Electronica T5 Otros Sistemas Electronicos Analogicos

Departamento de Ingeniera Departamento de Ingeniera Elctrica, Electrnica y AutomticaElctrica, Electrnica y AutomticaEscuela PolitcnicaEscuela Politcnica

Horacio M. Gonzlez VelascoHoracio M. Gonzlez VelascoCurso 2014 / 2015Curso 2014 / 2015

ElectrnicaElectrnicaTema 5.Tema 5.

Otros sistemas electrnicos analgicosOtros sistemas electrnicos analgicos

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. Contenidos.Contenidos. 22 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Tema 5: ContenidosTema 5: Contenidos

1. Fuentes de alimentacin.

2. Generadores de seal.

3. Introduccin a los filtros.

Tema 5: Otros sistemas electrnicos analgicosTema 5: Otros sistemas electrnicos analgicos

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. 5.1. Fuentes de alimentacin.5.1. Fuentes de alimentacin. 44 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Fuentes de alimentacin de dc (I)Fuentes de alimentacin de dc (I)

Una fuente de alimentacin de dc es un circuito electrnico cuya funcin es aportar potencia al resto del sistema electrnico en forma de tensin y corriente continua.

La potencia se extrae generalmente de la red elctrica.

La tensin (corriente) continua debe ser lo ms estable posible (frente a cambios en la carga que se conecte) y libre de seales alternas.

Esquema general:


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Fuentes de alimentacin de dc (y II)Fuentes de alimentacin de dc (y II)

En este esquema se observan cuatro partes diferenciadas:

Transformador: su funcin es convertir la seal sinusoidal de la red a una tensin rms con unos cuantos voltios por encima de la tensin pretendida a la salida (ej. 8 V rms para una salida de 5 V de continua).

Rectificador: debe convertir la seal de alterna en una seal unipolar (solamente positiva o negativa, es decir, con valor medio no nulo).

Filtro: se encarga de reducir las variaciones existentes a la salida del recti-ficador. Suele ser un condensador que acta como filtro, reduciendo las componentes de alta frecuencia.

Regulador: como la salida del filtro todava tiene variaciones (rizado) se requiere un sistema que:

Reduzca ese rizado. Estabilice el voltaje de salida independientemente de la carga que se conecte.

Tr.

Rec. Reg.

Fil.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Transformador (I)Transformador (I)

El transformador es un dispositivo destinado a transmitir una potencia elctrica entre dos circuitos asegurando que ambos estn aislados.

Estructura fsica simple: est compuesto por dos arrollamientos bo-binados sobre una carcasa metlica o toroidal.

Estos arrollamientos se comportan como dos bobinas acopladas magnti-camente:

Es corriente que hayan dos o ms devanados en el secundario, inde-pendientes o no.

Primario Secundario

Comportamiento IDEAL


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Transformador (y II)Transformador (y II)

Parmetros prcticos que lo definen:

Potencia nominal: la que se puede obtener en el secundario de manera continua y sin sobrecalentamientos peligrosos.

Rendimiento: es la relacin entre la potencia entregada en el secundario y la potencia absorbida en el primario.

Aunque idealmente estas potencias deberan ser iguales, esto no es as debido a que hay prdidas en forma de calor en los conductores y en el ncleo.

Tensin primaria y secundaria: tensiones de alterna (y frecuencia) para las que est diseado el transformador.

En los pequeo transformadores, se obtiene ms tensin en los terminales del secundario en abierto que cuando se conecta la carga (debido a la resistencia de los arrollamientos y a las fugas magnticas).


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Rectificador Rectificador

Rectificador: es un circuito cuya funcin es convertir una seal sinu-soidal en una seal unipolar, la cual tendr una componente no nula de continua (valor medio).

Generalmente se construyen con diodos, y se colocan justamente detrs del transformador.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica

Salida(sin C)

Rectificador de media ondaRectificador de media onda

Salida(con C)

VTC(sin C)

Comentarios: Si vT es positivo, a partir de un determinado va-

lor (V) el diodo conduce. Para vT negativo, el diodo nunca conduce. Sin condensador, la respuesta a una sinusoide

recorta los semiperiodos negativos. Se observa un pequeo desplazamiento en los

semiperiodos positivos debido a V El condensador se coloca como filtro (ver diap.

anterior): en cada periodo se carga durante un instante y se descarga a travs de R.

D1 no conduce D1 conduce

V

VR



Salida(con C)

Rectificador de onda completaRectificador de onda completacon puente de diodoscon puente de diodos

Salida(sin C)

VTC(sin C)

Comentarios: Si vT es positivo, a partir de un determinado va-

lor (2V) los diodos D1 y D2 conducen. Para vT negativo, a partir de -2V) los diodos

D3 y D4 conducen. En el resto, no conducen. No se recortan los semiperiodos negativos. Igual que antes, el condensador se coloca

como filtro. El valor de VR resulta ser igual que antes:

V

VR

D3 y D4 conducen D1 y D2 cond.



Configuracin ms comn

ReguladorRegulador

Regulador: es un circuito cuya funcin es generar a su salida un volta-je de dc lo ms estable posible (partiendo de un voltaje de entrada que no lo es), sobre todo frente a:

Las variaciones (normalmente no muy grandes) del voltaje de entrada.

Las variaciones en la corriente que entrega a la carga en su salida.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Parmetros de rendimiento de los reguladoresParmetros de rendimiento de los reguladores

La capacidad que tienen un regulador para mantener una salida cons-tante se caracteriza mediante ciertos parmetros de rendimiento:

Regulacin de lnea: expresa la capacidad del circuito para mantener la salida constante cuando se producen variaciones en la entrada:

Regulacin de carga: da una medida de la capacidad del circuito para mantener la salida constante frente a cambios en la carga:

Normalmente se indica el valor de VO para un rango amplio de variacin de la otra variable (voltaje de entrada o corriente de carga).

donde VO es el cambio que resulta a la salida como consecuencia de un cambio VI a la entrada.

donde VO es el cambio que resulta a la salida como consecuencia de un cambio IL en la corriente de carga.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Regulador con diodo ZenerRegulador con diodo Zener

El esquema ms sencillo de regulador se construye con un diodo Zener:

suponiendo el diodo Zener en zona de ruptura

con lo cual

valores bajos ya que rZ es pequea (0-10 ) y rZ


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Circuitos integrados reguladoresCircuitos integrados reguladores

Los reguladores se pueden encontrar como circuitos integrados, y se clasifican considerando cuatro caractersticas:

Polaridad: se fabrican para generar a la salida voltajes positivos (ej.: se-rie LM341-XX / LM78XX) o negativos (ej.: LM79XX) respecto al terminal comn.

Voltaje de salida: podemos encontrarlos para voltajes fijos (los modelos anteriores) o variables (ej.: LM317).

Corriente de salida: se fabrican desde unos cuantos mA (modelos ante-riores) hasta 3-5 A (ej.: LM1085, ajustable y hasta 3 A).

Otros parmetros importantes:

Regulacin de lnea y de carga.

Rechazo al rizado.

Tensin requerida para mantener la regulacin de lnea (drop-out). Suele ser de 2-3 V por encima del valor nominal (excepto en los low drop-out).


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Familias Familias LM341-XX / LM78MXXLM341-XX / LM78MXX y y LM79XXLM79XX

Familia LM341-XX / LM78MXX : Existen modelos fijos para 5, 12 y 15 V de salida

(LM341-05/LM78M05, etc.). Corriente de salida de hasta 500 mA. Regulacin de lnea del orden de 50 /120 / 150 mV

en condiciones tpicas de funcionamiento. Regulacin de carga mxima de 100 / 150 / 300

mV. Voltaje mnimo de entrada de 7.2 / 14.5 / 17.6 V a

plena carga.

Familia LM79XX : Existen modelos fijos para -5, -12 y -15 V de salida

(LM7905 / LM7912 / LM7915). Corriente de salida de hasta 1.5 A. Regulacin de lnea de hasta 50 / 80 / 100 mV en

condiciones tpicas de funcionamiento. Regulacin de carga mxima de 100 / 200 / 200

mV. Voltaje mnimo de entrada de -6.1 / -13.1 / -16.1 V

a 1 A de carga.



Ejemplo de fuente de alimentacin completa:Ejemplo de fuente de alimentacin completa:fuente de alimentacin de +12 Vfuente de alimentacin de +12 V



Ejemplo de fuente de alimentacin completa:Ejemplo de fuente de alimentacin completa:fuente de alimentacin de fuente de alimentacin de 12 V y 12 V y 5 V5 V

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. 5.2. Generadores de seal.5.2. Generadores de seal. 1919 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los osciladoresIntroduccin a los osciladores

Los osciladoresosciladores son circuitos electrnicos que generan una seal pe-ridica (alterna) solamente mediante alimentacin de continua.

Ejemplos: En un televisor hay que generar dos seales en forma de diente de sierra,

una de 15.750 Hz y otra de 60 Hz para mover el haz de electrones (que forma la imagen) horizontal y verticalmente.

En los ordenadores hay osciladores que generan ondas cuadradas para regu-lar las transiciones lgicas (seales de reloj, del orden de Ghz).

Existen dos grandes categoras de generadores de seal:

Osciladores sinusoidales: generan las ondas sinusoidales utilizando mtodos basados en la realimentacin.

Osciladores de relajacin: emplean dispositivos con dos estados esta-bles (trigger de Schmitt) para cargar y descargar repetidamente un con-densador (fundamentalmente ondas cuadradas y triangulares).



Principios bsicos de los Principios bsicos de los osciladores sinusoidales (I)osciladores sinusoidales (I)

Los osciladores sinusoidales se construyen basndose en los amplifi-cadores realimentados, que son aquellos amplificadores que se ajus-tan al siguiente esquema de bloques

Con este esquema:

Si VI=0, solo puede generarse se-al si A(j)(j)=1 para algn va-lor de , en cuyo caso VO queda indeterminada.

Criterio de BARKHAUSENEn general se verifica para una nica frecuencia O



Principios bsicos de los Principios bsicos de los osciladores sinusoidales (y II)osciladores sinusoidales (y II)

Si consideramos el amplificador A en su zona de frecuencias medias, tenemos dos opciones:

Amplificador no inversor:

As el criterio queda:

Amplificador inversor:

Entonces el criterio queda:



Ejemplo de oscilador sinusoidal:Ejemplo de oscilador sinusoidal:oscilador con puente de Wien (I)oscilador con puente de Wien (I)

En este oscilador se utiliza:

Un amplificador no inversor de ganan-cia controlable.

Una red de realimentacin RC, para la cual:

Para que

Es decir, que el criterio slo se cumple para:



Ejemplo de oscilador sinusoidal:Ejemplo de oscilador sinusoidal:oscilador con puente de Wien (y II)oscilador con puente de Wien (y II)

Para que se verifique la otra parte del criterio:

Utilizando un amplificador no inversor con operacionales:

Normalmente se coloca un potencimetro en lugar de una de las resistencias.

Para iniciar la oscilacin se hace R2 > 2 R1 ligeramente (inestable: la amplitud de la oscilacin va creciendo). En las no linealidades del amplificador se redu-ce la ganancia y la amplitud se estabiliza.

Existen diseos que permiten un cierto control de la amplitud de la seal, in-troduciendo no linealidades en el amplificador mediante diodos.

Como en este caso entonces el criterio se verifica si

Entonces:


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Osciladores de relajacin. MultivibradoresOsciladores de relajacin. Multivibradores

Se denominan multivibradoresmultivibradores a unos circuitos con dos estados, que se basan en la realimentacin positiva, y que estn diseados para apli-caciones de temporizacin.

Se distinguen tres tipos:

Multivibrador biestable: tiene dos estados estables, y se requiere un comando externo para forzar cambios (flip-flops).

Multivibrador astable: tiene dos estados estables, y cambia espontne-amente entre uno y otro. Se denomina tambin multivibrador de oscilacin libre.

Multivibrador monoestable: circuito que es estable solamente en uno de sus estados. Si se fuerza al otro, vuelve al primero espontneamente tras un determinado tiempo.

generadores de onda cua-drada


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Multivibrador astable bsico (I)Multivibrador astable bsico (I)

El multivibrador astable ms bsico se puede construir aadiendo una red RC al trigger de Schmitt inversor:

Al principio tendremos vO=Vcc o bien vO=Vcc . Suponemos vO=Vcc .

En tal caso vP=VT , y el condensador se cargar a travs de la resistencia, tratando de alcanzar el voltaje Vcc (es decir, vN aumenta).

Al subir, como VT


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Multivibrador astable bsico (y II)Multivibrador astable bsico (y II)

Se puede demostrar que

Si se toma entonces

R1 = 8.6 kR2 = R = 10 k

C = 500 nFVCC = 15 V

VT

VT


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Generador de ondas triangularesGenerador de ondas triangulares

Se puede conseguir una onda triangular utilizando un integrador e in-troducindole a la entrada una onda cuadrada.

Suponiendo , y

es decir, si vi >0 la pendiente es negativa y si vi


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Circuito integrado temporizador Circuito integrado temporizador 555555

Los circuitos astables y monoestables se usan con frecuencia, as que se fabrican unos ICs, los tem-porizadores con los cuales es fcil construirlos.

El ejemplo ms representativo de temporizador es el 555

Caractersticas: Circuito integrado con 8 patas (no hay smbolo). Puede generar frecuencias de hasta 500 kHz. Se alimenta entre 4.5 V y 16 V. Las seales generadas tienen tiempos de subida y

bajada del orden de 100 ns. Configuracin astable: genera una onda cua-

drada no simtrica, de la cual se controla todo mediante tres componentes: RA, RB y C.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Circuito integrado generador de ondas Circuito integrado generador de ondas ICL8038ICL8038

Tambin existen circuitos integrados capaces de generar las formas de onda cuadrada, triangular y sinusoidal, con un mnimo de componentes.

Un ejemplo representativo es el ICL8038

Caractersticas: Circuito integrado con 14 patas (no hay smbolo). Puede generar a la vez una seal sinusoidal, cua-

drada y triangular, de frecuencia configurable me-diante unos cuantos componentes.

Genera frecuencias de hasta 300 kHz. Se alimenta con fuente simtrica (de +5 a +15) o

nica (de +10 a +30). La amplitud de salida de las seales depende de la alimentacin.

Si RA = RB = R, entonces

controla el duty cycle

controla la THD

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. 5.1. Introduccin a los filtros.5.1. Introduccin a los filtros. 3131 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (I)Introduccin a los filtros (I)

Un filtrofiltro es un sistema electrnico que procesa la seal de entrada en el espacio de la frecuencia, de modo que atena la amplitud de la seal de entrada para ciertas frecuencias, y no la vara para otras.

Es importante poder procesar seales en el espacio de la frecuencia: Toda seal se puede poner como suma de sinusoidales de diferentes amplitu-

des y frecuencias (anlisis de Fourier). En comunicaciones, se suele codificar la informacin en bandas de frecuencia.

Los filtros se caracterizan por su funcin de transferencia H(j). Podemos considerar 4 tipos, segn su comportamiento ideal esperado:

Filtro paso alto: |H(j)|=0 si < C y |H(j)| = 1 si > C Filtro paso bajo: |H(j)|=1 si < C y |H(j)| = 0 si > C Filtro paso banda: |H(j)|=1 si L < < H y |H(j)| = 0 para el resto Filtro rechazo de banda: |H(j)|=0 si L < < H y |H(j)| = 1 para el

resto.


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (II)Introduccin a los filtros (II)

Grficamente:


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (III)Introduccin a los filtros (III)

Ejemplo:

Paso bajo


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (IV)Introduccin a los filtros (IV)

Ejemplo:

Paso alto


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (V)Introduccin a los filtros (V)

Ejemplo:

Paso banda


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Introduccin a los filtros (y VI)Introduccin a los filtros (y VI)

Ejemplo:

Rechazo de banda


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Filtros pasivos y activos (I)Filtros pasivos y activos (I)

Existen dos filosofas en el diseo de los filtros

Diseo basado en componentes pasivos (resistencias, condensadores y bo-binas): filtros pasivos.

Diseo basado en OPAMPs, resistencias y condensadores, pero no bobinas: filtros activos.

Ejemplos: filtros paso bajo de segundo orden, pasivo y activo.

Filtro pasivo

Filtro activo


Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica Filtros pasivos y activos (y II)Filtros pasivos y activos (y II)

VENTAJAS de los filtros activos:

No unan bobinas (son los componentes pasivos menos ideales, suelen ser grandes y costosas, y tienen muchas limitaciones para integrarlas).

Pueden proporcionar ganancia de tensin, y se ajustan fcilmente.

No suelen provocar efectos de carga en la entrada y la salida.

INCONVENIENTES de los filtros activos:

Los OPAMPs tienen un ancho de banda finito, lo cual limita el funciona-miento de los filtros activos.

La saturacin de los OPAMPs limita la amplitud de las seales que se pue-den procesar.

Requieren fuentes de alimentacin de continua para los OPAMPs.

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. Bibliografa.Bibliografa. 3939 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica BIBLIOGRAFA (I)BIBLIOGRAFA (I)

A. R. Hambley. Electrnica. Prentice Hall, 2 edicin, 2001 (secciones 3.4, 3.7, 10.5 y 10.6 (fuentes), 9.11, 12.2 y 12.3 (generadores)).

N. R. Malik. Circuitos electrnicos. Anlisis, simulacin y diseo. Prentice Hall, 1998 (sec. 3.9 y 10.9 (fuentes), 9.7, 14.3 y 14.4 (generadores)).

J. M. Fiore. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Thomson, 2001 (caps. 8 (regulacin) y 9 (generadores)).

A. Sedra y K. C. Smith. Circuitos microelectrnicos. Oxford University Press, 4 edicin, 1999 (cap. 12, hasta 12.7 (generadores)).

S. Franco. Diseo con OPAMPs y circuitos integrados analgicos. McGraw-Hill, 3 ed., 2004 (introduccin del cap. 3 (filtros) y cap. 10 hasta 10.6 (generadores)).

REFERENCIAS BSICASREFERENCIAS BSICAS

Lee los libros

ElectrnicaElectrnicaTema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos.Tema 5. Otros sistemas electrnicos analgicos. Bibliografa.Bibliografa. 4040 de de 4040

Dpto. Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica.Escuela Politcnica BIBLIOGRAFA (y II)BIBLIOGRAFA (y II)

REFERENCIAS COMPLEMENTARIASREFERENCIAS COMPLEMENTARIAS

Lee los libros

M. Tooley. Electronic Circuits: Fundamentals and applications. Newnes (Elsevier), 3 ed., 2006 (captulos 6 y 9).

Pginas web de fabricantes de semiconductores:

National Semiconductors: http://www.national.com

Linear Technology: http://www.linear.com

Intersil: http://www.intersil.com

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