PARTE I SISTEMAS ANALÓGICOS

PARTE I
SISTEMAS ANALÓGICOS
Sistemas Electrónicos y Automáticos
4º Ingeniero Industrial
Índice
Introducción
Leyes fundamentales
Amplificador operacional
Convertidores A/D y D/A
Sistemas de adquisición de datos
Convertidores de potencia
2
Introducción: Definición
Un sistema electrónico es un conjunto de dispositivos y componentes electrónicos
con un número de entradas y salidas.
La principal misión de un sistema electrónico es el procesado de las señales de
entradas, a través del cual puede actuar sobre el exterior.
Sistema electrónico
Sensores
Actuadores
3
Introducción: Clasificación
Electrónica Analógica:
Transportar y procesar la información contenida en la señal analógica.
Uso de los transistores en su rango de amplificación.
Electrónica Digital:
Transportar y procesar la información contenida en la señal digital.
Uso de los transistores en su rango de corte y saturación.
4
3
2
1
Señal analógica
B2
B1
B0
Señal muestreada
Señales digitales
Electrónica de Potencia:
Aumentar la calidad de la potencia eléctrica.
Los circuitos analógicos y/o digitales se utilizan para controlar los circuitos de
potencia.
4
Leyes fundamentales I
Las magnitudes que se utilizan en Electrónica son:
Intensidad: cantidad de electrones que pasa a través de una sección del conductor
en la unidad de tiempo.
Tensión: trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una
partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.
V = V1 = V2
V = V1 + V2
V1
V2
1
2
I1
V1
1
I1
2
V2
I2
I = I 1 = I2
I2
I = I 1 + I2
3
2
1
4
6
5
5
Leyes fundamentales: Componentes
3
I1 = I2 = I6 = I3 + I4
2
I4 = I5
1
4
5
V1 + V2 + V3 + V6 = 0
V3 = V4 + V5
6
Fuentes de tensión y de intensidad
Vref
Fuentes variables:
Pulso
Sinusoide: V = Vamp·sin(wt+a)
Lineal a tramos
Fuentes constantes:
V = Vref
Componentes pasivos
R
Resistencia (Resistor):
V=R·I
C
Condensador (Capacitor):
I = C·dV/dt
6
Leyes fundamentales: Componentes II
Componentes activos
+
-
Diodo:
VD > 0 → VD = 0.7
VD < 0.7 → ID = 0
C
B
E
Transistor bipolar npn:
VBE < 0.7 → IB = IC = IE = 0
VBE = 0.7 y VBc < 0.7 → IC = β·IB
VBE = 0.7 y VBc = 0.7 → VCE = 0.2
Ejemplos de circuitos: filtro
R1
V1
C
R2
V1 + V = VR1 + VC + VR2 = I·R1 + VC + I·R2
I = C·dVC/dt
V1 + V = C·(R1 + R2)·dVC/dt + VC
V1 + V – VC = C·(R1 + R2)·dVC/dt
dt / C·(R1 + R2) = dVC/(V1 + V – VC)
7
Leyes fundamentales: filtro
V = V1 =>
t / C·(R1 + R2) = - ln(2·V1 – VC) + ln (2·V1)
VC = 2·V1·(1 - e-t / C·(R1 + R2))
V=-V1
t / C·(R1 + R2) = - ln( VC) + ln (Vmax)
VC = Vmax·e-t / C·(R1 + R2)
V1
-V1
Ejemplos de circuitos: rectificador de media onda
R
V = VD + VO = VD + I·R
V < 0.7 → I = 0 → VO = 0
V > 0.7 → VD = 0.7 → VO = V - VD
V1
-V1
8
Leyes fundamentales: amplificador
Rc
Vcc
Rb
Vo
Vcc = Rc·Ic + Vo → Vo = Vcc – Rc·Ic
Vi < 0.7 → I = 0 → Vo = Vcc
Vi > 0.7 → Ib = (Vi -0.7)/Rb
Vo = Vcc – (β
(β·Rc/Rb)(Vi-0.7)
Vi-Vo > 0.7 → Vo = 0.2
Vcc
Zo
V1
-V1
Zi
Vi
Av
Vo
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Amplificador operacional I
Un amplificador operacional es un dispositivo con las siguientes características:
Señal de entrada diferencial y una señal de salida
Impedancia de entrada infinita
+
Impedancia de salida nula
-
Ganancia infinita
Modelo de tierra virtual
El modelo de tierra virtual divide el comportamiento del amplificador en tres regiones:
Saturación positiva: V+ > V- → Vo = Vsat+
Saturación negativa: V+ < V- → Vo = Vsat-
Vsat+
Vo
Amplificación: V+ = V- → Ganancia infinita
La realimentación positiva saca al AO de la
zona de amplificación
Vi+-ViVsat-
10
Amplificador operacional: Ejemplos de operación
R2
Amplificador inversor
R1
-
Vi
Vo
+
Vi – Vo = (R1+R2)·I
V+ = 0 = VVi – V- = R1·I → I = Vi/R1
Vo = Vi – (R1+R2)·I = Vi -(R1+R2)·Vi/R1
Vo = -(R2/R1)·Vi
Amplificador no inversor
R2
Vi = V+
V-=Vi = R1·I --> I = Vi/R1
Vo = (R1+R2)·I = (1+R2/R1)·Vi
R1
Vo
Vi
+
Seguidor de tensión
Vi
Vo
+
Vi = V+
Vo = VVo = Vi
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Amplificador operacional: Ejemplos de operaciones aritméticas I
R2 >>
Integrador
C
R1
-
Vi
Vo
+
Derivador
R
V+ = 0
Vi = Vc
Vo = -R·I = -RC dVi/dt
C
Vi
V+ = 0
Vo = Vc
Vi = -R1·I = R1C dVo/dt

Vo = -(1/R1C)  Vi dt

Vo
+
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Amplificador operacional: Ejemplos de operaciones aritméticas II
Sumadores inversores
Ri2
R
Vi2
Ri1
-
Vi1
Vo
V+ = 0
Vo = R·I
Vi1 = -Ri1·I1
Vi2 = -Ri2·I2
I = I1+I2 --> Vo = -R(Vi1/Ri1 + Vi2/Ri2)
+
R2
-
Ri2
Vi2
Ri1
Sumadores no inversores
R1
Vo
+
Vi1
R3
Vi1 = Ri1·Ii1 + R3·(Ii1+Ii2)
Vi2 = Ri2·Ii2 + R3·(Ii1+Ii2)
Ii1 = (Vi1-Vi2+Ri2·Ii2)/Ri1
Ii2 = [(Ri1+R3)·Vi2-R3·Vi1]/[Ri1·Ri2+R3·(Ri1+Ri2)]
Ii1+Ii2 = (Vi1/Ri1+Vi2/Ri2)/(1+R3/Ri1+R3/Ri2)
V+ = R3·(Ii1+Ii2) =
R3·(Vi1/Ri1 + Vi2/Ri2)/(1+R3/Ri1+R3/Ri2)
V- = R2·I = R2·Vo/(R1+R2)
Vo = [(R1+R2)·R3/(R2·(1+R3/Ri1+R3/Ri2)]·(Vi1/Ri1 + Vi2/Ri2)
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Amplificador operacional: Ejemplos de operaciones aritméticas III
Ri2
R1
Vi2
Sumadores/restadores
V+ = R3·(Ii3+Ii4) =
R3·(Vi3/Ri3 + Vi4/Ri4)/(1+R3/Ri3+R3/Ri4)
Ri1
-
Vi1
Ri3
Vi3
+
Ri4
Vi4
R3
Vo Ii1 = (Vi1 – V-)/Ri1
Ii2 = (Vi2 – V-)/Ri2
Ii1+Ii2 = -(Vo – V-)/R1
(Vi1-V-)/Ri1 + (Vi2-V-)/Ri2 = -(Vo-V-)/R1
V-(1+R1/Ri1+R1/Ri2) = Vo+Vi1/Ri1+Vi2/Ri2
V- = (Vo+Vi1·R1/Ri1+Vi2·R1/Ri2)/(1+R1/Ri1+R1/Ri2)
V+ = V-
Vo = [(1+R1/Ri1+R1/Ri2)/(1+R3/Ri3+R3/Ri4)]·(Vi3·R3/Ri3 + Vi4·R3/Ri4) - [Vi1·R1/Ri1+Vi2/R1/Ri2]
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Amplificador operacional: Ejemplos de operaciones aritméticas IV
Comparadores
Vi1
+
Vi2
-
Vi1 > Vi2 → Vo = Vsat+
Vi1 < Vi2 → Vo = VsatVi1 = Vi2 → Vo = 0
Vo
Comparadores con histeresis
R2
R1
Vi
+
Vo
Vo = Vsat+ ó VsatV+ = Vi -R1·I = Vi + (R1/R2)·Vo = 0
Vi (Vo=Vsat+) = -(R1/R2)·Vsat+
Vi (Vo=Vsat-) = -(R1/R2)·Vsat-
Vsat+
-(R1/R2)·Vsat+
-(R1/R2)·Vsat-
Vsat-
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Convertidores analógico/digital
Un convertidor analógico/digital es un circuito que obtiene la codificación binaria de una
señal analógica.
Para evitar problemas transitorios, la señal analógica debe ser muestreada.
4
3
2
1
Señal analógica
Vin
Sample & Hold
B2
B1
B0
Señal muestreada
ADC
Señales digitales
Código binario
clk
16
Convertidores analógico/digital
+
Vref
R
+
-
clk
COD
C
Código binario
Vin
+
R
+
-
R
Rango dinámico: Vref – gnd
Resolución: Vref/nR
Nº bits: log2 (n+1)
-
17
Convertidores digital/analógico
Un convertidor digital/analógico es un circuito que obtiene el valor analógico a partir de un
código binario natural.
Valor = Σ2n·bi
2n·R
bn
2·R
R
R
b1
R
b0
-
R
Valor analógico
+
+
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Sistemas de adquisición de datos
Sensores
ADC
Sistema de
procesado digital
DAC
Acondicionamiento
de señal
Acondicionamiento
de señal
Entrada
Actuador
Sistema
Sistema
Salida
R
Diodos de protección
Amplificador
de intensidad
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Convertidores de potencia
Los convertidores de potencia son aquellos circuitos que tratan de evitar la pérdida de
calidad de la potencia eléctrica.
A veces es necesario convertir la señal de tensión en intensidad para evitar pérdidas
por la resistencia de la línea.
Rvar
+
R
Vin
+
-
Rvar
RL Vo
-
Vo = RL·I
I = Vin/R
Vo = -(RL/R)·Vin sin depender de la resistencia del cable Rvar
20