Optativa II Electrónica Operacional y de Potencia

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA: Ingeniería en Sistemas Automotrices, Ingeniería en Sistemas Computacionales
ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
SEMESTRE:
Séptimo
OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar circuitos de amplificadores operacionales con base en los dispositivos bipolares de efecto de
campo y optoelectrónicos, mejorando así los sistemas electrónicos y de potencia automotrices
CONTENIDO SINTÉTICO:
I. Introducción a los amplificadores operacionales.
II. Configuración del amplificador operacional (lazo abierto y cerrado).
III. Amplificadores diferenciales de instrumentación y amplificadores de uso especial.
IV. Introducción a la electrónica de potencia.
V. Convertidores.
VI. Electrónica de potencia en el automóvil.
METODOLOGÍA:
A través del método inductivo y deductivo, la discusión guiada, el análisis de medios y razonamiento
analógico y la interacción con el software de simulación el docente asesorará a los estudiantes para que
desarrollen
sistemas electrónicos automotrices, utilizando
los diferentes tipos de amplificadores
operacionales(OP-AMPS) y mediante el trabajo en equipo se realizarán prácticas y proyectos, utilizando
como material didáctico como: manuales, revistas especializadas en electrónica, libros y programas de
simulación avanzada que haga posible la integración de los aspectos teóricos y prácticos, por medio de
programas computacionales.
EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN:
Tres Exámenes departamentales
Entrega de tareas.
Prácticas de laboratorio.
BIBLIOGRAFÍA:
1.-Bogart, Theodore F. Jr, Macmillan, Merril; Lineal Electronics, Publishing Company,1999 págs. 455, ISBN:
56-452356.
2.-Bolton, W., Mecatrónica: Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica, Prentice Hall,
Tercera edición, México, 2003, págs.. 1460, SBN: 75-52364589.
3.-Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis; Electrónica: Teoría de Circuitos, Octava Edición, México, 2003
paginas 1850, ISBN: 256-79234625,.
4.-Coghlin, Robert F. and Drischoll, Fredrick F.; Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales,
Prentice Hall, 5ª. Ed, México, 1999. págs 893, ISBN: 446-79793146.
5.-Floyd, Thomas L.; Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, , Limusa, México, 1997
págs 982, ISBN: 895-643447615.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
ESCUELA:
SUPERIOR
DE
INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
CARRERA: Ingeniería en Sistemas Automotrices,
Ingeniería en Sistemas Computacionales.
OPCIÓN: Control de Sistemas Automotrices.
COORDINACIÓN:
DEPARTAMENTO:
ASIGNATURA: Electrónica operacional
potencia
SEMESTRE: Séptimo
CLAVE:
CRÉDITOS: 10.5
VIGENTE: Agosto 2010
TIPO DE ASIGNATURA: Teórico/Práctica
MODALIDAD: Presencial
y
de
TIEMPOS ASIGNADOS
HORAS/SEMANA/TEORÍA:
HORAS/SEMANA/PRÁCTICA:
4.5
1.5
HORAS/SEMESTRE/TEORÍA:
HORAS/SEMESTRE/PRÁCTICA:
81
27
HORAS/TOTALES:
108
PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO
POR: Colegio de Ingeniería en Sistemas Automotrices
REVISADO
POR:
Comisión
de
Programas
Académicos de ISISA
APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo
Escolar: Ing. Miguel Álvarez Montalvo, Ing. Jorge
Gómez Villarreal, M. en C. Jesús Reyes García, M en
C Miguel Ángel Rodríguez Zuno, M. en C. Arodí Rafael
Carballo Domínguez, Ing. Apolinar Francisco Cruz
Lázaro, Lic. Josefina González de la Riva y Ing.
Eusebio Vega Pérez
AUTORIZADO POR: Comisión de Programas
Académicos del Consejo General Consultivo del
IPN:
__________________________________________
Ing. Rodrigo de Jesús Serrano Domínguez
Secretario Técnico de la Comisión de Programas
Académicos
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ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia.
CLAVE:
HOJA: 3 DE 13
FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA
La electrónica operacional y de potencia ha tenido una intensa evolución durante las últimas tres décadas y ha
encontrado una amplia aplicación en desarrollos tecnológicos, industriales, comerciales, residenciales y
automotrices. En la actualidad, la electrónica operacional y de potencia responde a las necesidades de las
fuentes de alimentación conmutadas, que abarcan los sistemas de alimentación ininterrumpida, el control de
iluminación, etc. La miniaturización de circuitos es el principal enfoque de la electrónica de potencia, mientras
que la electrónica operacional identifica los dispositivos electrónicos analógicos y los amplificadores
operacionales para integrar la acción del control.
En la industria automotriz, todos estos dispositivos se muestran en los sistemas electrónicos del automóvil, tales
como el sistema de encendido, la iluminación, los sensores y actuadores, entre otros. La electrónica se ha
convertido en estándar de control en los vehículos y tiene impacto prácticamente en todos los sistemas. La
regulación ambiental y la creciente necesidad de mayores ahorros han dado como resultado el uso de la
electrónica en diversos sistemas del automóvil.
Esta materia tiene como antecedentes las asignaturas de: Química Básica, Química Aplicada, Análisis de
Circuitos CD y CA, Electrónica I y Electricidad y Electrónica Automotriz; como asignaturas consecuentes las
de: Sistemas de Control de Modelos Automotrices, Automóviles Eléctricos, Instrumentación Automotriz y son
asignaturas colaterales las de: Interfaces y Microcontroladores, Teoría del Control I
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA
Crear circuitos de amplificadores operacionales con base en los dispositivos bipolares de efecto de campo y
optoelectrónicos, mejorando así los sistemas electrónicos y de potencia automotrices.
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ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
No. UNIDAD: l
CLAVE:
HOJA: 4 DE 13
NOMBRE: Introducción a los amplificadores operacionales.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Analizar la estructura general, los parámetros ideales y reales del amplificador operacional (OP-AMPS) entre la
arquitectura de OP-AMPS, los modelos CAD del OP-AMPS, EWB & PSPICE, hojas de especificaciones para el
bosquejo de circuitos eléctricos
No.
TEMAS
TEMA
Conceptos básicos de los amplificadores
1.1
operacionales.
T
3.0
HORAS
P
EC
1.5
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
Tipos de OP-AMPS
de Voltaje
de Corriente
de Transconductancia
de Transimpedancia
1.5
1.5
1.5
1.3
Modelo ideal del OP- AMP
1.5
1.5
1.5
1.4
Arquitecturas de OP- AMPS (a bloques)
1.5
1.5
1.5.1
1.5.2
1.5.3
1.5.4
1.5.5
Parámetros ideales y reales del OP AMP
Terminales del OP-AMP
Encapsulado
Polarización
Hoja de especificaciones
Concepto de tierra virtual
3.0
3.0
1.5
1.6
Concepto de retroalimentación (positiva y negativa)
1.5
1.7
Modelo CAD del OP AMP, EWB & PSPICE
3.0
Subtotales
15.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
1.5
6.0
7.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
A partir de la discusión guiada el docente activa los conocimientos previos en la participación
interactiva entre los estudiantes para enlistar los conceptos básicos de los amplificadores operacionales
con ayuda de las tecnologías de la información que emplea el estudiante. El profesor asocia los conceptos con
parámetros ideales y reales de la arquitectura OP-AMPS y los modelos CAD del OP AMP, EWB & PSPICE. El
estudiante a partir de la relación que hace el docente soluciona de ejercicios en clase y extraclase.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Primer examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades I y II,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial.
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ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
No. UNIDAD: lI
CLAVE:
HOJA: 5 DE 13
NOMBRE: Configuración del amplificador operacional (lazo abierto y cerrado).
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Clasificar la respuesta a lazo cerrado y lazo abierto mediante el uso de simulaciones con herramientas CAD
para las configuraciones más importantes de los OP-AMPS.
No.
TEMA
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.1.9
2.1.10
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
TEMAS
Funciones lineales
Amplificador inversor
Seguidor de voltaje
Amplificador sumador inversor
Amplificador no-inversor
Amplificador sumador no-inversor
Amplificador restador
Amplificador integrador y derivador
Solución de ecuaciones diferenciales
Convertidor V/I y I/V
Funciones no-lineales
Circuitos de valor absoluto
Detectores de Pico
Recortadores
Amplificador logarítmico
Amplificador antilogarítmico
Multiplicador y Divisor
Generadores de funciones
Comparadores
Detectores de cruce por cero
Comparadores de nivel de voltaje positivo y negativo
Comparadores con histéresis
Aplicaciones de los detectores de voltaje
Consideraciones prácticas
Ajuste del voltaje de desviación
Respuesta en frecuencia a lazo abierto
Respuesta en frecuencia a lazo cerrado.
Subtotales
T
6.0
HORAS
P
1.5
1.5
3.0
1.5
1.5
3.0
1.5
16.5
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
1.5
4.5
1.5
EC
3.0
3.0
10.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
A partir de la interacción con el software de simulación, utilizar las tecnologías de la información para la
presentación de los conceptos básicos de las funciones y comparadores. El profesor demostrará las
configuraciones más importantes del OPAMP, por medio de programas computacionales. El estudiante realiza
prácticas en laboratorios y verifica las configuraciones más importantes de los OP-AMPS, elabora tareas y
trabajos en clase y extra clase.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Primer examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades I y II,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial
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ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
No. UNIDAD: lII
especial.
CLAVE:
HOJA: 7 DE 13
NOMBRE: Amplificadores diferenciales de instrumentación y amplificadores de uso
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Comparar los amplificadores diferenciales y de puente básico, para la medición de variables físicas.
No.
TEMAS
TEMA
Amplificador diferencial básico.
3.1
3.1.1 Amplificador de instrumentación.
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
T
3.0
HORAS
P
1.5
EC
3.0
Detección y medición mediante el amplificador de
instrumentación.
Medición de pequeños cambios en la resistencia.
Balanceo de un puente de sensores de deformación.
4.5
1.5
3.0
3.0
1.5
3.0
Amplificador de puente básico.
6.0
Subtotal:
16.5
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
1.5
4.5
10.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
A partir de la interacción con el software de simulación, utilizar las tecnologías de la información para enlistar
los conceptos de los amplificadores de instrumentación. El docente coordina la discusión y solución de
ejercicios en clase, se utilizan películas y videos para la representación de la medición y cambios en la
resistencia de los amplificadores así como el balanceo del puente de sensores. El estudiante realiza prácticas
en el laboratorio para la medición de variables físicas.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Segundo examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades III y IV,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial
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DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
No. UNIDAD: IV
CLAVE:
HOJA: 8 DE 13
NOMBRE: Introducción a la electrónica de potencia.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Aplicar los dispositivos semiconductores, diodos de potencia y convertidores en el área de control para la
ejecución de sistemas de automatización
No.
TEMA
Introducción.
4.1
TEMAS
T
1.5
Dispositivos semiconductores de potencia.
1.5
Diodos de potencia.
Tiristores de potencia.
Transistores de potencia BJT.
Mosfet de potencia.
4.5
4.4
IGBT.
1.5
4.5
Circuitos
de
control
de
semiconductores de potencia.
4.6
Descripción de los convertidores.
4.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
los
dispositivos
HORAS
P
EC
3.0
3.0
1.5
3.0
3.0
3.0
1.5
3.0
Subtotal:
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
15.0
6.0
9.0
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
A partir de la interacción con el software de simulación, el docente utiliza las tecnologías de la información
para mostrar los diversos dispositivos semiconductores de potencia, los circuitos de control de los mismos y la
descripción de los convertidores. El estudiante soluciona problemas de dispositivos semiconductores en
prácticas de laboratorio. El profesor coordinará las visitas industriales de los estudiantes.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Segundo examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades III y IV,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial
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DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
CLAVE:
No. UNIDAD: V
HOJA: 9 DE 13
NOMBRE: Convertidores.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
Diseñar circuitos inversores y choppers para la conversión de CA a CD y el control de motores.
No.
TEMAS
TEMA
Rectificadores monofásicos y polifásicos con carga
5.1
resistiva e inductiva.
T
1.5
5.2
5.2.1
Filtros en los convertidores de CA a CD.
Regulación de la señal de salida en los convertidores
no controlados.
3.0
5.3
5.3.1
3.0
5.3.2
Clasificación de los choppers.
Principios de operación de los choppers como
elevadores y reductores con carga RL.
Diseño de circuitos choppers.
5.4
5.4.1
5.4.2
Inversores monofásicos y trifásicos.
Técnicas de modulación para los inversores.
Diseño de circuitos inversores.
3.0
HORAS
P
1.5
EC
3.0
3.0
3.0
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
1.5
1.5
Subtotal:
12.0
4.5
7.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
A partir de la interacción con el software de simulación, el docente demuestra el funcionamiento de los
rectificadores monofásicos y polifásicos, así como los filtros de los convertidores CA a CD, El estudiante
soluciona problemas de circuitos inversores y choppers en el laboratorio. El profesor coordinará las visitas
industriales.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Tercer examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades V y VI,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
No. UNIDAD: VI
CLAVE:
HOJA: 10 DE 13
NOMBRE: Electrónica de potencia en el automóvil.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD.
Integrar los componentes pasivos, accionamientos eléctricos y los dispositivos semiconductores para
potencia eléctrica del automóvil
No.
TEMAS
TEMA
6.1
Dispositivos semiconductores.
T
1.5
6.2
Componentes pasivos.
1.5
6.3
Accionamientos eléctricos.
1.5
6.4
Integración de potencia en el automóvil.
1.5
Subtotal:
6.0
HORAS
P
EC
3.0
1.5
CLAVE
BIBLIOGRÁFICA
C1, B1, B2, B3, C4,
C5.
3.0
3.0
la
4.5
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Mediante el análisis de medios y razonamiento analógico el docente demuestra el uso de los dispositivos
electrónicos actuales en el mercado, para la integración de potencia en el automóvil apoyándose de las
tecnologías de la información y programas de computo. El estudiante integra los componentes pasivos,
accionamientos eléctricos y los dispositivos semiconductores en el laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Tercer examen departamental 40% de la calificación parcial comprende las unidades V y VI,
Participación en clase 5%
Solución de ejercicios 5% de la calificación parcial.
Prácticas y reportes de laboratorio, 50% de la calificación parcial.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
ASIGNATURA:
Electrónica operacional y de potencia
CLAVE:
HOJA:
11
DE
13
RELACIÓN DE PRÁCTICAS
PRÁCT.
No.
NOMBRE DE LA PRÁCTICA
UNIDAD
DURACIÓN
1.5
1
Tipos de OP-AMPS.
I
2
Modelo ideal del OP- AMP
I
1.5
3
Parámetros ideales y reales del OP AMP.
I
3.0
4
Funciones lineales.
II
1.5
5
Comparadores
II
1.5
6
Amplificador diferencial básico.
III
1.5
7
Detección y medición mediante el amplificador
de instrumentación.
III
1.5
8
Medición de
resistencia
III
1.5
IV
3.0
9
10
11
pequeños
cambios
en
la
Dispositivos semiconductores de potencia.
IGBT.
IV
3.0
Rectificadores monofásicos y polifásicos con
carga resistiva e inductiva
V
1.5
12
Clasificación de los choppers.
V
3.0
13
Accionamientos eléctricos.
VI
3.0
Subtotal:
27.0
LUGAR DE REALIZACIÓN
Todas las prácticas se
realizarán
en
el
Laboratorio relacionado,
según
la
Unidad
Académica en que se
imparta.
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ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
CLAVE:
HOJA: 12 DE 13
PERÍODO
UNIDAD
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Examen diagnóstico sin valor
1
I, ll,
Examen departamental 40%, participación en clase 5%,solución de ejercicios 5%
y prácticas y reportes de laboratorio, 50%
2
III, IV,
Examen departamental 40%, participación en clase 5%,solución de ejercicios 5%
y prácticas y reportes de laboratorio, 50%
3
V, VI,
Examen departamental 40%, participación en clase 5%,solución de ejercicios 5%
y prácticas y reportes de laboratorio, 50%
La calificación final será la suma obtenida de la teoría, laboratorio, y
participación en clase, tareas, trabajos y actividades extra clase.
La calificación final será acreditada siempre y cuando la calificación de teoría
y laboratorio sean aprobatorias.
CLAVE
1
B
X
C
BIBLIOGRAFÍA
Bogart, Theodore F. Jr, Macmillan, Merril; Lineal Electronics, págs. 455, Publishing
Company,1999, ISBN: 56-452356,
2
X
Bolton, W., Mecatrónica: Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y
eléctrica, Prentice Hall Tercera edición, México, 2003., págs. 1460, SBN: 7552364589.
3
X
Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis; Electrónica: Teoría de Circuitos, paginas
1850, ISBN: 256-79234625, Octava Edición, México, 2003.
4
X
Coghlin, Robert F. and Drischoll, Fredrick F.; Amplificadores Operacionales y
Circuitos Integrados Lineales, Prentice Hall. 5ª. Ed. México, 1999paginas 893, ISBN:
446-79793146
5
X
Floyd, Thomas L.; Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales,
Limusa, México, 1997.paginas 982, ISBN: 895-643447615,
6
X
Mohan, Ned, Undeland, T. M., Robbins W. P., Power electronics, converters,
applications and design, Ed. Jonh Wiley & Sons Inc, USA, 1995.paginas 1465, ISBN:
567-893123568
7
X
Rashid, Muhhamad H; Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones,
Prentice Hall, tercera edición, México, 2004, paginas 1236, ISBN: 32-15667889-78.
8
X
Velasco Ballano; Sistemas electrónicos de potencia. Electrónica de regulación y
control de potencia. Paraninfo, México, 1999, ISBN: 254-63556579-9.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR
PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA
1. DATOS GENERALES
ESCUELA: SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA, ESCUELA SUPERIOR DE CÓMPUTO
CARRERA: Ingeniería en Sistemas Automotrices, Ingeniería en Sistemas SEMESTRE:
Computacionales
BÁSICAS C. INGENIERÍA
ÁREA:
ACADEMIA:
D. INGENIERÍA
Sistemas Automotrices
Séptimo
C. SOC. y HUM.
ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia
ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO:
Licenciatura en Ingeniería en Electrónica, Ingeniería en
Control y Automatización, Ingeniería en Sistemas
Automotrices
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA:
Crear circuitos de amplificadores operacionales con base en los dispositivos bipolares de efecto de campo y
optoelectrónicos, mejorando así los sistemas electrónicos y de potencia automotrices.
3. PERFIL DOCENTE:
CONOCIMIENTOS
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
Desarrollo de proyectos
Electrónica operacional y
usando
amplificadores,
de potencia.
convertidores
y
Convertidores.
semiconductores.
Amplificadores.
Paquetería, programación
y diseño computacional.
HABILIDADES
Facilidad de comunicación
Manejo de grupo
Motivar al auto estudio el
razonamiento y la
investigación.
Realizar analogías y
Desarrollo
de comparaciones en forma
controladores. Proyectos simple
Manejo de los nuevos
de electrónica
modelos educativos y de
las TIC
3 años en la docencia o
experiencia en dar cursos.
ELABORÓ
________________________________
Ing. Omar Nava Rodríguez
PROFESOR COLABORADOR
REVISÓ
___________________________________
Ing. Guillermo Santillán Guevara
SUB DIRECTOR ACADEMICO
ACTITUDES
Compromiso social.
Responsabilidad.
Ética.
Superación docente y
profesional.
Cooperativa
Investigación
AUTORIZÓ
DIRECTOR DE LA UNIDAD
M. en C. Jesús Reyes García
FECHA: Agosto 2010