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ISSN: 0328-5073 Año 26 / 2012 / Año 26 / 2012 / Nº 302Nº 302
SECCIONES FIJAS
Descarga de CD: Microcontroladores PICs y PICAXE. Programación y Desarrollo 16
ARTÍCULO DE TAPA
PLC: Controladores Lógicos Programables. Qué son, cómo se usan? Arquitectura 3 CURSO DE ELECTRÓNICA
Etapa 2, Lección 2:
Transistores Bipolares 17
MONTAJES
Localizador de Cables de Red 30
Medidor de Ganancia de Transistores 31
5 Instrumentos para el Taller 58
Frecuencímetro hasta 100MHz con Medidor de Período 58
Punta Lógica TTL de Tres Estados 59
Probador Activo de Semiconductores 59
Generador de Funciones de 0Hz a 100kHz 61
Analizador Dinámico para Pruebas en Audio 61
MANUALES TÉCNICOS
Servicio Técnico a Notebooks.
200 Fallas Comentadas y 100 Manuales de Servicio 33
TÉCNICO REPARADOR
Desarme, Mantenimiento y Reconocimiento de Partes de HP Mini 1000 49 AUTO ELÉCTRICO
Pruebas del Sistema Electro/Electrónico. Parte 3 63
MONTAJE DE TAPA
PLC Microcontrolado con Entradas Analógicas 67
EDITORIAL QUARK
Año 26 - Nº 302 SEPTIEMBRE 2012
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Vea en la página 66 más detalles SUMARIO 302.qxd 21/8/12 17:29 Página 1
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Bien, amigos de Saber Electrónica, nos encon-tramos nuevamente en las páginas de nuestra re-vista predilecta para compartir las novedades del mundo de la electrónica.
Cuando promediaba el estudio de la carrera de Ingeniería Electrónica, allá por la década del 80, tuve la oportunidad de viajar a Brasil para impar-tir cursos sobre instrumental electrónica y conocí
empresarios en el área de las medicinas complementarias y cuidado de la salud.
Recuerdo que me encomendaron el diseño de equipos “extraños” para mi en aquella época que me obligaron a incursionar en el área del cuerpo humano y otras disciplinas como bioenergía, kirliangrafía y tai chi chuan.
Durante varios años estuve trabajando con profesionales de varias dis-ciplinas y hasta tuve la suerte de realizar cursos de post grado en el país ve-cino, lo que me permitió continuar las relaciones con dichas personas.
Desde aquella época comencé a tener una gran afición por el cuerpo hu-mano a tal punto que desde entonces “sueño” con poder estudiar medicina para poder “interrelacionar” a mis dos grandes amores académicos: la elec-trónica y la medicina.
Hace unos años tuve la oportunidad de realizar un curso intensivo en diagnóstico por imágenes con el objeto de poder capacitarme para impartir conocimientos técnicos a médicos investigadores de la Universidad del Sal-vador donde pude comprobar, una vez más, mi inclinación por la medicina.
Luego de varios años y múltiples intentos fallidos, tuve la oportunidad de comenzar a estudiar “medicina”, gracias a un intercambio en ocasión del curso de capacitación que recién les comenté, con la consciencia de que no es mi interés “recibirme de médico” sino estudiar simplemente para “saber”.
No sé que me va a deparar el futuro y tampoco si voy a tener el tiempo suficiente para realizar las prácticas hospitalarias y asumir los compro-misos que el estudio de tan alta carrera merece pero quiero comentarle con gran satisfacción que hace quince días pude aprobar dicha materia: “his-tología” y que ahora tengo un compromiso mayor… seguir estudiando…
Quise compartir con Ud., lector de Saber Electrónica, esta sentida ale-gría porque mes a mes me acompaña desde hace 25 años y porque así como lo digo desde el primer número de nuestra querida revista “nos
encon-tramos una vez más en las páginas de nuestra revista predilecta, para compartir las novedades del mundo de la electrónica”
Ing. Horacio D. Vallejo
SABER ELECTRONICA
Director
Ing. Horacio D. Vallejo
Producción
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Columnistas:
Federico Prado Luis Horacio Rodríguez
Peter Parker Juan Pablo Matute
EDITORIAL QUARK S.R.L. Propietaria de los derechos en castellano de la publicación men-sual SABER ELECTRONICA Argentina: (Grupo Quark SRL) San Ricardo 2072, Capital Federal, Tel (11) 4301-8804
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En base a la definición dada más arriba, podríamos decir que una central de alarma es un PLC ya que tiene zonas de entrada y de salida y un programa grabado en un microcontrolador de la cen-tral; sin embargo, dicha central NO ES UN PLC, ya que para que lo sea debe cumplir con determina-dos requisitos como ser:
1) Debe poseer bloques de entradas aisladas de la CPU.
2) Tiene que incluir bloques de salida con “buffers” (aislados de la CPU y que manejen potencia). 3) Se debe poder programar por medio de cursos de programación estándar (funciones, instruccio-nes y lenguaje de contactos o escalera establecidos en la norma IEC 61131-3).
4) Se debe poder reemplazar por un PLC de otra marca y similares características.
En base a lo dicho, puedo utilizar un PLC como central de alarma, ya que es posible programar su CPU para que “lea” los datos de los sensores conectados a las entradas (detector de movimientos, detector exterior por microondas, sensores magnéticos conectados en las aberturas, etc.) y cuando detecta una intromisión, activa una o varias salidas en las que pueden estar conectados sistemas sonoros de aviso, discadores telefónicos, etc. Ese mismo PLC podrá ser utilizado en aplicaciones industriales, ya sea para controlar automáticamente una máquina herramienta o para controlar la seguridad de un entorno de trabajo. En este artículo explicaremos qué es un PLC, cómo funciona y cuál es su arquitectura básica.
Coordinación: Ing. Horacio Daniel Vallejo [email protected]
Los Controladores Lógicos
Programa-bles o PLC (Programmable Logic
Control) son automatismos
“normali-zados” que poseen una unidad
cen-tral de proceso, que es el corazón del
PLC y que recibe datos de
dispositi-vos conectados a las entradas de
dicho PLC (sensores), procesa dichos
datos en función del programa
con-tenido en la CPU y arroja los
resulta-dos a las salidas del PLC, donde hay
actuadores (relés, triacs, sistemas de
arranque, etc.).
Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:17 Página 3
INTRODUCCIÓN
El funcionamiento del sistema de un PLC es sim-ple y directo, el procesador centra o CPU comsim-pleta tres procesos:
1) Escanea o lee datos de los dispositivos de entrada.
2) Ejecuta o "resuelve" la lógica del programa y las actualizaciones.
3) Escribe, a los dispositivos de salida.
En la figura 1 se puede apreciar el diagrama funcional de un PLC en que se puede apreciar que existe una unidad de proceso central o CPU que puede ser programada por medio de un dispositivo externo al PLC y que, en base al programa cargado, lee los datos recibidos desde sensores conectados a las entradas, procesa dicha información y entrega los resul-tados a los actuadores conecresul-tados a las salidas del PLC.
Para que el PLC sea útil, primero debe tener un pro-grama lógico “cargado” para que la CPU lo ejecute. Un ingeniero en sistemas o un programador de PLC primero creará la lógica del programa en un dispositivo de pro-gramación (en estos días por lo general es software que se ejecuta en una computadora portátil). Esta lógica se puede escribir en lógica escalera (ladder o lógica de contactos), lista de instrucciones (generalmente en len-guaje Basic), gráficas de funciones secuenciales (com-puertas lógicas), o cualquiera de los lenguajes IEC.
El programador descarga el programa al PLC, esto se hace generalmente conectando temporalmente el programador al PLC. Una vez que el programa está ins-talado o cargado en la CPU del PLC, normalmente no es necesario que el permanezca conectado.
Una vez que el programa se encuentra en la CPU, el PLC se establece en "ejecutar" y ejecuta el programa de aplicación en varias ocasiones.
Además de la ejecución del programa, la CPU lee regularmente el estado de los dispositivos de entrada, y envía los datos a los dispositivos de salida. El sistema detecta el estado de las entradas del mundo real (un interruptor, un sensor de nivel, etc.), los traduce a valores
que pueden ser utilizados por la CPU y escribe estos valores en la tabla de entrada establecida en el pro-grama grabado en la CPU. El propro-grama de aplicación se ejecuta, y escribe los valores obtenidos en la tabla de salida. A continuación, el sistema de salida convierte el valor de esta tabla de salida a un cambio compatible con el mundo real (se enciende un motor, se abre una válvula, etc.).
Este proceso de lectura de entradas, ejecución de la lógica de control y la escritura de salidas suele denominarse en el mundo técnico como “barrido” o “Scan PLC”, figura 2.
La CPU lee continua-mente las entradas, resuelve la lógica, y escribe en las salidas. Es importante entender la lógica del pro-grama, ya que se puede escribir como una serie de estructuras lógicas consecutivas.
El programa de control o programa de aplicación se almacena en la memoria. Al mismo tiempo que el PLC ejecuta la lógica, también puede leer y almacenar los valores en la memoria. Los valores también se pueden usar por el programa de aplicación.
Artículo
de Tapa
Figura 1
Figura 2 Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:17 Página 4
BREVEHISTORIA DE LOSPLC
La llegada de los PLC al mundo de la electrónica se inició en los años 1960 y 1970 para reemplazar los tra-dicionales controles "cableados" y, desde entonces, se ha convertido en la opción predominante para contro-les industriacontro-les. Antes de los PLC, gran parte del control de las máquinas herramientas se basaba en contactos y relés que proporcionaban una “lógica cableada” de los controles de la máquina. Los cambios en la lógica significaban mano de obra intensiva y costosa.
En 1968, la división GM “Hydramatic” especificó los criterios de diseño para lo que sería el primer controla-dor lógico programable. Pidieron un sistema de estado sólido que haría lo siguiente:
1) Ser compatible en el ambiente industrial. 2) Ser fácilmente programados por ingenieros de planta y técnicos.
3) Ser fácilmente reprogramado y reutilizado en otros ámbitos.
La propuesta ganadora vino de Bedford Asociado que introdujo el Controlador Modular Digital (MODICON). MODICON sigue siendo una marca popular marca de PLC hoy en día, pero es propiedad de Schneider Electric. En la figura 3 podemos observar la imagen de un PLC actual de dicha empresa, el MODICON 340 PLC, diseñado para aplicaciones medianas, que representa una síntesis de potencia e innovación y ofrece buenas respuestas a las distintas necesidades. El procesador cuenta con 4MB de RAM interna para gestionar aplica-ciones de hasta 70K de instrucaplica-ciones, incluye una tarjeta de memoria Flash SD para la copia de seguridad de aplicaciones lo que elimina la necesidad de una bate-ría auxiliar. Tiene 512 a 1028 Entradas/Salidas Digitales, 128 a 256 Entradas/Salidas Analógicas y 20 a 36 Vías Específicas de Conteo.
Continuando con esta breve historia, debemos decir que la industria del automóvil era un adoptante tem-prano importante de controladores lógicos programa-bles (PLC). Ellos querían un método de programación que pudiera ser fácilmente comprendido por los inge-nieros y técnicos que empleaban los controles
existen-tes en dicha época. El resultado fue el empleo de un lenguaje de programación llamado lógica de escalera de relé o simplemente "lógica de escalera", conocido en el mundo de la electromecánica como “lógica de contactos”.
El diseño de la lógica de escalera es, por lo tanto, muy similar a la lectura de los diagramas para los con-troles hechos con relés. KOP fue uno de los primeros len-guajes, figura 4 y hoy sigue siendo uno de los más popu-lares para la programación de PLC, aunque se han de-sarrollado muchos otros a lo largo de los años.
COMPONENTES DE UNPLC
Para describir las partes que integran a un PLC es imperante definir que todo sistema de control automá-tico posee tres etapas que le son inherentes e impres-cindibles, éstas son:
1) Etapa de acondicionamiento de señales.- Está
Artículo
de Tapa
Figura 3
Figura 4 Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 6
integrada por toda la serie de sensores que convierten una variable física determinada a una señal eléctrica, interpretán-dose ésta como la información del sistema de control.
2) Etapa de control.- Es en donde se tiene la infor-mación para poder llevar a cabo una secuencia de pasos; dicho de otra manera, es el elemento de gobierno.
3) Etapa de potencia.- Sirve para efectuar un tra-bajo que siempre se manifiesta por medio de la trans-formación de un tipo de energía a otro tipo.
La unión de los tres bloques nos da como resultado un sistema de control automático completo, pero se debe considerar que se requiere de interfases entre las conexiones de cada etapa para que el flujo de infor-mación circule de forma segura entre éstas.
Los sistemas de control pueden concebirse bajo dos opciones de configuración:
1) Sistema de control de lazo abierto.- Es cuando el sistema de control tiene implementado los algoritmos correspondientes para que, en función de las señales de entrada, se genere una respuesta considerando los már-genes de error que pueden representarse hacia las seña-les de salida, figura 5.
2) Sistema de control de lazo cerrado.- Es cuando se tiene un sistema de control que responde a las señales de entrada, y a una proporción de la señal de salida, para de esta manera corregir el posible error que se pudiera indu-cir. En este sistema de control la
retroalimentación es un parámetro muy importante, ya que la variable física que se está controlando se mantendrá siempre dentro de los rangos establecidos, figura 6.
Idealmente todos los sistemas de control deberían diseñarse bajo el concepto de lazo cerrado, porque la variable física que se está interviniendo en todo
momento se encuentra controlada. Esta actividad se efectúa comparando el valor de salida contra el de entrada, pero en muchas ocasiones, de acuerdo a la naturaleza propia del proceso productivo, es imposible tener un sistema de control de lazo cerrado. Por ejem-plo en una lavadora automática, la tarea de limpiar una prenda que en una de sus bolsas se encuentra el gra-bado del logotipo del diseñador de ropa, sería una mala decisión el implementar un lazo cerrado en el pro-ceso de limpieza, porque la lavadora se encontraría comparando la tela ya lavada (señal de salida) contra la tela sucia (señal de entrada), y mientras el logotipo se encuentre presente la lavadora la consideraría como una mancha que no se quiere caer.
Revisando las partes que constituyen a un sistema de control de lazo abierto o lazo cerrado, práctica-mente se tiene una similitud con respecto a las partes que integran a un PLC, por lo que cualquiera de los dos métodos de control pueden ser implementados por medio de un PLC.
Para comenzar a utilizar los términos que le son pro-pios a un PLC, se observará que los elementos que con-forman a los sistemas de control de lazo abierto y/o lazo cerrado se encuentran englobados en las partes que conforman a un Control Lógico Programable y que son las siguientes:
Artículo
de Tapa
Figura 5
Figura 6 Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 8
o Unidad central de proceso.
o Módulos de entrada y salida de datos. o Dispositivo de programación o terminal.
En la figura 7 se puede observar el diagrama fun-cional de un PLC en el que se detalla, incluso, el dispo-sitivo de programación, externo al PLC.
UNIDADCENTRAL DEPROCESO
Esta parte del PLC es considerada como la más importante, ya que dentro de ella se encuentra un microcontrolador que lee y ejecuta el programa de usuario que a su vez se localiza en una memoria (nor-malmente del tipo EEPROM), además de realizar la ges-tión de ordenar y organizar la comunicación entre las distintas partes que conforman al PLC. El programa de usuario consiste en una serie de instrucciones que repre-sentan el proceso del control lógico que debe ejecu-tarse. Para poder hacer este trabajo, la unidad central de proceso debe almacenar en posiciones de memo-ria temporal las condiciones de las vamemo-riables de entrada y variables de salida de datos más recientes.
Si bien no todos los PLCs son iguales, básicamente la estructura de su CPU responde a la forma de trabajo de cualquier microcontrolador. Es decir, la unidad central de proceso en esencia tiene la capacidad para realizar las mismas tareas que una computadora personal, por-que, como ya se mencionó líneas atrás, en su interior se encuentra instalado un microcontrolador que es el encargado de gobernar todo el proceso de control.
En la figura 8 se observa el diagrama en bloques que representa el funcionamiento de un microcontrola-dor, en el que se destacan las siguientes partes:
o Procesador o CPU (Unidad Central de Proceso). o Memoria Central:
o Memoria de programa de tipo ROM / EPROM/EEPROM / Flash .
o Memoria de datos de tipo RAM. o Buses de control, datos y direcciones.
o Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. o Recursos auxiliares (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, Conversores Analógico/Digital, Conversores Digital/Analógico, etc.).
o Generador de impulsos de reloj (sincroniza el fun-cionamiento de todo el sistema).
PLC:
Qué son, Cómo se Usan, Arquitectura
Figura 7
Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 9
En la figura 9 podemos observar diferentes modelos de PLCs.
Cuando se energiza un PLC, el microcontrolador apunta hacia el bloque de memoria tipo ROM donde se encuentra la información que le indica la manera de cómo debe predisponerse para comenzar sus opera-ciones de control (BIOS del PLC).
Es en la ejecución de este pequeño programa (des-arrollado por el fabricante del PLC) que se efectúa un proceso de diagnóstico a través del cual se sabe con qué elementos periféricos se cuentan (módulos de entrada / salida, por ejemplo).
Una vez concluida esta fase, el PLC “sabe” si tiene un programa de usuario alojado en el bloque de memoria correspondiente; si es así, por medio de un indicador avisa que está en espera de la orden para comenzar a ejecutarlo; de otra manera, también noti-fica que el bloque de memoria de usuario se encuentra vacío. El técnico o profesional es quien debe realizar
este programa, para que el PLC “haga” lo que se pre-tende de él. En general, primero se realiza el programa en lenguaje estructural o diagrama de flujo (figura 10) para, posteriormente, “compilarlo” o traducirlo a un len-guaje que sea entendible por el PLC
Una vez que el programa de usuario ha sido car-gado en el bloque de memoria correspondiente del PLC, y se le ha indicado que comience a ejecutarlo, el microcontrolador se ubicará en la primera posición de memoria del programa de usuario y procederá a leer, interpretar y ejecutar la primera instrucción.
Dependiendo de qué instrucción se trate será la acción que realice el microcontrolador, aunque de manera general las acciones que realiza son las siguien-tes: leer los datos de entrada que se generan en los sen-sores, guardar esta información en un bloque de memoria temporal, realizar alguna operación con los datos temporales, enviar la información resultante de las operaciones a otro bloque de memoria temporal, y por
Artículo
de Tapa
Figura 8
Figura 9
Figura 10 Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 10
último la información procesada enviarla a las termina-les de salida para manipular algún(os) actuador(es).
En cuanto a los datos que entran y salen de la uni-dad central de proceso, se organizan en grupos de 8 valores, figura 11, que corresponden a cada sensor que esté presente si se trata de datos de entrada, o actua-dores si de datos de salida se refiere. Se escogen agru-pamientos de 8 valores porque ése es el número de bits que tienen los puertos de entrada y salida de datos del microcontrolador. A cada agrupamiento se le conoce con el nombre de byte ó palabra.
En cada ciclo de lectura de datos que se generan en los sensores, ó escritura de datos hacia los actuado-res, se gobiernan 8 diferentes sensores ó actuadoactuado-res, por lo que cada elemento de entrada / salida tiene su
imagen en un bit del byte que se hace llegar al micro-controlador.
En el proceso de lectura de datos provenientes de los sensores, se reservan posiciones de memoria tem-poral que corresponden con el bit y la palabra que a su vez es un conjunto de 8 bits (byte). Esto es para tener identificado en todo momento el estado en que se encuentra el sensor 5, por ejemplo.
Con los espacios de memoria temporal reservados para los datos de entrada, se generan paquetes de información que corresponden al reflejo de lo que están midiendo los sensores. Estos paquetes de datos cuando el microcontrolador da la indicación, son almacenados en la posición de memoria que les corresponde, siendo esa información la que representa las últimas condicio-nes de las señales de entrada. Sí durante la ejecu-ción del programa de control el microcontrolador requiere conocer las condiciones de entrada más recientes, de forma inmediata accede a la posición de memoria que corresponde al estado de deter-minado sensor.
El producto de la ejecución del programa de usua-rio depende de las condiciones de las señales de entrada; dicho de otra manera, el resultado de la ejecución de una instrucción puede tener una determinada respuesta si una entrada en particular manifiesta un uno lógico, y otro resultado diferente si esa entrada está en cero lógico. La respuesta que trae consigo la ejecución de una instrucción se guarda en una sección de la memoria temporal para que estos datos posteriormente sean recupe-rados, ya sea para exhibirlos o sean utilizados para otra parte del proceso.
La información que se genera en los sensores se hace llegar al microcontrolador del PLC a través de unos elementos que sirven para aislar la etapa del medio ambiente (donde se encuentran los sensores) de la etapa de control, que es comprendida por la unidad central de proceso del PLC y que en su inte-rior se encuentra el microcontrolador. Los elementos de aislamiento reciben el nombre de módulos de entradas, los cuales se encuentran identificados y referenciados hacia los bloques de memoria tem-poral donde se alojan los datos de los sensores. En
PLC:
Qué son, Cómo se Usan, Arquitectura
Figura 12 Figura 11
Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 11
cuanto a los datos que manipulan a los actuadores (también llamados datos de salida, figura 12), éstos se encuentran alojados en las posiciones de memoria temporal que de manera ex profesa se reservan para tal infor-mación. Cuando en el proceso de ejecución de un programa de usuario se genera una respuesta y ésta a su vez debe modificar la operación de un actuador, el dato se guarda en la posición de memoria temporal
corres-pondiente, tomando en cuenta que este dato repre-senta un bit de información y que cada posición de memoria tiene espacio para 8 bits.
Una vez que los datos de salida han sido alojados en las posiciones de memoria correspondientes, en un ciclo posterior el microcontrolador puede comunicarlos hacia el exterior del PLC, ya que cada bit que conforma un byte de datos de salida tiene una correspondencia en cuanto a las conexiones físicas que tiene el PLC hacia los elementos de potencia o actuadores, o dicho de otra forma, al igual que en las terminales de los datos de entrada, cada una de las terminales que contienen la información de salida también tienen asociado un elemento de potencia conectado en su terminal corres-pondiente.
A medida que el microcontrolador de la unidad central de proceso del PLC ejecuta las instrucciones del programa de usuario, el bloque de memoria temporal asignado a la salida de datos, se está actualizando continuamente ya que las condiciones de salida muchas veces afectan el resultado que pueda traer consigo la ejecución de las instrucciones posteriores del programa de usuario, figura 13.
De acuerdo a la manera de cómo se manejan los datos de salida, se puede observar que esta informa-ción cumple con una doble actividad, siendo la primor-dial la de canalizar los resultados derivados de la ejecu-ción de las instrucciones por parte del microcontrolador hacia los bloques de memoria correspondientes, y pasar también los datos de salida a las terminales donde se encuentran conectados los actuadores. Otra función que se persigue es la de retroalimentar la
infor-mación de salida hacia el microcontrolador de la uni-dad central de proceso del PLC cuando alguna instruc-ción del programa de usuario lo requiera.
En cuanto a los datos de entrada, no tienen la doble función que poseen los datos de salida, ya que su misión estriba únicamente en adquirir información del medio ambiente a través de las terminales de entrada y hacerla llegar hacia el microcontrolador de la unidad central de proceso.
Los datos de salida, al igual que los de entrada, son guiados hacia los respectivos actuadores a través de elementos electrónicos que tienen la función de aislar y proteger al microcontrolador de la unidad central de proceso respecto de la etapa de potencia. Estos ele-mentos reciben el nombre de módulos de salida.
Tanto los módulos de entrada como de salida tienen conexión directa hacia las terminales de los puertos de entrada y salida del microcontrolador del PLC. Esta conexión se realiza a través de una base que en su inte-rior cuenta con un bus de enlace, el cual tiene aso-ciado una serie de conectores que son los medios físi-cos en donde se insertan los módulos (ya sean de entrada o salida). El número total de módulos de entrada o salida que pueden agregarse al PLC depende de la cantidad de direcciones que el micro-controlador de la unidad central de proceso es capaz de alcanzar.
De acuerdo con lo escrito en el párrafo anterior, cada dato (ya sea de entrada o salida), representado por un bit y a su vez agrupado en bloques de 8 bits (palabra o byte), debe estar registrado e identificado para que el microcontrolador “sepa” si está siendo
ocu-Artículo
de Tapa
Figura 13 Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 12
pado por un sensor o un actuador, ya que determinado bit de específico byte y por ende de determinada ubi-cación de memoria temporal tiene su correspondencia hacia las terminales físicas de los módulos. Esto último quiere decir que en los conectores de la base se pue-den conectar de manera indistinta tanto los módulos de entrada como los módulos de salida, por lo que el flujo de información puede ser hacia el microcontrolador de la unidad central de proceso o, en dirección contraria.
LAMEMORIA DELPLC
Con respecto a la memoria donde se aloja el pro-grama de usuario, es del tipo EEPROM, en la cual no se borra la información a menos que el usuario lo haga. La forma en cómo se guarda la información del programa de usuario en esta memoria es absolutamente igual que como se almacena en cualquier otro sistema digi-tal, sólo son “ceros y unos” lógicos.
A medida que el usuario va ingresando las instruc-ciones del programa de control, automáticamente éstas se van almacenando en posiciones de memoria secuenciales; este proceso de almacenamiento secuencial de las instrucciones del programa es auto-controlado por el propio PLC, sin intervención y mucho menos arbitrio del usuario. La cantidad total de instruc-ciones en el programa de usuario puede variar de tamaño, todo depende del proceso a controlar. Por ejemplo, para controlar una máquina sencilla basta con una pequeña cantidad de instrucciones, pero para el control de un proceso o máquina complicada, se requieren hasta varios miles de instrucciones.
Una vez terminada la tarea de la programación del
PLC, esto es terminar de insertar el programa de control a la memoria de usuario, el operario del PLC manual-mente se debe dar a la tarea de conmutar el PLC del modo de “programación” al modo de “ejecución”, lo que hace que la unidad central de proceso ejecute el programa de principio a fin repetidamente.
El lenguaje de programación del PLC cambia de acuerdo al fabricante del producto, y aunque se utilizan los mismos símbolos en distintos lenguajes de progra-mación, la forma en cómo se crean y almacenan cam-bia de fabricante a fabricante. Por lo tanto, la manera de cómo se interpretan las instrucciones de un PLC a otro es diferente, todo depende de la marca.
En otro orden de ideas, a la unidad central de ceso de un PLC una vez que le fue cargado un pro-grama de usuario, su operación de controlar un proceso de producción no debe detenerse a menos que un usuario autorizado así lo haga. Para que el PLC funcione de forma ininterrumpida se debe contemplar el uso de energía de respaldo ya que ésta, bajo ninguna circuns-tancia, tiene que faltarle a la unidad central de proceso. Cabe aclarar que los PLC modernos cuentan con 2 CPUs de 32bits que interactúan para efectuar el control, figura 14.
o La CPU de lógica ejecuta el código de la aplica-ción y realiza el procesamiento de los mensajes.
o La CPU de “backplane” se comunica con las E/S y envía y recibe datos desde el “backplane”. Como este CPU es independiente del otro, toda la información de E/S se maneja asincrónicamente a la ejecución del pro-grama (no altera el “scan”).
La energía que alimenta al PLC se obtiene de un módulo de alimenta-ción cuya misión es suministrar el voltaje que requiere tanto la unidad central de proceso como todos los módulos que posea el PLC. Normalmente el módulo de
alimenta-PLC:
Qué son, Cómo se Usan, Arquitectura
Figura 14
Art Tapa - PLC.qxd 21/8/12 12:18 Página 13
ción se conecta a los suministros de voltajes de corriente alterna (VCA). El módulo de alimentación práctica-mente es una fuente de alimentación regulada de vol-taje de corriente directa, que tiene protecciones contra interferencias electromagnéticas, variaciones en el vol-taje de corriente alterna, pero el aspecto más impor-tante es que cuenta con baterías de respaldo para el caso de que falle el suministro de energía principal y entren en acción las baterías, provocando de esta manera el trabajo continuo del PLC, a la vez que puede activarse una alarma para dar aviso en el momento justo que el suministro de energía principal ha dejado de operar.
MÓDULOS DEENTRADA YSALIDA DEDATOS
Se encargan del trabajo de intercomunicación entre los dispositivos industriales exteriores al PLC y todos los cir-cuitos electrónicos de baja potencia que comprenden a la unidad central de proceso del PLC, que es donde se almacena y ejecuta el programa de control.
Los módulos de entrada y salida tienen la misión de proteger y aislar la etapa de control, que está confor-mada principalmente por el microcontrolador del PLC, de todos los elementos que se encuentran fuera de la unidad central de proceso, ya sean sensores o actua-dores. Los módulos de entrada y salida hacen las veces de dispositivos de interfase, que entre sus tareas princi-pales están las de adecuar los niveles eléctricos tanto de los sensores como de los actuadores o elementos de potencia, a los valores de voltaje que emplea el microcontrolador, que normalmente se basa en niveles de la lógica TTL, 0 (VCD) equivale a un “0 lógico”, mien-tras que 5 (VCD) equivale a un “1 lógico”.
Físicamente los módulos de entrada y salida de datos, están construidos en tarjetas de circuitos impresos que contienen los dispositivos electrónicos capaces de aislar al PLC con el entorno exterior, además de contar con indicadores luminosos que informan de manera visual el estado que guardan las entradas y salidas.
Para que los módulos de entrada o salida lleven a cabo la tarea de aislar eléctricamente al microcontro-lador, se requiere que éste no tenga contacto físico con
los bornes de conexión de los sensores o actuadores y con las líneas de conexión que se hacen llegar a los puertos de entrada o salida del microcontrolador.
Existen distintos módulos de entrada y salida de datos: la diferencia principal depende de los distintos tipos de señales que éstos manejan; esto quiere decir que se cuenta con módulos que manejan señales dis-cretas o digitales, y módulos que manejan señales ana-lógicas.
A los módulos de entrada de datos se hacen llegar las señales que generan los sensores. Tomando en cuenta la variedad de sensores que pueden emplearse, existen dos tipos de módulos de entrada, algunos de los cuales se describen a continuación.
Módulos de entrada de datos discretos.- Estos res-ponden tan sólo a dos valores diferentes de una señal que puede generar el sensor. Las señales pueden ser las siguientes:
a) El sensor manifiesta cierta cantidad de energía diferente de cero si detecta algo.
b) Energía nula si no presenta detección de algo. Un ejemplo de sensor que se emplea en este tipo de módulo es el que se utiliza para detectar el final de carrera del vástago de un pistón. Para este tipo de módulos de entradas discretas, en uno de sus bornes se tiene que conectar de manera común uno de los ter-minales de los sensores. Para ello tenemos que ubicar cuál es la terminal común de los módulos de entrada.
La forma en cómo se conoce popularmente a los módulos de entrada y salida es por medio de la siguiente denominación “Módulos de E/S”. Para selec-cionar el módulo de E/S adecuado a las necesidades del proceso industrial, se tiene que dimensionar y cuan-tificar perfectamente el lugar donde se instalará un PLC. El resultado del análisis reportará el número de sensores y actuadores que son imprescindibles para que el PLC opere de acuerdo a lo planeado; por lo tanto, ya se sabrá la cantidad de entradas y salidas que se requie-ren, y si por ejemplo se cuenta con 12 sensores y 10 actuadores, entonces se tiene que seleccionar un PLC que soporte por lo menos 22 E/S. ☺
Artículo
de Tapa
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Además del transistor bipolar, que es el básico, existen otros tipos como el transistor de efecto de campo, el transistor unijuntura (cuyo funcionamiento es diferente), etc. De manera simplificada, podemos representar un transistor por 3 bloques de materiales semiconductores de tipos diferentes, dispuestos alter-nadamente.
Esto nos conduce a dos configuraciones posibles, que a su vez nos llevan a dos tipos de transistores, según muestra la figura 1, los transistores PNP y NPN. Cada uno de los bloques tendrá una terminal de conexión conectada a un electrodo y recibe una denominación.
INTRODUCCIÓN
Hemos visto que en un transistor bipolar existen tres elementos o terminales a saber:
Emisor - abreviado E Colector - abreviado C Base - abreviado B
Para representar los transistores usamos dos tipos de símbolos, según el tipo, que aparecen en la figura 2. El elemento que posee la flecha es siempre el emisor. Cuan-do la flecha está vuelta hacia afuera del componente, tenemos un transistor NPN y cuando la flecha está apuntando hacia dentro del componente tenemos un transistor PNP. Esta flecha corresponde al sentido convencional de la corriente que circula por es-te componenes-te, cuando está en funcionamiento.
La base corresponde al elemento que entra perpendicularmente a la barra en el in-terior del símbolo y la otra "pata" es el colector.
Los transistores bipolares pueden ser tanto de silicio como de germanio y actual-mente existen tipos para altísimas frecuencias de arseniuro de galio, pero las diferen-cias existentes de uno a otro se refieren solamente a las características y no a los prin-cipios de funcionamiento.
Los transistores PNP y los NPN tienen el mismo principio de funcionamiento. Por lo tanto, para analizar su funcionamiento podemos tomar un único tipo como base: el NPN sin que impor te el material.
Para que el transistor funcione (de la manera en que normalmente lo usamos) es preciso que sus terminales sean sometidas a determinadas tensiones. La aplicación de estas tensiones. Para llevar al transistor a su funcionamiento ideal, recibe el nom-bre de polarización. Polarizar un transistor es aplicar en sus tres terminales (emisor, colector y base) tensiones que lo lleven al funcionamiento normal.
Para analizar el funcionamiento de un transistor de manera simplificada, vamos a suponer que los potenciales de polarización son aplicados a sus elementos por dos
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TRANSISTORES BIPOLARES
Comenzamos con el estudio del principio general de
funcionamiento del llamado transistor bipolar o
simple-mente transistor.
Figura 1
Figura 2
Figura 3 Lección 2 E2.qxd 21/8/12 14:52 Página 17
terías, B1 y B2, controladas por dos interruptores, S1 y S2, como muestra la figura 3. La polaridad de las baterías (positivo de B2 al colector y positivo de B1 a la base) co-rresponde a lo que se exige para el funcionamiento de un transistor NPN. Para un tran-sistor PNP basta inver tir la polaridad de las dos baterías, para entender su funciona-miento.
Inicialmente, con las dos llaves abier tas, ninguna corriente circula por el transistor. Vamos a suponer ahora que, en una primera fase, cerramos la llave S2 y dejamos, por lo tanto, abier ta la llave S1.
En estas condiciones, la corriente, pasando por la base, tenderá a circular entre el colector y el emisor. Sin embargo, existen dos junturas que deben ser atravesadas. La primera entre el colector y la base, que corresponde a un diodo, estará polarizada en sentido inverso y presentará alta resistencia; mientras tanto, la juntura entre la base y el emisor quedará polarizada en el sentido directo y presentará una baja resistencia.
El resultado es que la corriente no puede circular. Podemos percibir esto mejor, si comparamos el transistor con dos diodos en oposición, como muestra la figura 4.
¡Esta disposición es una comparación, pues dos diodos en oposición no fun-cionan como un transistor!
¿Ahora, qué ocurriría si en una segunda fase, manteniendo S2 cerrado, también cerráramos el interruptor S1?
El resultado será la aplicación de una tensión en la juntura entre la base y el emi-sor que la polarizaría en sentido directo. Podemos entonces hacer circular una corrien-te entre esos dos elementos de transistor, cuya incorrien-tensidad dependería de la corrien-tensión de B1 y, eventualmente, de la existencia de algún elemento capaz de limitarla. Para efec-tos de estudio vamos a suponer que la batería B1 sea de tensión relativamente baja, lo que significa que la corriente entre la base y el emisor sería débil.
Mientras tanto, el resultado del cierre de S1 no sería solamente la circulación de esta corriente.
Con el establecimiento de una corriente pequeña entre la base y el emisor, hay tam-bién el pasaje de una fuer te corriente entre el colector y el emisor. En suma,la corrien-te de base pequeña "provoca" la aparición de una corriencorrien-te mucho mayor entre el co-lector y el emisor (figura 5). Existe una proporción entre la corriente base/emisor (lla-mada simplemente corriente de base) y la corriente colector/emisor (corriente de co-lector).
Así, cuando aumentamos la corriente de base, también aumenta la corriente de co-lector. Cuando la corriente de colector también lo será.
El número de veces que la corriente de colector es mayor que la corriente de base, es nulo; es evidente que la corriente de base que la provoca es denominada ganancia de corriente. Si tuviéramos un circuito simplificado, como muestra a figura 6, y aplica-mos en la entrada una señal que corresponde a una cier ta forma de onda, que varía entre dos valores de tensión determinados, estas variaciones influirán directamente en la corriente de base del transistor.
El resultado será una influencia mayor sobre la corriente de colector, pero que co-rresponde "en forma" a la señal original.
Tenemos, entonces, una amplificación de la señal que aparece en el colector del transistor. Para usar el transistor de forma que tengamos una amplificación fiel a la pro-ducción de señales, es preciso conocer más de sus compor tamiento. Esto nos lleva a su cur va característica.
Etapa 2 - Lección 2
Figura 4
Figura 5
Figura 6
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Teoría
TRABAJANDO SOBRE LA CURVA CARACTERÍSTICA DEL TRANSISTOR
Para que un transistor opere convenientemente, existen otras formas, además de la que vimos, de hacer su conexión. Obser ve que en el ejemplo que dimos, las tensio-nes o señales son aplicadas en
la base y colector, el emisor que-da conectado al mismo tiempo a las dos baterías, o sea, se trata de un elemento común al circui-to de entrada (base) y salida (co-lector). Decimos que el transis-tor polarizado de esta forma es-tá en la configuración de emisor común. Esta configuración es la más usada y es a par tir de ella que estudiaremos las cur vas ca-racterísticas de un transistor. Una cur va característica no es más que la obtención de un grá-fico en el que se representan las
diversas magnitudes que varían en un componente cuando está en funcionamiento. En el caso de un transistor, par timos de un circuito básico que aparece en la figura 7.
Se coloca en un gráfico las diversas tensiones y corrientes de base y sus correspondientes de colector. Como no podemos tener un gráfico con 4 va-riables, lo que se hace es establecer una familia de cur vas en que una de las magnitudes es mantenida fija. Así, en primer lugar, fijamos la tensión de emi-sor que llamaremos VCE (tensión entre colector y emiemi-sor) en un valor deter-minado, por ejemplo 5V. Verificamos entonces qué ocurre con la corriente de base cuando variamos la tensión de base, o sea, colocamos en el gráfico lo que ocurre con IB cuando variamos VBE. El resultado es una cur va como muestra la figura 8. Esta cur va es impor tante porque permite establecer la resistencia de entrada del circuito. Tomando un pequeño trecho en que tene-mos dos tensiones de emisor, por ejemplo, 500 y 600mV, formatene-mos un trián-gulo donde tenemos las corrientes de base correspondientes, 10 y 20µA por ejemplo.
Calculando la tangente del ángulo mostrado en la figura 9, que es nada más que el cociente de la variación de tensión por la variación de la corrien-te, obtenemos la resistencia de entrada o hie. En nuestro ejemplo tenemos entonces:
Otra cur va impor tante es la que da la característica de salida de un tran-sistor.
Esta cur va relaciona los valores de la corriente de colector (Ic) con la tensión en-tre el colector y emisor VCE para una corriente de base fija (IB), figura 10. Para una corriente de base nula (IB = 0), deberíamos tener una corriente de colector nula en una buena banda de tensiones. Sin embargo, esta corriente no es nula, pero sí muy pequeña. Esta corriente es la corriente de fuga (ICEO), que normalmente se debe a la agitación térmica de los átomos de material semiconductor, los cuales liberan por-tadores de carga.
Si tomamos una de las cur vas como referencia y procedemos del mismo modo que en el caso anterior, calculando la tangente del ángulo indicado en la figura 11, obtenemos información muy impor tante del transistor. Se trata de la variación de la corriente de base que corresponde a una variación de la corriente de colector o la
ga-Figura 7
Figura 8
Figura 9 Lección 2 E2.qxd 21/8/12 14:52 Página 19
nancia del transistor. La ganancia, llamada beta (b) o hFE, puede calcularse dividiendo la variación de la co-rriente de colector IC,por la variación correspondiente de la corriente de base IB.
POLARIZACIÓN
En la figura 12 se tiene un transistor NPN, en donde se representan los sentidos reales de las tensiones y corrientes cuando se lo polariza con dos baterías.
La idea es que se emplee una sola batería para esta-blecer las tensiones necesarias en las junturas.
En términos generales, y considerando que no tene-mos inyección de señal, los valores de IC y VCE represen-tan un sólo punto sobre las cur vas que, a su vez, deter-minará el punto de reposo o punto de trabajo estático del transistor. Para determinar el punto de trabajo hagamos las siguientes consideraciones:
1) La malla de entrada o malla I (red conectada entre la base y el emisor). 2) La característica tensión-corriente de la juntura base-emisor, la cual está impuesta por el transistor.
3) La condición que fija la malla de salida o malla II (red conectada entre el colector y el emisor).
4) Las características de tensión-corriente de la juntura colector-emisor.
Los valores que surgen de la tercera condición nos permitirán levantar la Recta Estática de Carga del Transistor por donde se moverá el punto de tra-bajo. De la malla II:
Vcc = IC . RC + VCE Luego:
VCC - VCE
IC = ___________ (5) RC
Esta ecuación, gráficamente representa una recta llamada recta de carga estática, tal como se obser va en la figura 13. Los puntos A y B, extremos de dicha recta pueden hallarse haciendo:
A) VCE = 0V y hallando el valor correspondiente de IC.
VCC
IC = —————— RC
B) IC = 0 y hallando el correspondiente valor de VCE. VCE = VCC
De la malla de entrada se deduce: VBB = IB . RB + VBE Luego: Etapa 2 - Lección 2 Figura 10 Figura 12 Figura 11
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Teoría
VBB - VBE
IB = ———————— (6) RB
Donde:
VBE = tensión de umbral correspondiente a la juntura base-emisor, aproximadamente igual a 0,2 V para el germanio y 0,7 V para el silicio.
Obtenido el valor de la corriente de base IB, interceptamos la recta de carga estática como se muestra en la figura 14.
La solución gráfica determina finalmente un punto denomi-nado Q, o bien punto de reposo o punto de trabajo, para las con-diciones dadas.
Analicemos ahora el circuito de la figura 15, el cual emplea sólo una fuente de alimentación. Recorriendo la malla II surge que:
VCE = V - IC . (RC + RE) (7) Recorremos la malla I, tenemos: V - VBE = IE . RE + IB . RB (8) Como: IC IE ≡ IC, e IB = ———— hFE Reemplazando: IC V - VBE = IC . RE + ———— . RE = hFE RB V - VBE = IC . ( RE + ————— ) hFE Operando matemáticamente: V - VBE IC = ————————— (9) RB RE + ———— hFE
Analizando las tensiones del circuito planteado en la figura 16 se tiene que:
VBT = VBE + IE . RE ≈ VBT ≈ VBE + IC . RE La tensión VBT debería perma-necer “constante”; cosa que, ya sea por dispersión de los paráme-tros del transistor o por los ele-mentos del circuito, no siempre se cumple.
Figura 13
Figura 14
Figura 16 Figura 15
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Por tal motivo, este circuito no es muy recomendado cuando se desea armar un amplificador de señal. Veamos entonces el circuito de la figura 17. Este circuito se denomina de polarización por divisor resistivo. De la malla II o malla de salida; surge que:
V - VCE = IC . RC + IE . RE Como: IE ≈ IC Entonces: V - VCE = IC . RC + IC . RE Despejando, tenemos: VCE = V - IC . (RC + RE) (10)
Para analizar la malla de entrada aplicamos el teorema de Thevenin (que estudiaremos en futuras lecciones, razón por la cual, sólo daremos el resultado de la aplicación del mismo) entre base y tierra.
Como la corriente I2 será por lo menos diez veces mayor que la corriente IB, será I2 = I1; entonces, en una buena aproximación, la
corrien-te IB = 0 (para escorrien-te cálculo). Luego: R1
VBT = V . __________ y R1 + R2 RBT =R1 . R2 / (R1 +R2)
El compor tamiento eléctrico de este circuito es igual que el del sistema original, donde tanto VBT como RBT no son elementos rea-les. Luego:
VBT - VBE IC = __________________
RE
Si logramos que VBT sea constante, el punto de reposo Q, dado por las expresiones anteriores, se mantendrá inalterable, con lo cual tendremos una configuración en la cual el punto de reposo no variará frente al cambio de otros parámetros, incluso cambiará muy poco a la hora de reemplazar el transistor (figura 18).
CONFIGURACIONES DEL TRANSISTOR
Los transistores son típicos amplificadores de corriente porque las variacio-nes de la corriente de base acarrean variaciovariacio-nes mayores de la corriente de co-lector.
Es claro que las variaciones de corriente en una carga pueden ser traduci-das por una variación de tensión correspondiente, como ilustra la figura 19, pe-ro en la práctica debemos siempre considerar que tenemos corrientes de en-trada y de salida en los transistores.
Ahora bien, como una corriente en un elemento de carga significa la pre-sencia de una resistencia, podemos hablar de resistencia de entrada y de sa-lida para un transistor que funcione como amplificador. Así, representando un transistor como amplificador, de la forma indicada en la figura 20, vemos que
Etapa 2 - Lección 2
Figura 17
Figura 18
Figura 19
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Teoría
la señal de entrada "ve" una cier ta resistencia y, del mismo modo, el circuito que es conectado en la salida "siente" una resistencia.
Como el transistor opera con señales de corrientes alternas, de bajas o altas fre-cuencias, es más interesante tener en cuenta esta resistencia de otra forma: hablamos entonces de una impedancia de entrada y de una impedancia de salida para un transis-tor.
Esta característica de un transistor como amplificador es muy impor tante en los proyectos, pues la transferencia de energía de una etapa hacia otra, sólo es máxima cuando las impedancias de entrada y salida están adaptadas, o sea, tienen el mismo valor (figura 21).
Es lo que ocurre con su amplificador de audio: si la impedancia de salida de la eta-pa con transistores fuera diferente de la impedancia del eta-parlante, no ocurre la total transferencia de energía y el rendimiento del sistema es bajo.
En algunos casos la energía hasta debe ser disipada de otra forma, calor por ejem-plo, y produce la quema de los componentes. El tipo de características de impedancia que presentan los transistores depende de la manera en que son conectados y es lo que veremos ahora.
CONFIGURACIÓN EN EMISOR COMÚN
Podemos conectar los transistores de tres formas diferentes en una etapa amplifi-cadora. Estas etapas van a diferir por el modo en que son aplicadas las señales y des-pués retiradas, así como por la impedancia de entrada y salida que van a presentar.
Debemos entonces indicar que el transistor puede presentar tres tipos de ganan-cia para cada configuración, que son definidos de la siguiente forma:
a) Ganancia de tensión: decimos que hay ganancia de tensión cuando las variacio-nes de la tensión de entrada producen variaciovariacio-nes todavía mayores de la tensión de sa-lida. Si una tensión de entrada (variación) de 100mV produce en la salida una variación de 1V sobre la carga, entonces la ganancia de tensión es 10.
b) Ganancia de corriente: decimos que hay ganancia de corriente cuando las varia-ciones de la corriente de entrada producen una variación mayor de la corriente de sali-da. Una variación de 1µA en la entrada, por ejemplo, que produce una variación de 20µA en la carga, significa una ganancia de corriente de 20 veces.
c) Ganancia de potencia: hay ganancia de potencia cuando tenemos un producto "tensión de salida x corriente de entrada", siempre teniendo en cuenta las variaciones. Si una corriente de 1µA producida por una variación de tensión de
100µV, produce en la carga (salida) una variación de corriente de 10µA con una variación de tensión correspondiente a 1mV entonces, tene-mos una ganancia de potencia de 100 veces. En la configuración emi-sor común, figura 22, el emiemi-sor es un elemento común al circuito de entrada y de salida.
La señal es aplicada entre base y emisor y retirada entre colector y emisor. En la práctica se usan resistores y capacitores tanto para la apli-cación y retiro de la señal como también para la polarización. Esto nos lle-va a una configuración más completa, como la que muestra la figura 23.
Esta es la configuración más usada en la práctica, por presentar tanto ganancia de corriente como de tensión, lo que significa la mayor ganancia posible de potencia. Esta configuración se caracteriza por las siguientes propiedades:
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Figura 23 Lección 2 E2.qxd 21/8/12 14:52 Página 23
• Ganancia de corriente grande. • Ganancia de tensión grande. • Ganancia de potencia elevada.
• Impedancia de entrada mediana (1.000 a 5.000 Ohm). • Impedancia de salida alta (100.000 a 500.000 Ohm). • Inversión de fase de la señal amplificada.
La inversión de fase puede ser explicada de la siguiente forma: su-poniendo que una señal senoidal sea aplicada a la entrada (base) cuando su tensión sube en el hemiciclo positivo, esto implica un au-mento de la corriente de base, que es polarizada en el sentido de la conducción.
Ahora, con el aumento de la corriente de base, aumenta proporcio-nalmente la corriente de colector. Esto significa que la resistencia en-tre el colector y el emisor cae, o sea, la tensión absoluta en el colec-tor del transiscolec-tor disminuye, de modo que su diferencia de valor, en re-lación a la tensión de alimentación, aumenta.
En un gráfico como el que muestra la figura 24, esto significa que la tensión de colector cae. A par tir del momento en que se alcanza el máximo (pico positivo) cuando la tensión cae en la base, ocurre una disminución proporcional de la corriente de colector, lo que acarrea un aumento de la tensión en este elemento.
En otras palabras, cuando la tensión de base sube, la tensión del colector cae, lo que caracteriza una inversión de la fase de la señal. Obser vamos también que esta configuración no es indicada para la operación de fre-cuencias muy altas.
El circuito de entrada de señal del transistor presenta una cier ta capacidad, que provoca un retardo en la respuesta a las señales de frecuencias elevadas.
En la configuración de emisor común, esta capacidad aparece de modo evidente con su operación limitada a unos pocos Megaher tz (MHz).
CONFIGURACIÓN EN COLECTOR COMÚN
En esta configuración, mostrada en forma simplificada en la figura 25, la señal es aplicada entre la base y el colector y retirada entre el emisor y el colector. En la prácti-ca, con los elementos de polarización (resistores) y de acoplamien-to (capaciacoplamien-tores) tenemos el circuiacoplamien-to mostrado en la figura 26.
En esta configuración tenemos la ganancia de corriente elevada y la ganancia de tensión inferior a la unidad. Sin embargo, la ganan-cia de potenganan-cia existe (es mayor que la unidad), lo que significa que el circuito puede ser considerado un amplificador de potencia mo-derada.
Existe una relación bien definida entre la impedancia de entra-da y la impeentra-dancia de salientra-da en este circuito, en función de la ga-nancia del transistor. Así, si la resistencia de salida (carga) fuera de 100 Ohm, como en el circuito de la figura 27 y la ganancia del tran-sistor fuera de 100 veces (Beta) la impedancia de entrada será de:
100 Ohm x 100 = 10.000 Ohm
Etapa 2 - Lección 2
Figura 24
Figura 25
Figura 26
Lección 2 E2.qxd 21/8/12 14:52 Página 24
Teoría
Por poseer las características de alta resistencia de entrada y baja de salida, este tipo de configuración es normalmente usado como "adaptador de impedancias", o sea, para adaptar una etapa de alta impedancia a una etapa o carga de baja impedancia. Las principales características de este circuito son:
• Ganancia de corriente elevada
• Ganancia de tensión inferior a 1 (atenuación) • Ganancia de potencia mayor que 1
• Impedancia de salida muy baja (entre 10 Ohm y 1k)
• No hay inversión de fase de la señal amplificada
Para la no inversión de fase podemos dar la siguiente explicación:
En la subida del hemiciclo de una señal senoidal aplicada a la entrada, hay un au-mento de la corriente de base y, en consecuencia, un auau-mento de la corriente de emi-sor, que es la corriente de carga. El aumento de la corriente en la resistencia de carga es acompañado de un aumento de la tensión sobre la misma (figura 28).
Esta configuración no es indicada para aplicaciones de altas frecuencias, dado el efecto de la capacidad de las junturas, que queda multiplicado prácticamente por la ga-nancia del transistor. Aplicaciones típicas no superan 1 Megaher tz (MHz).
CONFIGURACIÓN EN BASE COMÚN
En un transistor conectado en la configuración de base común, la señal es aplica-da entre el emisor y la base y retiraaplica-da entre el colector y la base, conforme muestra el circuito simplificado de la figura 29. Con los elementos adicionales de polarización y acoplamiento, el circuito queda como muestra la figura 30.
En esta configuración existe ganancia de tensión, pero la ganancia de corriente es inferior a la unidad. Se trata, pues, de una configuración amplificadora de tensión. La ganancia de potencia es mayor que la unidad y puede variar entre 20 y 500 para tran-sistores comunes. En esta configuración tampoco tenemos inversión de fase, o sea, la fase de la señal de entrada es la misma de la señal de salida, como muestra la figura 31.
La principal característica de este tipo de conexión, sin embargo, es la baja impe-dancia de entrada, del orden de 30 a 500 Ohm y la alta impeimpe-dancia de salida, del or-den de 500 kOhm o más.Vea entonces que tenemos un compor tamiento opuesto al de la configuración de colector común. Esta baja impedancia de entrada es responsable también por la reducción de los efectos de
las capacidades entre las junturas, lo que lleva al transistor a su mayor capacidad de operación con altas frecuencias. Este tipo de circuito es usado en frecuencias que pueden superar los 100MHz, lo que depen-de, claro, de cada transistor. Tenemos las siguientes características, en resumen:
• Ganancia de Corriente inferior a 1. • Ganancia de Tensión mayor que 1. • Impedancia de entrada muy baja (30 Ohm a 500 Ohm).
• Impedancia de salida muy alta (supe-rior a 500 kOhm).
• No hay inversión de fase para la se-ñal amplificada. Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 31 Figura 30
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DISTINTOS TIPOS DE TRANSISTORES BIPOLARES
Existen diversos tipos de transistores: desde los muy pequeños, comparables a una lenteja, hasta los mayores que llegan a tener algunos centímetros de diámetro o incluso más (figura 32).
¿Por qué tantas diferencias?
Estructuralmente todos los transistores están formados por trozos de materiales semiconductores (P y N) dispuestos de for-ma alternada, como ya vimos. Sin embargo, los procesos cons-tructivos que llevan a la obtención de esta estructura no par ten de trozos aislados de materiales semiconductores, uniéndolos después para obtener el componente final.
Existen técnicas que par ten de trozos únicos de materiales semiconductores y forman directamente en ellos las regiones que deben ser del tipo P o del tipo N. Se obtiene así el transistor en su configuración final (figura 33).
El modo como se forman las regiones del emisor, colector y base de un transistor, van a determinar la "geometría" del com-ponente, la cual es responsable directamente por sus caracterís-ticas eléctricas. Para simplificar, si quisiéramos un transistor que sea capaz de trabajar con corrientes intensas, debemos proveer-lo de una región de colector mayor para que haya una super ficie de pasaje para los por tadores de carga capaz de sopor tar la co-rriente final.
Por otro lado, si queremos un componente rápido, capaz de trabajar con frecuencias elevadas, debe haber un tiempo mínimo de movilización de cargas entre el colector y el emisor, pasando por la base (este tiempo se denomina "tiempo de tránsito").
Estos transistores deben tener regiones de base bien reduci-das, pues así permiten un recorrido mínimo para la corriente. Pe-ro no es sólo el tamaño lo que impor ta para la construcción de un transistor: si tenemos una región semiconductora de un tipo en contacto con otra de tipo diferente (P y N), la juntura también representa una capacitancia (figura 34). Así, aplicando una señal en un transistor que tenga una región de juntura grande entre la base y el emisor, por ejemplo, antes que esa señal alcance el valor que provoca la conducción, debemos tener la carga del ca-pacitor. Esto significa un retardo en la velocidad de respuesta de este componente.
La reducción de la capacidad entre las regiones es un factor de gran impor tancia en el proyecto para transistores que deben trabajar con frecuencias altas o conmutar señales en alta velocidad. Vea entonces que existe una cier ta contradicción de las po-sibles mejoras de características de los transistores para las diversas aplicaciones.
Si queremos un transistor de mayor potencia, capaz de trabajar con corrientes más intensas, debemos aumentar la super ficie de las junturas, pero eso también provoca un aumento de la capacidad entre los terminales, reduciendo en consecuencia su velo-cidad. Si reducimos mucho el tamaño de un transistor para que el mismo pueda ope-rar a una velocidad mayor, también reducimos su capacidad de aislación, lo que quie-re decir que el mismo pasa a sopor tar tensiones menoquie-res.
Obser ve entonces que existen dificultades serias para proyectar transistores que sean ideales, o sea, que puedan trabajar con corrientes intensas, tengan gran
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