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Aplicaciones del Girador de Bruton como fuente de corriente

 

En este trabajo se presenta el llamado girador de Bruton. Un tipo de circuitos que en su momento encontraron aplicaciones en audio por su facilidad de reemplazar inductancias por circuitos activos formados por amplificadores operacionales, resistencias y capacidades. En este caso se propone una aplicación diferente del girador en la cual se configura como fuente de corriente continua cuyo valor es seleccionable a través de fijar una resistencia. Se desarrollan aplicaciones de la fuente de corriente en la polarización de diodos LED de alta corriente, sensores en puente de Wheatstone y como cargador de baterías.
Antecedentes
El girador es un concepto que nació en 1948 de la mano de Bernard Tellegen para describir aquellos circuitos electrónicos capaces de invertir el comportamiento de una impedancia. Uno de los circuitos giradores inicialmente propuestos viene descrito mediante dos amplificadores operacionales y cuatro impedancias, como se muestra en la figura 1. Este circuito tiene la propiedad de modificar el comportamiento frecuencial de la impedancia Z4 que se conecta entre los terminales de salida 2 y 2’. En particular, la nueva impedancia que se ve a través de los terminales 1 y 1’ viene dada por la expresión:
Zinp=(Z1*Z3*Z5)/(Z2*Z4)
El circuito de la figura 2 tiene una configuración más simple que el anterior al utilizar solo un amplificador operacional y tres impedancias y recibe el nombre de girador de Bruton por ser propuesto por este ingeniero [1]. Su impedancia de entrada viene determinada por la expresión:
Zinp=(Z3*ZL)/Z2
Obsérvese en este caso que se obtiene una impedancia de entrada negativa. Este hecho supone que al conectar a su entrada un generador de tensión este absorba corriente para valores positivos de la tensión y viceversa.
De esta manera modificando unas de sus impedancias de acuerdo a la ecuación (2), como por ejemplo la impedancia Z2 como un condensador y las demás impedancias como elementos resistivos daría al circuito un carácter inductivo negativo, como muestra la expresión de la impedancia de entrada del circuito resultante:
Zinp=-  (R3*RL)/(1/(j.w.C2))= -j.w.L
siendo 
L=C2∙R3∙RL
inicialmente los giradores fueron empleados para la síntesis de inductancias en circuitos pasivos RLC convirtiéndolos de esta manera en topologías activas de solo resistencias y condensadores.
 Cuando la miniaturización llevó a nuevas posibilidades, el girador se convirtió en un elemento importante encontrando otras tantas aplicaciones durante la década de los años 60 y 70 como en las de audio. En ellas era muy importante prescindir de los incómodos inductores (voluminosos, no repetibles y no fáciles de miniaturizar) en el diseño de filtros o ecualizadores.
En este artículo se presenta el girador de Bruton funcionando como fuente de corriente continua aplicación que es distinta de la históricamente propuesta. Se propone una fuente de corriente controlada por corriente y distintas aplicaciones en las que puede aplicarse la fuente de corriente diseñada. 
Girador de Bruton como fuente de corriente continua
La configuración como una fuente de corriente se inicia con la selección de todas las impedancias del girador de Bruton como componentes resistivos y la referencia o entrada del girador, por una referencia de corriente implementada a través del circuito integrado REF200. Este componentes contiene, además de un espejo de corriente integrado, dos fuentes de corrientes de precisión que suministran cada una de ellas una corriente de 200 µA. La figura 3 muestra el girador de Bruton configurado para su funcionamiento como generador de corriente continua controlado por corriente. La corriente de salida (i_o) viene definida por la expresión:
i_o=-(R2/R3)[r_e ]
El valor de la corriente de salida i_o es fácilmente configurable a través del control de las resistencias R2 y R3 que a su vez son quienes definen la ganancia del circuito. De modo que, con el fin de obtener un rango de corriente entre 25 mA y 1,2 A, se incorporan dos transistores bipolares en paralelo a la salida del amplificador operacional como muestra la figura 4, otorgándole al circuito más capacidad de corriente.
Debido a la escasa capacidad de corriente que presenta el amplificador operacional (alrededor de los 20 mA) se han añadido dos transistores bipolares en paralelo en configuración seguidor por emisor de manera que el circuito resultante tenga la capacidad de suministrar corrientes de hasta 1,2 A con ganancia máxima de 3000. Con esta finalidad se impone la referencia en corriente del circuito (i_ref), en -400 µA, asociando en paralelo las dos referencias de corriente de 200 µA internas del circuito integrado REF200. Por otro lado la resistencia R3 se selecciona como componente fijo de 5,6 Ω con capacidad de disipar potencias de unos 8 W aproximadamente, dando cuenta que la corriente máxima en este diseño a soportar será de 1,2 A.
La resistencia R2 será de orden variable y en el diseño que se propone en el rango de los kΩ. De esta manera se controlará el nivel de la corriente de salida permitiendo alcanzar corrientes máximas de hasta 1,2 A con unas ganancias que oscilan desde 63 hasta 3000. Se utilizará una alimentación simétrica de ±10 V.
Como todo diseño tiene sus limitaciones, el circuito que se presenta ve limitado su funcionamiento por la máxima tensión de salida (v_o) que puede alcanzar el amplificador operacional, ello significa que no se le pude pedir toda la corriente que se desee por la carga. En particular, esta tensión debe ser mayor en todo momento que la suma de las caídas de tensión que haya entre base-emisor del transistor, más la caída de tensión en la resistencia R3, más la caída de tensión en la resistencia de carga Rl. Así debe satisfacerse la expresión: 
V_sat,A.O.≥v_be,sat+I_o∙R3+I_o∙RL
En el caso de la fuente de corriente diseñada y para una tensión de alimentación de ±10 V la máxima tensión que proporciona el amplificador operacional empleado (modelo OP07) es de unos 8,4 V.
En estas condiciones el funcionamiento correcto como fuente de corriente supone considerar dos posibilidades: bien aumentar la resistencia de carga (R_load) y disminuir la corriente de salida programando la resistencia R2 o disminuir la resistencia de carga  y aumentar la corriente de salida. Si la ecuación 5 se satisface se otorga al sistema un comportamiento propio de una fuente de corriente en el que esta debe ser independiente de las propiedades de la carga a la que suministre su corriente (carga resistiva, sensores, leds, etc.).
La tabla I muestra los resultados alcanzados con la fuente de corriente propuesta. En ella puede observarse cómo utilizando una carga resistiva RL es posible alcanzar ganancias en corriente hasta de 3000 y corrientes de 1,2 A siempre bajo las condiciones establecidas por la ecuación (5). Como se ha mencionado anteriormente, la ganancia se establece a partir del valor de la resistencia R2.
La fuente de corriente implementada encuentra aplicaciones no solo para alimentar cargas de tipo resistivo sino otro tipo de cargas de interés como pueden ser diodos led de alta corriente, puentes de sensores resistivos o baterías recargables. A continuación se presentan cómo se ha resuelto la aplicación de la fuente de corriente en este tipo de situaciones.
Aplicaciones
Caracterización térmica de diodos LED de alta corriente
Los diodos LED de alta corriente constituyen en la actualidad una tecnología de gran interés desde el punto de vista aplicado por su larga vida, bajo consumo y alta eficiencia. Su alimentación a corriente constante es de especial interés por la sencillez que presenta este método y quedar establecida su caída directa de tensión según su característica estática. La fuente de corriente propuesta permite polarizar este tipo de diodos al necesitar altos niveles de corriente. Por otra parte la alimentación de diodos en paralelo es muy sencilla repartiéndose la corriente por igual siempre y cuando las cargas sean semejantes. La alimentación a corriente constante de diodos LED asociados en serie es posible también siempre y cuando se satisfaga la ecuación (5) pues en este caso la tensión en la carga es la suma de las caídas directas de los diodos LED.
Una de las primeras experiencias ha sido el desarrollo y utilización de la fuente de corriente para la caracterización en temperatura de un diodo LED de potencia. La figura 5 muestra el set-up experimental utilizado. Se ha polarizado el diodo LED a corriente constante seleccionando un conjunto de valores (25 mA, 50 mA, 100 mA y 200 mA) mediante el ajuste adecuado del valor de la resistencia R2. Para cada uno de ellos se ha sometido el diodo led a un barrido de temperaturas en el intervalo [-40ºC..+80ºC] utilizando para ello una cámara climática. Simultáneamente se ha medido la caída de tensión directa en el diodo de forma que se tiene un conjunto de medidas experimentales que muestran la deriva térmica de la tensión directa VF del diodo LED cuando está polarizado a corriente constante. Las medidas experimentales son adquiridas de manera automática mediante un software de adquisición diseñado y los equipos de medida han sido controlados a través del computador personal mediante el bus de instrumentación IEEE488. 
Conocer dicha deriva térmica permitirá saber la estabilidad térmica de este componente y la necesidad o no de realizar una posible compensación térmica en los circuitos prácticos en los que intervenga. La figura 6 muestra gráficamente la evolución térmica de la tensión directa VF del diodo led. Se puede inferir que la deriva térmica es negativa oscilando entre los -2,27 mV/°C y los -3,04 mV/°C. En la figura 7 puede observarse la estabilidad de la fuente de corriente durante el tiempo de test de la caracterización térmica.
Polarización de células de carga a corriente constante
Otra de las situaciones prácticas en las que se aplica una fuente de corriente es en la polarización de sensores. En este trabajo se propone utilizar la fuente de corriente diseñada en la alimentación de una célula de carga (cuatro piezorresistencias dispuestas en configuración de puente de Wheatstone). El diagrama de bloques de esta aplicación se muestra en la figura 8. 
El fabricante de la célula de carga recomienda una tensión en ella de 10 V por lo que para una resistencia equivalente de 400 Ω ha de seleccionarse un valor de corriente de 25 mA mediante el ajuste adecuado de la resistencia R2. El circuito acondicionador de la célula está formado por un amplificador de instrumentación integrado (modelo INA110) y por un amplificador no inversor. La acción combinada de sus ganancias permite una sensibilidad de 1 V/kg en el circuito global. De acuerdo al modelo de célula utilizado (fondo de escala de 15 kg) se ha obtenido experimentalmente la característica carga/tensión al producir incrementos de 1kg de la carga de entrada hasta un máximo de 10 kg. La sensibilidad diseñada hace que la tensión de salida esté comprendida entre los 0 V para carga nula y los 10 V para carga de 10 kg.
La figura 9 muestra cómo la alimentación a corriente constante contribuye a lograr una óptima linealidad del circuito acondicionador global. En ella se recoge la respuesta del circuito para serie creciente y decreciente de cargas de entrada (comprendidas entre 0 y 10 kg). La incertidumbre relativa ha sido inferior al 1,7%.


Etiquetas
diodo led aplicaciones; fuente de corriente
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