Uso de IGBT para electrónica de potencia. Selección de dispositivos individuales y módulos trifásicos.

 Introducción

 Cuando se piensa en activar cargas de alta potencia, generalmente de tipo industrial, que utilicen más de un amperio y hasta algunas decenas de de corriente directa, generalmente se piensa en transistores BJT gracias a su alta linealidad entre la corriente de entrada en la base y la corriente de salida en el colector; sin embargo, existen otras opciones que merece la pena evaluar para mejorar la eficiencia del controlador.

El IGBT^[1] (Insulated-gate bipolar transistor o Transistor bipolar de compuerta aislada) es un dispositivo electrónico de tres terminales que se utiliza principalmente como interruptor, que se ha ido desarrollando en el tiempo hasta lograr niveles altos de eficiencia y rápida conmutación. Está construido por 4 capas de cristales en una estructura  P–N–P–N controlada por una estructura de compuerta de metal óxido MOS.

Aunque la estructura del IGBT es topológicamente la misma que la de un tiristor con una compuerta de tipo MOS, la acción del tiristor se elimina y permanece la acción del transistor en todo el rango de operación del dispositivo. Actualmente se utiliza en aplicaciones de potencia como Controladores variables de frecuencia, vehículos eléctiros, trenes, Cuartos fríos de alta velocidad, balastros, soldadores eléctricos y aires acondicionados.

Desde el 2010, el IGBT es el transistor de potencia más utilizado después del MOSFET. En la tabla 1 puede verse la comparación del IGBT y otros dispositivos.

Tabla 1. Comparación entre el IGBT y otros dispositivos de 3 terminales.

 

Desde cierto punto de vista, el IGBT es la combinación de un BJT y un MOSFET. El nombre del componente incluye “compuerta aislada” porque refiere a aquella parte del MOSFET que posee una impedancia de entrada muy alta y no demanda ninguna corriente en su terminal de compuerta, ya que se controla con tensión. El nombre “bipolar” refiere a la parte de salida de un BJT, dada su naturaleza bipolar en el flujo de corriente de salida ocasionada por dos tipos de portadores: electrones y huecos. Esto permite el control de altas corrientes mediante señales de tensión pequeña^[2].

 La figura 1 muestra la simbología que representa al IGBT y su estructura interna.

Se puede observar que:
    • Está hecho con cuatro capas de semiconductores P y N para formar una estructura PNPN.
    • El colector C está en contacto con la capa de material P, mientras que el emisor está ubicado entre las capas P y N.
    • Un sustrato de material P+ es utilizado para la construcción del IGBT y una capa tipo N- se posiciona arriba del sustrato para formar la juntura PN “J1”.
    • Dos regiones P se disponen sobre la capa N para formar junturas tipo PN llamadas “J2”.
    • La región P está diseñada de forma que deja un espacio en la parte central del componente, el cual será el terminal de compuerta.
    • Las regiones N+ se distribuyen en la región P como se muestran en la figura 1.
Se puede tener una apreciación de la presentación física de los IGBT en la figura 2

Fig.2 Muestra de la presentación física del IGBT

Características técnicas

El IGBT puede ser construido con su equivalente que consiste en dos transistores BJT y un MOSFET^[3] tal como se muestra en la figura 3. El IGBT combina la baja saturación de tensión de un transistor, con la alta impedancia de entrada y velocidad de conmutación de un MOSFET.

El resultado obtenido de esta combinación entrega las características de conmutación y conducción de un transistor bipolar, pero la tensión que le controla es similar a la de un MOSFET.

Fig.3 Circuito equivalente de un IGBT basado en su estructura interna.

Como el IGBT es la combinación del BJT y MOSFET, también es conocido de diferentes maneras, tales como IGT (Insulated gated transistor o transistor de compuerta aislada),  MOSIGT ( Metal Oxide Insulated Gate Transistor o Transistor metal oxido de compuerta aislada),  GEMFET (Gain Modulated Field Effect Transistor o Transistor de efecto de campo de ganancia modulada) y COMFET (Conductively Modulated Field Effect Transistor o Transistor de efecto de campo de conductividad modulada)

Para conocer las características técnicas de un IGBT puede consultarse la hoja técnica brindada por el fabricante. La figura 4 muestra algunas de las características eléctricas del IGB4BC40F^[4]

Fig.4 Muestra de las características eléctricas del IRG4BC40F.

Donde se pueden apreciar características similares importantes de un BJT y de un MOSFET:
    • V(BR)CES: La tensión de ruptura entre colector y emisor mínima es de 600V.
    • VCE (ON): La tensión de saturación entre el colector y emisor, menores a 1.85V.
    • ICES: La corriente de colector cuando la tensión de compuerta es cero.

Cabe notar que el IGBT poseerá los estados ON y OFF activando o desactivando su terminal de compuerta.
    a) Si se aplica una tensión positiva a la compuerta, el emisor mantiene el circuito de control encendido (ON); por otro lado,
    b) Si la tensión aplicada al terminal de compuerta es cero o apenas negativo, apagará el dispositivo, haciendo que la corriente de colector sea cero.

Mientras que para el transistor BJT se calcula la ganancia como la razón entre la corriente de colector y la corriente de base, en el IGBT se calcula diferente porque su corriente de compuerta es muy cercana a cero1. En este último, la ganancia se calcula como la razón de la corriente de salida en el colector, entre la tensión aplicada entre compuerta y emisor. Al calcularlo de esa manera, el IGBT es un dispositivo de transconductancia.
Además, suele colocarse en el mismo encapsulado del IGBT un diodo en antiparalelo como se muestra en la figura 5a para evitar que altas corrientes en inversa, producidas por cargas inductivas, deterioren el componente.

Fig. 5 El IGBT. a) Diodo en antiparalelo entre colector y emisor, b) Relacion entre la corriente de colector y energía disipada por el dispositivo.

Gracias a la poca resistencia observada entre colector y emisor, la energía contenida en el IGBT es pequeña a pesar de las altas corrientes que puede circular en el colector, según se observa en la figura 5b.
Así, las principales ventajas técnicas del IGBT sobre el BJT estriban en su capacidad para el control de altas tensiones, resistencia RON muy baja, facilidad para controlar su compuerta, relativa alta velocidad de conmutación y cero corriente de compuerta, haciendo de esta manera, un componente ideal para velocidades moderadas en aplicaciones con altas tensiones de tipo PWM, control de velocidad en motores, fuentes de alimentación para inversores DC-AC, para el rango de cientos de kilohertz.

Fig. 6 IGBT. a) Activación de un motor DC, b) Regiones de operación

La figura 6a muestra las conexiones que se deben realizar para realizar un control ON/OFF de un motor DC, mientras que en la figura 6b presenta las tres regiones típicas de un transistor: Encendido, apagado y activo1.

Dado que existen muchas aplicaciones industriales, los IGBT se fabrican en forma de módulos, los cuales permiten disponer los componentes necesarios para controlar cargas:
    a) DC y monofásicos (Configuración de transistores tipo H).
Los módulos Hitachi^[7], mostrados en la figura 7, soportan 1700V para IGBT que controlan una y dos fases, con uno y dos diodos, son módulos que tienen muy bajas pérdidas combinadas con un desempeño de conmutación suave y un área de operación segura de funcionamiento.

Fig. 7 IGBT producidos opr HITACHI

    b) cargas trifásicas.
Se ilustra un ejemplo en la figura 8. System Plus Consulting proporciona un estudio completo de costos inversos del módulo StarPower GD820HTX75P6H. Este módulo de potencia Tri-Pack, en un paquete P6 de StarPower, impulsa 820 A con una clasificación de voltaje de 750 V. Utiliza una estructura de disipación de pin-fin de cobre para refrigeración líquida directa^[8]

Fig. 8 Módulo de tres IGBT para control de cargas trifásicas

Selección de un IGBT

Se requiere un IGBT para controlar una carga DC que se activa con 10A y tensión de activación de 24VDC. ¿Cuál es el proceso para seleccionar uno?
    a) Se accede al sitio web de un distribuidor de componentes electrónicos como digikey^[9] y se busca “IGBT”.
    b) Se filtra la búsqueda con los siguientes criterios.
        ◦ Part Status = Active
        ◦ Voltage - Collector Emitter Breakdown (Max) = 400V
        ◦ Current – Collector (Ic) (Max) = 10A
        ◦ View Prices At = 10
        ◦ In Stock = checked
    c) Los resultados obtenidos y ordenados desde el menor precio, se muestran en la figura 9. Se selecciona el IGTP10N40 por ser aquel compomente de menor precio que cumple con los criterios delimitados en el filtro de la página web.

Fig. 9 Resultados en Digikey de la búsqueda de un IGBT.

Del ícono indicador de PDF y el nombre del componente en letras azules, correspondientes a la segunda fila de la tabla en la figura anterior, se obtienen las características técnicas^[10] dadas por el fabricante y más datos por parte del vendedor Digikey^[11].

Selección de un módulo de IGBT

Se procede de forma similar a la selección de un componente, descrito en el apartado anterior. Para este caso se tiene:
    a) Se accede al sitio web de un distribuidor de componentes electrónicos como digikey^[12] y se busca “IGBT modules”.
    b) Se filtra la búsqueda con los siguientes criterios.
        ◦ Part Status = Active
        ◦ Current - Collector (Ic) (Max) = 10A
        ◦ View Prices At = 10
        ◦ In Stock = checked
    c) Los resultados obtenidos y ordenados desde el menor precio, se muestran en la figura 10. Se selecciona el FP10R12W1T7B3BOMA1 por ser aquel compomente de menor precio que cumple con los criterios delimitados en el filtro de la página web.

Fig. 10 Resultados en Digikey de la búsqueda de un módulo trifásico de IGBT

En la misma página que brinda los resultados de la búsqueda, se pueden obtener los enlaces para más información del dispositivo de parte de Digikey o la hoja técnica que brinda el fabricante.

Aplicación de IGBT

Finalmente, se presenta el caso ilustrativo de una carga activada por un microcontrolador, el optoacoplador IR4427 y el IRG4BC40F, mostrado en la figura  donde el IGBT se utiliza como interruptor electrónico, controlando una carga de 320V y varios amperios. Gracias a las características del IGBT no se requieren etapas de amplificación previas.

Fig. 11 Aplicación de un IGBT para control de cargas de potencia considerable.

Conclusiones

• El IGBT es un componente de tres terminales que puede utilizarse como interruptor de potencia, dada una serie de ventajas técnicas sobre otros como el transistor BJT y similares. Por tanto, debe incentivarse su aplicación para que los diseñadores de circuitos electrónicos logren una mayor eficiencia y calidad de los circuitos de control en cargas industriales para DC, monofásicas y trifásicas.
• Seleccionar un IGBT individual o un módulo para control de cargas trifásicas es relativamente fácil, haciendo uso de los filtros proporcionados por el vendedor de componentes electrónicos; en tal sentido, se motiva al lector a realizar un proceso de selección que permita encontrar el IGBT “óptimo”, aplicado al proyecto de diseño.
  

Preguntas motivadoras

1. ¿Qué proceso debe seguirse para seleccionar el disipador de calor que se acoplará a un IGBT?
2. ¿Cuáles consideraciones deben tomarse para aislar la referencia del circuito de control para cada compuerta en los IGBT del módulo?
3. ¿Es el IGBT, particularmente la compuerta, resistente a las interferencias electromagnéticas?
   

Lecturas recomendadas (PDF)

• Datasheet STGW39NC60VD [enlace]
  
• Comparison of Forward Characteristics of IGBTs and MOSFETs [enlace]
• AN2011-05 Industrial IGBT Modules. Explanation of Technical Information [enlace]
• 7th Generation IGBT Module for Industrial Applications [enlace]
• Fuji IGBT modules. Application manual.[enlace]
• High voltage IGBT module. Application Manual [enlace]
• A SPICE Model for IGBTs and Power MOSFETs Focusing on EMI/EMC in High-Voltage Systems [enlace]
• Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits [enlace]

Vídeos recomendados

•  Electronic Basics #28: IGBT and when to use them (CC SP) [enlace]
• Cómo realizar control de velocidad motor DC con módulo IGBT [enlace]
• Power Inverters Explained - How do they work working principle IGBT [enlace]
• IGBT Module overview [enlace]
• How To Test an IGBT [enlace]
• Assembling [enlace]
• BJT vs MOSFET vs IGBT [enlace]
• Power inverters [enlace]
• Controladores de frecuencia [enlace]
• Testing IGBTs [enlace]
• Prueba de IGBTs [enlace]

Referencias

    [1]  https://hardzone.es/reportajes/que-es/disipador-calor-pc/
    [2]  https://www.gabrian.com/6-heat-sink-types/
    [3]  https://suhangmetal.en.made-in-china.com
    [4]  https://www.powerelectronicstalks.com/2018/09/power-electronics.html
    [5]  https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
    [6]  https://www.diferenciador.com/diferencia-entre-calor-y-temperatura/
    [7]  https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-heat-sink/
    [8]  https://myheatsinks.com/learn/manufacturing/
    [9]  https://www.lorithermal.com/manufacturing
    [10]  https://www.re-innovation.co.uk/docs/heatsink-calculations/
    [11]  https://www.digikey.com/ 

[12]  https://pdf1.alldatasheet.com/

Disipadores de calor en componentes electrónicos. Características y cálculo de temperaturas.

Introducción

 Un disipador de calor es una estructura de la cual se destaca como característica principal su alta conductividad térmica. En el campo de la electrónica se utiliza para que los componentes puedan disipar el calor y, consecuentemente, pueda dicho componente mejorar su eficiencia para controlar corrientes o tensiones eléctricas.

Cuando un componente electrónico controla una tensión o corriente, éste tiene pérdidas de calor que ocasionan un aumento considerable de la temperatura. El disipador sirve para que ese calor sea trasladado desde la juntura hacia el ambiente que le rodea, logrando que el componente tenga una temperatura máxima que pueda soportar en condiciones de operación, según lo especificado por el fabricante en su hoja técnica.

Si no se coloca un disipador de calor, puede ocurrir alguno de los siguientes escenarios.

1. El componente electrónico se deteriora, aislando algunos de sus terminales o cortocircuitándolos^[1].

2. Las condiciones de operación del componente le llevan a una temperatura tal que no puede controlar la máxima potencia a la cual ha sido diseñado; por ejemplo, un transistor bipolar supone que puede conducir una corriente máxima de 10A, para lo cual debe utilizarse el disipador adecuado. Sin disipador, podría suceder que a la corriente de 6A, la temperatura a la cual opera dicho transistor es la máxima especificada por el fabricante, quedando 4A sin aprovechar.

La importancia de instalar disipadores de calor en los componentes electrónicos que lo ameritan radica en la necesidad de controlar la mayor potencia posible y prolongar su vida útil.

Los disipadores de calor suelen fabricarse con aluminio por ser livianos y tener un bajo costo, aunque algunos se construyen con cobre ^[2] siendo estos últimos más pesados y más caros para lograr una mejor conducción térmica.

Una muestra de estos disipadores puede verse en la figura 1, las cuales incluyen diversas formas para componentes también diversos^[3]

Fig.1 Muestra de disipadores de calor.

También es necesario aclarar que no todos los componentes electrónicos requieren de disipadores. En los componentes mostrados en la figura 2, el FET, el IGBT, el SCR, el GTO y el TRIAC poseen una sección metálica para transferir el calor desde su juntura, mientras que el diodo y el BJT no tienen esa sección a la vista y de requerir un disipador, será necesario adaptarle uno con forma especial para que rodee dicho componente ^[4].

 

Fig.2 Muestra de componentes. La mayoría con disipadores de calor.

La operación que tiene un disipador de calor se basa en la Ley de Fourier para el calor^[5] y especifica que, cada vez que se tiene un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transfiere desde las secciones de alta temperatura a las de menor temperatura.

Nótese que calor y temperatura son diferentes^[6], mientras que la temperatura mide la cantidad de energía que poseen las moléculas de un material, el calor es la transferencia de energía de un cuerpo a otro.

La conducción térmica ocurre cada vez que dos objetos con diferente temperatura entran en contacto, lo cual involucra la colisión entre las moléculas rápidas del objeto más caliente y las moléculas más lentas presentes en el objeto más frío^[7]. De esta manera, se transfiere el calor de un cuerpo a otro.

La figura 3 brinda una idea de cómo el aire fresco entra a las rejillas del disipador. Dado que el disipador está caliente, le transfiere ese calor al aire haciendo que eleve su temperatura. Finalmente, el aire caliente que sale, se dirige al aire del ambiente.

 

Fig.3 Enfriamiento de un disipador de calor

Clasificación de disipadores atendiendo al método de manufactura.

En función del material y de su forma, los disipadores pueden fabricarse con varios métodos, siendo los más económicos los de extrusión, forjado, fundición y estampado, mientras que otros más caros incluyen el maquinado con CNC, biselado e impreso con los cuales se puede lograr una forma muy particular que no puede ser lograda con los métodos económicos mencionados anteriormente^[8]. El maquinado por CNC es un método de manufactura muy versátil que permite obtener complejas estructuras geométricas, además se construyen rápidamente para entregas urgentes.

En la figura 4 se muestran diferentes tipos de disipadores según su método de fabricación^[9] .

Fig. 4 Diferentes métodos para construcción de disipadores: a) Extrusión de aluminio, b) Biselado de precisión, c) Forjado en frío, d) Fundido, e) Estampado, f) Plegado, g) Soldado, h) Maquinado con CNC.

Temperatura y transferencia de calor

El calor generado por un componente debe ser transmitido a travez de muchas capas para ser dispersada finalmente al medio ambiente. El diagrama de la figura 5 muestra la ruta que sigue el calor y las ecuaciones necesarias para calcular la tasa de transferencia de calor^[10].

Fig. 5 Flujo de transferencia del calor, desde la juntura hasta el medio ambiente y ecuación para conocer la disipación del calor.

Generalmente, la simbología utilizada es:
    a) R, Resistencia térmica que presenta un cuerpo a la transferencia de calor [°C/W].
    b) P , Potencia disipada por el componente [W].
    c) T, Temperatura [°C].

 

Por tanto, en la ecuación presentada en la figura 5 expresada como Tj = Pd * (Rjc+Rcs+Rsa)+Ta, se tiene:
    • Tj [°C] = Temperatura en la juntura. Podría decirse en la estructura interna del componente.
    • Pd [W] = Potencia disipada en el componente. Debe ser la misma disipada a través de todas las capas en la que se realizar la transferencia del calor, desde la juntura del componente hasta el ambiente.
    • Rjc, Rcs, Rsa [°C/W] = La resistencia térmica entre la juntura y el encapsulado (jc), el encapsulado y el disipador (cs) y finalmente entre el disipador y el ambinente (ca).
    • Ta [°C] = Temperatura del medio ambiente.
Y lo que espresa el el cambio de temperatura que existe al medirla en el punto que une diferentes materiales, cada uno de ellos con su resistencia térmica y sin olvidar que la potencia debe tener el mismo valor.
Otro elemento importante a considerar empíricamente, es que un buen disipador de calor es aquel que más se calienta, ya que evidencia una mejor transferencia del calor.

Tansferencia de calor

Los fabricantes de disipadores de calor para componentes electrónicos proveen de las características técnicas necesarias para calcular la potencia disipada^[11]. Algunas de ellas pueden filtrarse para seleccionar la más adecuada para el diseño particular como se muestra en la figura 6.

Fig. 6 Ilustración de algunas características técnicas para disipadores de calor por el distribuidor Digikey en su página web.

En la figura anterior se puede apreciar que el disipador modelo V8511Z, donde se especifica que su resistencia térmica es de 3.50°C/W entre otras características como dimensiones, material de construcción y forma entre otros.

Ejemplo

Se desea saber si el componente RFD15P05^[12] que posee encapsulado TO-220, puede utilizar el disipador V8511Z.

 

Fig. 7 Algunas de las características técnicas del RFD15P05.

Primero, debe conocerse cuál es la potencia que el componente disipará. En el caso particular de un transistor MOSFET la potencia se calcula Pds = Id*Vds. En este caso se asumirá Id=0.1A, Vds=12V; por tanto, Pds = 0.1 * 12 = 1.2W
A partir de la ecuación  Tj = Pd * (Rjc+Rcs+Rsa)+Ta, se tienen algunos datos:
    • Pd = 1.2 [W], conocida mediante el punto de operación del transistor.
    • Rjc = 1.875 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
    • Rcs = 62.5 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
    • Rsa =  3.50 [°C/W], obtenida de las características térmicas del disipador.
Calculando Tj = 1.2 * (1.875+62.5+3.5) + 25 = 106.45 [°C]
La temperatura máxima de operación se obtiene de la misma hoja técnica, que resulta ser la misma que la de almacenamiento Tj = 175 [°C]

Dado que, la temperatura Tj calculada (106.45°C) es menor a la temperatura que puede soportar en operación el MOSFET (175°C), se concluye que el disipador es apropiado para ese punto de operación particular.
Nótese que la mayor resistencia térmica viene dada por Rcs; es decir, en el contacto entre el encapsulado del componente y el disipador. Por ello, debe utilizarse pasta térmica para reducir este factor y aprovechar más las características de manejo de potencia de dicho componente.

 

Preguntas motivadoras

¿Cuáles métodos para transmisión de calor se utilizan comúnmente?
¿Puede enfriarse un componente electrónico en contacto directo con agua?
¿Tiene algún efecto en el cálculo del disipador de calor, que el circuito electrónico se sitúe a una altura mayor de 2000 metros sobre el nivel del mar?

Enlaces recomendados

• Calculador de disipadores de calor. [Enlace1] [Enlace2]
• Artículo de texas instruments sobre disipadores de calor. [Enlace]
  

Simulaciones sobre transferencia de calor. [Video1] [Video2] [Video3] [Video4]

Vídeos relacionados con disipadores de calor

•  Thermal Heatsink Design Tutorial [Enlace]
• Choosing a heat sink [Enlace]
• Do I Need a Heat Sink? [Enlace]

 

Referencias

    [1] https://hardzone.es/reportajes/que-es/disipador-calor-pc/
    [2] https://www.gabrian.com/6-heat-sink-types/
    [3] https://suhangmetal.en.made-in-china.com
    [4] https://www.powerelectronicstalks.com/2018/09/power-electronics.html
    [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
    [6] https://www.diferenciador.com/diferencia-entre-calor-y-temperatura/
    [7] https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-heat-sink/
    [8] https://myheatsinks.com/learn/manufacturing/
    [9] https://www.lorithermal.com/manufacturing
    [10] https://www.re-innovation.co.uk/docs/heatsink-calculations/

    [11] https://www.digikey.com/    

    [12] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/67804/INTERSIL/RFD15P05.html

Consideraciones para el bajo consumo en circuitos electrónicos energizados por batería

Introducción.

Los circuitos electrónicos en la actualidad utilizan versiones de componentes que han sido mejoradas con el tiempo. Algunas como reguladores de tensión ahora soportan un corto circuito en su salida de manera permanente, otros se producen con nuevos encapsulados que ahorran más espacio y soportan un mayor rango de temperaturas. En este blog se abordarán aquellos circuitos que suelen ser energizados por baterías y resulta muy conveniente reducir el consumo energético de sus componentes y en otros casos inhabilitarlos, con afán de utilizar la menor potencia posible.

Nuevas versiones con mejores prestaciones.

Existen nuevos componentes electrónicos que utilizan menor potencia para funcionar, tanto en los niveles de tensión como en las corrientes de operación utilizadas. Un caso particular es el amplificador de instrumentación INA114 (Burr Brown), que ha sido utilizado por varias décadas para amplificar tensiones diferenciales por un factor de 1 hasta 1000; mientras tanto, el AD8553 (Analog Devices) puede amplificar la misma señal diferencial en las mismas proporciones, brindando además algunas ventajas.

La figura 1 muestra una comparativa de estos componentes.

Figure 1: Comparación de funciones y configuración de terminales para INA114 y AD8553

 Como puede observarse, aunque ambos componentes tienen la misma función de dar ganancia de tensión diferencial a una señal, las funciones del AD8553 superan a la del INA114 en varios aspectos:

• El desplazamiento de la tensión de entrada es menor por 30µV.
• Las variaciones causadas por temperatura son menores por 0.15µV/°C.
• La razón de rechazo al ruido CMRR es mejor por 5dB.
• Cambia el encapsulado de 8 terminales DIP por otro de 10 MSOP, utilizando menor tamaño.
• El AD8553 soporta operación tipo rail to rail.
• Mientras que el INA114 requiere una tensión mínima de ±2.25V, el AD8553 necesita una fuente monopolar de 1.8V (1)
• El AD8553 puede ser apagado (1)

(1) Este es un factor muy importante para el uso con batería.

Otro factor muy importante es el consumo del componente, medible en los terminales de alimentación. La figura 2 permite comparar las corrientes de consumo para los componentes mencionados en este blog.

Figure 2: Corrientes de consumo para el INA114 y el AD8553.

 

Puede notarse que, mientras el INA114 requiere un máximo de ±3mA, el AD8553 apenas requiere la mitad, 1.5mA. Esta característica particular genera una mejora sustancial en el consumo de energía, valorada en circuitos que son alimentados a batería.

Circuitos adaptadores con terminal habilitador.

En algunas ocasiones, no es posible encontrar componentes electrónicos que puedan deshabilitarse y ocasionar un consumo  en el orden de los microamperios; por ello, será conveniente considerar otros que típicamente son la fuente de poder para toda una etapa del circuito, tal como se muestra en la figura 3. 

Figure 3: Esquema general de un circuito de aplicación con regulador de tensión habilitado por un micro controlador

 

Tanto el microcontrolador como el regulador, reciben una tensión de alimentación regulada no controlada. Es de notar que:

• El microcontrolador puede configurarse para hibernar y consumir poca energía.
• El circuito regulador, conceptualmente deberá consumir muy poca energía para su funcionamiento, esté o no encendido el circuito de aplicación.
• El circuito que recibe la tensión del regulador, conocido como Aplicación, puede ser apagado en su totalidad.

El regulador LT1129 tiene la función de apagado y tiene tres versiones, dos de ellas proporcionan tensiones fijas a 3.3V y 5V, mientras que la tercera es regulable mediante resistencias externas. En la figura  se muestran sus funciones principales.

Figure 4: Funciones principales y circuito típico del regulador de tensión LT1129

Puede notarse entre sus características más relevantes:

• Una regulación de tensión pequeña, de 400mV.
• Es capaz de entregar una corriente de hasta 700mA.
• La corriente en reposo del componente es de apenas 16µA.
• Posee varias protecciones, no requiere diodos de protección, no es dañado por la tension de batería en inversa y evita la corriente en reversa a la salida.
• Posee la función de apagado.

Como puede observarse, sus características están orientadas al ahorro energético, de forma relevante, el poder energizar o apagar otros componentes. Habrán otros reguladores con características similares que se ajusten a las especificaciones del cliente para requerimientos de mayor corriente de salida o incluso una menor regulación de tensión, pero todos deberán cumplir con la posibilidad de apagar toda una etapa en un circuito.

Conclusiones.

• El creador de soluciones, que ha diseñado circuitos electrónicos por varios años, deberá buscar nuevas versiones de componentes en el estado del arte, ya que los fabricantes han introducido mejoras en sus prestaciones.
• Una prestación de los componentes actuales comparada con versiones anteriores, es la reducción en el consumo de energía, posibilitando su alimentación con baterías.
• Se recomienda el uso de reguladores de tensión con función de apagado, para aquellos circuitos energizados por batería y que operan durante fracciones de tiempo.
  

Referencias.

• https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina114.pdf
• https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8553.pdf
• https://www.analog.com/en/products/lt1129.html
• https://developer.electricimp.com/hardware/power_story
• https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/designing-single-supply-low-power-battery.html

Pregunta de reflexión.

• ¿Qué otras prácticas recomienda para ahorrar energía en aquellos circuitos alimentados por baterías?
  

Qucs-S Simulador libre de circuitos analógicos con modelado opcional en spice

Introducción

 

Para quien diseña circuitos analógicos, es importante conocer el comportamiento de los componentes electrónicos a utilizar previo a su construcción, especialmente si estos componentes y el PCB sobre el cual se implementará, son comprados en el extranjero. Un error en el diseño incrementará notablemente los costos de los prototipos al necesitar fabricarlos varias veces, hasta que el funcionamiento satisfaga las especificaciones dadas por el cliente.

Para asegurarse que un componente cumpla con ciertas especificaciones, se recurre a la técnica de la simulación gracias a su bajo coste y rápida implementación. Por ello, algunos fabricantes generalmente brindan a sus potenciales clientes, el modelo Spice de los componentes, permitiendo así realizar las simulaciones necesarias con ayuda de “motores de cálculo” como ngspice.

Dentro del contexto de circuitos electrónicos, existen varios simuladores en el mercado que facilitan la obtención de parámetros eléctricos para modelos AC, DC y transiente. Hay muchos simuladores, como Multisim, Proteus, Eagle, Qucs y otros más.

De una amplia oferta de programas que sirven para simular circuitos, se prefieren aquellos que tengan un mínimo precio en pago de licencia y una máxima flexibilidad para modelar componentes nuevos sobre la base de Spice. Un caso particular que ofrece simulaciones gratuitas mediante una aplicación en línea es MultiSim Live, la cual puede observarse en la figura 1.

 

Figure 1: MultiSim Live en línea, modelando el funcionamiento de un amplificador no inversor

Este simulador es libre; sin embargo, ofrece poca flexibilidad para modelar circuitos, ya que todos los componentes disponibles no pueden cambiarse o agregar compomentes nuevos.

 

Qucs-S

 Qucs-S es una buena alternativa para simular circuitos, gracias a su uso libre y disponibilidad para incorporar el modelo Spice de componentes que no están incluídos en sus librerías. Además, se toma en cuenta que este simulador permite construir un símbolo que identifica al componente en un diagrama esquemático y facilita al usuario, tener una perspectiva del circuito a simular. Así, los símbolos que integran el circuito, los modelos de circuito en formato Spice y el IDE, permiten al usuario la simulación previa a la implementación del prototipo.

Para el caso particular de Qucs-S, debe notarse que también existe Qucs. La diferencia sustancial es que el primero admite la simulación por Spice y otros motores de simulación, mientras que el segundo utiliza por defecto Qucsator. Algunos menús de estas aplicaciones son mostradas en la figura 2.

 

Figure 2: Menús característicos de los simuladores. a) Qucs, el submenú Show last netlist es la última opción. b) Qucs-S posee una opción para seleccionar el simulador por defecto. c) Menú de Qucs-S para configurar el simulador por defecto.

 En nuestro caso se recomienda instalar Qucs-S, porque además de la posibilidad de incorporar el modelo Spice, utiliza un programa adicional para acelerar los procesos de cálculo en paralelo conocido como Xyce.exe. En la figura 2c puede observarse la selección de ruta para localizar este programa.

El proceso de instalación de Qucs-S para varios sistemas operativos se describe aquí: https://ra3xdh.github.io/#inst

Creación de símbolo e incorporación de modelo Spice

 Para probar la capacidad de simulación de Qucs-S, se buscó información técnica de un ampilficador operacional del tipo Rail to Rail en los componentes fabricados por Analog Devices, encontrándose que el AD8027 cumplía este especial requisito según se muestra en la figura 3.

Figure 3: Captura de pantalla sobre información del componente AD8027 fabricado por Analog Devices.

 El modelo Spice del AD8027 puede descargarse desde en enlace que contiene “SPICE Models” . Este circuito suele tener extensión “mod”, pero su contenido puede copiarse y pegarse en un archivo de tipo “lib”.

El contenido típico de un archivo “lib” se muestra en la figura 4.

Figure 4: Contenido ilustrativo de un archivo extensión lib.

Estos archivos suelen iniciar con la directiva .SUBCKT y finalizar con .END. Su contenido es el modelo Spice de un componente electrónico.

Además del archivo anterior, es necesario definir el símbolo del componente en el diagrama esquemático, el cual está contenido en un archivo de extensión “sym” cuyo contenido típico se muestra en la figura 5.

 

Figure 5: Contenido típico de un archivo extensión sym.

Este archivo tiene figuras geométricas que “dibujan” el símbolo del componente, que en este caso están representadas por 11 líneas, tiene 5 puertos de conexión, identificados como PortSym y finalmente un identificador ID cuya etiqueta es OP.

Si bien es cierto, el modelo Spice del circuito lo proporciona el fabricante y se descarga de su sitio web, el archivo Sym debe “dibujarse” y desarrollar un procedimiento que se describe aquí.

Una vez se tienen los archivos “lib” y “sym” deben almacenarse en la librería de Qucs-S tal como se muestra en la figura 6.

 

Figure 6: Ubicación de archivos que contienen modelo Spice. a) Ruta en disco duro. b) Carpeta con nombre de componente personalizado. c) Archivo tipo lib

Debe notarse que, dentro de la ruta de la librería de Qucs-S (ver figura 6a), debe existir una carpeta con el nombre del componente (ver figura 6b) que a su vez debe contener el archivo ad8027.sym; además, un segundo archivo ad8027.lib (ver figura 6c).

Simulación para un Amplificador Operacional Rail to Rail

Una vez ha sido creado el modelo, puede procederse a la simulación de un amplificador no inversor utilizando un operacional del tipo rail to rail como el mostrado en la figura 7. Este tipo de amplificador permite obtener en su salida valores de saturación muy cercanos a la tensión utilizada por la fuente de alimentación, a diferencia de los que no son Rail to Rail que logran valores de hasta 85% de la tensión de fuente.

Figure 7: Amplificador no inversor utilizando amplificador operacional de tipo Rail to Rail.

El resultado de la simulación se muestra en la figura 8.

Figure 8: Curvas de tensión para entrada y salida del amplificador no inversor mostrado en la figura anterior.

Conclusiones

Disponer de un simulador con licencia de uso libre, con capacidad de incorporar el modelo Spice para la simulación de circuitos, provee de una gran ventaja para quienes diseñan circuitos electrónicos analógicos, ya que permite incorporar circuitos integrados específicos a diseños nuevos y reducir los costos en la generación de prototipos electrónicos.

Qucs utiliza como motor de simulación por defecto Qucsator, que posee librerías predefinidas para simular componentes. Qucs-S brinda la opción de utilizar Ngspice con la aceleración de Xyce, lo cual permite incorporar modelos Spice directamente de la página wed de los fabricantes y encontrar la simulación más rápidamente.

Sitios de interés

• ngspice http://ngspice.sourceforge.net/

• Qucs http://qucs.sourceforge.net/download.html

• Qucs-S https://ra3xdh.github.io/

• AD8027 https://www.analog.com/en/products/ad8027.html#product-overview 

   

  Consultas

• ¿Cuáles otros simuladores recomienda, que sean con licencia de uso libre?

• ¿Puede recomendar Qucs-S para uso profesional o en la universidad?

• ¿En cuáles casos preferiría pagar el uso de una licencia comercial para simuladores de circuitos electrónicos?
  

Aplicación industriales para amplificadores operacionales de tipo Rail to Rail

 

Introducción

Actualmente el procesamiento de señales se realiza de forma digital, dada la facilidad con la que puede programarse un microcontrolador para tal fin, utilizando una fracción de espacio de lo que utilizaría un circuito analógico convencional que utiliza resistencias, capacitores, amplificadores operacionales y otros componentes.

Suele suceder, que aunque se realice un procesamiento que amplifique o atenúe una señal eléctrica, las tensiones de salida de un microcontrolador pueda que no tenga la magnitud suficiente de acuerdo a los requerimientos de diseño. En algunos casos la salida del microcontrolador tendrá máximos de +5V o +3.3V y, cuando éstos son acoplados a sistemas industriales que típicamente operan con +24V, es necesario entonces que este acoplador cumpla con la relación Vi=[0, 3.3], Vo=[0,24].

Se tiene el caso en que las fuentes de alimentación disponibles tienen +24 voltios en su salida y la tensión de salida requerida en los operacionales también es de +24 voltios por lo que componentes tradicionales como el LM741 se saturan cuando se requiere una tensión de salida muy cercana a la fuente de alimentación, obteniéndose finalmente un máximo del 85% del valor de la fuente; es decir 20.4V aproximadamente.

 

OpAmps saturado en su salida

El circuito siguiente muestra el caso del LM741, que satura la tensión en su salida, obteniendo un máximo del 90% de la tensión de alimentación :

 

Figura 1. LM741 un amplificador operacional que satura su salida. a) Diagrama esquemático. b) Tensión de entrada y tensión de salida para un amplificador no inversor. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el LM741.

Tal como puede verse en el circuito de la figura anterior, se dispone de un amplificador no inversor en la figura 1a cuyo componente principal es el LM741 cuya alimentación es de ±12V, un dispositivo presente en el mercado por varias décadas. En la figura 1b, se muestra que la tensión de salida tiene como valores máximo ±10.8V en lugar de las tensiones límite proporcionadas por la fuente de alimentación. En la figura 1c el fabricante especifica las tensiones máxima que pueden obtenerse a la salida del Amplificador Operacional, las cuales tienen una diferencia entre ±1V y ±5V.

OpAmp del tipo Rail to Rail 

Para lograr tensiones de salida cercanas a la fuente de alimentación, deben utilizarse Amplificadores Operacionales del tipo “Rail to Rail” ya que permiten obtener tensiones muy cercanas a la fuente de alimentación en sus salidas. Cabe mencionar que esta condición también se cumple en sus entradas, evitando la saturación y facilitando su operación linean en un mayor rango de tensiones.

En la figura 2 se muestra el Amplificador Operacional AD8027, fabricado por Analog Devices. Mientras que el diagrama esquemático muestra un amplificador no inversor con el operacional alimentado por ±12V, las curvas en la figura 2b demuestran que la tensión de salida no se satura y logra obtener las tensiones entregadas por la fuente de alimentación.

 

Figura 2. AD8027 un amplificador operacional del tipo Rail to Rail en su salida. a) Diagrama esquemático de amplificador no inversor. b) Tensión de entrada y tensión de salida. c) Parámetro eléctrico Output Voltage Swing para el AD8027.

A diferencia del Amplificador Operacional anterior, se puede observar en la figura 2c que las tensiones de salida máximas, poseen diferencias muy pequeñas respecto de la fuente de alimentación, presentando máximos de 0.1V.

 

Recomendación

Por tanto, se recomienda para aquellas aplicaciones donde el valor de la tensión de la fuente disponible y la máxima tensión provista por Amplificadores Operacionales, utilizar del tipo Rail to Rail en su salida y evitar saturaciones que reduzcan drásticamente la linealidad de un circuito amplificador. En la figura 3 se observa, como parte de la descripción, la característica “Rail to Rail” del AD8027, tanto en su entrada como en su salida.

 

Figura 3. Presentación del componente AD8027 en la página de www.alldatasheet.com

 Considerando la disponibilidad de los Amplificadores Operacionales del tipo Rail to Rail, 

• ¿En cuáles aplicaciones industriales ha visto la necesidad de utilizarlos?
• ¿Con cuánta frecuencia los utiliza?
  
• ¿Ha sido difícil de obtenerlos en el mercado local de componentes electrónicos?

 

 

Aplicación de Jupyter para calcular y mostrar solución de circuitos

Introducción

Desde el estudiante, hasta el investigador en algún campo de la ingeniería, necesitan de herramientas que le permitan realizar una diversidad de cálculos numéricos y, una vez estos se han completado, generar de un documento que permita dar a conocer el resultado de su trabajo.

El notebook de Jupyter es una herramienta que posee múltiples ventajas para el cálculo numérico y la presentación de documentos, es una herramienta libre que puede ejecutar de manera independiente para cada una de sus celdas códigos para varios lenguajes de programación como Python, R y Julia; además, puede maquetar texto mediante Markdown que a su vez es compatible con Latex y CSS. Para una presentación de texto o figuras más exigente, puede utilizarse código html.

La figura 1 muestra una porción del portal de Anaconda, un sitio desde el cual se puede acceder a abundante documentación, blogs y descarga de Jupyter notebook, aplicación que ejecuta directamente el código Python y Markdown entre otros. Este portal se puede acceder desde aquí.

Fig.1 Portal de anaconda

Presentación de texto e imágenes

Se requiere de encontrar los parámetros eléctricos de un amplificador que utiliza un transistor BJT y deberá calcularse el punto de operación Q que incluye la Ib así como VCE; además, para el análisis de AC se encontrará la impedancia de entrada, impedancia de salida, ganancia de tensión y de corriente.

La figura 2 muestra el circuito a analizar.

Fig.2 Uso de Markdown para presentación de texto y gráfico.

La figura 2a muestra el código que debe incluirse para definir el contenido de la primera celda como "Markdown" tal como lo indica la flecha y luego, para cada encabezado, se inicia la línea con un símbolo "#" para el primer nivel. 

En la segunda celda, también del tipo Markdown, se dispone de un encabezado de segundo nivel identificado al inicio de la línea con dos "##"; además se incorpora una imagen con nombre "ckto0.png" que pertenece al amplificador a analizar. Estos archivos de figuras pueden ubicarse en el mismo directorio que el archivo de Jupyter o bien, dentro de un subdirectorio.

Es necesario destacar que Markdown acepta código CSS para objetos que incluyen párrafos y figuras entre otros. En ese caso particular se aprecia en la línea la porción de código <figure style="width:70%"  con la cual se reduce la imagen al 70% de su tamaño original. Para conocer más opciones de configuración CSS, las puede encontrar en este PDF.

La figura 2b muestra la presentación que tendrán las dos celdas al ejecutarse, lo cual se logra con el botón de menú "run" o bien presionando la secuencia de teclas Shift-Enter. Cabe notar que la presentación es aceptable e inmediata de aplicar si no se desea una maquetación exigente del contenido. Si fuera este último caso, la celda puede ejecutar código html con sólo escribir como primera línea de la misma %%html.

Cálculos

Entre otros lenguajes de programación, Jupyter ejecuta Python, para lo cual es necesario definir la celda como tipo "code". La potencia de este lenguaje permite dar solución numérica a problemas sumamente complejos, lo que posibilita resolver con Jupyter una gran variedad de problemas en ciencias e ingeniería.

La figura 3 muestra una porción de código para encontrar parámetros eléctricos del circuito.

Fig.3 Presentación de fórmulas que determinan la ganancia de tensión y código Python para calcularla.

La figura 3 muestra dos celdas, una en Markdown que brinda con buena presentación, las fórmulas que definen la ganancia de tensión. Estas fórmulas han sido escritas con la sintaxis definida por Latex, la cual es bastante intuitiva luego de pocos minutos de utilizarlo, sin contar a lo largo de muchos años, se ha dispuesto de abundante documentación y ejemplos en la Web.

La segunda celda, etiquetada con el número 10, dispone de una fórmula escrita en Python que calcula la ganancia de tensión y muestra su resultado. Este lenguaje de programación ha tomado un auge importante en los últimos años, dada su sencillez en la sintaxis y la abundancia de librerías en aplicaciones científicas.

Cabe mencionar de manera muy importante, que a lo largo del documento, se disponen de celdas con código Python con variables comunes utilizadas por ellas. En Jupyter es posible reasignar un valor a una variable y ejecutar todas las celdas de forma rápida, actualizando instantáneamente los nuevos valores. Consecuentemente, el código es reutilizable con ninguno o pocos cambios, para amplificadores similares.

Conclusiones

•  El uso de Jupyter con lenguaje de programación Python permite realizar cálculos numéricos complejos en el campo de la ingeniería, que pueden incluir circuitos analógicos como amplificadores con BJT.
• El uso de Python como lenguaje de programación y la sintaxis de Latex para redactar fórmulas, pueden considerarse como habilidades generales que poseen estudiantes, ingenieros y científicos, lo cual puede facilitar considerablemente el uso de Jupyter.
• La presentación de informes puede hacerse con Jupyter, dada la posibilidad de maquetación de texto con CSS y fórmulas en Latex.
• En general, Jupyter puede ser una valiosa herramienta para la elaboración de documentos y cálculos en el campo de la ciencia e ingeniería.

 

Descarga de archivos

Para quienes deseen conocer conocer en detalle los documentos generados en la elaboración de este blog, pueden descargar los archivos siguientes:

• El archivo tipo ZIP contiene el documento JupyterCircuits2.ipynb (Deberá tener instalado Jupyter - anaconda, disponible en Windows, Linux y Mac) y las figuras utilizadas en el mismo: Descarga.
• El archivo PDF contiene el documento Jupyter con figuras incorporadas en dicho formato: Descarga.