Los circuitos resonantes LC encuentran una enorme gama de aplicaciones en la electrónica, yendo de los filtros a los circuitos de sintonía de receptores de radio de todo tipo. Vea en este artículo cómo funcionan estos circuitos.
Existen en electrónica ciertas configuraciones básicas como los circuitos de tiempo, filtros y naturalmente los circuitos resonantes cuyo conocimiento del principio de funcionamiento es esencial para la práctica profesional.
Así, en este artículo explicaremos de una manera bastante detallada y, por lo tanto, didáctica como funcional los circuitos resonantes LC paralelos, que poseen la configuración mostrada en la figura.
Antes de pasar al funcionamiento del circuito completo, analizamos el funcionamiento de los dos componentes que lo forman.
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El Capacitor
Un capacitor básicamente está formado por dos placas de material conductor, denominadas armaduras, separadas por un material aislante, denominado dieléctrico, conforme muestra la figura 2.
Cuando conectamos un capacitor a una fuente de tensión continua, un generador, verificamos que las armaduras del capacitor se cargan con cargas de señales opuestas.
Cuando interconectamos las armaduras del capacitor, a través de un hilo conductor que presenta cierta resistencia ocurre la descarga con la circulación de una corriente.
La corriente perdura hasta que se produzca la descarga completa.
Así, durante la descarga la carga y la tensión en las armaduras disminuye gradualmente, según una curva de descarga conforme a la mostrada en la figura 4.
Al conectar un capacitor a un circuito de corriente alterna, su comportamiento será diferente.
Cuando la tensión tiene una polaridad, las armaduras se cargan con cargas que corresponden a esta polaridad.
Cuando la polaridad se invierte en el semiconductor siguiente de la corriente alterna, el capacitor se descarga y se carga nuevamente ahora con la polaridad invertida.
En otras palabras, en un circuito de corriente alterna el capacitor estará cargándose y descargándose rápidamente acompañando las inversiones de la polaridad de la corriente.
Esto significa que en un circuito de corriente alterna siempre circulará una corriente por el capacitor, yendo y viniendo en los ciclos de carga y descarga con inversión de polaridad.
Si analizamos entonces el capacitor en un circuito de corriente alterna vemos que, en cierto modo, permite que la corriente circula y eso en una proporción tanto mayor cuanto sea la carga y descarga, o sea, su valor.
Esta corriente también depende de la frecuencia, ya que con frecuencia mayor, la carga y descarga serán más rápidas con una corriente más intensa fluyendo.
Podemos entonces asociar al capacitor una reactancia, o sea, la oposición que él presenta la corriente y que depende de su valor y de la frecuencia de la corriente, conforme el gráfico de la figura 5.
En cuanto a la frecuencia, la corriente puede fluir mejor por el capacitor y con ello menor será la oposición que presenta a su circulación, o sea, menor la reactancia.
Los Inductores
Los inductores, choques o bobinas, como también se llaman son componentes formados por espiras de hilo que pueden ser enrollados en núcleos con material ferroso o dejados sin núcleo (núcleo de aire).
Estos componentes pueden tener diversos aspectos, como muestra la figura 6.
Para entender cómo funciona un inductor en un circuito de corriente continua, vamos a tomar como ejemplo el circuito de la figura 7.
Suponiendo que la resistencia del hilo usado en el inductor sea mucho menor que la resistencia del resistor en paralelo, cuando cerramos el interruptor, la corriente circulante será mucho mayor en el inductor.
Con ello, se creará un campo magnético por este componente, el cual tiene sus líneas expandiéndose por el espacio.
La corriente aumenta gradualmente hasta estabilizarse cuando el campo completa su expansión.
Cuando abrimos el interruptor y la cadena cesa, las líneas del campo magnético no desaparecen de inmediato.
Se contraen rápidamente induciendo en el inductor una tensión contraria a la de la corriente que las creó.
En otras palabras, aparece en las extremidades del inductor una tensión que hace una corriente circular por el resistor de carga.
Esta corriente. Disminuye rápidamente de intensidad hasta desaparecer cuando todas las líneas de fuerza del campo magnético se contraen.
Un experimento interesante para mostrar este hecho puede ser hecho común pequeño reactor utilizado con lámparas fluorescentes, como muestra la figura 8.
Cuando ponemos los hilos del reactor en la pila la corriente circula y se crea el campo.
Cuando soltamos, el campo se contrae generando una tensión mucho más alta que la que lo creó, haciendo así que la persona que sostiene en los hilos tome un choque.
De la misma forma que el capacitor tiene un comportamiento diferente cuando se conecta a la red de corriente alterna, el inductor también.
Cuando aplicamos una corriente alterna a un inductor las inversiones de la corriente hacen que constantemente el campo creado se invierte, conforme muestra la figura 9.
Cuando la tensión se aplica al inductor, presenta una cierta oposición a las variaciones de la corriente.
Tanto mayor es esa oposición cuanto más rápida es la variación.
Así, el inductor presenta una oposición a la circulación de una corriente alterna que aumenta con la frecuencia.
Esta oposición se denomina reactancia inductiva, medida en ohmios y aumenta con la frecuencia como muestra el gráfico de la figura 10.
El circuito Resonante
Para entender cómo funciona un circuito resonante, debemos empezar por entender lo que es la resonancia.
Todos los cuerpos tienden a vibrar con mayor intensidad en una frecuencia que depende de su forma, de la naturaleza del material de que se hace y de sus dimensiones.
Cuando golpeamos una copa, en un diapasón o hacemos vibrar cuerda de una guitarra, esos cuerpos vibran en una frecuencia única que es su frecuencia de resonancia.
Este fenómeno de la resonancia también ocurre con circuitos eléctricos y el formado por un capacitor en paralelo con un inductor es justamente uno de ellos.
Los dos componentes tienen comportamiento opuesto, como hemos visto, uno tiene una reactancia que disminuye con la frecuencia y el otro tiene una reactancia que aumenta la frecuencia.
Si se tiene en cuenta el cálculo de sus reactancias, como muestran las fórmulas siguientes, existe un punto importante para los valores encontrados: los puntos en que las reactancias se igualan.
Así, para un determinado valor de capacitancia y un determinado valor de inductancia, existe una frecuencia única en que las reactancias se igualan.
Esta frecuencia es la frecuencia de resonancia del circuito y tiende a oscilar con más facilidad en ella.
Vemos entonces por la figura 11, si aplicamos señales de frecuencias que se desplazan hacia la resonancia, la reactancia del circuito va aumentando hasta alcanzar un máximo.
En este punto de máximo, la reactancia del circuito es teóricamente máxima, es decir, presenta una resistencia infinita a la señal.
En la práctica, esto no ocurre pues inductores y capacitores no son perfectos y la curva puede ser más amplia.
A partir del punto de resonancia, aumentando aún más la frecuencia la reactancia cae nuevamente conforme muestra la misma figura.
Cuando un circuito resonante tiene un pico estrecho de respuesta decimos que tiene gran selectividad, es decir, logra separar bien las frecuencias que no sean la de resonancia.
Un circuito con baja selectividad, también deja pasar, pero con menor intensidad, las frecuencias cercanas a la resonancia.
Un factor que influye en la selectividad de un circuito resonante es el hecho del hilo del inductor presentar una cierta resistencia.
La selectividad de un circuito se mide por el factor Q.
El factor Q
Si analizamos los circuitos resonantes, en la condición ideal, ellos deberían responder sólo a una determinada frecuencia, rechazando las demás.
En la práctica, sin embargo, la presencia de resistencias parásitos en el circuito hace que él tiende a tener curvas de respuestas menos agudas, lo que determina el factor de calidad o factor Q, que mide su selectividad.
Así, como muestra la figura 12, un circuito con un factor de calidad más elevado, tiene una selectividad mayor, responde mejor a una determinada frecuencia y rechazando las demás.
Sin embargo, en la práctica, no debemos tener un circuito de sintonía cuya selectividad sea máxima, pues eso también va a significar que, en la modulación de la señal recibida, cuando se desplaza de su frecuencia, tendremos su pérdida.
El factor Q es dado por la fórmula:
Donde:
Q es el factor Q
R es la resistencia asociada al circuito en ohms
C es la capacitancia en las farads
L es la inductancia en henry
El Circuito de Sintonía
Una primera aplicación importante para los circuitos resonantes LC es como circuito de sintonía de receptores de radio, como muestra la figura 13.
Las señales de todas las estaciones interceptan la antena induciendo corrientes de frecuencias altas en sus frecuencias.
Estas señales se llevan al circuito de sintonía formado por la bobina y un capacitor variable.
Entonces ajustamos el capacitor variable para que el circuito resuene sólo en la frecuencia de la estación que deseamos oír.
Esto significa que el circuito resonante presentará una baja resistencia (impedancia) para las señales de todas las estaciones que van a la tierra, menos el de la estación seleccionada.
Esta señal, encontrando una alta resistencia (impedancia) es desviada y llevada a los circuitos de procesamiento del receptor, donde será demodulado y tendrá la información correspondiente a los sonidos extraída.
El Circuito Oscilante
El circuito LC funciona exactamente como sus equivalentes mecánicos como el diapasón, la cuerda de un instrumento, o una copa de cristal.
Cuando es excitado eléctricamente tiende a oscilar en una sola frecuencia, y esa frecuencia es la frecuencia de resonancia.
Para entender lo que ocurre, vamos a partir del circuito de la figura 14.
Cuando cerramos el interruptor y abrimos el interruptor rápidamente, la rápida variación de la corriente impide su circulación por el inductor que se opone a ella, pero con eso el capacitor se carga.
Pasamos a tener un campo eléctrico entre las placas del circuito y la energía se almacena en el capacitor.
Pero esta carga dura poco, pues tan pronto como la tensión se estabiliza en el capacitor, inicia su descarga rápida a través del inductor.
En estas condiciones, como muestra la figura 15, se crea un campo magnético y la energía almacenada en el capacitor se transfiere hacia él.
Esto también no dura mucho, pues tan pronto como el capacitor se descarga, y la energía está toda en el campo del inductor, sus líneas de fuerza empiezan a contraerse induciendo una tensión invertida en sus terminales, como muestra la figura 16.
Esta tensión cargará entonces el capacitor nuevamente, pero ahora con la polaridad invertida.
Tenemos entonces la transferencia de la energía del campo magnético del inductor transformándose en energía del campo eléctrico del capacitor.
El nuevo ciclo de descarga del capacitor empieza entonces, con su descarga por el inductor.
La velocidad con este proceso ocurre es justamente dada por la resonancia del circuito y si conectamos este circuito a una antena tendremos la producción de ondas electromagnéticas.
Estas ondas, como el nombre sugiere consisten en alternancias del campo eléctrico y del campo magnético, como muestra la figura 17.
En la práctica, las oscilaciones no continúan para siempre.
La resistencia de los hilos y otras pérdidas, hacen que gradualmente la oscilación producida vaya perdiendo su intensidad, hasta desaparecer por completo.
En otras palabras, el circuito de esta forma simple produce una oscilación amortiguada.
Para mantener el circuito oscilante necesitamos tener algún recurso que reponga la energía que va siendo perdida o utilizada para excitar un circuito externo, o para ser transmitida por una antena.
Podemos hacer esto a través de un circuito de realimentación y un amplificador que tenga una cierta ganancia, como muestra la figura 18.
Con este circuito mantenemos el circuito oscilando en su frecuencia de resonancia.
Podemos comparar las oscilaciones producidas a oscilación de un péndulo, como muestra la figura 19.
Cuando el péndulo está en las posiciones extremas, parando por instante, toda la energía que tiene es potencial.
Cuando se mueve y en el punto más bajo de la trayectoria tiene mayor velocidad, toda la energía del sistema es cinética.
Estas energías se alternan constantemente, como en el circuito eléctrico en que tenemos energía en el campo eléctrico y energía el campo magnético.
Conclusión
En el sitio el lector encontrará una enorme cantidad de circuitos que emplean tanto la sintonía hecha por una bobina y un capacitor como osciladores de todo tipo.
Es interesante buscar en la sección de mini-proyectos uno de esos circuitos para montar en una matriz de contactos para estudiar el fenómeno de la resonancia.