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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 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 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR 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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia No. UNIDAD: l HOJA: 4 DE 13 CLAVE: 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 act iva los conocim ient os previos en la part icipación int eract iva ent re los est udiant es 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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia No. UNIDAD: lI HOJA: 5 DE 13 CLAVE: 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 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia No. UNIDAD: lII especial. HOJA: 7 DE 13 CLAVE: 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 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia No. UNIDAD: IV HOJA: 8 DE 13 CLAVE: 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 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia HOJA: 9 DE 13 CLAVE: No. UNIDAD: V 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 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR ASIGNATURA: Electrónica operacional y de potencia No. UNIDAD: VI HOJA: 10 DE 13 CLAVE: 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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 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 Tipos de OP-AMPS. I 1.5 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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR 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. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 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