Introducción a los diagramas de Bode

El margen de fasese mide a la frecuencia a la que la ganancia es igual a 0 dB. Esto se conoce habitualmente como «frecuencia cruzada». El margen de fase se obtiene al medir la distancia desde la fase medida a un desplazamiento de fase de -180°. Expresado de otra forma, indica cuántos grados debe reducirse la fase para alcanzar -180°.

El margen de ganancia, por la otra parte, se mide en la frecuencia en la que el desplazamiento de fase es igual a -180°. El margen de ganancia indica la distancia en dB desde la ganancia medida hasta una ganancia de 0 dB. Estos valores, 0 dB y -180°, son importantes porque si ambos valores coinciden se produce una inestabilidad del sistema.

Los márgenes de ganancia y de fase representan la distancia desde los puntos en los que podría producirse una inestabilidad. Cuanto mayor es la distancia o el margen, mejor, ya que unos márgenes de ganancia y de fase altos se traducen en una mayor estabilidad. Un bucle con un margen de ganancia de cero o incluso inferior solamente sería condicionalmente estable y podría resultar inestable si cambia la ganancia. Un objetivo típico para el margen de ganancia es alcanzar como mínimo 45 grados y, tratándose de aplicaciones más críticas, serían deseables valores aún mayores.

Además de los aspectos que afectan a la seguridad, también el rendimiento puede derivarse de los valores determinados mediante el diagrama de Bode. Por ejemplo, una frecuencia cruzada superior a 0 dB significa normalmente una respuesta más rápida a los cambios de carga. Asimismo, una ganancia más baja a frecuencias más altas significa una mejor inmunidad al ruido o un menor rizado en la salida.

Diagrama de Bode comparado con el test de transitorios de carga y los test de respuesta en escalón

Existen otros métodos para cuantificar o medir la estabilidad de fuentes de alimentación, como los test de transitorios de cargao de respuesta en escalón. Si bien este método es fácil de entender y se utiliza con frecuencia, puede resultar difícil conformar un circuito para generar un escalón de carga rápida, especialmente si hay inductancia entre la fuente de alimentación y el generador de escalones de carga.

Los diagramas de Bode ofrecen varias ventajas importantes que no brinda este método:

• La respuesta en escalón muestra solamente el comportamiento a gran escala, mientras que el diagrama de Bode puede indicar también el comportamiento a menor escala.
• El diagrama de Bode también se puede obtener fácilmente con diferentes niveles de carga o puntos de funcionamiento. Esto es importante porque la estabilidad de bucle depende a menudo del punto de funcionamiento. Una fuente de alimentación aparentemente estable puede aproximarse a la inestabilidad en condiciones de carga diferentes.

Medidas de estabilidad en bucle cerrado con diagramas de Bode

Para describir mejor la aplicación de los diagramas de Bode, se mide la estabilidad en el bucle cerrado de una fuente de alimentación de corriente continua determinando la respuesta de bucle cerrado. Esto se puede verificar utilizando el método de inserción de tensión. Este método consiste en incorporar una resistencia muy pequeña (generalmente del orden de los 10 ohmios) en el bucle de realimentación. Deberá elegirse un punto en el que la impedancia en dirección al bucle de realimentación sea mucho mayor que la impedancia en dirección de retorno. A continuación se inserta una pequeña señal interferente a través de la resistencia. Para ello se utiliza normalmente un transformador de inyección para impedir la repercusión en el bucle. Seguidamente se mide la respuesta y se generan los diagramas de Bode.

Instrumentos para medir la respuesta de bucle cerrado

Para medir la respuesta de bucle cerrado se pueden utilizar dos categorías de instrumentos diferentes. El primero es un analizador de redes vectorialeso VNA. Un VNA tiene generalmente un muy alto rango dinámico, lo que permite obtener medidas de impedancia muy precisas. Pero un inconveniente del VNA, aparte del gasto y su complejidad, es que está diseñado principalmente para la caracterización de componentes de 50 ohmios. Los osciloscopios, por otra parte, suelen utilizarse de forma habitual para el desarrollo de fuentes de alimentación, y permiten la caracterización directa del ruido y el rizado de la salida. Hoy por hoy, los osciloscopios también pueden ejecutar medidas de estabilidad, como el margen de ganancia y de fase, el factor de rechazo a fuente de alimentación, y la respuesta en escalón.

Configuración de medida: cómo medir la respuesta de bucle de control con un osciloscopio

Para medir la respuesta de bucle de la fuente de alimentación CC-CCes necesario insertar una señal interferente en el bucle. Para ello deberá elegirse un punto donde la impedancia en la dirección del bucle sea mucho mayor que la impedancia en dirección de retorno. Se coloca una pequeña resistencia en el punto de inserción y se aplica la tensión interferente en paralelo a la resistencia de inserción utilizando un transformador de inyección de banda ancha. La señal interferente se genera mediante el generador interno del osciloscopio. Dos canales del osciloscopio se conectan a cada lado del punto de inserción. A partir de los valores medidos, el osciloscopio genera y visualiza los diagramas de Bode.

Al medir la respuesta de bucle cerrado es importante utilizar las sondas correctas. Las amplitudes de pico a pico en los puntos de medida pueden ser muy bajas con determinadas frecuencias de medida. Por este motivo, se recomiendan sondas pasivas 1x frente a las sondas 10x más frecuentes. Si la señal se incrementa al factor de ruido, esto mejora también el rango dinámico de las medidas de respuesta en frecuencia. También es importante utilizar un muelle a masa o un cable a masa muy corto para reducir el ruido de conmutación y bucles de tierra inductivos.