2_ Trabajo Electronica

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  • Informe De Electrnica General- Trabajo N2

    Universidad de Piura

    Facultad de Ingeniera

    Electrnica General

    Trabajo N2 Electrnica General PRIMER INFORME

    INGENIERA:

    CESAR CHINGUEL ARRESE.

    CURSO:

    ELECTRNICA GENERAL

    ALUMNO:

    BAZN RIVERA, ANTHONY EMANUEL.

    BELLIDO ORDINOLA, LUIS FELIPE.

    CASTRO MONROE, CARLOS DANIEL.

    BENITES PEREZ, GUILLERMO.

    GRUPO:

    II

    30 DE OCTUBRE DEL 2013

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    1. INTRODUCCIN

    La mayor parte de nuestro trabajo, est basado en el uso y aplicacin de los amplificadores

    operacionales (OPAMPS), que son dispositivos electrnicos que estn formados por 2 entradas

    (input) y 1 salida (output), adems de las salidas de alimentacin. Los amplificadores

    operacionales ideales tienen una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho

    de banda tambin infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y

    ningn ruido.

    Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente bsico de su tiempo: la vlvula

    de vaco. El uso generalizado de los amplificadores operacionales no comenz realmente hasta los

    aos 60, cuando empezaron a aplicarse las tcnicas de estado slido al diseo de circuitos

    amplificadores operacionales, fabricndose mdulos que realizaban la circuitera interna del

    amplificador operacional mediante diseo discreto de estado slido.

    Hoy en da hay distintos diseos de OPAMPS, los cuales pueden ser: amplificador inversor,

    amplificador no inversor, amplificador integrador, amplificador derivador, exponencial,

    logartmico, diferencial, entre otros.

    Uno de los objetivos de este trabajo es el uso de fotorresistencias por lo que es necesario hablar

    un poco de ellas. Una fotorresistencia es un componente electrnico cuya resistencia disminuye

    con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede tambin ser llamado fotorresistor,

    fotoconductor, clula fotoelctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan

    de su nombre en ingls light-dependent resistor. Su cuerpo est formado por una clula o celda y

    dos patillas.

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    2. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

    Este segundo trabajo, se basa en disear y llevar a la prctica un circuito, donde se trabajar con

    una foto resistencia, la cual se comportar como una resistencia variable (parecido a un

    potencimetro) dependiendo de la intensidad de luminosidad que se le suministre al circuito.

    Para disear nuestro circuito adems haremos el uso de amplificadores operacionales, donde

    utilizaremos los que mejores cumplan con los requisitos puestos por el ingeniero. Requisitos como

    que el voltaje de salida entre 1 y 5 voltios, o corrientes entre 4 y 20 mili amperios y que con esto

    podamos variar la intensidad de luz de distintos diodos LED, los que puedan encenderse con la

    corriente que se le est suministrando. Para todo ello aplicaremos todos nuestros conocimientos

    que hemos aprendido.

    Al momento de comenzar a disear el circuito, se tuvo que tomar en cuenta diferentes puntos, por

    lo que lo primero que se hizo fue hacer los respectivos clculos sabiendo que resultados debamos

    obtener.

    Una vez que se hicieron los clculos, se hizo la respectiva simulacin en el PROTEUS, en la cual se

    verificaron ciertos valores que se haban obtenido de clculos previos. Algunos de estos no

    concordaban, por lo que se tuvo que volver a disear el circuito y que se cumpla tanto en los

    clculos como en la simulacin.

    Ahora a pesar de los clculos que hicimos y de la respectiva simulacin en el programa PROTEUS,

    se pas todo a la realidad, donde nuestro mayor problema fue que las resistencias que

    necesitbamos no eran comerciales por lo que tuvimos que hacer en nuestro trabajo a nuevos

    clculos, tomando ahora las resistencias que podamos obtener fcilmente. Los resultados que

    hemos obtenido han sido los mismos, ya que todo depende de los clculos que se hicieron.

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    3. MARCO CONCEPTUAL

    El trmino amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador en corriente continua

    con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, y las caractersticas de operacin de

    ste eran determinadas por los elementos de realimentacin utilizados.

    El origen de amplificador operacional empez mucho antes del circuito integrado que conocemos,

    las primeras veces que se utilizaron los amplificadores operacionales fue en los computadores

    analgicos. El amplificador Operacional original era un tubo al vacio, que se atribuye al Sr. George

    Phibrick, hacia mediados del siglo XX.

    La compaa Fairchild Semiconductor introdujo en el ao 1965, en el mercado el uA709, el primer

    amplificador operacional monoltico ampliamente usado, pero esta primera generacin de

    amplificadores operacionales no era muy eficiente debido a sus desventajas. Debido a eso, se

    plane fabricar un amplificador operacional mejorado, el uA741. Un amplificador muy barato y

    sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme xito. La National Semiconductor hizo lo mismo

    con el 101/301.Estos circuitos integrados son muy verstiles, de bajo precio, tamao pequeo, con

    excelentes caractersticas y redujeron el diseo de un amplificador a la adicin de unos resistores.

    Podramos dar una pequea definicin de lo que es un amplificador operacional:

    Los amplificadores operacionales son dispositivos electrnicos lineales capaces de amplificar,

    sumar, integrar o derivar una seal de voltaje, desde una frecuencia nula hasta una frecuencia

    definida por el fabricante, caracterizados por su entrada diferencial y una gran ganancia, en el

    orden de 105 equivalentes a 100 dB.

    El uso de los amplificadores no se comenz hasta los aos 60, cuando empezaron a aplicarse

    tcnicas de estado slido al diseo de circuitos amplificadores. Fabricndose mdulos que

    realizaban la circuitera interna del amplificador operacional mediante diseo discreto de estado

    slido.

    El amplificador operacional ideal es aquel que se muestra en la figura, con una entrada diferencial

    conectada directa y un nico terminal de salida. El amplificador solo responde a la diferencia de

    tensin entre los dos terminales de entrada. Como vemos en la figura, la resistencia Ri, es de un

    valor muy elevador, con lo que la corriente que pasa, In, es muy pequea y se dice que entre los

    terminales de la entrada se produce un corto circuito virtual, con lo que los voltajes Vn y Vp son

    iguales.

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    A continuacin se presentaran los circuitos ms comunes en los que se utilizan los amplificadores

    operacionales.

    1. Amplificador no inversor Por corto circuito virtual, -vin = vin R1 y R2 forman un divisor de tensin, cuya entrada es vout y la salida del divisor es vin, es decir:

    -vin = vin = vout R1 / (R1+R2)

    Ganancia = Av = vout/vin = 1+R2/R1

    La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas dcimas de ohm. La seal de salida est en fase con la entrada por ser inyectada por la entrada no inversora.

    2. Amplificador inversor

    La entrada no inversora est a tierra, y por corto circuito virtual, A tambin lo estar. Por tanto, la tensin en R2 vale vout, y la tensin en R1 vale vin, y por tanto la ganancia es:

    Av = -vout / vin = -R2 / R1

    El signo menos por ser la seal invertida en fase.

    La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos, A est puesto a tierra a efectos prcticos. La impedancia de salida Zout vale una fraccin de ohm.

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    3. Buffer o seguidor de voltaje

    Se trata de un amplificador no inversor cuya resistencia R1 vale infinito y R2 vale cero y ganancia unidad. Tiene una impedancia de entrada Zin muy elevada, y una impedancia de salida Zout muy pequea. Por este motivo se utiliza principalmente para aislar dos circuitos, de manera que el segundo no resulte una carga para el primero, pues la impedancia vista ser la altsima Zin del operacional. En este caso se dice que U1 sirve paraadaptar impedancias.

    4. Restador.

    El circuito de la figura resta las seales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia

    Av = R2/R1

    Es decir:

    Vout = R2/R1 (V2-V1)

    5. Sumador

    El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente. El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada es:

    Iin = V1/R + V2/R + V3/R, Se obtiene:

    Vout = -(V1+V2+V3)

    Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de que las resistencias sean diferentes entre s, se obtiene una suma ponderada.

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    Otra aplicacin muy usada con amplificadores operacionales son los filtros activos, los cuales se

    caracterizan por poseer una entrada y una salida, con sus componentes internos dispuestos de tal

    forma que en la salida aparecer parte de las componentes de frecuencia de la seal de entrada.

    Se pueden dividir en tipos como: por los componentes que lo forman (pasivos, activos, digitales),

    por la frecuencia que atenan (pasa bajos, pasa altos, pasa bandas, rechaza bandas).

    4. ANLISIS DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN

    Variable Fsica (Luz)

    Radiacin 380mm < R < 760 mm

    En simples palabras: Se debe transmitir una seal de voltaje recibida por un sensor de luz de tal

    manera que no se le pida corriente a este (pues es incapaz de entregarla) para luego transmitirla

    por una lnea de 50 metros en forma de corriente la cual representa cierta impedancia

    considerable, y al final se recibir para ser leda por algn dispositivo como un voltmetro.

    Podemos plantear distintas alternativas de solucin. Primeramente la seal inicial es una de 12 V

    continuos, los cuales una fotorresistencia dejar pasar cierta parte segn la intensidad de luz.

    Como nuestro objetivo es transmitir segn el sistema industrial 4-20mA y que se logre mediante

    un voltaje en un intervalo entre 1v y 5v.

    Identificamos y se proponen las siguientes etapas: Una etapa detectora la cual detecta la

    intensidad de luz por medio de la fotorresistencia y transmite en trminos de voltaje en cierto

    modo los efectos de la variacin de esta resistencia debidos a la variacin de la intensidad de luz.

    Esta etapa debe transmitir como ya hemos dicho, un voltaje en un intervalo de 1 y 5v por los

    motivos anteriormente explicados. Tendramos que lgicamente reducir la seal de entrada de

    12V por medio de un amplificador de voltaje (lo reducimos) . Podramos utilizar un amplificador

    con partidor de tensin con emisor comn para realizar esta operacin pero para no complicarnos

    con el uso del transistor y su comportamiento ciertamente complejo, podemos utilizar un

    amplificador utilizando un OPAMP, adems que este OPAMP tiene la ventaja de no pedir corriente

    1

    Detector

    2

    Transmisor

    4 20 mA

    3

    Receptor

    4 20 mA

    LED ALTA

    luminosidad.

    Medidor

    aguja.

    3 ( )V f R

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    al circuito de entrada lo cual es lo que necesitamos pues el sensor de luz no es capaz de entregar

    corriente. Ciertamente bastara con colocar un slo circuito amplificador no inversor o inversor

    pero se razona con la siguiente.

    R1 es la fotorresistencia. R2 es la resistencia de realimentacin. La entrada de voltaje es de 12v

    como habamos mencionado. Este circuito es un amplificador inversor (Obviamente despus

    vendra un circuito para volver a invertir el voltaje y obtener uno positivo)

    Observamos que esta relacin es precisamente muy variable dado que R1 es la fotorresistencia de

    valor variable. R1 es una variable que depende mucho de la temperatura y obviamente de la

    intensidad de luz. Por lo que lograr que esta expresin nos d como resultado en un intervalo

    entre 1 y 5 v no resulta una relacin muy accesible pues R1 vara aproximadamente entre

    400kohmios (o hasta ms, la medicin experimental de esta es bastante complicada, nunca se

    obtiene un valor fijo, y entre distintas mediciones a total oscuridad se obtienen distintos valores

    mximos de resistencia por lo que esto hace suponer que ligera variaciones de temperaturas

    influyen) y 200 ohmios aproximadamente. Entonces R1 vara en un intervalo muy complicado el

    cual es de 200 y 400k ohmios, por lo que para asegurar siempre la simplificacin , R2 deber ser

    menor que esos 200 ohmios, por esto se puede intuir que para un R2 de valor de 200ohmios, un

    valor gigante de R1 har la relacin de amplificacin casi cero. Por lo que de esta forma tendremos

    que el voltaje de salida podr variar de cero hasta otro valor. Lo importante aqu es que se llega a

    cero. Entonces, Cmo lo solucionamos? Para esto podemos sumar a ese mnimo valor de salida

    de Vsal un valor de 1 voltio que resulta de otro circuito amplificador (esta seal junto a la que da el

    primer amplificador inversor donde est la fotorresistencia, deben ser sumadas por tanto se les

    debe amplificar por alguna relacin ), de esta manera nos evitamos los efectos de ese valor 0

    voltios para cuando la fotorresistencia est en total oscuridad.

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    De esta manera tendramos:

    Con el amplificador inferior junto con el sumador inversor se busca tener un funcin lineal de esta

    forma:

    Esta solucin propuesta se desarrolla con ms detalle ms adelante precisamente en el apartado

    5.

    Luego necesitamos una etapa transmisora la cual a partir de ese intervalo de 1 y 5 voltios,

    entregue en trminos de corriente entre 4 y 20 mA. Para esto se propone el siguiente circuito:

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    De esta manera colocando como valores de resistencia 250 ohmios obtener que en la lnea la cual

    puede ser de muchos metros, haya una corriente entre 4 y 20 mA.

    Para la ltima etapa la cual es el receptor, se propone utilizar un amplificador no inversor para a

    partir del voltaje obtenido en el extremo superior de la resistencia el cual obviamente, segn lo

    anterior variar entre 1 y 5V, se busca una relacin en este amplificador lo ms cercana a 1.

    Aparentemente estara bien pero si observamos este alternativa dar resultados no precisos pues

    puede haber alguna corriente entrante proveniente de la resistencia R25 que va hacia el nodo de

    la tierra esto puede modificar la corriente en el lazo y por tanto variar el voltaje entregado, por lo

    que no conviene esta alternativa por este motivo.

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    Para esto se propone un amplificador diferencial a partir de tomar los voltajes entre la resistencia

    con amplificadores no inversores, con este circuito se supera el problema anterior, los detalles se

    ven en el apartado 5.

    5. SOLUCIN AL PROBLEMA: SIMULACIONES, PRUEBAS Y RESULTADOS

    Al momento de comenzar a disear el circuito, se tuvo que tomar en cuenta diferentes puntos, por

    lo que lo primero que se hizo fue hacer los respectivos clculos sabiendo que resultados debamos

    obtener.

    Una vez que se hicieron los clculos, se hizo la respectiva simulacin en el PROTEUS, en la cual se

    verificaron ciertos valores que se haban obtenido de clculos previos. Algunos de estos no

    concordaban, por lo que se tuvo que volver a disear el circuito y que se cumpla tanto en los

    clculos como en la simulacin. Se ha realizado la descripcin de cada etapa perteneciente al

    circuito:

    ETAPAS DEL CIRCUITO

    El circuito diseado consiste en 3 etapas principales:

    I. Etapa detectora Esta etapa se encarga de detectar la luz y enva la medicin en voltaje de esta.

    Consiste de 2 amplificadores inversores que constituyen las dos seales para la entrada

    inversora de un amplificador sumador inversor. De este ltimo obtenemos segn la variacin

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    de la fotoresistencia, los valores en el intervalo de 1 a 5 voltios para poder as tener un sistema

    de 4-20 mA. Observamos en la siguiente imagen el circuito de la primera etapa:

    Los valores de resistencias elegidos para las respectivas amplificaciones se colocan a

    continuacin:

    Tenemos dos amplificadores al inicio, en el superior est la fotorresistencia la cual la

    hemos colocado en ese lugar y no en la realimentacin dado que si se colocase en la

    realimentacin la ganancia de ese amplificador sera muy alta para cuando no haya

    presencia de luz pues la resistencia de la fotorresistencia es de aproximadamente 1M

    ohmios y esto implicara usa un valor muy grande en la resistencia que va a la entrada no

    inversora. Por este motivo hemos elegido colocar la fotorresistencia en la entrada no

    inversora para que, dado que su valor de resistencia va en el denominador en la relacin

    de la ganancia, para un valor de 500 ohmios en presencia de luz, necesitemos un valor

    pequeo menor que 500 ohmios para obtener una ganancia menor a 1 y as no superar

    los 12V de salida ; as mismo para un valor de 1M ohmios en ausencia de luz, este trmino

    haga casi cero la ganancia de tal manera de que se obtenga un valor casi cero de salida (

    que es lo que se quiere dado que no se detecta luz. Adems se opt por usar un segundo

    amplificador inversor cuya salida va al sumador inversor, con el fin de mantener un valor

    fijo y constante el cual permita mantener un valor mnimo en la salida de 1 V como

    mnimo, esto es para evitar obtener una salida de 0 voltios cuando nuestra sistema da una

    salida entre 1 y 5 voltios.

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    Luego:

    Donde,

    Luego podemos plantear ciertas restricciones para las relaciones y valores de resistencias:

    Sabemos que queremos que V3=1V para cuando se tenga el valor mximo de R1 (el cual es

    la fotorresistencia), esto es cuando esta vale 1M ohmios.

    Sabemos que queremos que V3=5V para cuando se tenga el valor mnimo de R1 (el cual es

    la fotorresistencia), esto es cuando esta vale 500 ohmios.

    Luego:

    De esto despejamos:

    As mismo consideramos que R2

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    Luego,

    De esta manera hemos fijado unas ganancias en el sumador no inversor, menores de 1 y no

    muy pequeas.

    Luego para la relacin R4/R3, escogemos R3=1000 y R4=500 de tal manera que ganancia sea

    de 0.5.

    De esta manera V1 vara entre 0 y 9.6 y V2 tiene un valor fijo de 6V (de esta manera en el

    sumador, se reduce a 1 V para que en el caso que V1 es 0V, aseguramos 1V de salida del

    sumador) de esta manera V3 vara entre 1 y 5V.

    II. Etapa Transmisora

    Se encarga de medir el voltaje recibido de la etapa detectora para luego transmitir esta seal

    como informacin en corriente.

    Dado que recibe V3, el cual puede ser un valor

    entre 1 y 5 voltios , con la resistencia de 250

    ohmios se asegura que hayan en el lazo de

    corriente entre 4 y 20 mA a pesar de las

    impedancias de lnea.

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    III. Etapa Receptora

    Se utiliza un amplificador diferencial de tal manera que se obtiene la diferencia de voltaje en la

    resistencia de 250 ohmios, la cual corresponder a un intervalo de 1 y 5 V.

    Segn esta relacin tomamos los valores de resistencias de tal manera que la amplificacin

    sea muy cercana a 1 para no modificar la diferencia de voltaje que es V3.

    Hacemos R16=R13=1k ohmios, R10=100 ohmios y R11=1M ohmios. De esta manera

    logramos que la salida sea un voltaje que vare entre 1 y 5 voltios segn la intensidad de luz

    detectada.

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    As tenemos como circuito final, acoplando las 3 etapas:

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    DEMOSTRACIN ETAPA FINAL DEL CIRCUITO:

    ste fue uno de los ltimos puntos que se pidi por parte del ingeniero para el avance de nuestro

    informe, y es que de verdad fue necesario para poder obtener un mejor circuito con un mejor

    funcionamiento.

    Segn lo que hemos visto en clase, y gracias a un circuito operacional diferenciador hemos podido

    concluir con parte de nuestro diseo final del trabajo. El diseo propuesto fue el siguiente y se

    hallar su correspondiente voltaje de salida en trminos generales, donde:

    Vs= Voltaje de Salida

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    Pruebas y Resultados:

    La etapa inicial del circuito, el detector, es la etapa ms complicada pues resulta que el modelo

    realizado en PROTEUS no funciona como se esperaba en la realidad. Esto es de esperarse, el

    software trabaja sobre un modelo ideal. Por tanto, sobre la base que es el modelo ideal del

    PROTEUS tuvimos que modificar ciertos valores de resistencias ( adems se encontr una

    dificultad respecto a estas debido a que tienen un porcentaje de inexactitud respecto a su valor, y

    estas variaciones provocan ciertas variaciones en las ganancias esperadas de las relaciones de

    amplificacin). Despus de cierto tiempo de variar valores de resistencias se obtuvo un circuito en

    el que debido a que ciertos valores de resistencia en especfico, se tuvo que utilizar resistencias en

    serie pues el valor necesario no es ofrecido comercialmente. El circuito es el siguiente para el

    detector:

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    Lamentablemente por la falta de tiempo no hemos podido realizar las pruebas del transmisor y del

    receptor, pero ciertamente la etapa fundamental la cual es el detector es la que ms problemas

    trae debido a que se necesitan relaciones de transformacin especficas. En cambio en la etapa del

    receptor se busca noms una ganancia igual a 1 lo cual es fcilmente lograble.

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    6. CONCLUSIONES

    - Los OPAMP por lo general son elementos que no pedirn una corriente pero que pueden

    entregar una en su salida.

    - La fotorresistencia es un elemento que tiene el mismo funcionamiento que el de un

    potencimetro, con la diferencia que sta necesita de luz para su funcionamiento.

    - Los OPAMPS nos podrn entregar un voltaje como mximo y mnimo, el de su rango de su alimentacin por lo que si se quisiera, podramos alimentar al OPAMP con 24 V y 0 V con tal de poder tener una salida de hasta 24 voltios. Contemplando esto, hay que cuidar la amplificacin de tal manera que no supere el voltaje de salida los lmites del mismo OPAMP.

    - Como era de esperarse, lo obtenido tericamente as como la simulacin en Proteus no se

    cumplen en la realidad pues no se consideran muchos fenmenos y consideraciones de la

    realidad.

    - Efectivamente, los valores de resistencias es un factor de error para obtener las relaciones

    de amplificacin requeridas debido al problema de la imprecisin que poseen.

    - La fotorresistencia es un elemento muy sensible al cambio de luz y como se intuye a la

    temperatura porque al darle una misma intensidad de luz, se obtenan valores un poco

    diferentes de resistencia de esta en distintos lugares donde la temperatura era diferente.

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    7. BIBLIOGRAFA

    - PRINCIPIOS DE ELECTRNICA- 6 EDICIN- ALBERT PAUL MALVINO.

    - APUNTES DE CLASE.

    - AMPLIFICADORES OPERACIONALES ROBERT F. COUGHLIN.