Dispositivos analogicos
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DISPOSITIVOS ANALÓGICOS Ing. Juan Carlos Pérez Luján Ing. Juan Carlos Pérez Luján
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DISPOSITIVOS ANALÓGICOS Ing. Juan Carlos Pérez Luján
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OBJETIVO
El alumno construirá circuitos
analógicos utilizando los principios
básicos de operación de estos
dispositivos.
Filtros, convertidores, acondicionadores
de señal, generadores de señal y
manejadores de potencia
Así como su simulación para su
utilización en equipo de instrumentos y
control automático.
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POLÍTICAS DE CLASE Faltas: con tres faltas por mes
EXTRA.
Tolerancia de entrada 10 minutos.
Los justificantes solo dentro de 5
días hábiles.
Las prácticas retrasadas se
entregan en asesorías y solo con
una semana de plazo.
Menos de 80% de trabajos
entregado EXTRA.
Prácticas, trabajos, tareas
REPORTES - Tener buena presentación
-Entregarse puntualmente
(Una sesión después de realizada la práctica)
- Contener la siguiente información :
a) Número de equipo y nombre de integrantes
b) Objetivo
c) Justificación
d) Alcance
e) Marco teórico
f) Material y/o equipo utilizado
g) Desarrollo
h) Resultados y conclusiones
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LABORATORIO •Orden
•Limpieza
•Acomodo de equipos, accesorios,
mobiliario.
•No jugar
•Revisar el equipo al inicio de la
práctica
•No alimentos
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UNIDADES 1. Filtros
2. Convertidores de señal
3. Acondicionamiento de señal
4. Generadores de señales
5. Manejadores de potencia
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FILTROS
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INTRODUCCIÓN
Los filtros son circuitos que permiten el paso de
una determinada banda de frecuencias mientras
atenúan todas las señales que no están
comprendidas dentro de esta banda.
En los filtros se usan dispositivos activos como
transistores o amplificadores operaciones y redes
pasivas RLC.
Los dispositivos activos proporcionan ganancia de
tensión y las redes pasivas proporcionan en
selectividad de frecuencia.
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TIPOS DE FILTROS
Pasivos solo con elementos RLC.
Activos con amplificadores o transistores.
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FILTROS
La teoría de los filtros es una de las áreas más
importantes y más usadas en la electrónica desde el
inicio.
Debido a la necesidad de poder controlar y limitar las
señales eléctricas en el dominio de la frecuencia.
Para que un sistema responda de diferentes maneras,
a señales de una frecuencia o de otra.
Ejercicio, uso del osciloscopio analógico y el generador
de funciones, calibre el equipo y obtenga frecuencias de
60Hz-22V, 850Hz-33V y 1253Hz-64V.
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FILTROS PASIVOS
Los filtros son circuitos que
permiten el paso de una determinada
banda de frecuencias
mientras atenúan todas las señales
que no están comprendidas dentro de esta
banda.
En los filtros se usan dispositivos
activos como transistores o amplificadores operaciones.
Los dispositivos activos
proporcionan ganancia de tensión y las redes pasivas
proporcionan selectividad de
frecuencia
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FILTROS PASIVOS CONTINUACIÓN
Los elementos pasivos que se
estudiaran serán inductores,
capacitores y resistencias.
Los filtros son parte fundamental de los
circuitos electrónicos y se utilizan en
aplicaciones desde manejo de audio
hasta procesamiento de señales digitales
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ORDEN
Dependen del numero de elementos
reactivos que lo componen en el
circuito de retroalimentación.
De primer orden si esta construidos solamente por un
solo elemento reactivo, inductor
es un filtro del primer orden.
Segundo orden es al combinar juntos un inductor y un
capacitor.
Tercer orden es al combinar tres
elementos y así sucesivamente.
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ORDEN
Podemos definir el orden de los filtros dependiendo de
la atenuación de la frecuencia que se va obteniendo
dependiendo de la frecuencia de entrada del filtro.
Filtro de primer orden: atenúa 6dB fuera de la banda
de paso.
Filtro de segundo orden: atenúa 12dB fuera de la
banda de paso.
Filtro de tercer orden: atenúa 18dB fuera de la banda
de paso.
En otras palabras cuando la frecuencia se dobla la
ganancia cae -6db (aproximadamente). Es esta una
característica de los filtros de primer orden: la
ganancia cae -6db por fuera de la banda de paso.
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CIRCUITOS OPERACIONALES
Los operacionales son circuitos integrados, que
contiene varios transistores, diodos, resistencias y
condensadores.
Estos componentes están conectados de tal manera
que se obtiene en la salida del operacional, la misma
señal de tensión que se aplica a la entrada pero
amplificada.
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FILTROS
PASIVOS
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FILTROS PASIVOS
En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros
para dejar pasar solo las frecuencias que contengan la
información deseada y eliminar las restantes. AM y FM.
Los filtros son usados para dejar pasar solamente las
frecuencias que pudieran resultar se de alguna utilidad y
eliminar cualquier tipo de interferencia o ruido ajeno a
ellas.
Los filtros pasivos son aquellos filtros formados por
combinaciones de serie o paralelo de elementos R, L o C.
Los filtros activos son aquellos que emplean dispositivos,
por ejemplo los transistores o amplificadores operaciones,
junto con elementos RLC
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DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
Un filtro es un sistema que permite el paso de señales
eléctricas a un rango de frecuencias determinadas e
impide el paso del resto.
Se utilizan para:
Acondicionamiento de señal de entrada
Digitalización de señales.
Acondicionamiento de señal producida.
En función de transferencia
Paso Bajas
Paso Altas
Paso Banda
Elimina Banda
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TIPOS DE FILTROS Filtro pasa bajos, son aquellos que introducen muy
poca atenuación a las frecuencias que son menores que una determina frecuencia de corte.
Filtro pasa altos, este tipo de filtro atenúa levemente las frecuencias que son mayores que la frecuencia de corte e introducen mucha atenuación a las que son menores que dicha frecuencia.
Filtro pasa banda, tiene dos frecuencias de corte, inferior y superior, que atenúan las señales cuya frecuencia sea menor a que la FC inferior o aquellas FC superior, sólo permiten el paso de un intervalo de banda de frecuencias sin atenuar.
Filtro elimina banda, elimina en su salida todas las señales que tengan una frecuencia comprendida entre una frecuencia comprendida entre FC superior e inferior. Eliminan una banda completa de frecunacias de las introducidas en su entrada.
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FILTROS IDEALES
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TIPO DE FILTROS
Para cada uno de estos filtros existen dos zonas
principales las cuales son llamadas banda de paso y
banda de atenuación.
En la banda de paso, es donde las frecuencias pasan con
un máximo de su valor o hasta un valor de 71% con
respecto a su original con una atenuación de 3 dB
máxima.
Es el intervalo de frecuencias que el filtro atenúa más
de 3dB.
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BANDA DE PASO DE UN FILTRO In
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FRECUENCIA DE CORTE
Es la frecuencia para la que la ganancia en tensión
del filtro cae de 1 a 0.707, esto expresado en
decibelios, dB la ganancia del filtro se reduce en 3dB
de la máxima
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FILTROS RC
Esta clase de filtros es la más simple y consta de
un circuito RC serie. En estos circuitos siempre
tendremos una señal de entrada (Vin) y una
señal de salida (Vout), la amplitud de la señal de
salida dependerá de la frecuencia de la señal de
entrada: Veremos dos variantes de estos filtro:
Filtro Paso Altas y Paso Bajas.
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RC PASA BAJAS CAPACITOR
Es el primer filtro que se tiene, su funcionamiento es
a base de un capacitor y una resistencia
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FUNCIONAMIENTO
El capacitor se comporta como una resistencia
dependiente de la frecuencia con una relación de:
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R = Resistencia en ohm
C = valor de capacitancia del capacitor en faradios
fc = frecuencia de entrada del circuito en Hz.
PASA BAJAS RC FILTRO CAPACITOR
Se comporta para frecuencias muy bajas el capacitor
como una resistencia muy alta.
Consumiendo toda la tensión de alimentación
Siempre y cuando se conecta la salida en paralelo al
capacitor, se tendrá el máximo de tensión a la salida
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CALCULO DE LA FRECUENCIA DE SALIDA
fc= frecuencia de
corte del filtro pasa
bajas.
R= Valor óhmico de
la resistencia del
circuito
C= Valor capacitivo
del capacitor del
circuito
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GANANCIA
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DECIBELES GANANCIA
Es más usual expresar la ganancia en decibles.
Se debe a la respuesta logarítmica del oído
humano a la intensidad del sonido
Y a que esta representación permite apreciar de
una manera más clara la respuesta del filtro a
diversas frecuencias.
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DB
El decibel (dB) es una relativa de una señal muy utilizada por la simplicidad al momento de comparar y calcular niveles de señales eléctricas. Los logaritmos son muy usados debido a que la señal en dB puede ser fácilmente sumada o restada y también por la razón de que el oído humano responde naturalmente a niveles de señal en un forma aproximadamente logarítmica.
EL dB tiene una ventaja, se basa en la facilidad que se tiene para saber si hay una atenuación o ganancia en función del signo, y además por la posibilidad de hacer cálculos fáciles de suma y resta en lugar de complicadas multiplicaciones y divisiones de magnitudes.
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GRAFICAS DE GANANCIA
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EJERCICIOS
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Dadas las siguientes frecuencias, 60, 2000 y 1 hz
EJERCICIOS
Con ayuda de un generador de frecuencias y un
osciloscopio, construir las graficas de ganancia
Simule el filtro pasa bajas en multisim
Graficar el comportamiento del circuito.
Arme el circuito pasa bajas y observe el
desfasamiento de las curvas de entrada y salida.
Diseño un filtro pasa bajas con una fc=3KHz y
F=6kHz.
Arme el circuito y visualice las formas en el
osciloscopio. (físico y multisim)
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FILTRO RC PASO ALTAS RESISTENCIA
Este filtro como su nombre lo indica atenúa el
paso de señales de «frecuencia baja» y permite el
paso de señales de «frecuencia alta».
Este es el segundo de los filtros pasivos.
El único cambio que presenta es la conexión de la
salida, la cual en vez de tomarse del capacitor se
tomo de la resistencia.
Provocando que en vez de dejar pasar las
frecuencias bajas pasen la frecuencias altas.
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CIRCUITO FILTRO RC PASO ALTAS
RESISTENCIA
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FUNCIONAMIENTO RESISTENCIA
Cuando la frecuencia es demasiada baja, la tensión se
consume casi en su totalidad en el condensador.
El capacitor se comporta como una impedancia de
valor muy alto.
Por lo tanto en la salida no se tiene casi tensión.
Cuando la frecuencia aplicada aumenta se tiene que
el valor de impedancia del capacitor disminuye hasta
que casi no consume tensión.
Y la mayoría de la tensión se tiene a la salida.
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FRECUENCIA DE CORTE
Estos dos filtros tienen un valor llamado
frecuencia de corte, la cual es el valor de la
frecuencia a partir del cual se considera que
ya está filtrando las señales.
Esta frecuencia está determinada como la
frecuencia en la que el valor de la salida con
respecto a la entrada tiene una atenuación
de 3dB.
O la salida es 0.717 del valor de la entrada.
Dependiendo de los valores elegidos de
resistencia y capacitancia será el valor de la
frecuencia de corte.
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FRECUENCIA DE CORTE
Para una resistencia fija, el valor de la frecuencia de
corte depende del valor del condensador.
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PARTICULARIDAD RESISTENCIA
Además de atenuar la señal de salida en baja
frecuencias, los filtros de este tipo provocan un
desfasamiento creciente a medida que desciende
la frecuencia.
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ENSAYO
Simule los filtros paso-altas y pasa bajas en el
multisim.
Observe la respuesta en frecuencia utilizando el bode
plottter.
Verifique que a f=fc la ganancia disminuyo a -3dB
Ahora observe la respuesta en frecuencia de la fase.
Arme un informe en donde estén todos los gráficos
que obtuvo.
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PRACTICA
Diseñe un filtro paso altas y uno paso bajas
Determine su respuesta en frecuencia
Obtenga las curvas F(f) Vs Hz y GdB Vs Hz
Mida con el osciloscopio
Conecte el plotter de la siguiente manera y
simule
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CARGA FILTRO PASA BAJAS
Todo filtro se deberá conectar su carga y su salida a
algo.
Todo lo anterior es cuando el filtro es conectado a un
fuente de señal con impedancia nula.
Esto no pasa en la realidad.
Además el filtro con la salida abierta.
En realidad el filtro quedaría.
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CARGA ZG Y ZC
Zc y Zg con cargas conectadas al filtro tanta de
salida como de entrada.
Normalmente Zg su valor sea pequeño o casi nulo,
con lo que no tendría apenas influencia sobre el
funcionamiento del filtro.
Pero se debe considerar su efecto.
Solo hay que ver que queda en serie con la
resistencia del filtro, quedando.
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ZG
Para el cálculo de un filtro tenido en cuenta el efecto
de Zg es de carácter puramente resistivo.
Solo hay que considerar como resistencia del filtro el
valor de Zg+R. = Xc
Con esto la fuente de señal pasaría a considerarse
como perfecta.
Con impedancia cero.
Debido que su impedancia ha pasado a formar parte
de la resistencia del filtro.
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ZC
En cuanto al efecto producido por Zc, se dice que si
esta es grande o muy grande comparándola con el
valor de Xc a la frecuencia Fc se podrá despreciar
su efecto.
Casi acercándonos al caso de salida abierta,
equivalente a resistencia infinita.
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EJEMPLO
Diseñar un filtro pasa bajas de primer orden, con un
condensador, para tener una banda de paso de
2000Hz.
Sabiendo que a su salida se conectará una carga
resistiva de 10K ohm y que se conectara a su entrada
una fuente de señal con una resistencia interna de
600 ohm.
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DESARROLLO
Frecuencia de corte (Fc) = 2000Hz
Resistencia de carga (Zc) = 10 K ohm
Resistencia de fuente (Zg)= 600 ohm
Formula
Xc = R + Zg
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CONSIDERACIONES
Nos acordamos que la resistencia de entrada debe ser
muy pequeña a comparación de la resistencia de
carga.
Empezaremos por hacer que Xc sea diez veces menor
que la resistencia de carga (por lo menos).
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CÁLCULOS
Xc < 𝑍𝑐
10 <
10000 𝑜ℎ𝑚
10 < 1000 ohm.
C = 1
2000∗1000∗2∗π = 7.96 X 10 -8
Redondeando obtenemos un capacitor de 80 nF.
Debido a que difícilmente encontraremos un capacitor
de este valor, buscaremos un valor normalizado hacia
arriba.
Se selecciona un capacitor de 100 nF.
Ya obtenido el valor del capacitor volvemos hacer el
calculo de Xc.
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CALCULO DE R
Sólo resta hallar R de la forma siguiente:
Se tomará el valor normalizado más próximo
inmediatamente inferior al calculado, en este caso
180W.
Arme el circuito en multisim y use el plotter para ver
la ganancia.
Arme el circuito y observe si esta atenuando las
frecuencia debajo de los 2000 Hz.
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EJERCICIO
Diseñe un filtro pasa bajas de primer orden con un
capacitor, donde se tiene una frecuencia de paso de
3820Hz,.
Sabiendo que se tiene conectado un transmisor a su
salida con una resistencia de 325 K ohm,
Y la fuente de alimentación del filtro tiene una
impedancia de 725 ohm, hay que considerar que Xc es
25 veces menor que la resistencia de carga.
Ármelo y verifique que esta filtrando arriba de 3820
Hz.
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GANANCIA DEL FILTRO
La ganancia de los filtros pasivos de primer orden se
utiliza la formula.
Si representamos gráficamente Gv obtenemos lo
siguiente:
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FILTRO PASA BANDA
Este filtro, permite el paso de las frecuencias
comprendidas entre la frecuencia de corte superior y
la frecuencia de corte inferior.
Construidos con una asociación de un filtro pasa baja
y un filtro pasa altas.
Es útil cuando se quiere sintonizar una señal de
radio o televisión.
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FILTRO PASA BANDAS,
Este es un filtro que se compone de un filtro pasa-
bajas y uno pasa altas conectados en cascada.
Los componentes se deben de seleccionar para que la
frecuencia de corte del filtro pasa-altas sea menor que
la del filtro pasa-bajas
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GRAFICA DE GANANCIA PB
Las frecuencias de cortes se pueden calcular con
las formulas anteriores.
La característica mas importante de este circuito
es el ancho de banda que permitiremos pasar, el
ancho de banda es igual a la resta de las
frecuencias de corte.
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FRECUENCIAS DE CORTE
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FRECUENCIAS DE CORTE
Ahora bien, las frecuencias de corte tanto del filtro
pasa altas como del filtro pasa bajas determinan el
paso de onda es importante considerar cada filtro en
individual para su calculo.
Las formulas utilizadas para el calculo de los
anteriores filtros son las mismas.
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EJEMPLO
Calcular el filtro pasa banda de entre las frecuencias
de corte de 1KHz y una de 10KHz. Hay que tener en
cuenta que la fuente de señal a la que se conectará el
filtro tiene una resistencia interna de 50 ohm y que se
le conectara al filtro una resistencia de carga de 47 k
ohm.
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CÁLCULOS
Sabemos que tenemos conectado al circuito una carga
reactiva de 47 K ohm, con esta carga podemos
calcular el capacitor dos (Xcs).
También sabemos que donde esta conectada la carga
es el filtro pasa bajas, por tanto la fc es de 1KHz.
C2 = (1/ 2*π*fc*Xc2) = (1/2*π*1000*47000) = 3.3 nF
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Carga de
47 k ohm
CÁLCULOS
Sabemos que las resistencias deben ser por lo menos 10 veces menor que la carga reactiva de lo que conectemos al filtro.
Por lo tanto la carga del filtro pasa bajas es de 47 K ohm y la carga del filtro pasa altas es R2.
Sabiendo esto R2 = carga/10 = 47000/10 = 4.7 k ohm.
Por lo que R1 = R2/10 = 4700/10 = 470 ohm.
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Carga de
47 k ohm
CÁLCULOS
El valor de R1 debe ser el mismo que el de la
reactancia de C1 a la Fc, y se puede calcular ya el C1.
C1 = (1/2*π*fc*Xc) = ( 1/ 2*π*10000*47000) = 33nF
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DESFASE
El filtro introduce un desfase de 45° a la Fc1 y uno de
45° a la Fc2.
Dentro de la banda de paso el desfase cambia
gradualmente entre esos valores extremos.
Fuera de la banda de paso el desfase tiende a 90° por
la parte de las frecuencias bajas y a 90° por la parte
de las frecuencias altas.
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PASA BANDAS
Después de haber cálculo el circuito anterior,
arme en el proto.
Conecte a la tensión de entrada un generador de
frecuencias.
Conecte a la Vi y Vo el osciloscopio.
Modifique la frecuencia del generado finado a un
valor de 2 Vpp la señal.
¿La atenuación de la señal de entrada se da en el
intervalo calculado?.
¿Qué sucede con las señales que están por abajo y
por encima del intervalo del filtro?
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TAREA
Arme el circuito pasa bandas en multisim.
Conecte el plotter y visualice la grafica.
Modifique los valores de resistencia en el filtro pasa
bajas y observe los cambios.
Arme un reporte con los datos.
Investigue el filtro elimina bandas.
Arme el circuito en multisim y simule.
Modifique los valores de las resistencias y observe.
Arme un reporte con los datos obtenidos.
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FILTROS
ACTIVOS
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FILTROS ACTIVOS
Los filtros activos a diferencia de los
pasivos, se construyen con
amplificadores operacionales .
Y su ventaja frente a los pasivos es su
baja impedancia a la salida, y su fácil
acople con etapas en cascada que
pueden ser añadidas con el fin de
incrementar el orden del filtro.
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VENTAJAS
Los filtros en los que se usan amplificadores
operacionales como elementos activos proporcionan
ventajas sobre los filtros pasivos.
Al amplificador operacional proporciona ganancia,
por lo que la señal no se atenúa cuando pasa a través
del filtro.
La impedancia de entrada elevada del amplificador
evita la carga excesiva de la fuente de alimentación
La baja impedancia de salida del amplificador evita
que el filtro sea afectado por la carga a la que
alimenta.
Los filtros activos son también fáciles de ajustar
dentro de un amplio rango de frecuencias, sin alterar
la respuesta deseada.
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FILTROS ACTIVOS PASA BAJAS
La ventaja de estos filtros en comparación con los
pasivos es su baja impedancia a la salida, y por lo
tanto, su fácil acople con etapas en cascada que
pueden ser añadidas con el fin de incrementar el
orden del filtro.
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FILTRO ACTIVO PASA BANDAS
Realizar un filtro activo pasa banda, inversor y
no inversor de 2500 hz a 4 Vpp
Realizar un filtro activo elimina bandas, inversor
y no inversor
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FRECUENCIA DE CORTE
Para montar un filtro de primer orden o de segundo
orden, la frecuencia de corte se debe de fijar el valor de
los capacitores y a partir de estos se deben obtener los
valores de las resistencias del circuito.
Para calcular la ganancia del amplificador de debe fijar
el valor de la resistencia R3.
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GANANCIAS
La ganancia de cada etapa es importante ajustarla para
compensar el consumo del circuito RC anterior.
Y no afecte a la ganancia total del filtro.
Dicha ganancia para cada orden de filtro vienen dado
por la siguiente tabla.
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TRANSMISIÓN DEL FILTRO
Los filtros son circuitos lineales que se pueden
representar con la red general de dos puertos.
Como la función de transferencia del filtro T(s) en la
razón entre la tensión de salida Vo(s) y la tensión de
entrada Vi(s)
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PASA ALTOS ACTIVO Se trata de un filtro que permita el paso de las
frecuencias superiores a un frecuencia conocida Fc.
Atenuando enormemente las frecuencias inferiores a
dicha frecuencia central.
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FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
Es la relación entre la tensión de salida contra la
tensión de entrada.
Es la ganancia.
La frecuencia de corte será
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AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
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FUNCIONES
Dependiendo del tipo de retroalimentación y su
circuito adicional, los operacionales pueden funcionar
de diversas formas.
Retroalimentación Negativa:
Amplificador inversor
Amplificador No Inversor
Sumador
Integrador
Diferenciador
Convertidor corriente/tensión
Convertidor tensión/corriente
Diferencial
Seguidor
Retroalimentación
Positiva
Comparador no inversor
Comparador inversor
Báscula inversora
Báscula no inversora.
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
La única función que realiza un amplificador
operacional es tomar la información de las
tensiones en las terminales de entrada, en la
forma de tensión diferencial de entrada (Ven) y
multiplicar a éste por la ganancia de tensión en
lazo abierto (Gv) del amplificador, entregando la
tensión de salida.
Vs = (Gv)*(Ven)
1
2
3
4
5
U2
3554AM
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n
TERMINALES DEL OPERACIONAL
Terminal inversor (-) : es la terminal de entrada por la
patilla negativa del operacional.
Terminal no inversor (+): es la terminal de entrada por
la patilla positiva del operacional.
Dos terminales de alimentación: son las terminales en
los que se aplica la tensión de alimentación del
operacional.
Terminal de salida (Vs): es la terminal por la que sale
la señal amplificada.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
GANANCIA
La ganancia de tensión de un amplificador
operacional se representa en su símbolo como Gv.
La entrada no inversora es V1 mientras que la
entrada inversora V2.
Se denomina entrada diferencial a la caída de
tensión entre las terminales positiva y negativa
del operacional:
Ven = V1 - V2
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIFERENCIAL
Las tensiones V1, V2 y Vs son tensiones de
diferenciales, lo que significa que siempre se miden
con respecto a tierra. La mayoría de las veces no se
dibuja en el símbolo la terminal de tierra.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
TENSIÓN DE SALIDA La entrada no inversora tiene un signo positivo.
La entrada inversora tiene un signo negativo.
La tensión diferencial de la entrada Ven aparece
entre las entradas no inversora e inversora.
La tensión de salida está dada por:
Vs = Gv x Ven
La tensión de salida es igual a la tensión de
entrada multiplicada por el valor de la ganancia
de tension (Gv)
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RETROALIMENTACIÓN
La retroalimentación consiste en retornar la señal de
tensión de salida a la entrada mediante un circuito
adicional denominado circuito de retroalimentación.
Este lazo puede volver a la entrada inversora (terminal
negativa) y se le llama retroalimentación negativa.
O bien volver a la entrada no inversora (terminal
positiva) se le llama retroalimentación positiva.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONFIGURACIONES
BASICAS
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONFIGURACIONES BÁSICAS
Comúnmente, todos los circuitos con amplificadores
operaciones se basan en dos configuraciones básicas.
Inversora y no inversora
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
NO
INVERSOR
DE
TENSIÓN
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN
Este circuito amplifica la tensión de entrada y
proporciona a la salida la tensión de entrada
multiplicada por la ganancia de tensión.
Esta ganancia de tensión viene determinada por el
valor de las resistencias del circuito de
retroalimentación.
Si Vs = Gv * Ve
Y Gv = (R2 + R1) / R1
Entonces Vs = ((R2 + R1) /R1) * Ve
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEÑAL
Ejercicio compruebe esta forma de onda
Calcule 5 valores de ganancia
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN
Si Vs = Gv * Ve
Y Gv = (R2 + R1) / R1
Entonces Vs = ((R2 + R1) /R1) * Ve
Calcule las resistencias necesarias para ganancias de
1, 2, 5, 10 y 20
Use el osciloscopio para comprobar las formas de onda
Alimente con un generador de funciones.
Tarea armar y simular en multisim, hacer reporte
sobre amplificador no inversor.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR
OPERACIONAL
INVERSOR
DE
TENSIÓN
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN
Este circuito amplifica la tensión de entrada pero
invierte, es decir, la cambia de signo.
El valor de ganancia de tensión depende de:
Gv = -(R2 /R1)
Vs = -(R2 / R1 ) * Ve
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEÑAL
Ejercicio compruebe esta forma de onda
Calcule 5 valores de ganancia
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN
Vs = Gv * Ve
Gv = - (R2 / R1)
Vs = - (R2 / R1) * Ve
Calcule las resistencias necesarias para ganancias de
1, 2, 5, 10 y 20
Use el osciloscopio para comprobar las formas de onda
Alimente con un generador de funciones.
Tarea armar y simular en multisim, hacer reporte
sobre amplificador no inversor.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
OPERACIONES
ESPECIALES
DE LOS
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SUMADOR Una ventaja importante de los amplificadores
inversores de tensión, es su capacidad de amplificar
más de una señal de tensión a la vez.
El circuito sumador aprovecha está característica para
amplificar y a la vez sumar varias tensiones de
entrada
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
ECUACIONES DEL SUMADOR
Siendo V1 = - (R / R1) * V1
Y V2 = - (R / R2) * V2
En la salida se suman todas las señales
Teniendo Vs = -R * (V1/R1 + V2/R2 + … + Vn/Rn)
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEÑAL
Ejercicio compruebe esta forma de onda
Calcule 5 valores de ganancia
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
PROMEDIADOR
Es una variante de un amplificador sumador, en este
caso nos muestra en su salida el promedio de los
valores de las señales de entrada.
Para sacar un promedio se suman los valores y luego
se divide por el numero de valores que se han
sumando.
Aplicamos un sumador a las señales de entrada y la
amplificación la convertimos en atenuación para
lograr dividir por el numero de señales.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIFERENCIADOR O RESTADOR
Es un circuito utilizado para restas dos señales de
entra del amplificador operacional.
Este circuito resta las dos señales y amplifica el
resultado.
El factor de amplificación (ganancia de tensión),
depende del valor de las resistencias.
Siempre resta la señal de tensión de la terminal no
inversora menos la tensión de entrada de la terminal
inversor.
Vs = R1/R2 * (V2-V1)
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
Diferenciador o
Restador.
Entrega la resta de
dos señales de
entrada.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIFERENCIADOR O RESTADOR
Si se necesita que dos señales se disminuyen entre si
la configuración de amplificación como restador es la
siguiente:
Pero para que las ganancias de ambas señales no
afecten las señales de entrada las resistencias deben
de cumplir con ciertos requerimientos
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
INTEGRADOR
En los circuitos anteriores, inversor y no inversor
actúan para mantener constantemente la corriente de
retroalimentación.
Ahora considerando que se tienen una impedancia de
entrada infinita, entonces la corriente de entrada
pasa directamente al capacitor.
Dado que el capacitor es el elemento del circuito de
retroalimentación y la corriente pasa a el da a lugar a
una rampa lineal de tensión.
La tensión de salida por tanto es la integral de la
corriente de entrada, que carga al capacitor.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
INTEGRADOR
EL integrador es un circuito que ejecuta una
operación matemática llamada integración.
La aplicación más popular de un integrador es la
destinada a producir una rampa de tensión
La cuál incrementa o decremento la tensión
linealmente.
Esto hace que al integrar una onda cuadrada se
consiga una onda triangular.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
FORMA DE ONDA In
g. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RESPUESTA DEL CIRCUITO
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
INTEGRADOR
Este circuito emplea como elemento
retroalimentación un capacitor y a la entrada un
resistor.
Tiempo de carga
T = - (Vo*R*C)/Vi
Tensión de salida
Vo =0.4(cos(2π200t)-1)*Vi
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIFERENCIADOR
Un diferenciador es u circuito que ejecuta una
derivada.
Produce una tensión de salida proporcional a la
variación de la tensión de entrada respecto al
tiempo.
Aplicaciones comunes de un diferenciador son
producir una salida rectangular a partir de una
rampa de entrada.
O detectar los flancos de subida y bajada de un
pulso rectangular.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIFERENCIADOR In
g. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
FORMA DE ONDA
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
Convertidores Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
FUNCIONAMIENTO DE CONVERTIDORES Los sensores en general generan una
frecuencia, tensión o de corriente a la salida que transforma el valor de la magnitud a medir en un dato eléctrico.
Nivel
Temperatura
Presión
Humedad
La tensión, corriente, frecuencia o impedancia de salida determinan las características requeridas en la etapa de acondicionamiento.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
FUNCIONAMIENTO DE CONVERTIDORES Cuando la tensión o corrientes del sensor son
débiles, hace falta una amplificación que exige
soluciones diferentes a las vistas hasta ahora
(inversora, no inversora, seguidor).
Las tensiones del sensor además de ser débiles
son de muy baja frecuencia, hasta el punto de
impedir la utilización de amplificadores de alta
ganancia acoplados en alterna, por que los
capacitores necesarios serian demasiados
grandes.
Los amplificadores de continua
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
PROBLEMAS DE LAS SEÑALES
La señales normalizadas de los sensores es muy
pequeña entre 4 a 20 mA.
La distancia entre el sensor y el transductor aumenta
la perdida de la señal.
El desgaste por el tiempo y la temperatura afectan la
impedancia de entrada del amplificador afectando la
señal.
Y el ruido interno del amplificador son razones para la
perdida de las señales de diferentes sensores.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR
DE
TENSIÓN
A CORRIENTE
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
TENSIÓN A CORRIENTE
Se utiliza una configuración no inversora
de los amplificadores operacionales.
Donde la tensión se aplica directamente
sin resistencia a la terminal no inversora
del amplificador.
la diferencia de potencial en 0V de E se
desarrolla a través de Ri.
La corriente Im pasara por Ri
Im = E
. Ri
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIAGRAMA In
g. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR La ventaja de esta configuración es que en la terminal no
inversora del amplificador la impedancia de entrada es muy alta, debido a que el valor de la corriente es despreciable.
Ya que la entrada toma, una corriente muy pequeña, no reducirá su carga y no cambiara la tensión que se está midiendo.
Es en la resistencia de Rf donde se mide el valor de la corriente que genere el circuito. Y es en donde colocamos el medidor de corriente.
Se coloca en el medidor en el circuito de retroalimentación ya aunque la resistencia total varié esta no tendrá efecto en el medidor de corriente.
Incluso si se le añade un resistor en serie con el medidor, no afectaría a Im.
La Razón es que Im esta fijada solo por E y Ri.
La tensión de salida cambiara si la resistencia en Rf se modifica, pero no nos preocupamos por Vo en este caso.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
TENSIÓN-CORRIENTE
Ya que la tensión de entrada E debe ser menor que la
tensión de la fuente de alimentación del operacional.
Debemos colocar un limite máximo conveniente que se
imponga a E = + 10.
El modo mas sencillo de seleccionar tensiones de entra
es modificando la resistencia Ri, siempre y cuando se
fije el valor de la corriente de E.
Si un micro amperímetro con una entrada de hasta
50micro Amper, y se tiene una fuente de 5V, calcular el
circuito convertidor de tensión a corriente para poder
usar el micro amperímetro.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE TENSIÓN/CORRIENTE
Esta configuración del amplificador operacional
convierte la tensión de una fuente externa en
corriente.
El valor de la corriente de la salida depende de los
valores de la resistencia del circuito de
retroalimentación y de la tensión de entrada.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
IS = E /R In
g. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE TENSIÓN A CORRIENTE
Convertidor del tipo V-I (carga flotada)
(V+) esta conectado a Vi.
(V-) = (V+), de tal forma que la terminal inversora
tiene el mismo potencial que Vi.
La corriente a través de R1 es IL. La corriente IL
no depende de la resistencia RL.
OTRO CONVERTIDOR DE TENSIÓN A
CORRIENTE
Convertidor V-I con carga aterrizada
IL no depende de RL. Sólo depende de VIN
y VREF.
1/R1 determina la constante de
proporcionalidad entre V y I.
Notar que la carga esta referenciada a
tierra.
IL = 1
R 1 VIN - VREF ( )
CONVERTIDOR DE TENSIÓN A CORRIENTE
Montar el conversor V-I de la fig., con una relación
iL/vI = -0,1mA/V, utilizando valores de
R1 = R2 = 10K.
a) Comprobar la respuesta con cargas de 1K, 10K y
100K.
b) Medir cuál es la intensidad máxima con cada una de
las cargas anteriores y justificar los
resultados.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
APLICACIONES
Probador de diodo zener
Si se tiene que probar la tensión de ruptura de un
número de diodos zener a una corriente conocida
por ejemplo 5mA.
El diodo debe de ser conectado en la parte de
retroalimentación
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
PROBADOR DE ZENER
Tanto la tensión Ei y Ri establecen la carga o corriente
zener a un valor constante.
Ei obliga a Vo a pasar a un valor negativo hasta que el
zener baja a nivel de ruptura y fija la tensión zener en
Vz.
R1 convierte Ei en corriente, en tanto que Ri y Ei son
constantes, la corriente de carga, sin importar el valor
de tensión del zener.
La tensión de ruptura del zener se puede calcular
mediante Vz = Vo – Ei
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
EJERCICIO
Comprobar el circuito se comporta como probador de
diodos.
Sabiendo el valor de ruptura del zener comprobar si.
Vo = Vz + Ei
Fije el valor de R1 en 1 k ohm.
La fuente fíjela a un valor conocido de 5 a 9 Vcc.
Mida la corriente generada por la R1.
Cambiar el diodo zener de varios valores.
Simular el circuito en el multisim.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR
DE
CORRIENTE
A TENSIÓN
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE CORRIENTE A TENSIÓN
Este tipo de circuito tiene la virtud de convertir
proporcionalmente en tensión, una determinada
corriente introducida a su entrada.
Dicho circuito convertidor se muestra
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
I A E
El amplificador con retroalimentación negativa de
tensión.
Agregando un par de cambios de vuelve el perfecto
convertidor de corriente a tensión
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CORRIENTE A TENSIÓN
El circuito, se comporta como un
perfecto convertidor, porque
presenta:
Una la resistencia de entrada cero.
Una la resistencia de salida cero y
Proporciona una razón fija y estable entre Ii
y Vo.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE CORRIENTE A TENSIÓN
A configuración básica del convertidor con una relación de 100 000 veces la tensión de salida con respecto a la Ii.
B configuración con un fotodiodo, la relación dependerá del valor de la resistencia Rf.
C Configuración del convertidor como aplicación de medición de corriente por medio de Ii.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
EXPLICACIÓN Aplicando la ley de Ohm, se puede
explicar por que el amplificador
inversor se convierte en el perfecto
convertidor de corriente a tensión.
Si V = I * R
Y I = V / R
Donde R tiende a 0
Entonces I = V
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CORRIENTE A TENSIÓN La aplicación natural de esta configuración se presenta
cuando se desea amplificar y convertir una señal de
corriente de un transductor, por ejemplo un fotodiodo.
Estos proporcionan una corriente del orden de microA
en corto circuito.
Proporcional a la intensidad de radiación luminosa o
solar.
La resistencia Rf=0
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
OTRA APLICACIÓN Cuando se necesita medir una corriente en un
circuito.
Los dispositivos como amperímetros de bobina
móvil, tiene una resistencia que pueden influir
en el circuito que se desea medir.
Por ejemplo un amperímetro a plena escala
tiene una resistencia de 2Kohm que esta lejos
de ser ideal.
Cuando se conecta en serie este instrumento en
el circuito agrega la resistencia de 2kohm.
Alterando las condiciones normales de
funcionamiento del mismo.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
AMPERÍMETRO
Usando la configuración de un amplificador de
retroalimentación negativa de tensión, se
puede construir una amperímetro electrónico
cuya resistencia tienda a cero.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CÁLCULOS
Tomemos en cuenta que un amplificador tiene:
Una ganancia de Gv = 100,000 dB
Una Rf = 100 Kohm
Donde Rif = Rf / (1+Ao) = 1 ohm
Entonces Vo = Rf * Ii = 100 000 Ii
Ejercicio realizar el circuito anterior y
comprobar.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CORRIENTE EN CORTO CIRCUITO En el circuito de convertidor de corriente a tensión se
coloca en forma efectiva un corto circuito.
La terminal inversora esta a tierra virtual debido a que
el diferencial de tensión en la entrada es casi 0V. (arme
el circuito y mida la tensión).
La fuente de corriente ve el potencial a tierra en ambas
terminales, o lo que es equivalente de un cortocircuito.
Toda la I fluye a través de la entrada inversora y a
través de la resistencia Rf.
La resistencia Rf convierte la I en una tensión de
salida.
Por lo tanto se convierte en convertidor de corriente a
tensión.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
EJEMPLO
Vo mide 5V y Rf=100 k.
Obtenga la corriente de cortocircuito Isc.
Isc = 5 / 100k = 50 micro A.
La resistencia Rm es la resistencia ya sea del
voltímetro o de un amperímetro.
La corriente Im necesaria para impulsar
cualquier instrumento proviene del amp op y no
de la Isc.
Mida la tensión entre la terminal inversora y la
no inversora del amplificador.
Mida la salida de tensión del amplificador
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CORRIENTE EN CORTO CIRCUITO
La resistencia de una celda fotoconductora es
muy alta en la oscuridad y mucho más baja
cuando se ilumina.
En forma típica, su resistencia en la oscuridad
es mayor de 500 kohm.
Y su resistencia a la luz brillante o en el sol es
aproximadamente 5 kohm.
Si la E=5V, entonces la corriente a través de la
celda será de 5V/500kohm = 10 microA. En la
oscuridad
En la luz será de 1 miliA 5/5k
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
FOTODIODO
El fotodio tiene que polarizarse en forma inversa.
En la oscuridad el fotodiodo conduce una pequeña
corriente de fuga del orden de nano amper.
Pero dependiendo de la energía radiante que incida en
el diodo, conducirá 50 micro A o más.
Por tanto la corriente solo depende de la energía que
incide en el fotodio y no de E.
Esta corriente se convierte en una tensión por Rf.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE CORRIENTE A TENSIÓN
Convertidor I-V inversor
(V+) está conectado a tierra, o (V+) = 0
(V-) = (V+) = 0, La terminal inversora es
tierra virtual
I fluye solamente a través de R.
R determina la constante de
proporcionalidad entre la corriente y la
tensión.
OTRO CONVERTIDOR DE CORRIENTE A
TENSIÓN
Convertidor I-V no inversor
Si R1 >> Rs, IL fluye casi totalmente a
través de Rs.
CONVERSOR DE CORRIENTE A TENSIÓN
Conectar la salida del circuito anterior, eliminando la
conexión a tierra de la carga RL, a un
conversor I-V (fig.) con respuesta de -10V/mA. Usar
cualquiera de los valores de RL.
a) Comprobar la relación vO/vI del conjunto.
b) ¿Cuál es el máximo valor de tensión a la salida y por
qué?
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERSOR DE CORRIENTE A TENSIÓN Con el amplificador operacional 741, polarizado a + 12
y - 12 voltios, se diseñarán, montarán y comprobarán las etapas indicadas abajo.
Para visualizar su salida, se utilizará un LED, cuando trabajemos a frecuencias bajas (del orden de 1Hz), y el osciloscopio para frecuencias más altas.
Se observará la tensión de entrada en el osciloscopio para medir las tensiones de conmutación.
Las variaciones de la tensión de entrada para los comparadores pueden obtenerse de dos maneras:
a) Mediante un potenciómetro de 10K conectado entre +12 y -12V para
variar manualmente la tensión de entrada de forma lenta (fig. 1), y visualizar la respuesta con un LED.
b) Mediante el generador de señales, usando una onda triangular del orden de 1kHz de frecuencia para poder visualizar la respuesta con el osciloscopio.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
EJEMPLO DE CONVERTIDOR
Diseñar un circuito basado en amplificadores operaciones que conviertan un intervalo de tensiones de 20 a 250 mV a un intervalo de 0 a 5 V.
Se tiene que aplicar para esto la ecuación de la recta donde • Vo= mVi + b.
Aplicando ambos limites a la ecuación se obtiene • A) 0 = m (0.02) + b recuerde que los mV se cambian a V
• B) 5 = m (0.25) + b
Despejando b de la ecuación A se obtiene: • Que b = - m0.02
Sustituyendo A en B obtenemos el valor de m: • Donde 5 = m 0.25 + (- m 0.02)
• Por lo que m = 21.739
Sustituyendo m en cualquiera de las dos ecuaciones b= 0.43.
Se obtiene la siguiente ecuación. • Vo = 21.739 Vi - 0.43
• Vo = 21.739 ( Vi – 0.02).
Y el arreglo con amplificadores quedaría
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SOLUCIÓN CON AMPLIFICADORES
Configuración como restador con ganancia de
21.7 para ambas terminales, inversora y no
inversora.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
CONVERTIDOR DE 4-20MA A 0-10V
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEGUIDOR
DE
TENSIÓN
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEGUIDOR
Este circuito proporciona a la salida la misma señal
de tensión que existe en la entrada Vs= Ve
Los seguidores se utilizan como protección para
aislar etapas diferentes de un circuito.
Por ejemplo, la señal de salida de una etapa ataca a
la entrada de otra etapa distinta.
La forma de separar la salida de la entrada (aunque
en realidad se trate de la misma señal de tensión) es
mediante un seguidor.
De esta forma se consigue protección ante posibles
interferencias
Y las dos etapas están completamente diferenciadas.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
SEGUIDOR
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RECTIFICADORES
DE
PRECISION
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
DIODOS La mayor limitación de los diodos de silicio ordinarios
es que no pueden rectificar tensiones debajo de 0.6V.
Los diodos no pueden rectificar pequeñas tenciones de ca debido a estos necesitan para poder conducir una tensión de 0.6 V en el diodo.
Esta tensión es necesaria para polarizarse el diodo y poder conducir tensión a través de el.
Un circuito sencillo que puede implementar para superar esta desventaja es un amplificador operacional junto con dos diodos, capaz de rectificar señales de entrada de sólo unos cuantos milivolts. (diodo ideal).
El bajo costo de fabricación del diodo ideal permite que se utilice de manera habitual en muchas aplicaciones.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RECTIFICADORES LINEALES DE MEDIA
ONDA
El circuito rectificador lineal de media onda alimenta
una salida que depende de la magnitud y polaridad de
la tensión de entrada.
La salida es invertida con respecto a la entrada.
Estos solo transmiten solo medio ciclo de una señal y
eliminan la otra mitad por acotamiento de la salida a
cero volts.
El medio ciclo de entrada que se transmite puede ser
ya sea invertido o no invertido.
También puede experimentar ganancia, atenuación, o
permanecer sin cambio en magnitud, dependiendo de la
elección de resistores y la colocación de diodos en el
circuito operacional.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RECTIFICADOR INVERSOR
El amplificador inversor se convierte en un rectificador
de media onda lineal por la suma de dos diodos.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
E 0V
FUNCIONAMIENTO
Cuando la tensión en E es positiva el diodo D1,
conduce causando que la tensión de salida del
operacional pase a negativo por una caída de tensión
del diodo aproximadamente de 0.6V.
Esto obliga al diodo D2 a que tenga polarización
inversa.
La tensión de salida del circuito V0 se iguala a cero
debido a que la corriente de entrada I fluye a través
de D1.
Para caso practico, no fluye corriente a través de RF y
por tanto V0 = 0.
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
RECTIFICADORES
DE
PRECISIÓN
DE
ONDA
COMPLETA
Ing. J
uan
Carlo
s Pére
z L
ujá
n
INTRODUCCIÓN El rectificador de precisión de onda completa
transmite una polaridad de la señal de entrada e
invierte la otra.
Por tanto, ambos medios ciclos de una tensión alterna
se transmiten pero están convertidos en un polaridad
única en la salida del circuito.
El rectificador de precisión de onda completa puede
rectificar tensiones de entrada con amplitudes de mili
volts.
Una configuración es utilizando dos amplificadores,
dos diodos y cinco resistencias.
El problema con esta configuración es que no tiene alta
resistencia de entrada, por lo que consume corriente de
la fuente.
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DIAGRAMA
Ing. J
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OBSERVACIONES Cuando la tensión senoidal pasa por la terminal inversora
del amplificador se encuentra con una impedancia muy alta, por lo que la corriente tiende a ir por el diodo Dp.
Haciendo que el diodo se polarice con la tensión de 0.6V
Dejando pasar el ciclo positivo de la forma de onda.
Los dos amplificadores operacionales funcionan como inversores. Para el diodo Dp.
Provocando que el ciclo negativo de la forma onda se invierta cuando pasa por la terminal inversora del segundo amplificador.
El ciclo positivo pasa por el diodo Dn, y dado que tiene una resistencia provoca que se valla por la terminal no inversora del segundo amplificador.
En la salida del segundo amplificador se juntan los dos ciclos en signo positivo.
Se puede añadir un capacitor para mejorar la forma de onda.
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AMPLIFICADORES
PARA
INSTRUMENTACIÓN
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INSTRUMENTACIÓN
Unos de los usos mas significativos para los
amplificadores es para la medición, instrumentación o
control.
Junto con resistencias de precisión, el amplificador
operacional se vuelve un circuito en extremo estable y
útil cuando es importante la exactitud.
Pero una de sus desventajas de este amplificador es
su costo, que puede llegar a unos 100 dólares.
Pero una solución sencilla es el amplificador
diferencial, el cual tiene un rendimiento mejor que sus
configuraciones ordinarias, inversora y no inversora.
El amplificador de instrumentación es un
amplificador diferencial tensión-tensión.
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AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
El amplificador diferencial puede medir y también
amplificar pequeñas señales que quedan enterradas en
señales mucho más intensas.
Para construir este circuito es necesario contar con
resistencias de precisión (1%) y un 741.
En esta configuración existen dos fuentes de tensión de
entrada al circuito por las terminales inversora y no
inversora del amplificador.
Cinco resistencias que proporcionan las ganancias.
Las entradas las denominaremos entrada (-) y entrada
(+), que corresponden a las terminales del amplificador.
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DIAGRAMA DEL AMPLIFICADOR
DIFERENCIAL
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FUNCIÓN Como se observa en el circuito, las resistencias R son
del mismo, igual que las resistencias mR. Estas cuatro
resistencias proporcionan la ganancia del circuito.
En realidad el circuito es una mezcla del amplificador
operacional inversor y no inversor.
Por lo que se refiere a la resistencia RL, es la carga del
circuito.
Si la alimentación E1 se reemplaza por un
cortocircuito, E2 toma como si fuera un amplificador
inversor con una ganancia de –m.
Por tanto la tensión de salida debido a E2 es –mE2.
Si al revés E2 se coloca en cortocircuito
E1 se divide entre R y Rm para aplicar una tensión de
E1m/(1+m) a la entrada (+) del amp.
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FUNCIONAMIENTO Esta tensión dividido ve un amplificador no inversor
con una ganancia de (m+1).
La tensión de salida debido a E1 es la tensión dividida, E1m/(1+m), veces la ganancia del amplificador no inversor. Lo cual disminuye mE1.
Por tanto E1 está amplificado en la salida por el multiplicador m a mE1.
Cuando E1 y E2 están presentes en las entradas (+) y (-), respectivamente V0 es mE1 – mE2
Vo = m (E1 – E2).
Por lo que la tensión de salida del amplificador diferencial V0 es proporcional a la diferencia en tensión aplicado a las entradas (+) y (-).
El multiplicador m se denomina ganancia diferencial y se establece por las razones de resistores.
m = mR/R
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AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Una de las razones para utilizar esta configuración es
debido a que es muy versátil por que se puede utilizar
tanto como amplificador inversor como no inversor.
Si consideramos que Vo = m(v1-v2).
Si V2=0 entonces Vo=GV1 y funcionara como
amplificador no inversor.
Por lo contrario V1=0 entonces Vo=-GV2, se
comportaría como amplificador inversor
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CONTINUACIÓN
La verdadera razón para trabajar con amplificadores
diferenciales proviene en la facilidad que poseen para
trabajar con señales diferenciales frente a las de modo
común.
Nos permiten distinguir entre señal y ruido.
Por ejemplo si pretendemos enviar una señal desde un
circuito digital a un sistema informático remoto de
forma asíncrona a través de una interfaz RS.
Se podría hacer utilizando un cable coaxial cuyo
apantallamiento evitaría, teóricamente, la incidencia
de ruido en la señal
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ALTERNATIVA
Una estructura alternativa, mas económica será
enviando la señal mediante dos hilos, de manera que a
la entrada del sistema informático los dos hilos se
conectaran a las terminales de un amplificador
diferencia.
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CONTINUACIÓN
Está claro que la señal de salida Vo=m[(V1+Vr1)-(V2-
Vr2)] en la cual aparecen unas tensiones Vr1 y Vr2,
que representan el ruido añadido a la señal inicial.
Si ambos hilos están relacionados (cable telefónico
trenzado), se puede suponer que el ruido inducido es el
mismo en ambos hilos (Vr1=Vr2).
Con lo cual la salida del amplificador será Vo=m(V1-
V2) y además.
Si V200 por ser la toma de tierra, la salida del
amplificador coincide con la señal emitida si m=1 o
mayores, libre de ruido.
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CONFIGURACIÓN CON SEGUIDOR
Es importante asegurarnos de no perder señal en la
entrada de los amplificadores, por ello en los
amplificadores de instrumentación es muy utilizado los
seguidores.
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PROYECTOS Control de temperatura con termistor, utilizando
amplificadores operaciones para el
acondicionamiento de la señal, protección del
circuito y cambio de unidades Ing. J
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Sistema automático de iluminación
Es implementar un sistema de iluminación
automático que dependiendo de la intensidad de
luz detectada este se active. con la ventaja de que
el usuario podrá calibrar el sistema para que este
varié con la intensidad de luz necesaria para el
lugar de operación.
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EXAMEN Realizar un medidor de temperatura de tres puntos, utilizando 3 LM355, el sensor
tiene 3 puntos de conexión, tierra, alimentación y salida. El sensor trabaja en °C.
El sensor se debe de conectar a una tensión de 12 V, con resistencia de 4.7K.
Cada sensor debe ser separado del acondicionamiento de la señal.
El acondicionamiento de la señal debe estar protegida a la entrada.
El resultado de la lectura es el promedio de las lecturas.
El resultado de la lectura no debe ser negativa.
También debe de poder seleccionar a la salida conversión de unidades.
Con una parte de protección de los sensores (cada uno) (segiuidores.
Se debe de usar amplificadores para instrumentación (diferenciadores), para la señal de cada sensor para la eliminación de ruidos
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PUENTE DE WHEATSTONE
La función básica de un puente es la de acondicionar la
señal procedente de sensores que varían su resistencia
respecto a una magnitud a medir.
Transforma la variación de resistencia del sensor en
valores de tensión o de corriente.
Por ejemplo una galga extensiométrica, utilizada para
medir la presión ejercida sobre una determinada
superficie, varía su resistencia eléctrica dependiendo
del grado de presión a la que se vea sometida.
Ing. J
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PUENTE DE WHEATSTONE
Todo sistema de instrumentación, orientado a la
obtención de medidas referentes a sensores, tiene
varios bloques de tratamiento de la información
analógica proporcionada por el sensor.
Estos bloques normalmente son. Sensor,
acondicionador y amplificador.
A la salida del bloque amplificador la señal de
salida está preparada para ser convertida a
información digital.
La mayoría de los sensores más utilizados se
basan en la variación de resistencia con la
magnitud a medir.
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TERMINALES Y CONEXIÓN DEL PUENTE DE
WHEATSTONE El puente está constituido por cuatro terminales: dos de
alimentación del puente y otros dos desde los que se toma la señal de salida que ataca al circuito acondicionador.
Las resistencias realmente no tiene un valor constante de x ohm, tiene un valor inicial denominado R0 y un valor añadido que depende de la magnitud.
Para evitar errores en la medida, se crea un circuito específico denominado puente wheastone que consigue que el error en la medida sea lo menor posible.
Rx = R0 ( 1 + X ) Rx = valor resistivo total
R0 = resistencia inicial del sensor
X = factor de corrector de resistencia.
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OSICILADOR
Ing. J
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TEMPORIZADOR ANALÓGICO-
DIGITAL (LM555)
El generador de base de tiempo o temporizador 555 es
un integrado que combina en su interior un oscilador,
dos comparadores, un bi-estable RS y 27 transistores
bipolar de circuito de descargar.
Este circuito interno permite diversas aplicaciones,
pero fundamentalmente se utiliza para generar señales
de tensión cuadradas.
Ing. J
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FLIP-FLOPS
Si circuito biestable RS, es un circuito dinámico,
debido a que su salida depende no solo de las entradas
actuales sino del estado anterior.
Tiene 6 terminales
2 terminales de alimentación, positiva y negativa
(polarización).
2 terminales de entrada Reset y Set
2 terminales de salida Q y Q(negada)
Ing. J
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Si se aplica una entrada (tensión de alimentación) 1
en la terminal SET, mientras se aplica un 0 (tierra o
cercana) en la terminal RESET, se obteniendo una
salida 1 en la terminal Q y 0 en Q-.
En una entrada alta en la termina RESET y baja en
SET se produce un reset en el ff de manera que Q=0 y
Q-=1
Ninguna de las otras combinaciones de entrada
posibles producen cambio alguno de la salida.
CONFIGURACIÓN GND (1 VEE). Es la terminal a conexión a tierra del circuito.
DISPARO(2 TRIGGER). Es la terminal por la que se excita al temporizador, cuando se necesita una tensión de disparo. Esta terminal funciona con lógica negativa de entrada, es decir se activa a
nivel bajo con cero.
SALIDA(3 OUTPUT). Por esta terminal se proporciona la tensión de salida, también se llama Q.
RESET (4 RESET), al activar esta terminal reinicia el temporizador con lo que se inicia de nuevo desde el principio el proceso que se este realizando. Se activa a nivel bajo de tensión porque funciona con lógica negativa de
entrada.
CONTROL (5 CONTROL). Es la terminal de control. Esta terminal, normalmente, se conecta un capacitor de valor de 0.01
microFaradios.
UMBRAL (6 THRESHOLD). Esta terminal determina la tensión de referencia a comparar de uno de los comparadores internos del temporizador.
DESCARGA (7 DISCHARGE). Esta terminal es el colector del transistor bipolar interno del temporizador, se le denomina así porque permite la descarga de un condensador que se conecta a él.
ALIMENTACIÓN (8 VCC). Es la terminal por el que se alimenta con tensión (+Vcc) al temporizador 555.
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V CONTROL
En la mayoría de las aplicaciones prácticas la
terminal de control se deja flotante, por lo que la
tensión de control viene dada por:
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FUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLE
El término monoestable significa que es un proceso en
el que se dan dos estados (de tensión); uno estable y
otro inestable (también llamado metaestable).
Un estado estable es aquel en el que la señal
permanece inalterable indefinidamente, mientras que
un estado inestable o metaestable es aquel en el que,
por se inestable, al tensión tiende a cambiar pasado un
cierto tiempo.
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Por ejemplo, la bola de
color azul se encuentra es
un estado estable, porque
si no se modifica su
situación desde el exterior
(empujándola), por sí
misma no se mueve de la
posición en la que está
(posición estable).
Pero si se empuja la bola hacia el interior del hoyo, se
le fuerza a pasar a un estado inestable (bola en color
rojo), porque se encuentra en una pendiente (zona
inestable) y no puede permanecer quieta.
La bola no permanece indefinidamente en el estado
inestable, sino que busca el estado estable; por eso está
un tiempo oscilando entre las dos pendientes, hasta
que se para justo en la base del hoyo.
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CONEXIÓN COMO MONOESTABLE
Una vez que se ha parado en el fondo del hoyo, permanece
quieta indefinidamente (bola de color verde), hasta que una
fuerza exterior modifique su estado, por eso esta situación
es también un estado estable.
En electrónica sucede lo mismo con las tensiones de los
circuitos multivibradores monoestables conocidos
coloquialmente como monoestables.
En el estado estable, la tensión de salida permanece
constante durante un tiempo indefinido, hasta que desde el
exterior se obliga a cambiar al circuito a un estado
inestable (mediante un pico de tensión en la terminal de
disparo); al cambiar al estado inestable, la tensión de
salida cambia a otro valor y permanece en él durante un
tiempo fijo (tiempo metaestable) y pasado este tiempo, la
señal de salida vuelve a su valor estable por si sola, hasta
que se vuelva a efectuar un nuevo disparo de tensión.
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CIRCUITO ELEMENTAL
Cuando la entrada de trigger es ligeramente inferior a
Vcc/3, se proporciona una salida alta «1», lo que
produce un reset en el flip-flop.
El transistor de descarga T se apaga y threshold
cortocircuitado con discharge, comienza a cargarse.
Por lo general los 555 trabajan con cualquier
diferencia de Vcc-Vee entre 4.5 y 16V.
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FUNCIONAMIENTO Cuando la entrada de trigger del circuito es ligeramente
inferior a Vcc/3
Se proporciona una salida alta «1», lo que produce un reset en el flip-flop.
El transistor de descarga T se apaga y la terminal Threshold cortocircuitada con descarga comienza cargarse según. t= R*C
Cuando el proceso de carga hace que la tensión threshold suba por encima de 2/3Vcc, el comparador uno proporciona «1» mientras el comparador 2 un «0».
Esto crea una condición de memoria en el flip-flop con Q=1, con lo que el condensador será descargado rápidamente.
Por lo que el ancho de pulso de salida puede calcularse. TD = 1.1t
La terminal de control esta libre de manera que el umbral de duración del pulso queda fijado 2/3Vcc.
El condensador de 10nF solo se usa para filtrar el ruido en la tensión de control.
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CONFIGURACIÓN
COMO ESTABLE
Para el calculo de la
frecuencia de la forma
de onda cuadrada se
debe de considerar dos
tiempos en la forma de
onda
El t1 lo ubicamos en el
cambio de estado de «0»
a «1». El tiempo del
periodo para esta dado
con:
T1=(Ra+Rb)C
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CONFIGURACIÓN
COMO ESTABLE
Con lo que la condición
de Vt=2/3Vcc se alcanza
en un tiempo
Tr= t1*In(3)
Entonces el ancho de
pulso se puede variar
modificando los valores
de las resistencias y el
capacitor.
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CONFIGURACIÓN
COMO ESTABLE
Para el tiempo de cmabio
de estado de nivel alto a
nivel bajo se debe de
considerar un tiempo 2 el
cual esta dado por:
Donde t2=Rb*C
Entonces el ancho de
pulzo de bajada de la onda
cuadrada se puede
calcular con
Tf= t2*In(2)
Por lo que este ancho esta
determinado por la Rb y el
capacitor.
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CONFIGURACIÓN
COMO ESTABLE
Por ultimo la frecuencia
de oscilación de la
forma de onda cuadrada
esta determinada como
ya saben de los valores
de Ra, Rb y C
Fosc=
o
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CONFIGURACIÓN
COMO ESTABLE
El hecho de que este
oscilador no proporciona
una salida que está al
mismo tiempo en alto que
en bajo Tr=Tf.
Al cociente entre el tiempo
en alto y el periodo se le
conoce como duty cycle o
ciclo de trabajo.
Ajustando los valores de
Ra y Rb podremos obtener
duty cycles de algo mas
del 50% hasta valores
cercanos al 100%.
Ing. J
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