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 9 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 11 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 + 12 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) 13 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] 14 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- 15 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 + + 18 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 19 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