Entendiendo el Oscilador de Cristal: Construcción, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

El oscilador de cristal ha experimentado tremendos avances desde su creación. Ha ganado la capacidad de operar con un consumo mínimo de energía y ha desarrollado soluciones para el problema del envejecimiento. Ahora se utiliza ampliamente en varias industrias, incluyendo satélites, radar, comunicaciones inalámbricas y navegación.

 ¿Qué es un oscilador de cristal?

Los osciladores de cristal son componentes fundamentales en electrónica que proporcionan relojes de referencia precisos y fiables para su uso en una amplia gama de aplicaciones. Estos osciladores de cristal son la elección principal cuando se requiere un alto nivel de estabilidad, como en circuitos digitales y otras aplicaciones de comunicación inalámbrica, como transceptores de radiofrecuencia.

El factor de calidad, a menudo conocido como factor Q, es el parámetro más importante que determina el rendimiento de un oscilador de cristal. Los cristales empleados en los oscilador tienen un factor de calidad extremadamente alto, generalmente en el rango de 10,000 a 100,000. Además, algunos cristales tienen un factor de calidad aún más alto.

Composición

Algunos cristales naturales con cualidades piezoeléctricas son la sal de Rochelle, el cuarzo y la turmalina. Entre estos, los cristales de cuarzo se utilizan con más frecuencia para fabricar osciladores de cristal debido a su estabilidad, propiedades piezoeléctricas aceptables, fácil accesibilidad y bajo costo. A pesar de tener la propiedad piezoeléctrica más alta, la sal de Rochelle no se usa ampliamente debido a su pobre resistencia mecánica. Aunque las turmalinas tienen una estructura más fuerte, rara vez se utilizan debido a sus pobres propiedades piezoeléctricas.

El componente principal utilizado en el resonador mecánico del oscilador de cristal es el cuarzo cristalino. Los beneficios de los osciladores de cristal de cuarzo son su gran selectividad debido a sus factores Q extremadamente altos y una señal de salida extremadamente estable a lo largo del tiempo y la temperatura.

Este cuarzo cristalino exhibe propiedades ópticas anisotrópicas, y a través de diferentes técnicas de corte en orientaciones específicas, puede producir una variedad de formas y vibraciones. Los cortes AT y SC son los más frecuentemente utilizados. En comparación con los chips de corte SC, el chip de corte AT es más fácil de producir, más pequeño y tiene una mejor estabilidad de frecuencia en un amplio rango de temperatura. En un oscilador de cristal, una delgada rebanada de cristal de cuarzo se coloca entre dos electrodos metalizados para el contacto eléctrico, como se representa simbólicamente en la Fig. 1

 

Figura 1: Símbolo de un Cristal de Cuarzo

 

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del oscilador de cristal es el efecto piezoeléctrico inverso. Cuando se aplica una señal de CA de una frecuencia particular, el material piezoeléctrico vibra a esa misma frecuencia. Este fenómeno, en el que el cristal cambia de energía eléctrica a vibración mecánica y viceversa, se llama efecto piezoeléctrico inverso. Estas vibraciones son amplificadas y enviadas de vuelta por el circuito de oscilación, que produce oscilaciones autosostenidas a la frecuencia de resonancia del cristal.

Modelo equivalente de un oscilador de cristal

En la figura 2 se presenta el modelo equivalente del oscilador de cristal.

Figura 2: Modelo eléctrico equivalente del cristal de cuarzo

• Inductancia motriz (L): Indica la masa mecánica del cristal de cuarzo vibrante, que depende del grosor del material de cuarzo.
• Capacitancia motriz (C1): Indica la elasticidad del material de cuarzo, que depende principalmente del área del electrodo y el grosor del material.
• Resistencia motriz (R): Esta es la pérdida resistiva real que ocurre en el cristal y depende de la frecuencia del cristal.
• Capacitancia de derivación (Co): Indica la capacitancia entre las placas de los electrodos cuando no está vibrando.

Aplicaciones

Se encuentran amplias aplicaciones en sistemas de telecomunicaciones, transmisores de radio y dispositivos celulares. Además, tienen un uso práctico extenso en dispositivos médicos, varios instrumentos de medición y electrodomésticos. Se emplean en módulos de reloj en tiempo real en computadoras para proporcionar señales de reloj para microprocesadores o microcontroladores.

Esencialmente no hay sistema electrónico que no incluya al menos un circuito oscilador. Por ejemplo, los relojes electrónicos, los dispositivos de recolección térmica o electroquímica y la tecnología de sensores hacen un uso extensivo de osciladores de cristal de cuarzo de alto rendimiento, que permiten la medición extremadamente precisa de variaciones minúsculas en capacitancia e inductancia, así como otras cantidades.

Desafíos

Los osciladores de cristal solo pueden operar a una única frecuencia, lo que dificulta su implementación en una gama más amplia de aplicaciones de sintonización de frecuencia. Los osciladores de cristal se utilizan con mayor frecuencia en el rango de frecuencia entre 100 kHz y varias decenas de megahercios. Generalmente se deben conectar divisores o multiplicadores de frecuencia externamente para controlar la frecuencia de los osciladores de cristal.

Los factores electromagnéticos, de temperatura y mecánicos tienen un impacto en la estabilidad de la salida del oscilador de cristal. Cuando se someten a una gama de cargas dinámicas, la estabilidad de los osciladores de cristal se deteriora y el rendimiento de todo el sistema disminuirá.

La inestabilidad del oscilador causada por la carga dinámica se puede clasificar como sesgo y deriva del reloj. Estas desviaciones están determinadas por la magnitud y la orientación angular de una propiedad intrínseca conocida como vector de sensibilidad g. Cada cristal tiene su propio vector de sensibilidad g, incluso si todos están cortados de manera idéntica, vibran de la misma manera y tienen la misma frecuencia de resonancia de sobretono.

Además, para un cristal dado, diferentes métodos de medición producen diferentes respuestas. Típicamente se utilizan dos métodos para disminuir el impacto de las cargas dinámicas en la estabilidad de los osciladores de cristal: el método de control pasivo y el método de control activo.

 

Resumen

• Los osciladores de cristal son componentes esenciales en varias industrias, proporcionando relojes de referencia precisos y estables para dispositivos electrónicos.

• Los cristales de cuarzo, con su alto factor de calidad y estabilidad, son preferidos para la fabricación de osciladores de cristal en diversas aplicaciones.

• Comprender el modelo eléctrico equivalente de los cristales de cuarzo ayuda a optimizar el rendimiento del oscilador basándose en parámetros clave.

• El efecto piezoeléctrico inverso forma la base del funcionamiento del oscilador de cristal, convirtiendo la energía eléctrica en vibraciones mecánicas.

• Los desafíos como las limitaciones de frecuencia y los problemas de estabilidad bajo cargas dinámicas destacan la necesidad de soluciones innovadoras en el diseño de osciladores de cristal.

 

¿Cómo se protegen los circuitos electrónicos?

Cuando ocurren sobretensiones, sobrecorrientes, picos y otros eventos, los circuitos electrónicos se dañan fácilmente. Los productos de circuitos electrónicos se están volviendo más diversos y complejos a medida que avanza la tecnología, y la protección de circuitos se ha vuelto cada vez más crítica. Desde simples fusibles de tubo de vidrio hasta tipos más variados y mejor rendimiento de protección, los componentes de protección de circuitos han evolucionado. 

La protección contra sobretensiones y sobrecorrientes se está volviendo cada vez más vital en todo tipo de equipos electrónicos, así que veamos lo que implica la protección de circuitos hoy en día:

1. A medida que la integración de las placas de circuito se vuelve más avanzada, el precio de la placa también aumenta, lo que requiere una mayor protección.

2. El voltaje de operación de los dispositivos semiconductores está disminuyendo, y el objetivo de la protección de circuitos es reducir la pérdida de energía, disminuir la generación de calor y extender la vida útil.

3. Equipos en vehículos: Debido a que el entorno de uso es más duro que para los artículos electrónicos comunes, las condiciones de conducción del automóvil cambian, resultando en un gran voltaje pico instantáneo cuando se arranca el coche. Como resultado, los componentes de protección contra sobretensiones se utilizan comúnmente en adaptadores de corriente para soportar los productos de estos dispositivos electrónicos.

4. Se requiere protección contra rayos y picos para equipos de comunicación y lugares de comunicación. El uso de componentes de protección contra sobretensiones y sobrecorrientes en este equipo se vuelve crítico. Son esenciales para garantizar la privacidad del usuario y la comunicación normal.

5. La mayoría de las fallas de productos electrónicos son causadas por sobretensiones o anomalías de circuito en el circuito del equipo electrónico. La protección de los circuitos electrónicos se ha vuelto cada vez más crítica a medida que nuestras expectativas sobre la calidad del equipo electrónico han aumentado.

Entonces, dada la importancia de la protección de circuitos, ¿Cuáles son los componentes de protección de circuitos más utilizados? Hoy les presentaré algunos:

 I. Dispositivos de protección contra rayos

   1. Tubo de descarga de gas cerámico:

El tubo de descarga de gas cerámico es el dispositivo de protección contra rayos más ampliamente utilizado. El tubo de descarga de gas cerámico es el dispositivo de protección contra rayos más utilizado, ya sea para la protección contra rayos de la fuente de alimentación DC o la protección contra rayos de varias señales. El tubo puede proporcionar una protección adecuada.

Sus características más notables son el gran flujo, la pequeña capacitancia entre etapas, la fuerte resistencia de aislamiento y una amplia gama de posibles voltajes de ruptura.

  2. Tubo de descarga semiconductor:

El tubo de descarga semiconductor se crea utilizando el principio del tiristor, que es un dispositivo de protección contra sobretensiones. La conducción y descarga del dispositivo son activadas por la corriente de ruptura de la unión PN, y puede fluir una gran corriente de pico o corriente de pulso. La protección contra sobretensiones está definida por el rango de su voltaje de ruptura.

El tubo de descarga sólido se puede conectar directamente a ambos extremos del circuito protegido cuando se emplea. Conducción precisa, respuesta rápida (tiempo de respuesta a nivel de ns), gran capacidad de absorción de picos, simetría bidireccional y alta confiabilidad son todas características de este dispositivo.

 

II. Dispositivos de sobretensión

  1. Varistor:

Los varistores son uno de los dispositivos limitadores de voltaje más utilizados. Cuando surge una sobretensión entre los dos polos del varistor, las características no lineales del varistor le permiten sujetar el voltaje a un valor de voltaje relativamente estable, asegurando la protección del circuito subsiguiente.

El varistor tiene un tiempo de respuesta de ns, que es más rápido que el tubo de descarga de aire pero más lento que el tubo TVS. En general, la protección contra sobretensiones utilizada en circuitos electrónicos puede cumplir con los criterios en términos de tiempo de respuesta. La capacitancia de unión del varistor es típicamente del orden de varios cientos a varios miles de pF. No debe usarse directamente para proteger líneas de señal de alta frecuencia en muchas circunstancias. La gran capacitancia de unión aumentará la fuga cuando se utilice para proteger circuitos AC. Al diseñar un circuito de protección, la corriente debe tenerse en cuenta completamente. El varistor tiene una capacidad de flujo mayor que el tubo de descarga de gas, aunque todavía es más pequeña.

 

 2. Diodo TVS:

Los diodos TVS, o diodos supresores transitorios, se utilizan frecuentemente en la protección secundaria de semiconductores y equipos sensibles. Se utiliza principalmente como protección secundaria después del tubo de descarga de gas cerámico, mientras que algunos usuarios lo utilizan como la protección primaria del producto.

 

Tiene un tiempo de respuesta rápido (nivel ps), es compacto, tiene una gran potencia de pulso y tiene un bajo voltaje de sujeción. Su potencia de pulso de onda 10/1000s abarca desde 400W hasta 30KW, con corrientes de pulso pico que van desde 0.52A hasta 544A. Su voltaje de ruptura varía de 6.8V a 550V, haciéndolo adecuado para circuitos con voltajes variables.

 

III. Dispositivos de sobrecorriente

  1. Fusible de recuperación automática:

El fusible de recuperación automática PPTC es un elemento de protección electrónica contra sobrecorriente que se fabrica utilizando una técnica específica que implica agregar materiales de partículas conductoras y vulcanizar un polímero orgánico de alto peso molecular bajo alta presión, alta temperatura y reacción de vulcanización. Un fusible de recuperación automática (PPTC: fusible de polímero de recuperación automática) es un termistor de polímero con coeficiente de temperatura positivo que se utiliza para protección contra sobrecorriente y puede usarse en lugar de un fusible de corriente.

Cuando el circuito está en buen estado de funcionamiento, la resistencia es bastante baja (la caída de voltaje es muy pequeña). Cuando la temperatura del circuito aumenta debido a una sobrecorriente, el valor de la resistencia aumenta dramáticamente en varios órdenes de magnitud, reduciendo la corriente del circuito por debajo del nivel seguro. Como resultado, los circuitos siguientes están protegidos, y la resistencia se recuperará automáticamente a un valor bajo después de que haya pasado la sobrecorriente.

 

IV. Componentes electrostáticos

 

 1. Diodo de descarga electrostática ESD:

El diodo de descarga electrostática ESD es un componente antiestático que protege los puertos I/O en aplicaciones de transmisión de datos de alta velocidad contra sobretensiones. Los diodos electrostáticos, o diodos ESD, se utilizan para proteger circuitos sensibles en equipos electrónicos contra ESD (Descarga Electrostática).

Proporciona una capacitancia extremadamente baja, buenas capacidades de prueba de Pulso de Línea de Transmisión (TLP) y pruebas IEC6100-4-2, particularmente después de recuentos de múltiples muestras de hasta 1000, mejorando la protección de componentes electrónicos sensibles.

La protección de circuitos es esencial en la electrónica moderna debido a la creciente complejidad y sensibilidad de los dispositivos. Este artículo explora los componentes clave utilizados para proteger contra sobretensiones, sobrecorrientes y descargas electrostáticas, incluyendo tubos de descarga de gas, varistores, diodos TVS y fusibles de recuperación automática. Comprender estos componentes es crucial para diseñar circuitos electrónicos robustos y confiables.

 

 

Impedancia en los Cables Coaxiales

Todos los cables de alimentación tienen una impedancia característica. En el caso del cable coaxial, existen dos estándares principales que se han adoptado a lo largo de los años: 75 Ω y 50 Ω. 

El cable coaxial de 50 Ω se utiliza para aplicaciones profesionales y comerciales, mientras que el cable coaxial de 75 Ω se usa casi exclusivamente para aplicaciones de TV doméstica y VHF FM. La razón de la elección de estos dos estándares de impedancia es en gran parte histórica, pero surge de las propiedades que proporcionan estos dos niveles de impedancia: 

• El cable coaxial de 75 ohmios ofrece el peso mínimo para una pérdida dada.
• El cable coaxial de 50 ohmios ofrece la pérdida mínima para un peso dado.

Aunque estos dos estándares se utilizan para la gran mayoría de los cables coaxiales que se producen, todavía es posible obtener otras impedancias para aplicaciones especializadas. Valores más altos se utilizan a menudo para instalaciones informáticas, pero también están disponibles otros valores, incluidos 25, 95 y 125 ohmios. El cable de RF en miniatura de 25 ohmios se utiliza ampliamente en transformadores de banda ancha con núcleo magnético. Estos valores y más están disponibles a través de proveedores especializados de cables coaxiales.

La impedancia del cable coaxial de RF está principalmente determinada por los diámetros de los conductores internos y externos. Además, la constante dieléctrica del material entre los conductores del cable coaxial de RF también influye. La relación necesaria para calcular la impedancia se da simplemente por la fórmula en la imagen adjunta.

Donde:

   Zo = Impedancia característica en Ω

   εr = Permeabilidad relativa del dieléctrico

   D = Diámetro interior del conductor exterior

   d = Diámetro del conductor interior

Cuanto menor sea la impedancia, mayor será la capacitancia del coaxial para una longitud dada, ya que se reduce el espacio entre los conductores. La capacitancia del coaxial también aumenta con el incremento de la constante dieléctrica, como ocurre en el caso de un condensador ordinario.

Donde: 

    C = Capacitancia en pF / metro
    εr = Permeabilidad relativa del dieléctrico
    D = Diámetro interior del conductor exterior
    d = Diámetro del conductor interior

Sin embargo, la inductancia es independiente de la constante dieléctrica del material entre los conductores y es proporcional al logaritmo del cociente entre los diámetros de los dos conductores.

Donde:

    L = Inductancia en µH / metro
    D = Diámetro interior del conductor exterior
    d = Diámetro del conductor interior

¿Cuáles son las configuraciones de un transistor FET?

Al diseñar circuitos que utilizan transistores de efecto de campo, existen varias configuraciones de circuitos y, de hecho, éstas reflejan aquellas utilizadas con transistores bipolares y los antiguos tubos de vacío/válvulas termoiónicas.

Las configuraciones de circuitos FET son los formatos de fuente común, compuerta común y drenaje común. Cada uno tiene sus propias características de ganancia de voltaje y corriente, así como impedancia de entrada y salida. La elección de la configuración o topología del circuito FET es uno de los parámetros de diseño clave en los que se basa el diseño general del circuito

Conceptos básicos de configuración de FET

La terminología utilizada para designar las tres configuraciones básicas de FET indica el electrodo de FET que es común a los circuitos de entrada y salida. Esto da lugar a los tres términos: compuerta común, drenaje común y fuente común.

Hay tres configuraciones diferentes, cada una con características diferentes. Las veremos por turno: fuente común, drenaje común, compuerta común:

Ø  Fuente común

Esta configuración de FET es probablemente la más utilizada. El circuito de fuente común proporciona niveles de impedancia de entrada y salida medios. Tanto la ganancia de corriente como la de voltaje pueden describirse como medias, pero la salida es la inversa de la entrada, es decir, un cambio de fase de 180°. Esto proporciona un buen rendimiento general y, como tal, a menudo se considera la configuración más utilizada. 

Circuito amplificador de fuente común típico

El circuito a continuación muestra un amplificador de fuente común típico con los capacitores de polarización, acoplamiento y derivación incluidos.

La señal de entrada ingresa a través de C1. Este capacitor garantiza que la compuerta no se vea afectada por ningún voltaje de CC proveniente de las etapas anteriores. La resistencia R1 mantiene la compuerta en el potencial de tierra, su valor podría ser típicamente de alrededor de 1 MΩ. La resistencia R2 desarrolla un voltaje a través de ella que mantiene la fuente por encima del potencial de tierra. C2 actúa como un capacitor de derivación para proporcionar ganancia adicional en CA. La resistencia R3 desarrolla el voltaje de salida a través de ella, y C3 acopla la CA a la siguiente etapa mientras bloquea la CC.

Ø  Drenaje común

Esta configuración de FET también se conoce como seguidor de fuente. La razón es que el voltaje de la fuente sigue al de la compuerta. Al ofrecer una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, se utiliza ampliamente como buffer. La ganancia de voltaje es la unidad, aunque la ganancia de corriente es alta. Las señales de entrada y salida están en fase.

Circuito de seguimiento/búfer de fuente

La implementación típica del circuito seguidor/buffer de fuente o drenaje común es muy fácil de realizar de manera práctica.

El circuito que se muestra a continuación ofrece un ejemplo típico de un circuito de seguimiento/búfer de fuente FET. Los condensadores C1 y C2 se utilizan para acoplar la señal de CA entre etapas y bloquear los elementos de CC. La resistencia R1 proporciona la polarización de la compuerta, manteniendo la compuerta en potencial de tierra. El circuito de fuente muestra la resistencia R2 a tierra: su valor está determinado por la corriente de canal que se requiere.

El circuito seguidor de fuente presenta una impedancia muy alta respecto a la etapa precedente y es por esta razón que el seguidor de fuente es un formato ideal para usar como buffer.

Ø  Puerta común

Esta configuración de transistor proporciona una impedancia de entrada baja al tiempo que ofrece una impedancia de salida alta.

Aunque el voltaje es alto, la ganancia de corriente es baja y la ganancia de potencia general también es baja en comparación con otras configuraciones de circuitos FET disponibles.

La otra característica destacada de esta configuración es que la entrada y la salida están en fase.

Aplicaciones de puerta común FET

El circuito de compuerta común del FET no se utiliza tanto como otras configuraciones de FET, ya que suele ofrecer muy pocas ventajas sobre otras configuraciones. Hay algunas áreas en las que resulta muy útil.

Amplificadores de RF :   La configuración de circuito de compuerta común o compuerta conectada a tierra se utiliza para amplificadores de RF VHF y UHF donde la baja impedancia de entrada permite una adaptación precisa a la impedancia del alimentador, que normalmente es de 50 Ω o 75 Ω. La configuración también mejora la estabilidad, que es un tema clave. La compuerta, al estar conectada a tierra, proporciona aislamiento entre la entrada y la salida, lo que reduce considerablemente la posibilidad de retroalimentación.

Amplificadores de micrófono:   La configuración del circuito de compuerta común se utiliza en amplificadores que requieren niveles bajos de impedancia de entrada. Una aplicación es para preamplificadores de micrófonos de bobina móvil: estos micrófonos tienen niveles de impedancia muy bajos.

Tabla resumen de configuración del circuito FET

Es importante comprender las características clave de cada configuración, ya que estas permiten seleccionar la configuración correcta para el diseño de circuito particular. La siguiente tabla ofrece un resumen de las principales propiedades de las diferentes configuraciones de circuitos FET.

Tabla de resumen de configuración de FET
Configuración de FET	Puerta común	Drenaje común (Seguidor de la fuente)	Fuente común
Ganancia de voltaje	Alto	Bajo	Medio
Ganancia de corriente	Bajo	Alto	Medio
Ganancia de potencia	Bajo	Medio	Alto
Resistencia de entrada	Bajo	Alto	Medio
Resistencia de salida	Alto	Bajo	Medio
Relación de fase de entrada/salida	0°	0°	180°

Como se puede observar, las diferentes configuraciones o topologías tienen características diferentes. La fuente común es la configuración de circuito FET más utilizada y equivale al amplificador de transistor de emisor común. El seguidor de fuente o drenaje común del FET se utiliza como amplificador buffer y equivale al amplificador de emisor común de transistor.

  

¿Cómo obtener una señal de corriente de 4-20mA de un ESP32?

Supongamos que tienes un sistema de control de velocidad de un motor hidráulico. La señal de control de 4-20 mA, generada por un controlador, se envía a la válvula proporcional. Si el controlador envía una señal de 4 mA, la válvula está casi cerrada, permitiendo solo un flujo mínimo de fluido y, por lo tanto, una velocidad baja del motor. Si la señal es de 20 mA, la válvula está completamente abierta, permitiendo el flujo máximo y una velocidad alta del motor. Las señales intermedias ajustan la posición de la válvula proporcionalmente, permitiendo un control preciso de la velocidad del motor. Existen muchos dispositivos que realizan esta función, pero su costo es alto. Aquí te voy a mostrar un circuito muy sencillo que permitirá controlar este tipo de válvulas con dispositivos de bajo costo.

El circuito de la figura constituye un bucle de corriente que permite controlar desde un  ESP32 la apertura de una válvula proporcional, en especifico desde el pin del convertidor digital a análogo (DAC), el cual se encuentra en el pin 9 (GPIO25) o el pin 10 (GPIO26), como se muestra en el diagrama de pines del ESP32. Como la salida máxima de este dispositivo son 3V, se puede controlar este voltaje desde los 0V que corresponderían a 4mA hasta los 3V que correspondería a 20 mA.

El transistor Q2 controla la corriente de origen en el terminal I-OUT. Este a su vez está controlado por el transistor Q1, que a su vez está controlada por la amplificador operacional . Este amplificador operacional ajusta la corriente a través de Q2 a lo que sea necesario para que el voltaje V0 aparezca a través de R3, la resistencia R1 retroalimenta los valores de salida, que se miden en el terminal I-IN, para mantener la corriente a un valor fijo cuando se conecte la carga, eso regula la actual a R3.

Las diversas resistencias alrededor de Q1 y Q2 son para proporcionar un rango de ajuste de voltaje razonablemente lineal e independiente de las ganancias de Q1 y Q1. C1 añade estabilidad.

Entre los terminales I-OUT e I-IN, estarían conectados los terminales del motor que controla la apertura de la válvula. En la siguiente figura se modela la carga con una resistencia, con una resistencia de 800 Ohmios, debido a que la norma internacional ISA-50 especifica 3 clases L, H y U con U siendo el más genérico y especifica que el bucle de corriente necesita ser capaz de obtener 20mA en hasta 800 ohmios con tensión de alimentación de hasta 32,7V. Otros estándares (NAMUR NE 43) tendrán valores ligeramente diferentes. En la simulación la circuitería análoga (transistores y opam) se alimenta con una fuente análoga de 24V, que es la más comúnmente usada para alimentar el motor de la válvula proporcional.

Este circuito también se puede utilizar con tarjetas Arduino, como se muestra en la siguiente figura, las cuales no tienen convertidor análogo a digital, pero utilizando las salidas PWM y un filtro pasabajos RC se puede obtener un voltaje análogo que depende del ciclo ON de la señal PWM. El valor de R y C del filtro depende de la frecuencia de la señal PWM generada, generalmente con una frecuencia de corte mínimo de 50 veces por debajo de la frecuencia configurada en el PWM. Si se usa un Arduino tener en cuenta que el voltaje del PWM debe tener un máximo de 3V, debido a que en el caso de estos dispositivos el voltaje pude ser máximo de 5V.

 

¿Por qué y dónde se utilizan bucles de corriente de 4-20 mA?

Transmitir la salida de un sensor como voltaje a largas distancias tiene varios inconvenientes. A menos que se utilicen dispositivos de muy alta impedancia de entrada, la transmisión de voltajes a largas distancias produce voltajes correspondientemente más bajos en el extremo receptor debido al cableado y las resistencias de interconexión. Sin embargo, los instrumentos de alta impedancia pueden ser sensibles a la captación de ruido, ya que los largos cables que transportan señales a menudo pasan muy cerca de otros cables del sistema eléctricamente ruidosos. Se pueden utilizar cables blindados para minimizar la captación de ruido, pero su alto costo puede resultar prohibitivo cuando se trata de distancias largas.

Enviar una corriente a largas distancias produce pérdidas de voltaje proporcionales a la longitud del cableado. Sin embargo, estas pérdidas de voltaje, también conocidas como “caídas de bucle”, no reducen la corriente de 4-20 mA siempre que el transmisor y el suministro de bucle puedan compensar estas caídas. La magnitud de la corriente en el circuito no se ve afectada por las caídas de voltaje en el cableado del sistema, ya que toda la corriente (es decir, electrones) que se origina en el terminal negativo (-) de la fuente de alimentación del circuito tiene que regresar a su terminal positivo (+).

El bucle de corriente de 4-20 mA que se muestra en la figura es un método común para transmitir información de sensores en muchas aplicaciones de monitoreo de procesos  industriales. Un sensor es un dispositivo utilizado para medir parámetros físicos como temperatura, presión, velocidad, caudales de líquido, etc. La transmisión de información del sensor a través de un bucle de corriente es particularmente útil cuando la información debe enviarse a una ubicación remota a largas distancias ( 300 metros o más). La operación del bucle es sencilla: el voltaje de salida de un sensor se convierte primero en una corriente proporcional, donde 4 mA normalmente representan la salida de nivel cero del sensor y 20 mA representan la salida de escala completa del sensor. Luego, un receptor en el extremo remoto convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que a su vez puede ser procesado por una computadora, un microcontrolador o un módulo de visualización.

 Componentes de un bucle de corriente

 Un circuito típico de bucle de corriente de 4-20 mA se compone de cuatro elementos individuales: un sensor/transductor; un convertidor de tensión a corriente (comúnmente denominado transmisor y/o acondicionador de señal); una fuente de alimentación de bucle; y un receptor/monitor. En aplicaciones alimentadas por bucle, los cuatro elementos están conectados en una configuración de circuito cerrado en serie Los sensores proporcionan un voltaje de salida cuyo valor representa el parámetro físico que se está midiendo. (Por ejemplo, un termopar es un tipo de sensor que proporciona un voltaje de salida de muy bajo nivel que es proporcional a su temperatura ambiente). El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor y luego convierte este voltaje a un voltaje proporcional de 4-20 mA de corriente continua que circula dentro del circuito cerrado en serie. El receptor/monitor, normalmente una subsección de un medidor de panel o sistema de adquisición de datos convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que puede procesarse y/o mostrarse posteriormente.

La fuente de alimentación del bucle generalmente proporciona toda la energía operativa al transmisor y al receptor, y a cualquier otro componente del bucle que requiera un voltaje de CC bien regulado. En aplicaciones alimentadas por bucle, los elementos internos de la fuente de alimentación también proporcionan un camino para cerrar el bucle en serie. +24 V sigue siendo el voltaje de fuente de alimentación más utilizado en aplicaciones de monitoreo de procesos de 4-20 mA.

Debido a que los cables de cobre exhiben una resistencia de CC (efecto de la resistencia en el cableado) directamente proporcional a su longitud y calibre (diámetro), las aplicaciones en las que dos o más dispositivos de monitoreo de bucle están conectados a distancias de cableado bidireccionales muy largas (300 a 600 metros) normalmente usan suministros de +24 V porque muchos transmisores requieren un suministro mínimo de 8 V para un funcionamiento adecuado. Cuando este mínimo de 8 voltios se suma a los típicos 3 a 4 voltios que cae cada monitor de proceso y los 2 a 4 voltios que caen en el cableado y las interconexiones del sistema, el voltaje de suministro mínimo requerido puede exceder fácilmente los 16 V.

La caída de voltaje desarrollada a lo largo de una determinada longitud de cable se encuentra multiplicando la resistencia total del cable por la corriente que lo atraviesa. La resistencia total del cable se encuentra buscando su resistencia (generalmente expresada en ohmios por 1000 pies) en una tabla de especificaciones 

Resistencia de montaje en superficial

Las resistencias discretas más comunes en la actualidad son las resistencias de montaje superficial de película gruesa, también conocidas como resistencias de chip por sus ordenados paquetes rectangulares, que carecen de conductores. Anualmente se producen miles de millones de resistencias de chip y se encuentran en todo tipo de productos electrónicos de consumo producidos en masa. 

Se trata de resistencias de montaje en superficie, diseñadas para soldar directamente a la superficie de una placa de circuito, a diferencia de soldar cables que pasan a través de orificios en la placa de circuito. Están construidos de forma muy parecida a las resistencias de los conjuntos de película gruesa, hasta el corte por láser.

¿Qué es una matriz de resistencias de película gruesa?

Muchos circuitos requieren múltiples resistencias idénticas. Por ejemplo, un bus de datos digitales o los pines de E/S de un microcontrolador podrían necesitar resistencias de terminación conectada en serie con cada línea de datos. 

Una matriz de resistencias elimina la necesidad de múltiples resistencias discretas ahorrando espacio en una tarjeta de circuito impreso. 

En la foto se muestra un conjunto de películas gruesas, llamados así por la tecnología de fabricación, que utiliza un material conductor y resistivo, colocado sobre un sustrato cerámico.

Se trata de un único conjunto de resistencias en línea, El componente de la foto tiene cuatro resistencias independientes. Después de instalar y soldar las terminales metálicas, un láser quema parte del material resistivo para ajustar cada resistencia individual a su especificación correcta.  Finalmente, la matriz se sumerge en una capa de epoxi para protegerla.

¿Cómo funciona una resistencia de potencia?

A medida que la corriente fluye a través de una resistencia, ésta convierte una cierta cantidad de energía eléctrica en calor. La mayoría de las resistencias de uso general tienen poca capacidad para disipar el calor, ya que no pueden soportar temperaturas elevadas. Esto limita la cantidad de energía que pueden manejar.

Las resistencias de potencia como ésta se fabrican sin materiales que limiten la temperatura, como soldadura o epoxi, lo que les permite manejar más potencia. Algunas fuentes de alimentación los utilizan para limitar el flujo de corriente que ocurre cuando los enchufas.

El elemento activo es un cable metálico resistivo enrollado alrededor de un núcleo aislante. El conjunto resistivo se coloca en una carcasa de cerámica resistente al calor y se rellena con lechada de cemento.

¿Qué es un analizador de redes vectoriales (VNA) y cómo funciona?

Los analizadores de redes de RF son elementos vitales de la instrumentación de prueba para los laboratorios de diseño de RF, así como para muchas áreas de fabricación y servicio. 

 

Los analizadores de redes de RF pueden proporcionar información vital sobre el funcionamiento y el rendimiento de redes de RF de todo tipo.El analizador de redes de RF proporciona un estímulo a la red y luego monitorea la respuesta. De esta manera, se puede ver y evaluar el funcionamiento y el rendimiento para determinar su idoneidad. Los analizadores de red de RF se pueden utilizar para todas las frecuencias de RF y microondas; algunos analizadores de red pueden funcionar bien en la región de microondas.

 

Tipos de analizadores de redes RF

Dentro del amplio espectro de analizadores de redes de RF, existen varios tipos de instrumentos que se pueden comprar y utilizar. Estos tipos de analizadores de redes de RF son muy diferentes, pero todos pueden medir los parámetros de los componentes y dispositivos de RF de diferentes maneras:

·         Analizador de redes escalares (SNA):   El analizador de redes escalares, SNA, es una forma de analizador de redes de RF que mide únicamente las propiedades de amplitud del dispositivo bajo prueba, es decir, sus propiedades escalares. Por este motivo, es el más simple de los diversos tipos de analizador.

·         Analizador de red vectorial (VNA):   el analizador de red vectorial es una forma más útil de analizador de red de RF que el SNA, ya que puede medir más parámetros sobre el dispositivo bajo prueba. No solo mide la respuesta de amplitud, sino que también analiza la fase. Como resultado, el analizador de red vectorial también puede denominarse medidor de ganancia-fase o analizador automático de red.

·         Analizador de redes de señales grandes (LSNA):   el analizador de redes de señales grandes, LSNA, es un tipo de analizador de redes de RF altamente especializado que puede investigar las características de los dispositivos en condiciones de señales grandes. Puede observar los armónicos y las no linealidades de una red en estas condiciones, lo que proporciona un análisis completo de su funcionamiento. Una versión anterior del analizador de redes de señales grandes, LSNA, se conocía como analizador de transición de microondas, MTA.

 Diferencia entre analizadores de redes RF y analizadores de espectro

Aunque existen muchas similitudes entre los analizadores de redes de RF y los analizadores de espectro, también existen varias diferencias importantes, especialmente en los tipos de mediciones que se realizan. En particular, realizan tipos de mediciones muy diferentes. En primer lugar, un analizador de espectro está destinado a analizar la naturaleza de las señales que se le introducen. Un analizador de red, por otro lado, genera una señal y la utiliza para analizar una red o un dispositivo.

Los analizadores de redes de RF se utilizan para medir componentes, dispositivos, circuitos y subconjuntos. Un analizador de redes de RF contendrá tanto una fuente como varios receptores. Mostrará información de amplitud y, a menudo, de fase (barridos de frecuencia o potencia) y normalmente en formato de relación. Un analizador de redes de RF busca una señal conocida, es decir, una frecuencia conocida, en la salida del dispositivo bajo prueba, ya que es un sistema de respuesta a estímulos. Con la corrección de errores vectoriales, los analizadores de redes proporcionan una precisión de medición mucho mayor que los analizadores de espectro.

 

A diferencia de los analizadores de redes de RF, los analizadores de espectro se utilizan normalmente para medir las características de una señal en lugar de un dispositivo. Los parámetros medidos pueden incluir: nivel de señal o portadora, bandas laterales, armónicos, ruido de fase, etc. Se suelen configurar como un receptor de un solo canal, sin fuente. Debido a la flexibilidad necesaria para analizar señales, los analizadores de espectro suelen tener un rango mucho más amplio de anchos de banda de FI disponibles que la mayoría de los analizadores de redes de RF.

Los analizadores de espectro se pueden utilizar para probar redes como filtros. Para lograrlo, necesitan un generador de seguimiento. Cuando se utilizan de esta manera, los analizadores de espectro se pueden utilizar para probar componentes escalares (magnitud versus frecuencia, pero no mediciones de fase). Con los analizadores de espectro, es fácil obtener un trazo en la pantalla, pero interpretar los resultados puede ser mucho más difícil que con un analizador de red.

El elemento clave del analizador de redes vectoriales, VNA, es que puede medir tanto la amplitud como la fase. Mientras que una medición de solo amplitud es mucho más sencilla de realizar y puede llevarse a cabo con instrumentos menos complicados. Esto puede ser suficiente para muchos casos. Por ejemplo, cuando la única consideración es la ganancia de un amplificador en un cierto ancho de banda o se necesita la respuesta de amplitud de un filtro.

Sin embargo, una medición que incluya tanto la fase como la amplitud permite descubrir mucho más sobre el dispositivo en prueba, ya que la fase es un elemento crítico en el análisis de redes. Esto se debe a que una caracterización completa de dispositivos y redes implica la medición de la fase y la magnitud.

Solo con el conocimiento de la fase y la magnitud de un analizador de redes vectoriales se pueden desarrollar modelos de circuitos que permitan realizar simulaciones completas. Esto permitirá diseñar circuitos de adaptación basados ​​en técnicas de adaptación conjugada. La caracterización en el dominio del tiempo requiere información de magnitud y fase para realizar la transformada inversa de Fourier. Además, se requieren datos de fase para realizar la corrección de errores vectoriales.

Diagrama de bloques del analizador de red vectorial

Para comprender mejor cómo funciona un analizador de redes vectoriales, es útil ver un diagrama de bloques básico del instrumento de prueba. El diagrama muestra los bloques más básicos del VNA, incluidos los puertos de señal, los bloques de separación de señal, el detector receptor y, finalmente, el procesador y la pantalla.

·         Procesador y pantalla:   esta área del analizador de redes de RF actúa como interfaz hombre-máquina y muestra los resultados de la forma requerida. Es posible mostrar los resultados del análisis de red en una variedad de formatos, incluidos diagramas de Smith, formato cartesiano y valores reales e imaginarios. La salida más común de un analizador de redes vectoriales es en formato de diagrama de Smith, ya que muestra de manera concisa los atributos de la red.

·         Fuente de señal:   Las fuentes de señal del analizador vectorial proporcionan el estímulo para la red de RF. Estos osciladores están contenidos dentro del analizador vectorial y pueden recorrer el rango de frecuencia del instrumento de prueba.

·         Receptor y detector:   Este bloque del analizador de redes de RF recibe las señales de los separadores de señales y las procesa en términos de ondas reflejadas y transmitidas en comparación con la onda incidente. Estos resultados se pasan al procesador y se muestran en la pantalla.

·         Puertos:   Son los elementos del analizador vectorial de redes que se conectan directamente al dispositivo bajo prueba. Por lo general, tienen dos conexiones al dispositivo bajo prueba, una en la entrada y otra en la salida, etc. Algunos analizadores vectoriales de redes pueden tener más puertos para su uso con sistemas que tienen múltiples conexiones.

El analizador vectorial de redes tiene conectores de precisión en el panel frontal de la unidad y luego se utilizan cables de precisión para conectarlos al dispositivo bajo prueba. Los cables de precisión son necesarios porque la fase y la pérdida de un cable estándar variarían demasiado incluso con un movimiento leve, etc.

Para probar el dispositivo, se genera una señal de frecuencia variable dentro del analizador de redes vectoriales y se conmuta la salida para probar el dispositivo bajo prueba en una u otra dirección. En este caso, se selecciona el lado izquierdo del diagrama. La señal pasa al divisor, donde una salida se utiliza como señal de referencia para el receptor y el otro lado pasa a un acoplador de dirección y luego al dispositivo bajo prueba a través de la conexión externa en el analizador de redes vectoriales y los cables de precisión.

La potencia pasa a través del acoplador direccional (acoplador direccional 1) al DUT, pero el tercer puerto detecta la potencia reflejada y ésta se conecta nuevamente al receptor. La potencia que pasa a través del dispositivo bajo prueba es muestreada por el acoplador direccional 2 y esta señal se conecta al receptor.

Además de generar una señal para alimentar el dispositivo bajo prueba, la fuente de señal también tiene una salida que está conectada al receptor. Esto permite obtener información de fase de las señales detectadas. En la actualidad, los analizadores de redes vectoriales harán un uso significativo del procesamiento de señales digitales, y gran parte de la sección del receptor y del detector se realizará en formato digital.

Las señales son procesadas por el receptor y luego enviadas al procesador y a la pantalla. En esta sección se hará nuevamente un uso intensivo de la tecnología de microprocesadores para proporcionar el control, la funcionalidad y las pantallas fáciles de usar que se necesitan para la instrumentación de prueba moderna.

Aunque este ejemplo muy simplificado de un analizador de red RF muestra dos puertos, algunos analizadores de red vectoriales pueden usar más puertos para sistemas donde existen muchas rutas de señales diferentes.

¿Cómo es un resistor de película de carbón por dentro?

Las resistencias son dispositivos que restringen o limitan el flujo de electricidad. Se utilizan siempre que se necesita una cantidad controlada de corriente en un circuito. Las resistencias de película de carbón como estas se utilizan todos los días en productos electrónicos como electrodomésticos y juguetes, donde el costo es más importante que la precisión o el tamaño.

Una resistencia de película de carbono está hecha de una varilla de cerámica recubierta con una fina capa de película de carbono que conduce la electricidad con cierta resistencia. Se corta una ranura helicoidal a través de la película, dejando un camino largo y estrecho de carbono que se mueve en forma de sacacorchos de un extremo de la varilla al otro. Se engarzan tapas de metal en los dos extremos y se agregan cables. Luego, la resistencia se sumerge en una capa protectora y se pinta con franjas codificadas por colores para indicar su valor de resistencia.

Las resistencias de esta forma se llaman resistencias de orificio pasante axial, lo que significa que tienen conductores de alambre (destinados a pasar a través de orificios en una placa de circuito) dispuestos a lo largo del eje de simetría de la resistencia.

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¿Cómo funciona un cristal de cuarzo?

En lo profundo de un reloj de pulsera de cuarzo se encuentra un pequeño diapasón, tallado en cristal de cuarzo reluciente, que mantiene el reloj funcionando a tiempo. El diapasón está recubierto con electrodos similares a espejos en sus superficies y protegido dentro de un tubo de metal resistente. 

La frecuencia de resonancia de este diapasón de cuarzo, sin embargo, está más allá del alcance del oído humano y está sintonizada con precisión en 32.768 Hz. (Divida 32,768 Hz por 2 y eventualmente obtendrá 1 Hz). El cuarzo es piezoeléctrico: se flexiona ligeramente cuando se le aplica un voltaje y también produce un voltaje cuando se flexiona. El circuito del reloj aplica un pequeño voltaje a los electrodos, lo que hace que el cuarzo se flexione y suene a su frecuencia de resonancia. Al hacerlo, produce un voltaje oscilante. Cada segundo, un circuito digital cuenta 32.768 oscilaciones y luego hace avanzar el segundero un solo tic.

 

RESISTENCIAS PULL-UP Y PULL-DOWN

Al observar cualquier circuito electrónico digital, encontrará principalmente resistencias en dos tipos de configuraciones: pull-up y pull-down en ellos. Este tipo de configuración se utilizan para polarizar correctamente las entradas de las puertas digitales y evitar que floten aleatoriamente cuando no hay ninguna condición de entrada. Para cualquier microcontrolador en un sistema integrado como Arduino, las resistencias pull-up y pull-down se utilizan tanto en las señales de entrada y de salida para la comunicación con otros dispositivos de hardware externos, principalmente en las Entradas y Salidas de Propósito General (GPIO). La implementación de resistencias pull-up y pull-down en el circuito le permitirá alcanzar estados "altos" o "bajos". Si no lo implementa y no hay nada conectado a sus pines GPIO, su programa leerá un estado de impedancia "flotante".  

Figura 1. Configuraciones de resistencias Pull-Up y Pull-Down
 

RESISTENCIAS PULL-UP

Se utiliza una resistencia pull-up para establecer un control adicional sobre los componentes críticos y al mismo tiempo garantizar que el voltaje esté bien definido incluso cuando el interruptor está abierto. Se utiliza para garantizar que la entrada de voltaje se tire a un nivel lógico alto en ausencia de una señal de entrada.  No es un tipo especial de resistencia. Son resistencias simples de valor fijo conectadas entre el suministro de voltaje y el pin apropiado que define el voltaje de entrada o salida en ausencia de una señal de conducción. Cuando el interruptor está abierto, el voltaje de la entrada de la puerta aumenta al nivel del voltaje de entrada. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de entrada en la puerta va directamente a un nivel bajo (generalmente GND). Debe usar una resistencia pull-up cuando tiene un estado de impedancia predeterminado bajo y desea llevar la señal a "alto".

En la figura 1, se usa una resistencia pull-up con un valor fijo para conectar el suministro de voltaje y un pin particular en el circuito lógico digital. La resistencia pull-up está emparejada con un interruptor para garantizar que el voltaje entre Tierra y VCC se controle activamente cuando el interruptor está abierto. Al mismo tiempo, no afectará al estado del circuito. Si no utilizamos una resistencia pull-up, se producirá un cortocircuito. Esto se debe a que el pin no puede cortocircuitarse directamente a tierra o VCC, ya que esto eventualmente dañará el circuito. Siguiendo el principio de la ley de Ohm, si hay una resistencia pull-up, una pequeña cantidad de corriente fluirá desde la fuente a las resistencias y al interruptor antes de llegar al pin o a la tierra del circuito.

RESISTENCIAS Pull down

Por otro lado, una resistencia pull down se utiliza para garantizar que las entradas a los sistemas lógicos se establezcan en los niveles lógicos esperados siempre que los dispositivos externos estén desconectados o sean de alta impedancia. Garantiza que el pin del circuito integrado esté en un nivel lógico bajo definido incluso cuando no hay conexiones activas con otros dispositivos. La resistencia de pull down mantiene la señal lógica cerca de cero voltios (0V) cuando no hay ningún otro dispositivo activo conectado. Baja el voltaje de entrada a tierra para evitar un estado indefinido en la entrada. El valor de esta resistencia debería ser mayor que la impedancia del circuito lógico. De lo contrario, el voltaje de entrada en el pin tendrá un valor bajo lógico constante sin importar la posición del interruptor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de entrada en la puerta pasa a un voltaje alto (generalmente el valor de fuente de alimentación). 

 

VALORES DE RESISTENCIA IDEALES PARA RESISTENCIAS PULL-UP Y PULL-DOWN

El valor de la resistencia controla cuánta corriente desea que fluya desde VCC a través del botón y luego a tierra. Una corriente alta fluirá a través de la resistencia pull-up si el valor de resistencia es demasiado bajo. 

Para las resistencias pull-up , se debe usar una resistencia que sea al menos 10 veces más pequeña que el valor de la impedancia del pin de entrada del circuito lógico (información del datasheet del circuito integrado). Para dispositivos lógicos que funcionan a 5 V, el valor típico de la resistencia pull-up debe estar entre 1 y 5 kΩ. Por otro lado, para aplicaciones de interruptores y sensores resistivos, el valor típico de la resistencia pull-up debe estar entre 1 y 10 kΩ.

Para las resistencias Pull down , siempre debe tener una resistencia mayor que la impedancia del circuito lógico. De lo contrario, reducirá demasiado el voltaje y el voltaje de entrada en el pin permanecerá en un valor bajo lógico constante, independientemente de si el interruptor está encendido o apagado.