzaadominar.Comovamosdebajodeestafrecuencia,elinductorenrealidadtiendeacomportarsecadavezmscomounaresistencia0.16!Yelcondensador1mftieneunareactanciaigualasu0.05ESRa3183Hz,asqueesprincipalmentecapacitivasolamentemuypordebajodeestafrecuencia,yensulugarsecomportacomounaresistencia0.05bienporencimadeella!Yesoexplicaloquesucede:Abajasfrecuenciasnodisponemosdeinductanciasignificativa,yensulugartenemosunfiltrodepasobajoRC:0.16enserie,y1mfatierra.Lafrecuenciadepolodeestacombinacines995Hz,yexplicalaprimeramitaddelacurvaderespuestadefase,ylainflexindegananciaconstanteaunapendientedeganancia20dB/dcada.AaltasfrecuenciasenlugardelainductanciadominasobresuESR,peroelcondensadorsehaconvertidoenunaresistencia,porloquetenemosunfiltrodepasobajoLReneserango!Estoexplicaporqueserangotambinslotieneunapendientedeganancia20dB/dcada,yslo90cambiodefase.Sloalrededorde3kHztenemosunamezcladeinductancia,capacitancia,yambasresistencias,porloquetenemosunpocomsderetrasodefasede90,mientrasqueelaumentodelapendientedegananciaesapenasperceptible,peropresente.Enlafrecuenciade"resonancia"nielinductornielcondensadorsonlosuficientementepurocomoparacausarefectosderesonancianotables!SilasproporcionesdeESRainductanciaycapacitanciaeranligeramentediferentes,poniendofrecuenciapolodelabobinaaladerechaenlafrecuenciadelcondensadordecero,quesepuedenconseguirunalimpiaprimerarespuestafindeestefiltro,esdecir,un20dB/dcadapendientemuysuaveyprecisa90retrasodefase,sinningnrebasamiento!Elinductorserabsicamentecomenzarfiltrandoaunafrecuenciadondeelcondensadordejadehacerlo.ElproblemaenhacerestoenlaprcticaseencuentraenlaESRmaldefinidadecondensadores.LosfabricantesgarantizarunciertoESRmximo,peronounmnimo,yluegoelESRcambiamuchodurantelavidatildelequipo,subiendoamedidaqueenvejececondensadores.AsquesiempreespeligrosoconfiarenenESRdelcondensadorelectrolticoparaestabilizarunbucle,peroesloquecasitodoelmundolohaceenestecomercio!Qusepuedehacerparaeliminarestaincertidumbre,estutilizandomuybajascondensadoresESR,comopelculadeplsticoocermicamulticapacondensadoreselectrolticosenlugarde,acontinuacin,aadirdeliberadamentealgunaresistenciaenserie.Muyamenudoestosepuedehacersimplementeusando,rastrosdemesalargadelcircuitoestrechas!Dondequeintroducedemasiadoinductancia,unaresistenciadevalormuybajopuedeserutilizado.Ynoestremecersepensandoenuncondensadorcermicogigante1000F!Sistemasdeconmutacindealtafrecuenciamodernosamenudonecesitanvaloressorprendentementebajosdecapacitancia.Volvamosanuestroreguladordevoltajehumilde.!Eshoradecocinarunnuevoamplificadordeerrorparaella,ahoraquetenemosundiagramadeBodemsrealistaparaelcomportamientodelfiltroLalgicaserlasiguiente:Elretrasodefasemsgrandedelfiltroes100,en35kHz.Mientraselamplificadordeerrornointroducemuchoretardodefaseadicional,elcircuitoserestable!Sinembargo,unsencillointegradordelcursointroducea90deretraso,yesonoesaceptable.Asqueelcircuitomssimpleamplificadordeerrorquepudimosprobaresunoquetieneunsolocero,comportndosecomounintegradorenlasfrecuenciasbajas,ycomounamplificadorproporcionalalmedioylosdealta.EsoseraunreguladorPIouncompensadordepolosyceros,segnlajergadehablar.Poloceroesporqueademsdelceroseintroducedeliberadamente,noeselpolonaturalformadoporelamplificadoroperacionalquedarsesingananciaenlazoabiertoenlasfrecuenciasextremadamentebajas.Paraqueelamplificadordeerrorintroducirpocoretrasodefasea3kHz,necesitamosparacolocarelceromuypordebajodeesafrecuencia.Voyatratarde1kHz.Yluegotenemosslounadecisinmsquetomar:Lagananciatotal.Cuntopodemosutilizardependedelarespuestadealtafrecuenciadelamplificadoroperacional,porqueamedidaquesequedasinanchodebandaque,naturalmente,convertirseenunintegrador,lainsercindeunposte,causandoun90cambiodefase,yenesemomentoelbucletotalesgananciadebeserlosuficientementebaja.DadoqueestoyusandounbuenLF400enmisimulacin,voyatirarpara40dBgananciaproporcional.Estosignifica:Desdefrecuenciasmuybajashastaalrededorde1kHzelfiltrodepasobajotieneunarespuestaplana,mientrasqueelamplificadordeerrordesciendeen20dB/dcada,degananciadebucleabiertodelamplificadoroperacionala40dBmientrasqueapartirde1kHzhaciaarribaelfiltrodepasobajoeslaquedesciendeenese20dB/dcada,mientrasqueelamplificadordeerrortienegananciaconstante!Elresultadodebeserunacurvadegananciasuavementeinclinadaagradable,ademsdeunarespuestadefaseaceptable.Dadanuestraresistenciadeentrada667(del2k/1kdivisor),40dBdegananciaproporcionalnecesitaunaresistencia66.7k.Vamosautilizarunaprctica,disponible68Kuno.Yparaobtenerunafrecuenciade1kHzacero,elcondensadordeintegracindebetenerque66.7kreactanciaa1kHzesoesuncondensador2.38nF.Usemosun2.2nFestndar.Nuestrocircuitoterminaparecindoseaesto:

Textooriginal

It'swell known in the trade thatusersarenotshyofplacingdirect,very real short circuits across the outputs of power supplies, andthat's why every designer who knows users will include a good,effectiveshortcircuitprotectionscheme ineachofhisdesigns.Butthatjustbarelyscratchesthesurface!

Sugiereunatraduccinmejor

YeldiagramadeBodeparatodoelbuclees:

Esbastanteagradable!Elmargendefaseesdealrededorde55,locualestbien.Elmargendeganancianosepuedeverenestatrama,comoelretardodefasede360seproduceaunafrecuenciamuchomsalta,perolaformadelascurvasparecenmostrarqueelmargendegananciaseramplio.Lagananciaa100Hz(frecuenciadereddeondulacin!)Esde70dB,loquepermitirseunmuybuenrechazoondulacin.GananciadeDCes,bsicamente,lagananciadelamplificadoroperacionalabiertobucle,msde20dBparael10dBmenoscircuitodepotenciaparaeldivisordetensin,loqueaseguraunaregulacinmuyprecisa(siempreycuandonuestraZeneresbueno,quees...).Todoestmuybien,yestecircuitodeberafuncionarbien.Estdeacuerdo?DehechomuchosreguladoresdeconmutacinutilizanamplificadoresdeerrorPIsimplescomoste.SetiendeafuncionarbienenlaprcticagraciasfiltrarimperfeccionescomponentesSinecesitabaparaentregarundiseoapartirdelcualunaempresaharaunmillndeunidades,quieroinvertiralgnesfuerzoadicional,sinembargo.Porejemplo,laoptimizacindelafrecuenciadepolosdelinductorydelcondensadordefiltrocero,escogiendopiezasadaptadasdemaneraptima,yajustefinodelafrecuenciadelamplificadordeerrorcero,paralimarladepresinfasequequedaalrededorde2,5kHz.Estecircuitotodavasepuedemejorarmucho.Perohaycuestionesmsfundamentalesdeizquierdaaconsiderar,antesdeinvertirningnesfuerzoennadaafinar.Yesonosllevaalasiguienteseccin!

UsuariosEvil

Sabesloqueesunusuario?Probablementenorealmente.Esunartilugio,porlogeneraldelanaturalezahumana,diseadoyprogramadoparahacertodotipodecosasinesperado,extraoylococomoparaelequipoquehadiseadodemaneracuidadosayamorosamente!

Losusuariosvanapensarnadamaloacercadecmoejecutarunafuentedealimentacinsinningunacargaenabsoluto,oconunacargamuyligera.Porqulosquesospechanquesetratadeunproblema?Raravezselosusuarioscargarunafuentedealimentacinconunabuenaresistencia,biendefinido,comolohehechoentodaestasaga.Ensulugar,puedenutilizarlafuentedealimentacinparaalimentaralgunosequiposelectrnicos,quetieneunreguladorlinealinterno,ytalequipodibujaunacorrienteconstante.Esosignifica,quetieneresistenciadeentradainfinita!Paraefectosdeestabilidad,esoestanmalocomolaejecucindeunsuministrodeenergasincargaperocondesconocidos,posiblementeintensayvariableactualestelaborando!Peoran,muchosusuariosmalignosutilizarnunafuentedealimentacinparaalimentarunpocodeequipoquetieneotroreguladordeconmutacinenelmismo.Ylosreguladoresdeconmutacinsoncosasdesagradablesusteddebesaberqueporahorayunadesuscaractersticasmsdesagradablesesqueexhibenresistencianegativaensuentrada!Latensinmslesdas,lamenorcorrientedibujan.Ahorabien,siseejecutaunreguladorcomolanuestraenunaresistenciadecargainfinitaesunproblema,sloimaginarloquesucederalaestabilidadsiseejecutaenunaresistenciadecarganegativa!UstedpuedehacerunaoscilanfiltroLCmediantelaconexindeunaresistencianegativaalamisma,sinnecesidaddeunlazodecontrolenabsoluto!AlgunosusuariosdeInternetestnmsmalquemal!Seconectarnlosequiposelectrnicosdesufuentedealimentacin,quetieneungran,buencondensadorelectrolticoensuentrada.Estecondensadorterminaenparaleloconelcondensadordelfiltrodepasobajo,yesoeselfinaldetodoelintensotrabajoquehapuestoenlaoptimizacindelarespuestadelbucle!Porquequienagregquelacapacitanciaexternaempujahaciaabajolafrecuenciaderesonancia

Esbiensabidoenelcomercioquelosusuariosnosontmidosdecolocarcortocircuitosdirectos,muyrealesatravsdelassalidasdelasfuentesdealimentacin,yporesocadadiseadorquesabeusuariosincluirunbuenesquemadeproteccindelcircuito,eficazacortoencadaunodesusdiseos.Peroesoapenasrascalasuperficie!

delfiltrodepasobajo,cambiatotalmentesuscaractersticas,ysloTeslasabequvaapasarconsulazo!Sabesquinessonlosexponentessuperlativasdelmalson,enestesentido?Ventiladoresdeaudiodeorodeorejas!Porsupuesto,tengoquedecirensudefensaquelamayoradeellosnoutilizarjamsunafuentedealimentacinconmutadaparaaccionarcualquieradesuultradelicado,,,,cobreycableadolibredeoxgeno0,00000000001%dedistorsinequipodeaudio.Perosiunodeellosdebetratardehacerlo,lciertamente"mejorar"sufuentedealimentacinmediantelaplantacindeun10Farad(almenos)supercapacitorgrandeentodasuproduccin,paraproporcionarlacapacitancia"depsito"quecreequesuamplificadordepotencianecesitaparaesoscrujidonotasgraves.Ahoraimagineloqueesolohacenlascaractersticasdesufiltrodepasobajo!!!Ytodavaestosventiladoresdeaudionosonlosusuariosabsolutamentemsmalvadosdelatierra.Teimaginasqueesanpeor?Probablementenoperohesidotestigodeellos:Lospropietariosdeautomviles!Ysabesporque?Bueno,vercualquierdueodelcochequenecesitaparaconducirdeaquparaallahora,conorgullosaltaensucochebrillante,giralallaveynadamssucede,debidoaunabateraplana!Taldueodelcocheseenciendealinstanteenunmonstruopoderoso,buscandodesesperadamentealgoqueproporcionarasuamadacochemuycarolosnecesarios12voltiosaincontablesamperios,paraponerloenmarcha.Siotrococheconunabuenabaterayunconjuntodecablesdepuenteestncerca,suesseguro,asquerelajarse...Perosisufuentedealimentacinde12Veselobjetoadecuadomsprximoaesteespcimenenfurecidosdelacarreraconruedas,laresignacineslonicoPuedorecomendarporquesufuentedealimentacinsepuedeconectardirectamentealabatera!Ysicondensadorde10faradiosdelventiladordeaudiodeorodeorejaserabastantemalo,bueno,labateradecochemediosecomportamsomenoscomouncondensadorfaradio200.000,conun0.002ESR!EsoseguroempujafrecuenciaderesonanciadesufiltroenelrangoMilihertz,ysumargendegananciasevuelvesobre100dB!As,parecequedebemostenerencuentalosefectosdelaimpedanciadecargaennuestroscircuitos.Resultaqueelreguladorqueestamosanalizandoesbastantetolerantedemuydiversasresistenciasdecarga,almenosdesdeelpuntodevistadelascaractersticasdelfiltro.Veremosotrosproblemasmsadelante.Perocapacidaddecargasindudacausaproblemas.Porejemplo,estoesloquesucedeconunamoderadamentegrandecondensadorelectroltico(0.1F,0.001ESR)conectadoalasalida:

Nohayningnproblemaenelrangodealtafrecuencia,porsupuestoconunatapadefiltrotangrandequesimplementenopuedesercualquiersealdealtafrecuenciasignificativa,verdad?Peroalrededorde100Hztenemosundesfaseterrible.Comoesenesteterreno,elreguladorsonargravementeencualquiersealde100Hzyesosignificaquelasalidaondulacinrejillaconesegrancondensadorserpeorquesinl!Nuestroabanicodeaudioquerahacerelbienporabofetearalagrancondensadorenlafuentedealimentacin,yloquelconsiguiencambioesmalohum!Noolvidequemisimulacinesmuybsico.Enuncircuitoreal,hayvarioselementosqueproporcionanunciertoretrasodefaseadicional.Esprobablequeenestecasolosretrasosadicionalesseransuficientesparallegaralafasedelatenciade360,yluegolafuentedealimentacinseromperanenautooscilacinaaproximadamente100Hz,tanprontocomoestagrancondensadorestconectadoal!Parahacerunafuentedealimentacinmstolerantedetalesabusos,tenemosquetraersurespuestadefasemscercadelosptimos180.Lanuestraesigualoinferiora270sobretodoelespectro,yesoesviableencondicionesnormales,peronoesmuytoleranteconcargasdifciles.Cuandoseconectaunacargamuydifcil,comounabatera,tododependedelarelacinde"capacidad"alaresistenciaserie.Unamuybuena,lanuevabateradeautomvilquetieneunamuybajaESRpuedelanzarelbucletotalmentefueradeestabilidad,mientrasquelamismabateradespusde2aosdeusosehandesarrolladounaESRmuchomsgrande,yaparecerensumayoracomounacargaresistivaalapotenciasuministro,causandoningnproblema!Unconsejoprcticoparalospropietariosdeautomvilesdelmalquesevententadosunsurmountablyparaconectarunafuentedealimentacindesusbateras:Utiliceuncablebastantelargo,nomuygruesa.Esopodraaadirsuficienteresistenciaenserieparamantenerlaestabilidaddelbucle!

Mododiscontinuo

Siustedestdotadoconunamuybuenamemoria,esposiblequerecordarquemuycercadelcomienzodeesteartculoquetedijequeibaabasarelanlisisenelreguladorseejecutaenmodocontinuoyqueleexpliqubrevementeloquecontinuaeselmodo.Bueno,unreguladordeconmutacinprcticanormalmentefuncionarenmodocontinuosloporencimadeunaciertacorrientedecargamnima.Pordebajodeestelmite,lacorrientedelinductorserdiscontinua,yqueseabretodaunanuevalatadegusanos!EnelmodocontinuolatensinmediadespuseltransistordepotenciaesbsicamenteunacopiaamplificadadelatensindeentradadelPWM,elfactordeamplificacinquesedefineporlaprimariatensindealimentacindivididoporrangodetensindeentradadelPWM.Peroestoyanoescierto,tanprontocomolacargasevuelvelosuficientementepequeoparaelreguladorparafuncionarenmododiscontinuo.Enlugardeello,latensindesalidaserentonceslaintegraldelciclodetrabajo:Suvalordependernosloenelciclodetrabajo,sinotambineneltiempoquehaestadotrabajandoenesteciclodetrabajo!Concargacero,sieltiempolosuficientedadalatensindesalidasubiralaentradade20Vcompleto,independientementedelaformaestrechalospulsosson!Lanicamaneradedetenerelvoltajedelaescaladasincargacondicinesreducirelanchodepulsoacero,esdecir,desactivarlospulsosporcompleto.Entrminosdegananciayfase,estosignificaqueacargareducidaaumentosdegananciadelaetapadepotencia,yconcargacerotieneinfinitagananciade

corrientecontinuayunretrasodefasede90!Estaesunamalanoticia,yaquehacequecasicualquierreguladordeconmutacininestableconcargacero.Esaeslaraznporlaquemuchosfabricantesafirmanunrequisitomnimodecargaparasusfuentesdealimentacindeconmutacin,yprohbenlaoperacinconunacargainferioroigualacero.Peroesteproblemanoesrealmentetanmalocomoparece.Yesoesporqueelproblemaesautolimitada,deunamanera:Sielbucleintentainiciarunaautooscilacin,intentartiraralternativamentelatensindesalida,yluegoempujehaciaabajo.Bueno,cuandoseesttratandodetirardeellahaciaarriba,elcondensadordecargafiltrodepasobajotieneunacorrienteyporlotantoactacomounaespeciedecarga,loquereducelagananciaylafasederetardodelcircuitodepotenciaylaeliminacindelarazndelainestabilidad.Ycuandoesosedetiene,yelcircuitodecontrolintentatirardelatensinhaciaabajonosepuede!Todoloquepuedehaceresestablecerelanchodepulsoacero,loqueimpidecualquierpulso,yestoabreefectivamenteelbucle,empujandolagananciadebucleacero!As,lainestabilidadseproduceenlaoperacinenmododiscontinuo,peroporlogeneralnotieneningunarealmenteterriblesconsecuencias.Siunafuentedealimentacincomoestfuncionandoaunacargaextremadamentebaja,quesepuedeesperareltransistordepotenciaparaconduciruntrencontinuodepulsosextremadamenteestrechos.Ensulugar,llevaracabocortaseriedebrevespulsos,intercaladosconmomentosdebastantelargasnohaypulsosenabsoluto.Tcnicamente,elbucledecontrolesautooscilante,peroenlaprcticaestonocausaningnproblemaimportante.Latensindesalidasemantendrconstantesuficiente,porqueduranteesosgruposdeimpulsoslacorrientesuministradaalcondensadordefiltrotodavaesbastantepequea,porloquesloloscargosporunapequeacantidad,ydurantelostiempossinpulsoelvoltajecaemuylentamentetambin,debidoalalacargabaja.Yesporesoquelamayoradelosdiseadoresnopierdenmuchoelsueoporlosproblemasdefuncionamientoenmododiscontinuo!Ysinembargo,esmejorevitarestainestabilidad,inclusosiesslopormotivosderuido:Cuandoellazodecontrolesinestable,ylaetapadepotenciaseejecutaenrfagasdepulsos,hayrelativamentefuertescomponentesdefrecuenciadeaudioenlacorrientequefluyeatravsdelinductor,ycualquiertransformadordelcircuitopuedetener.Enalgunoscasosestocrearuidoaudibledebidoalamagnetostriccindelosncleosdeferrita.A,silbidoirregularsperaestpico.Sialgunavezescucheunafuentedealimentacindeconmutacinemitenesetipoderuido,ustedsabequesudiseadornohizountrabajolimpio!

ModoactualPWM

Parapermitirunamejor,msrpido,lazosdecontrolmssimples,avecesesunabuenaideautilizarelcontrolenmodocorriente,enlugardeloqueescomn,peroligeramenteengaosamentellamadadecontroldemododevoltaje.Elcontroldemododevoltajeeslonuestroreguladorutilizaarriba:Cadapulsoseiniciaatiempo,aintervalosregulares,porunosciladordereloj,ytermindespusdeotrotiempoespecficodeterminadodirectamenteporlasalidadelamplificadordeerror.Enelcontrolenmododecorrienteseiniciacadapulsoexactamentedelamismamaneracomoenelmododetensin,perolaanchuradeimpulsonoestdirectamentecontroladaporelamplificadordeerror.Enlugardeello,lasalidadelamplificadordeerrorsecomparaconunamuestradelacorrientedelinductorinstante,ycadapulsosetermincuandolacorrientedelinductorhaalcanzadoelvalordictadoporelamplificadordeerror.As,elamplificadordeerrorcontroladirectamentelacorrientedepicoenelinductor,yelanchodepulsoterminasiendotodoloquetienequeserparalograrquelacorriente.Estadiferenciatienevariasimplicaciones.Unaesquelacantidaddecorrientebombeadaenelcircuitodesalidayanodependedelatensindealimentacinprimaria.Esosignifica,uncontroladorenmodocorrientecompensaautomticamenteloscambiosenlatensindealimentacinprimaria,comolaondulacinde100Hz,sinellazodecontrolnecesidaddepreocuparseporello!Estosellama"feedforward".Perounaventajaanmayoresquedesdeelamplificadordeerrorqueahorasecontroladirectamentelacorrientedelinductor,yporlotantolacorrientesuministradaalcondensadordefiltroylacarga,elretardodefasecausadoporelinductorseeliminacompletamentedenuestrosclculosdebucle!Yanonecesitamosparacuidardel!EsosignificaquenuestrofiltroLCahoranuncapuedetenermsde90fasedelatencia,yquetantoenlamuybajayenelrangodefrecuenciamuyaltaquehacerolag!AsescomoeldiagramadeBodeparanuestrofiltrodepasobajoLC,conESR,sevecuandoelfiltroesaccionadoenmododecorriente:

Tengaencuentaquelacurvadegananciaesexactamenteelmismoqueenelcontroldemododetensin,peroelretrasodefasenosiemprellegannisiquieracercade90,yvuelveaceroaaltasfrecuencias.Laexplicacindelacurvadefase:Enbajafrecuencia,elcondensadoresuncircuitoabierto,ysenosacabadebombeoactualcontroladaenlaresistenciadecarga.As,elcambiodefasecero.Enalrededorde20Hzelcondensadorempiezaasersignificativoenparaleloconlaresistenciadecarga,causandoasunciertoretrasodefase.Peroapartirde1kHzhasta,suESRempiezaasersignificativa,empujandolafasedecopiadeseguridadalhacerresistenciasdominan!Elinductor,loqueprovocunretrasode90enelrangodealtafrecuenciaenelmododetensin,nopuedehacerloahora,yaqueestamoscontrolandosuactuallugardeunvoltajeaplicadoalamisma.Peroelinductorsemantieneplenamenteeficazenelfiltradodelafrecuenciadeconmutacinde50kHz,manteniendolacorrientedeltransistordeclavar,yelalmacenamientodeenerga.Eldiseodeunamplificadordeerrorparaunreguladordemodoactualestrivialmentesencilla.UncircuitodePIconsucerocolocadoaunafrecuenciaalgomenorqueeldemayorretardodefasefuncionamuybienyesbastantepococrtica.Enalgunoscasos,unintegradorsencillosinformatofuncionabastantebien,yesoesamenudovistoenlasfuentesdealimentacinutilizandocircuitosintegradosdemododecontrolsimples,talescomoelUC3842.Tambinheutilizadoconxitoamplificadoresproporcionalesdealtagananciasimples,loqueeliminaelretardodefasedebajafrecuenciadeunintegrador,yporlotantoevitaelproblemadelainestabilidaddebajafrecuenciacuandounabateraest

conectadaalasalida,cambiandolafrecuenciadelfiltrodecaminohaciaabajo.Conunamplificadorproporcional,esunabuenaprcticaparaagregarunpequeocondensadorderealimentacinparalimitaraltagananciadefrecuencia,parareducireljitter.Esosignifica,coloqueunpequeocondensadorenparaleloconlaresistenciaderealimentacin,calculadoparadarunpoloenquizunadcimalafrecuenciadeconmutacin.Eldesfasequeresultaenaltasfrecuenciasescasisiempredentrodelrangosaludable.Lagananciadelaetapadepotenciaenunreguladordemodoactualdependedelaresistenciadecarga.Cuantomayorsealaresistenciadecargaes,mayoreslaganancia.Amedidaquelaresistenciadecargaaumenta,tambinelpoloformadoporellaconelcondensadordefiltrodebajafrecuencia.Sincarga,estepolosepuedesentarenelrangoMilihertz,haciendoqueel90regindedesplazamientodelfiltrodepasobajoparaextendersedentrodeeserangodefrecuenciamuybaja.Ylagananciatiendeaserextrema.Porestarazn,unamplificadordeerrordeintegracin,loqueaadeotro90deretrasodefase,sepuedehacerfcilmenteelbucleinestable,yporloqueesindeseableenciurcuitscuyascargaspuedellegarasermuyligero.Enlugardeunamplificadordeerrorproporcionalfuncionabien,porqueenningnfrecuenciaelfiltrodepasobajosesumaamsde90deretraso,porloqueconelamplificadorproporcionalsindemoraspodemosutilizaresencialmentecualquiergananciaquequeremos,sinponerenriesgolainestabilidad!Enelrangodealtafrecuencia,nuestroamplificadordeerrorproporcionalnaturalmentedegradarseenunintegrador,ycausar90fasedelatencia.Sufrecuenciapolodependerdelascaractersticasdelamplificadoroperacionalutilizados,ylagananciaquehemosprogramado:lagananciamsbaja,mayorfrecuenciadepolo.MientraslafrecuenciadepoloeslosuficientementealtaparalafaselagdelaamplificadordeerrorparacaerenelrangodondeESRelpasedecondensadordebajafiltrohaempujadofasedelfiltroderetardodevueltacercadecero,nohabrriesgodeoscilacin.Paraevitarexcesivodeanchodepulsojitter,esunabuenaideaparaevitarinnecesariamentealtagananciadelamplificadordeerrorenlafrecuenciadeconmutacindelcircuito.Dependiendodelamplificadoroperacionalqueusamos,ylagananciaproporcionalprogramamospara,podramosnecesitarreducirdeliberadamentesufrecuenciaposte.Estosehacemediantelaadicindeunpequeocondensadorderealimentacin,enparaleloconlaresistenciaderealimentacin.Lafrecuenciadepolodecursoaquelenquelacapacitanciaelegidotieneunareactanciaequivalentealvalordelaresistenciaderealimentacin.Comoprctica,ejemplodetrabajodeunreguladordevoltajedemodoactualconunamplificadordeerrorproporcionalsimple,esposiblequedeseetenerunamscercamirami160V,3Aalimentacindelmotor.UtilizaelUC3842ubicua,yelamplificadordeerroressimpleproporcional,conunaresistenciaderealimentacin150kyunaresistenciadeentrada5.6k,dndolegananciade30dB.Permtanmeusarestecircuitoparailustraralgunosdelosclculosenunreguladordemodoactual:

ComosepuedeverenlahojadedatosdelUC3842,uncambiode3Venlasalidadelamplificadordeerrorharquelacorrientedepicovaradesdecerohastasumximovalorposible.Estevalormximoseestableceporunlmiteinterno1V,einterna1:3divisor,ylaresistenciadedeteccinexterna.Sola0.33,demodoquelacorrientemximaposiblees3A.EstosignificaqueelmoduladordeanchodepulsodeestacorrienteenmodoCI,enmiconfiguracin,tendrunatransconductanciadeunamperioporvoltio,muyfcilderecordar.Tienesqueserconscientedequelaactualestamoscontrolandoaqueslacorrientepico.Lacorrientepromediosermenor.Cuntomsbajo,dependedelosvaloresdeloscomponentesyelnivelactualenelcualestoperando.Sielinductorestfuncionandoenmodocontinuo,yconunacorrientedealtaybajacorrienteDCondulacindeCA,lacorrientemediaescasilamismaquelacorrientedepico.Peroamedidaquelacorrientesehacemsbaja,debidoaunacargamsligera,lacorrientederizadoenelinductorsemantieneconstante,mientrasquelacorrienteDCsehacemspequeo.Porlotanto,lacorrientemediasehacemspequeoconrelacinalacorrientedepico.Estoseconvierteenextremacuandoelinductorfuncionaenmododiscontinuo,ylacorrientepromediopuedeconvertirseenunapequeafraccindelacorrientedepico.As,latransconductanciarealdeesteartilugioesnolineal,yporlogeneralaumentaconlacorriente!Vamosatomarlacorrientemsaltaposible,loqueproducelagananciamsalta.Enestecircuito,lacorrientemediaserentoncesalrededorde0,9A/V.Dadoqueenesenivellaresistenciadecargaequivalenteofrecidoporelmotorserdealrededorde60yel2.7Aactual(comosepuedever,meengaunpococuandosellamaaunaalimentacin3A!),Latensinser160V,causadaporla3Venlasalidadelamplificadordeerror.Estosignificaunagananciadecircuitodepotenciade35dB.Talesgananciasdecircuitodealtapotenciasontpicosparalosreguladoresdealtatensincontroladasporloscircuitosdebajatensin.Elcircuitoderealimentacincomienzaconuncircuitodereflejoquetransfiereunamuestradetensindesdeelpositivoalladonegativobarradealimentacin,necesariodebidoaladisposicinparticulardeestecircuitobuck.Setienelamismaatenuacincomolaseccindepotenciatieneunaganancia,esdecir,35dB.Asquesecompensan,ylagananciatotaldelbuclees30dBsloladelamplificadordeerror!Mientrasquepuedeparecerbajo,essuficienteparaunafuentedealimentacinquealimentaunmotordetorno.Qusucedeenlascorrientesmsbajos?Elcircuitoregulaelvoltajede160V,asqueesoesunaconstante(lamayoradeltiempo!).Enmenorcargamecnicadelmotorconsumemenoscorriente.Amuypocacarga,sebasasolamente0.2Aomenos,yelinductorfuncionaenmododiscontinuo.Enesenivel,lacorrientemediaesmuyinferioralacorrientedepico,loquesignificaunatransconductanciamuchomenorentrelasalidadelamplificadordeerrorylacorrientedelinductor.Almismotiempo,laresistenciadecargaequivalentemsaltahaidohaciaarriba,aumentandolagananciaeneselugar.Losdosefectstiendenacompensarentreshastaciertopunto,peroelprimeroesnolinealyelltimoeslineal,porloquelacompensacinnuncapuedesercompleta.Lapartebuenaesquegraciasalarespuestadefasefavorabledeestetipodecircuito,enelmodoactualyconunamplificadordeerrorproporcional,elbucleesestableapesardelagananciadelazomuyvariable.Enestecircuitohayunacomplicacinadicional,dadaporlacompensacinpendienteintroducidaporQ2yR5.Esnecesarioparaalcanzarlaestabilidadenestetipodecircuito,peroqueinterfiereengranmedidaconelclculoseccindegananciadepotencia!Siquieresunbuenejerciciodeaprendizaje,tomarhojadedatosdelUC3842,notasdeaplicacindediferentestipos,unsimuladordecircuitos,ysiesposibleunaplacadeprototiporealyalgunoscomponentes,generadordesealyelalcance,ysuformadetrabajoatravsdel!Valdrlapena,teloprometo!

Desfasesadicionales

Hastaaquhedescuidadoprincipalmentelosefectosdediversaspartesdeestoscircuitosquecausandesplazamientosdefaseadicionales.Yelhechoesquecasitodoloquelescausa!Enalgunoscasossonlosuficientementepequeosparapasarporalto,yaquelagananciadelbuclecruzaceroantesdequeelretrasodelaeliminacintotalllegaa360,peroenotroscircuitosestosdesfasesadicionalessontangrandesqueseconviertenenunproblemagrave.VamosaempezarconelPWM.Ademsdelosretrasosdesuscircuitosinternos,acargoderesistencias,capacitanciaseinclusopequeasinductanciasparsitas,queequivalenatalvezunpardecientosdenanosegundos,estelimportanteretrasodelaaccinensPWM:Cambiosenlaentradasetransfierenalimpulsodesalidalongitudslocuandoelbordedesalidasiguienteimpulsosucede.Estopuedeserdesde"ahoramismo"a"unciclocompletomsadelante".Asquehayunretrasomediodeunperodomediodelafrecuenciadelpulso,ms/menosotromedioperiodo.Estosignificaquealafrecuenciadeconmutacindelcircuitoquecreaunpromediofasederetardo180,yenunmediolafrecuenciadeconmutacinquecrea90lag.Teniendoencuentaqueunpostecreaundesfasede45enlafrecuenciadepoloexacta,podramosconsiderarretardoPWMparacrearunpoloenuncuartodelafrecuenciadeconmutacin,peronoesunbuenpololimpio,debidoalanaturalezaestadsticadeesteretraso.Entonceshayalgnretrasoeneltransistordepotencia,aligualqueunospocoscientosdenanosegundos,dependiendodesutipo.Vamosaolvidarqueuno.Sinembargo,unretardoadicionalmuyimportanteenalgunasfuentesdealimentacinprovienedeunaetapadefiltroadicional.Muchasfuentesdealimentacindeconmutacinseutilizanenaplicacionesenlasquelaondulacindeconmutacindefrecuenciaobtenidaapartirdeunfiltrodepasobajodeunasolaetapanoesaceptable,yunasegundaetapadefiltroseaadeasuprimirestaondulacinaunnivelaceptable.Dependiendodelosvaloresdeloscomponentesdeesteunfiltroadicional,suretardodefasepuedesermuymaloytotalmenteinaceptableparalaestabilidaddelbucle!Lasolucinmssencillaentalcasoestomarlamuestraderealimentacindesdeelpuntodespusdequeelprimerfiltro,antesdelasegunda.PerosisedeseaunaaltaprecisindelatensinDC,lacadadetensinatravsdelsegundoinductorpuedeserunproblema.Entalcaso,lasolucinesttomandolabajafrecuenciaylaretroalimentacinDCdesdeeldesalidadelafuentedealimentacin,teniendolamsaltafrecuenciaderetroalimentacinantesdequeelsegundofiltro!Hiceestoenmifuentedealimentacinde13,8V40A,conexcelentesresultados.diseadoresnovatostiendenaoptoacopladoresamor,sinsiquieraconocerlosmuybien.Claro,optoacopladoressonmaravillosamenteconvenientecuandosenecesitatransferirunasealmientrassemantieneelaislamientoelctricocompleto.Perooptoacopladorescallevariedadsonterriblementelento!Hayalgunastcnicasparaacelerarhaciaarriba,perohayunlmite.Enunbuclederetroalimentacintpicafuentedealimentacin,elretardodefasederetardoydefrecuenciamediacausadaporunacopladorpticonosepuedeignorar,ysurespuestadealtafrecuenciapuedesercasiinexistente!Existenoptoacopladoresmsrpidos,ypuedenutilizarseconmuchosmenosproblemas.Slotienesquesaberlo.Comosucedeamenudoenlavida,elprimeramornoesnecesariamenteelmsconveniente!sexistenalternativasaoptoacopladores.Enalgunoscasosuntransformadorsepuedeutilizarparatransferirunasealatravsdeunaislamientoelctrico,perocuandoesasealincluyeDC,comolohacenormalmenteenunsuplypotencia,necesitasermoduladaenunaportadora,yqueaadecomplejidadeISN'tlibrederetraso,yasea!Otromtodousadoamenudoenfuentesdealimentacinconlascaractersticasdeestabilidaddesalidanocrticosestdetectandoelvoltajeeneltransformadorprincipal,yconfiandoenrazonablementebuenadeacoplamientoparalatensindesalidaparaseguirelunodetectada.Estotiendeafuncionarmejordeloquemuchosimaginan,yesextremadamentesimpleydebajocosto.Enresumen,esnecesarioanalizarelcircuitocompleto,contodossuselementosevidentesynoevidentes(parsitos),localizarycomprendertodaslasfuentesdedemora,ysloentoncesdisearelamplificadordeerror.Unaalternativaaestoes

Medirelcomportamientodelcircuitodepotencia

Simulacinyanlisistericodecircuitoscomplicaresmuypropensoaerroresyomisiones.Nadaesmejormedirelcomportamientorealdelcircuitoreal,fsica!UnabuenamaneradehacerestoestabriendoelbucledesconectandolasalidadelamplificadordeerrordelPWM,laaplicacindeunniveldetensinajustablealaPWMparahacerfuncionarelcircuitodecondicionesenaproximadamentenormalesenunacarga,ylainyeccindeunACpequeaamplitudsealdepruebaalaPWM.Lasfasesyamplitudesdelasealdepruebaenlaentradaylasalidadelcircuitodepotenciasecomparan,paradeterminarlagananciaylafasedecambio.Estosehaceensuficientesfrecuenciasdiferentesalolargodelespectro,paraobtenerunabuenaideadelcomportamientodelcircuitodepotencia.UndiagramadeBodesepuedeextraerdeestosdatos.Elejerciciodeberepetirsebajovariosdiferentescondicionesdeoperacinelegidosestratgicamente,comoplenacarga,sincarga,amediadosdecarga,lmitedecorriente,etc.especializada,equiposdepruebamultithousanddedlaresestdisponibleparahacerestoautomticamente,perosepuedehacerfcilmenteencasa,usandonadamsqueunordenadoryunosresistencias.Inclusounsistemadesonidodelacomputadorabsicacubretodoelespectrodealmenos20kHz,conalrededordeunrangodinmicode80dB,enestreo.Esoesunmontndeanlisisdefuentesdealimentacinmsprcticas,aunquealgunosdelosmsnuevos,ultracompacto,unidadesdepotenciarelativamentebajastiendenafuncionaraunafrecuenciadeconmutacintanaltaquenecesitananlisisparaarribaenunrangodefrecuenciadeunsimplesistemadesonidodelordenadornocubre.Detodosmodos,parautilizarunordenadorparaestatarea,primeroobtenerunsoftwaregratuitoquepermitelageneracindeseales,yutilizarloparacrearunarchivodeprueba(formatoWAVPCMestbien,noutiliceningntipodecompresinconprdidacomoMP3),quecontienelasexplosionescortasdeondassinusoidalesenmuchasfrecuenciasdiferentesentodoelespectro.Comienceenlafrecuenciamsbajadelsistemadesonidopuedetrabajaren,porlogeneralunospocosHz,ysubir,porejemplo,enoctavasymedia.Luegoconecteelordenadoraldispositivobajoprueba,demodoquelaentradadelneaseconectaconuncanalalaentradaPWM,yelotrocanalalasalidadelcircuitodepotencia,oensucasopuedeincluirelcircuitoderealimentacinoptoacopladasenlapruebaacabadesaliramplificadordeerror,ycomotodolodems.Utilicelosdivisoresresistivosadecuadosparaconseguirlosnivelesdesealcompatiblesconentradadelneadeunatarjetadesonidoalrededorde1Vestbien.Conecteuncanaldesalidadelneadelatarjetadesonido(salidadeauricularesestbien,porsupuesto)atravsdeuncondensadoradecuadoparalaentradadePWM,ytambinparaconectarunpotencimetroall,consusextremosconectadosatierraylareferenciareguladodesucircuito.Pongalacargadeseadaenlasalida,yajustarelpotencimetrodecerohastaobtenerunatensindesalidanormal.Acontinuacin,reproducirelarchivodeprueba,durantelagrabacindelasentradasdelneaaunarchivoWAVestreo.Porsupuesto,utilizarmsaltafrecuenciademuestreodelsistemadesonidoyresolucin.Entoncesustedpuedesentarseyutilizarcualquiersoftwaredeedicindeaudioparaverlaformadeondaestreograbada,compararlasamplitudesdelosdoscanalesencadafrecuencia,laaplicacindesusratiosdedivisordevoltaje,paracalcularytrazarlacurvadeganancia.Yentoncesustedpuedemedireltiempodeloscrucesporcerodelassealesdeamboscanalesmuchosprogramasdeedicindesonidolepermitentiempolosmuyprecisayfcilysepuedecalcularelretardodefase(oplomo)encadafrecuenciadeesto,yextraerlafasediagrama.tienestuYhayverdaderodiagramadeBodeparasucircuito,loquelepermiteadaptarelamplificadordeerrorperfectoparaello,utilizandoelconocimientodeinformacinprivilegiadaqueganleerestapgina!Sloasegresedehacerlamedicinenvariascondicionesdecarga,yeldiseoelamplificadordeerrorparaelpeordeloscasos.

Errorsaturacindelamplificadoryelrango

Ademsdedarasuamplificadordeerrorunagananciaadecuadaylarespuestadefase,tambinesnecesariotenerencuentaloquevaahacerenlapresenciadesealesdegrantamao.Seguro,bajocondicionesidealesdeoperacinnormales,todaslassealesdecorrientealternaquepasanporelamplificadordeerrorsernpequeas.Perocadacircuitoavecesentraenlascondicionesdeoperacinanormales.Eseeselcaso,porejemplo,elmomentodespusdeponerloenmarcha,cuandolasalidaesttotalmentefueraelvalorcorrecto,porquenohahabidotodavatiemposuficienteparacargarelcondensadordefiltro.Unasituacinsimilarocurreenelinstanteenalgoconuncondensadorgrandeenellaestconectadoaunafuentedealimentacin:.Elcondensadordescargadoprovocaunaseveracadadevoltajedelaalimentacin,queprimerotienequecargarqueelcondensadorparanormalizarlatensinHayporlomenosdosmalascosasquepuedensucederentalsituacin.Unadeellasesquelaeleccindevaloresdeloscomponentesnoeseladecuadoparalascapacidadesmotricesdelamplificadoroperacional.Porejemplo,siseutilizaunaresistenciadereferencia10yunaresistenciade100paraobtenerunagananciade20dB,yelamplificadoroperacionalquefuncionaenunrangode5Vytieneunacapacidaddeimpulsinde1mA,ustedestenproblemas,yaquepuedeconducireseresistenciade100solamenteenunrangode0,1V!SielcircuitoesuncompensadorPI,quedandoconuncondensadorenserieconlaresistencia,serbienenCCyfrecuenciasbajas,perosiunasealdealtafrecuenciagrandesucede,ustedtodavaestnenproblemas.Mientrasqueelamplificadoroperacionalestensaturacin(tensinocorrientedesaturacin),elbucleesesencialmenteabierto!Asquehayqueasegurarsedequesusvaloresdeimpedanciaderetroalimentacinsonlosuficientementealto,demaneraqueelamplificadoroperacionalpuedeconducirlosentodoelrangodevoltajedesalida,inclusoalasmsaltasfrecuenciasqueestarnpresentes.Porotraparte,estosvaloresdeimpedancianodebensersuperioresalonecesario,yaquefuentesdealimentacinconmutadassonlugaresruidosos,yloscircuitosdealtaimpedanciarecogenelruidomuchomsfcilmente.Porlotanto,lamejoropcinesdispararavaloresdeloscomponentesquedanimpedanciascercadellmiteinferioraceptableparalacapacidaddeconduccindelamplificadoroperacionaldado.Elotroproblemaesquetieneexcesivarangodesalidadelamplificadordeerror.Esunamuymalaideaparaalimentarelamplificadordeerrordeunafuente15V,mientrasquesuPWMtieneunrangodeentradadeceroa1V!CualquiercondicinquehacequeelcircuitodepotencianopuedemantenerlatensindesalidajustoharquelasalidadelamplificadordeerrorsedisparanmaneradesalirdelrangodeentradadelPWM,conducindoloapulsoscompletosdeancho,oceropulsosdeancho,dependiendodelcaso.Cuandolasalidadelafuentedealimentacin,finalmentellegaalnivelcorrecto,elamplificadordeerrorslosloempezaramatarondenuevohaciaelrangocorrecto,yesollevasutiempo!Duranteesetiempo,ellazodecontrolesttodavaabierta,lospulsossonanalamximaolaanchuracero,ylasalidadelcircuitolejosrebasenonoalcancenlatensindeseada.Porlotanto,asegresedequelasalidadelamplificadordeerrorselimitaadecuadamenteapocorangodeentradadelPWM,omuypocoms,sujetandosuproduccinolimitandosutensindealimentacin.SiutilizaunbuendiseodecontrolPWMICconsuamplificadordeerrorinterno,diseadordelaICdeberahabertomadoelcuidadodeesto.Nuncaestdemscomprobar,detodosmodos,porquevariosdelosantiguos,circuitosintegradosdecontrolutilizadostantosufrendeesteproblema!Ysisepuedecocinarsupropia,ustedtienequedisearestederecho!

AmplificadoresdeerrorMltiples

MuchosICscontroladorPWMdemododetensin,comoelLM3524yelTL494,tienendosamplificadoresdeerrorenlugardeslouno.DadoquelossistemasdemododevoltajePWMtienenningunacorrienteintrnsecalimitacin,necesitan,agreg,ovanavolarmuyfcilmente.Estaeslafuncindelsegundoamplificadordeerror.Sedetectalacorriente,utilizandounaresistenciadebajovalor,untransformadordecorriente,otalvezunsensordeefectoHall,ysilacorrienteesdemasiadoalta,senecesitaelcontroldelaPWMdedistanciadelamplificadordeerrorprincipal,reduciendoelanchodepulsoparamantenerlaactualdesdeelcultivohastaunnivelpeligroso.Losdosamplificadoresdeerrorestnconectadosentresatravsdediodos,opormediodesalidasdecolectorabiertoconunaresistenciapullup.Paralograrlaregulacinactuallimpiaaunciertonivelmximo,elamplificadordeerroractualnecesitasupropiareddecompensacin.Peroentonceslohabitualesquesesientaallsaturado,yaquelacorrienteesmenorqueellmite,mientrasqueelamplificadordeerrordevoltajecontrolaelPWM,ysideprontouncortocircuitoocurre,elamplificadordeerroractualprimerotienequematabajoenrangoantesdequepuedatomarelcontroldedistanciadelamplificadordeerrordetensin!Estosignificaquesepierdeuntiempoprecioso,duranteelcuallacorrientesiguecreciendo,alatasapermitidaporelinductordefiltro.Enuncircuitodeestetipoesnecesariocalcularcuidadosamenteeltiempoqueelamplificadordeerroractualsetardarenarrancar,peordeloscasos,yasegresedequeelinductordelfiltronopuedesaturarduranteesetiempo(saturacindelinductorharaqueelactualcrecenmuchomsrpido!),yquelostransistores,diodos,etc,puedentomarestepicodesobrecorrientesinpeligro.Lasespecificacionesdeseguridaddelazonadeoperacindeloscomponentesdebenserconsultados(yentendido!)Paraesto.Algunosdiseadoressondemasiadoperezososparahacerlo,oinclusoainvertirtiempoenlacomprensindeesteasunto,ycomoresultadodesuscreacionestiendenaexhibiruncomportamientobastanteexplosiva.Enloscircuitosintegradosmencionadosslohayunanicasalidadecompensacinparalosdosamplificadoresdeerror,porloquealmenosnohaymaneracmoloscondensadoresderealimentacinparaunamplificadordeerrorpodranseracusadosdeunvalorinconveniente.Acambiodelaflexibilidadparalacreacinderespuestasespecialesamplificadoresdeerroresunpocolimitado.Porcierto,losamplificadoresdeerrordelLM3524ylaTL494sonmuydiferentes.Elprimerotieneunamplificadordeerrorprincipal,queesunamplificadordetransconductanciaconcapacidaddetraccinmuydbil,esoesgeneralmentecompensadoconunaredRCatierra,enlugardeunaredderealimentacin.Elamplificadordeerroractualenlugaresundispositivomuysimple,alamedidadedeteccindecorrienteaniveldelsuelo,conundesplazamientoincorporado,quenoseprestamuybienalaaplicacindeunarespuestalimpia,cmoda.ElTL494lugartienedosamplificadoresdeerroridnticos,quesecomportanmscomoamplificadoresoperacionalesreales,perotodavatienenlacapacidaddeunidadmuypequea.reguladoresdeconmutacinenmodoactualsonintrnsecamentecortocircuitoprotegido,conellmitedecorrientequeactadentro200nsomenos.Porestaraznnosenecesitaunamplificadordeerrorsegundo,ychipsdecontrolenmodocorrientenormalmentenolatienen.

Compensacinpolodominante

Consideremoselcasodeunamplificadordepotenciadeaudiodevariasetapas,comoestecircuitodeultrabsicaescueto.Incontablesmillonesdeamplificadoresdepotenciadeaudiohansidodegeneracinqueutilizanestecircuitofundamental,condiversascantidadesdeadicionesymejoras:

Hayunaetapadeentradadiferencial,quefuncionacomouncomparadorconaltagananciadecorriente.Acontinuacin,unaetapaamplificadoraquetienetantounaaltagananciadecorrienteytensin,yluegounaetapadesalidadeenergacomplementariaquetieneunagananciajustoactual.Yapartirdelasalidavieneuncaminoderealimentacindelaetapadiferencialdeentrada,aplicandounafuerteretroalimentacinnegativaatodoelamplificador,loqueleotorgaunconocido,aumentodefrecuenciaestableyunabajadistorsin.Talamplificadorestambinunbucleservosimpleyllanamente:Lareferenciaeslatensindeaudioaplicadaalaentrada,sumadoalniveldelsueloaplicadoatravsdeunaresistenciadepolarizacinhayunasalidaqueseaplicanormalmentealaltavozhayundivisordetensinproporcionarunamuestradelasalida,yunamplificadordeerrordiferencial.Talunamplificadordeaudiopodraenprincipioserestabilizadomediantelaaplicacindelamismarecetacomoparanuestroreguladordevoltaje:Abrirelbucle,caracterizarlarespuesta,acontinuacin,disearelerroramplificadorparaproporcionarunagananciayfasederespuestaadecuadoparaelbucleglobal..Peroestonoesmuyconvenienteenestecaso,porquetenemos(yqueremos)unaaltagananciaenlaseccinde"poder"Unamplificadordeaudiotieneotracaractersticaqueesmuydiferentedeunafuentedealimentacinconmutada:Normalmentetienemuchomayoranchodebandadeloquenecesitamosoqueremos.As,mientrasqueenelcasodenuestroreguladordetensinquetenamosquehacerunpocodeesfuerzoparaconseguiraltagananciasuficienteenunrangodefrecuenciasuficientementealta,perosinhacerelbucleinestable,ennuestroamplificadordeaudiodeunafuncinPIsencillapareceideal,yaqueproporcionarsuficienteyuniformedegananciaenlasfrecuenciasdeaudio,dondelonecesitamos,ysalendelagananciaafrecuenciasaltas,enlasquenoqueremosganancia,paraevitarlacaptacinderuidoRFycomportamientoextrao.Peroporquunamplificadorcomoserinestableenabsoluto?Nohayinductores,ynohayfiltrosdepasobajo,no?Bueno....mal!Unproblemaesqueelhablanteesunacargamuyreactiva,proporcionandounagraninductanciaenalgunosrangosdefrecuencia,yunagrande(motional)capacitanciaenotros.Elotroproblemaesquetodoenlaelectrnicatieneunarespuestadefrecuencialimitada:Slotienesqueirlosuficientementealtocomoenfrecuencia,ycallejeroscapacitancias,inductancias,ylosefectosdelavelocidaddepropagacinfinitacausarnunposte(odos,otres...),laintroduccindefasedelatenciaylareduccindelaganancia.Enunamplificadordevariasetapascomoesta,cadaetapatieneuncomportamientocomodepasobajo,faselag.Silasetapassonmuydiferentes,ysuspostestodoscaenendiferentesfrecuencias,nohabrningnproblema,porqueamedidaqueavanzamosenelespectrodefrecuencias,paraelmomentoenelsegundoytercerpoloshanaadidosuficienteretardodefaseparaqueelcircuitoinestable,elprimerpolohabrreducidolagananciasuficienteparaevitarestainestabilidad.Perosinotenemossuerte(yelectroniciansgeneralmentesomosmalasuerteenestesentido!),variospolospodrancaenenfrecuenciasmuycercanas.Yesoesunamalanoticia!SlohayquevereldiagramadeBodedeunamplificadordegananciade60dBsencilladondetrespoloscaenenlamismafrecuencia,1MHz.Dichafrecuenciapoloseratpicoparaamplificadoresdeaudioantiguoshechoscontransistoresmslentos:

En1MHzlagananciaesabajo9dBhaciaabajo(de3dBparacadapolo),yelretardodefaseintroducidoporlospolosesde135(45cadauno).Enlafrecuenciacrtica,dondeelcambiodefasetotalesde360,todavatenemosmsde40dBdegananciadelaizquierda!As,hemosconseguidounavezmsparaconstruirunosciladorenlugardeunamplificador.Lasolucinsimple:moverunodelospostesexistentesenfrecuenciaperosolamenteuno!Porcunto?Fcil:Esosolopolodebajafrecuenciatienequecomertodalagananciaexistente,ademsde6a10dB,enlafrecuenciaenqueseproducelatransicin360.Desdenuestraintencionalpolodebajafrecuenciaestarcontribuyendouncompleto90rezagoenesafrecuencia,losotrosdospoloscombinadosslotienenquecontribuir45cadauno.Esosignifica,podemostomarsufrecuenciapoloexacta