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Aprenda sobre el cambio de fase y cómo este fenómeno eléctrico fundamental se relaciona con diferentes configuraciones de circuitos.

Este artículo habla sobre el cambio de fase, el efecto de un circuito para causar un cable o retraso de voltaje o corriente desde su entrada a su salida. En particular, nos ocuparemos de cómo las cargas reactivas y las redes afectarán el cambio de fase de un circuito. El cambio de fase puede tener todo tipo de consecuencias, ya sea que trabajes con osciladores, amplificadores, bucles de realimentación, filtros o similares. Usted espera que su circuito de amplificador operacional inversor tenga un cambio de fase de 180 °, y en cambio, devuelve una señal en fase y causa problemas frustrantes de oscilación. Probar el circuito podría cambiar el efecto aún más. Tal vez tenga un tanque resonante que se usa en un circuito de retroalimentación para un oscilador, pero el tanque proporciona solo 90 ° de cambio de fase, mientras que usted necesita 180 °. Tienes que cambiar el tanque, pero ¿cómo?

Cambio de fase para cargas reactivas

El cambio de fase dependiente de la frecuencia se origina con componentes reactivos: capacitores e inductores. Es una cantidad relativa, y por lo tanto debe ser dada como un diferencia En fase entre dos puntos. En este artículo, "cambio de fase" se referirá a la diferencia de fase entre la salida y la entrada. Se dice que un condensador provoca un retraso de 90 ° de la tensión de la corriente de retorno, mientras que un inductor provoca un retraso de 90 ° de la corriente de la tensión de retorno. En forma fasorial, esto está representado por el +j o -j en la reactancia inductiva y capacitiva, respectivamente. Pero la capacitancia y la inductancia existen en todos Conductores hasta cierto punto. Entonces, ¿por qué no todos causan cambios de fase de 90 °?

Todos nuestros efectos de cambio de fase serán modelados por circuitos RC y RL. Todos los circuitos se pueden modelar como una fuente, con cierta impedancia de la fuente, alimentando el circuito y una carga siguiendo el circuito. La impedancia de la fuente de la fuente también se llama impedancia de salida. Me resulta más fácil hablar de la impedancia de entrada y salida, y hablar de las etapas, así que permítanme reformular: todos los circuitos se pueden modelar como una salida de una etapa con alguna impedancia de salida, alimentando la etapa actual, siendo cargados por la impedancia de entrada de la siguiente etapa. Esto es importante, ya que reduce las redes complejas a circuitos, filtros y divisores de voltaje RLC mucho más simples.

Echa un vistazo al siguiente circuito.

Figura 1. Un condensador que desvía la etapa anterior y una carga de 10 kΩ.

Esto va a modelar algún circuito fuente (como un amplificador) con una impedancia de salida de 50, que tiene una carga de 10 kΩ y se desvía por un condensador de 10 nF. Lo que debería estar claro aquí es que el circuito, esencialmente, es un filtro de paso bajo RC hecho de R1 y C1. Sabemos por el análisis del circuito básico que el cambio de fase de voltaje en un circuito RC variará de 0 ° a -90 °, y la simulación lo confirma.

Figura 2. Diagrama de Bode de la salida de nuestro circuito de condensador de derivación.

Para bajas frecuencias, la fase de salida no se ve afectada por el condensador. A medida que llegamos a la frecuencia de corte (f_do) del filtro RC, la fase cae a través de -45 °. Para frecuencias más allá de la frecuencia de corte, la fase se aproxima a su valor asintótico de -90 °.

Esta respuesta modela el cambio de fase causado por cada derivación condensador. Un condensador de derivación provocará un cambio de fase entre 0 ° y -90 ° en una carga resistiva. Por supuesto, también es importante estar al tanto de la atenuación.

Una mirada similar a un condensador en serie (por ejemplo, una tapa de acoplamiento de CA) muestra el efecto típico para esa configuración.

Figura 3. Circuito capacitor serie …

Figura 4. … y su parcela bode

En este caso, el cambio de fase comienza en + 90 °, y el filtro es un paso alto. Más allá de la frecuencia de corte, finalmente nos establecemos en 0 °. Así que vemos que un condensador en serie siempre contribuirá entre + 90 ° y 0 ° de cambio de fase.

Un amplificador de emisor común

Con esta información a nuestra disposición, podemos aplicar un modelo RC a cualquier circuito que deseemos. Por ejemplo, este amplificador de emisor común.

Figura 5. Amplificador de emisor común con resistencia a la degeneración del emisor (desviación no mostrada)

La respuesta de este amplificador es plana hasta alrededor de 10 MHz.

Figura 6. Diagrama de Bode para el amplificador de emisor común

Solo después de 10 MHz o así vemos cambios en el cambio de fase, por debajo de eso es de 180 °, que es lo que esperamos ya que la configuración del emisor común es un amplificador inversor. La impedancia de salida del amplificador, descuidando el efecto inicial, es R2 = 3 kΩ, que es bastante alta. Ahora ponemos un condensador de derivación en la salida. ¿Qué podemos esperar que le pase a la fase?

Figura 7. Amplificador de emisor común con un condensador de derivación

Según nuestra experiencia, esperamos que haya una frecuencia de corte de 53 Hz, por debajo de la cual debería haber un desplazamiento de fase de 180 ° (sin efecto del condensador) y por encima de la cual habría un cambio de fase de 180 ° – 90 ° = 90 ° ( así como mucha perdida). La simulación confirma nuestras sospechas:

Figura 8. Diagrama de Bode para la salida del amplificador de emisor común con capacidad capacitiva.

Tenga en cuenta que esto es equivalente a si la fase fuera de -180 ° a -270 °. Ahora estamos empezando a ver que conducir una carga capacitiva puede causar cambios de fase inesperados, lo que podría causar estragos en un amplificador de retroalimentación inesperado.

Un escenario más común encuentra un condensador de acoplamiento en serie en la salida, como se muestra en el siguiente esquema.

Figura 9. Amplificador de emisor común con un condensador de acoplamiento de CA en serie

He cambiado los valores del circuito y he agregado una carga resistiva de 100 kΩ. Ahora tenemos un filtro de paso alto compuesto de C1 y R3, con una frecuencia de corte de solo 1,6 Hz. Esperamos que el cambio de fase sea -90 ° por debajo de 1.6 Hz y -180 ° muy por encima de esto, y esto se confirma con la simulación.

Figura 10. Diagrama de Bode para el amplificador CE con un condensador de acoplamiento de CA

Esta sería una buena opción para acoplar el condensador para señales de frecuencia de audio, ya que la región de cambio de fase de -90 ° (y por lo tanto la atenuación) está muy por debajo de 10 Hz.

Este tipo de efectos no se limitan a los condensadores, por supuesto. Los inductores tendrán una reacción opuesta: los inductores de derivación causan entre 0 ° (debajo de f_do) y + 90 ° (muy por encima de f_do) cambio de fase, mientras que los inductores en serie causan entre 0 ° (arriba de f_do) y -90 ° (debajo de f_do) cambio de fase. Sin embargo, debemos tener cuidado de no crear conexiones a tierra problemáticas, ya que los inductores serán cortos en DC.

Figura 11. Inductor de salida en el amplificador de emisor común. Este inductor en serie tendrá muy poco efecto en el circuito a bajas frecuencias. Las altas frecuencias pueden no ser tan afortunadas.

Conclusión

Hemos sentado las bases para comprender el cambio de fase en circuitos analógicos. Al considerar la salida de un circuito como una fuente con impedancia de salida, podemos modelar efectivamente los efectos de las cargas reactivas en la fase del circuito. Tanto los circuitos pasivos como los activos se pueden modelar de esta manera, brindándonos herramientas útiles para el análisis y el diseño simples. En el siguiente artículo, probaremos estos conceptos más a fondo aplicándolos a circuitos de amplificadores operacionales y redes resonantes.