Automocion - Manual de Electronica
January 28, 2017 | Author: Carlos Suarez | Category: N/A
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS OPERACIONALES OPERACIONALES Los operacionales son circuitos integrados, que contienen varios transistores, diodos, resistencias y condensadores. Estos componentes están conectados de tal manera que se obtiene en la salida del operacional, la misma señal de tensión que se aplica a la entrada pero amplificada.
Circuito de un operacional referido a masa
Los operacionales tienen cinco terminales principales: -
Terminal inversor (-): es el terminal de entrada por la patilla negativa del operacional. Terminal no inversor (+): es el terminal de entrada por la patilla positiva del operacional. Terminales de alimentación: son dos terminales en los que se aplica la tensión de alimentación del operacional. Terminal de salida (Vs): es el terminal por el que sale la señal amplificada.
La ganancia de tensión de un amplificador operacional se representa en su símbolo como Gv. La entrada no inversora es V1 mientras que la entrada inversora es V2. Se denomina entrada diferencial a la caída de tensión entre los terminales positivo y negativo del operacional: Ven = V1 - V2
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Las tensiones V1, V2 y Vs son tensiones de nudo, lo que significa que siempre se miden con respecto a masa. La mayoría de las veces no se dibuja en el símbolo el terminal de masa, como muestra el siguiente gráfico:
Símbolo electrónico de un amplificador operacional
La entrada no inversora tiene un signo positivo, mientras que la entrada inversora tiene un signo negativo. La tensión diferencial de la entrada Ven aparece entre las entradas no inversora e inversora. La tensión de salida está dada por: Vs = Gv x Ven Es decir, la tensión de salida es igual a la tensión de entrada multiplicada por el valor de la ganancia de tensión (Gv). Los operacionales forman dos grandes tipos dependiendo de la forma de realimentarlos. La realimentación consiste en retornar la señal de tensión de salida a la entrada mediante un circuito adicional denominado circuito de realimentación. Este lazo de realimentación puede volver a la entrada inversora (terminal negativo) y se denomina realimentación negativa, o bien volver a la entrada no inversora (terminal positivo) y se llama realimentación positiva.
Esquema de un operacional con realimentación negativa
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Esquema de un operacional con realimentación positiva
Dependiendo del tipo de realimentación y de su circuito adicional, los operacionales pueden funcionar de diversas formas. La clasificación general dependiendo del tipo de realimentación, y a su vez dependiendo de la forma del circuito de realimentación es la siguiente: -
Realimentación negativa: * * * * * * * * *
-
Amplificador operacional inversor. Amplificador operacional no inversor. Sumador. Integrador. Diferenciador. Convertidor corriente/tensión. Convertidor tensión/corriente. Diferencial. Seguidor.
Realimentación positiva: * * * *
Comparador no inversor. Comparador inversor. Báscula inversora. Báscula no inversora.
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
MANUAL DE ELECTRÓNICA OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN NEGATIVA Dependiendo del circuito de realimentación, se consiguen circuitos operacionales que realizan diversas funciones. Los circuitos operacionales con realimentación negativa basan su función en la amplificación de señal, mientras que los circuitos operacionales con realimentación positiva funcionan como comparadores de señales. El bloque acondicionador de la señal procedente de un sensor, normalmente va a estar formado por la conexión de varios tipos de circuitos operacionales con diferentes tipos de realimentación.
AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN
Circuito amplificador no inversor
Este circuito amplifica la tensión de entrada y proporciona a la salida la tensión de entrada multiplicada por la ganancia de tensión. Esta ganancia de tensión viene determinada por el valor de las resistencias del circuito de realimentación, de tal manera que: Vs = Gv x Ve Gv = (R2 + R1) / R1 Vs = ((R2 + R1) / R1) x Ve
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Señales de entrada y salida en un amplificador operacional no inversor
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MANUAL DE ELECTRÓNICA AMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN
Circuito amplificador inversor
Este circuito amplifica la tensión de entrada pero la invierte, es decir, la cambia de signo. El valor de la ganancia de tensión depende del valor de las resistencias: Vs = Gv x Ve Gv = - (R2 / R1) Vs = - (R2 / R1) x Ve
Señales de entrada y salida en un amplificador operacional inversor
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SUMADOR
Circuito sumador
Una ventaja importante de los amplificadores inversores de tensión, es su capacidad de amplificar más de una señal de tensión a la vez. El circuito sumador aprovecha esta característica para amplificar y a la vez sumar varias tensiones de entrada: Para V1 => - (R / R1) x V1 Para V2 => - (R / R2) x V2 En la salida se suman todas las señales de entrada amplificadas e invertidas: Vs = - R x (V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn)
Señales de entrada al sumador
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Señal de salida del sumador
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MANUAL DE ELECTRÓNICA INTEGRADOR
Circuito integrador
El integrador es un circuito que ejecuta una operación matemática llamada integración. La aplicación más popular de un integrador es la destinada a producir una rampa de tensión, la cual incrementa o decrementa la tensión linealmente. Esto hace que al integrar una onda cuadrada se consiga una onda triangular.
Señales de entrada y salida en un integrador
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MANUAL DE ELECTRÓNICA DIFERENCIADOR
Circuito diferenciador
Un diferenciador es un circuito que ejecuta una operación llamada en matemáticas derivada. Esta operación es la contraria a la de integración, es decir, realiza el proceso inverso; produce una tensión de salida proporcional a la variación de la tensión de entrada respecto al tiempo. Aplicaciones comunes de un diferenciador son producir una salida rectangular a partir de una rampa de entrada (operación inversa a la realizada por el integrador) o detectar los flancos de subida y bajada de un pulso rectangular.
Señales de entrada y salida en un diferenciador
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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONVERTIDOR CORRIENTE / TENSIÓN
Circuito convertidor corriente/tensión
Este circuito transforma una señal de intensidad, aplicada a la entrada, en una señal de tensión (proporcionada a la salida). El valor de tensión a la salida depende del valor de la resistencia y del valor de la corriente en la entrada:
Señales de entrada y salida en un convertidor corriente/tensión
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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONVERTIDOR TENSIÓN / CORRIENTE
Circuito convertidor tensión/corriente
Este circuito realiza la función contraria al convertidor corriente / tensión, es decir, convierte una señal de tensión en una señal de intensidad. El valor de la intensidad de la salida depende de los valores de la resistencia del circuito de realimentación y de la tensión de entrada: Is = E / R
Señales de entrada y salida en un convertidor tensión/corriente
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MANUAL DE ELECTRÓNICA DIFERENCIAL
Circuito diferencial
Un circuito diferencial resta dos señales de entrada y amplifica el resultado. El factor de amplificación (ganancia de tensión) depende del valor de las resistencias. Siempre resta la señal de tensión de entrada del terminal no inversor (positivo) menos la tensión de entrada del terminal inversor (negativo): Vs = R2 / R1 x (V2 - V1)
Señales de entrada al diferencial
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Señal de salida del diferencial
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SEGUIDOR
Circuito seguidor
Este circuito proporciona a la salida la misma señal de tensión que existe a la entrada: Vs = Ve. Los seguidores se utilizan como protección para aislar etapas diferentes de un circuito. Por ejemplo, la señal de salida de una etapa ataca a la entrada de otra etapa distinta; la forma de separar la salida de la entrada (aunque en realidad se trate de la misma señal de tensión) es mediante un seguidor, de esta forma se consigue protección ante posibles interferencias y las dos etapas están completamente diferenciadas. El diagrama de bloques de un proceso de aislamiento y protección de dos etapas es el siguiente:
Diagrama de bloques del proceso de aislamiento mediante un seguidor
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MANUAL DE ELECTRÓNICA OPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN POSITIVA Los operacionales realimentados positivamente realizan la comparación de dos valores de tensión por lo que se llaman comparadores. Cuando la tensión de la entrada no inversora es mayor que la de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel alto. Cuando la tensión de la entrada no inversora es menor que la de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel bajo. Los valores de tensión alto y bajo proporcionados a la salida dependen del valor de la alimentación del operacional; por ejemplo, si el operacional se alimenta por sus dos terminales de alimentación con +Vcc uno y con -Vcc el otro (alimentación simétrica), el nivel alto de tensión a la salida es de valor +Vcc, y el nivel bajo es -Vcc. Otra forma de alimentar el operacional, denominada asimétrica, es alimentarlo con +Vcc y masa (cero voltios), con lo que el nivel alto de tensión a la salida es +Vcc, pero el nivel bajo de tensión a la salida es 0 voltios. Por lo tanto, la tensión de la entrada no inversora es mayor que la tensión de la entrada inversora cuando la tensión de salida del comparador está a nivel alto y no lo es cuando la tensión de salida está a nivel bajo.
Esquema de un operacional con realimentación positiva
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MANUAL DE ELECTRÓNICA COMPARADOR NO INVERSOR
Circuito comparador no inversor
Este circuito compara un valor de tensión de entrada con el valor cero voltios (terminal inversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensión de entrada (Ve) es mayor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es menor que cero voltios. Este comportamiento se referencia en una curva que se llama función de transferencia del comparador y que relaciona la tensión de entrada con la tensión de salida:
Función de transferencia de un comparador no inversor
Para poder comparar una tensión con un valor de tensión (Vref) distinto de cero, se coloca una pila del valor a comparar en el terminal inversor, en vez de conectarlo a masa.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Circuito comparador no inversor con tensión de referencia
La función de transferencia varía el valor de comparación, por lo que desplaza el eje vertical de la curva. Al valor de tensión sobre el que se compara se le denomina punto de conmutación, ya que es el punto en el que conmuta el valor de la tensión de salida del comparador.
Función de transferencia de un comparador no inversor con tensión de referencia
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MANUAL DE ELECTRÓNICA COMPARADOR INVERSOR
Circuito comparador inversor
Este circuito compara el valor cero voltios con un valor de tensión de entrada (terminal no inversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensión de entrada (Ve) es menor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es mayor que cero voltios. Este comportamiento es el inverso al del comparador no inversor, y también se referencia mediante su función de transferencia:
Función de transferencia de un comparador inversor
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Para poder comparar una tensión (Vref) distinta de cero con la tensión de entrada (conectada al terminal inversor), se coloca una pila del valor a comparar en el terminal no inversor, en vez de conectarlo a masa.
Circuito comparador inversor con tensión de referencia
La función de transferencia varía el punto de conmutación (desplaza su tramo vertical) hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de si el valor de Vref es negativo o positivo, respectivamente.
Función de transferencia de un comparador inversor con tensión de referencia
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MANUAL DE ELECTRÓNICA BASCULA NO INVERSORA
Circuito de báscula de Schmitt no inversora
Este circuito comparador se llama báscula Schmitt no inversora. Las básculas Schmitt son comparadores normales pero que al estar realimentados positivamente consiguen tener dos puntos de conmutación, uno superior y otro inferior. Su función de transferencia es la siguiente:
Función de transferencia de una báscula Schmitt no inversora
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Este circuito conmuta (cambia el valor de la tensión de salida) en dos puntos: V1 y V2. Estos valores de tensión dependen del valor de las resistencias del lazo de realimentación positiva, y del valor de la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vcc y -Vcc, los valores de la tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo): V1 = - (R1 / R2) x Vcc V2 = (R1 / R2) x Vcc Las básculas Schmitt son llamadas también comparadores con histéresis. La histéresis, o tensión de histéresis, es el valor de tensión que existe entre los dos puntos de conmutación (V1, V2); es decir, es la diferencia entre los dos valores de tensión que marca la anchura de la función de transferencia de la báscula: H = V2 - V1 Pero como los dos valores son iguales aunque de signo contrario, el valor de la histéresis será siempre el doble de uno de los dos valores de los puntos de conmutación: H = 2 x V2
Histéresis de una báscula Schmitt no inversora
El funcionamiento de este circuito es similar al de un comparador normal, pero con dos puntos de conmutación que influyen dependiendo del valor de tensión de entrada del que se proceda. La conmutación en la tensión de salida viene marcada por los sentidos de las flechas dibujadas sobre la función de transferencia de la báscula Schmitt. Si la tensión de entrada (Ve) es mayor que V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hasta que llega a ser igual que V1, momento en el que la salida pasa de valer +Vcc a valer - Vcc.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula no inversora
Por el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valor no conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto de conmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer -Vcc a valer +Vcc.
Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula no inversora
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MANUAL DE ELECTRÓNICA BASCULA INVERSORA
Circuito de báscula de Schmitt inversora
Este circuito comparador se llama báscula Schmitt inversora. Su función de transferencia es la siguiente:
Función de transferencia de una báscula Schmitt inversora
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Este circuito también conmuta el valor de la tensión de salida en dos puntos: V1 y V2, pero de forma inversa a como lo hace la báscula no inversora. Estos valores de tensión dependen del valor de las resistencias del lazo de realimentación positiva, y del valor de la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vcc y -Vcc, los valores de la tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo): V1 = - (R1 / R1 + R2) x Vcc V2 = (R1 / R1 + R2) x Vcc La tensión de histéresis de esta báscula vale también: H = V2 - V1 H = 2 x V2
Histéresis de una báscula Schmitt inversora
El funcionamiento de este circuito es similar al de la báscula no inversora, pero cambiando el sentido de conmutación en la función de transferencia. La conmutación en la tensión de salida viene marcada por los sentidos de las flechas dibujadas sobre la función de transferencia de la báscula Schmitt inversora. Si la tensión de entrada (Ve) es mayor que V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hasta que llega a ser igual que V1, momento en el que la salida pasa de valer -Vcc a valer +Vcc (al contrario que en la báscula no inversora).
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula inversora
Por el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valor no conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto de conmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer +Vcc a valer -Vcc.
Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula inversora
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Tanto en la báscula inversora como en la no inversora, para cambiar los puntos de conmutación y por lo tanto cambiar la histéresis de la báscula, hay que modificar los valores de las resistencias del lazo de realimentación positiva. Para modificar el eje central del rectángulo que representa la función de transferencia de las básculas, es decir, el punto medio del segmento formado por la histéresis (punto medio entre V1 y V2), simplemente hay que conectar una pila de tensión de valor Vref en el terminal que está conectado a masa. Por ejemplo, en una báscula no inversora se modifica el punto central de la histéresis a un valor Vref con el circuito siguiente:
Circuito de báscula no inversora con tensión de referencia
Con lo que su función de transferencia es ahora:
Función de transferencia de una báscula no inversora con tensión de referencia.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA MÓDULOS COMERCIALES Los códigos de numeración de los operacionales más utilizados son:
LF351 LF353 LF355 LF356 LF13741
LM10C LM11C LM301C LM307 LM308
LM318 LM324 LM348 LM358 LM709
LM741C LM747C LM748 LM1458 LM4250
NE531
TL071 TL072 TL074 TL082 TL084
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MANUAL DE ELECTRÓNICA TEMPORIZADOR ANALÓGICO-DIGITAL (LM555) El generador de base de tiempo o temporizador 555 es un integrado que combina en su interior un oscilador, dos comparadores, un biestable RS y un transistor bipolar. Este circuito interno permite diversas aplicaciones, pero fundamentalmente se utiliza para generar señales de tensión cuadradas.
TERMINALES DEL TEMPORIZADOR 555 El esquema del circuito integrado de este temporizador es el siguiente:
Terminales del temporizador 555
Sus ocho terminales son los siguientes: -
GND (1): este terminal es la conexión a masa del integrado. Disparo (2): es el terminal por el que se excita al temporizador, cuando necesita una tensión de disparo. Este terminal funciona con lógica negativa de entrada, es decir, es activo a nivel bajo. Salida (3): por este terminal se proporciona la tensión de salida (también se llama Q). Reset (4): al activar este terminal se resetea el temporizador con lo que se inicia de nuevo desde el principio el proceso que se esté realizando. Se activa a nivel bajo de tensión porque funciona con lógica negativa de entrada. Control (5): es un terminal de control. A este terminal, normalmente, se conecta un condensador de valor 0,01 mF (microfaradios). Umbral (6): este terminal determina la tensión de referencia a comparar de uno de los comparadores internos del temporizador. Descarga (7): este terminal es el colector del transistor bipolar interno del temporizador, se le denomina así porque permite la descarga de un condensador que se conecta a él. Alimentación (8): es el terminal por el que se alimenta con tensión (+Vcc) al temporizador 555.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA FUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLE El término monoestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados (de tensión): uno estable y otro inestable (también llamado metaestable). Un estado estable es aquel en el que la señal permanece inalterable indefinidamente; mientras que un estado inestable o metaestable es aquel en el que, por ser inestable, la tensión tiende a cambiar pasado un cierto tiempo.
Gráfico del primer estado estable
Por ejemplo, la bola de color azul se encuentra en un estado estable, porque si no se modifica su situación desde el exterior (empujándola), por sí misma no se mueve de la posición en la que está (posición estable).
Gráfico del estado inestable
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Pero si se empuja la bola hacia el interior del hoyo, se le fuerza a pasar a un estado inestable (bola en color rojo) porque se encuentra en una pendiente (zona inestable) y no puede permanecer quieta. La bola no permanece indefinidamente en el estado inestable, sino que busca el estado estable; por eso está un tiempo oscilando entre las dos pendientes, hasta que se para justo en la base del hoyo.
Gráfico del segundo estado estable
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Una vez que se ha parado en el fondo del hoyo, permanece quieta indefinidamente (bola de color verde) hasta que una fuerza exterior modifique su estado, por eso esta situación es también un estado estable. En electrónica sucede lo mismo con las tensiones de los circuitos multivibradores monoestables conocidos coloquialmente como monoestables. En el estado estable, la tensión de salida permanece constante durante un tiempo indefinido, hasta que desde el exterior se obliga a cambiar al circuito a un estado inestable (mediante un pico de tensión en la patilla de disparo); al cambiar al estado inestable, la tensión de salida cambia a otro valor y permanece en él durante un tiempo fijo (tiempo metaestable) y pasado este tiempo, la señal de salida vuelve a su valor estable por sí sola, hasta que se vuelva a efectuar un nuevo disparo de tensión.
Conexión de un temporizador 555 como monoestable
En este circuito el temporizador 555 funciona como un monoestable. La salida permanece con un valor de tensión constante de cero voltios (estado estable) hasta que se excita al temporizador por el terminal de disparo (2); en ese momento la tensión de salida pasa a valer +Vcc durante un periodo de tiempo determinado por el valor de la resistencia y del condensador conectado al terminal de umbral (6), y pasado ese tiempo, la tensión de salida vuelve a su estado estable, es decir, a valer cero voltios.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA La salida permanece en este estado hasta que se vuelva a realizar un disparo de tensión s o b r e e l t e r m i n a l 2 , t a l y c o m o m u e s t ra e l c r o n o g ra m a s i g u i e n t e :
Cronograma de funcionamiento del circuito monoestable
La tensión de disparo tiene que ser menor que 1/3 de Vcc para que el temporizador 555 conmute de estado. Los cambios de estado se consiguen mediante la carga y descarga del condensador conectado al terminal de umbral.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA FUNCIONAMIENTO COMO AESTABLE El término aestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados inestables (metaestables). En este proceso el valor de tensión varía por sí solo entre dos valores (dos estados) intermitentemente, ya que los dos valores son estados inestables.
Conexión de un temporizador 555 como aestable
En este circuito, la tensión de salida conmuta indefinidamente entre los valores de +Vcc y masa. Cuando la salida vale +Vcc, se mantiene en este valor un tiempo determinado definido por los valores del condensador (C) y las dos resistencias (Ra, Rb); pero al tratarse de un estado metaestable, el circuito conmuta automáticamente buscando un estado estable. Al conmutar, la salida pasa a valer cero, y se mantiene en este valor un tiempo determinado e igual al tiempo en que se mantiene a valor +Vcc (porque los valores del condensador y las resistencias no varían); pero terminado este tiempo, como se trata de un estado inestable, el circuito conmuta buscando otro estado, y la salida pasa a valer +Vcc, repitiéndose indefinidamente el proceso.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Cronograma de funcionamiento del circuito aestable.
En este circuito la salida conmuta indefinidamente sin necesidad de un disparo de tensión exterior, ya que los dos estados posibles son inestables y conmutan entre ellos automáticamente, buscando un posible estado estable que no existe.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA PUENTE DE WHEATSTONE La función básica de un puente es la de acondicionar la señal procedente de sensores que varían su resistencia respecto de una magnitud a medir. Transforma la variación de resistencia del sensor en valores de tensión o de corriente. Por ejemplo, una galga extensiométrica, utilizada para medir la presión ejercida sobre una determinada superficie, varía su resistencia eléctrica dependiendo del grado de presión a la que se vea sometida.
Diagrama de bloques de un sistema de tratamiento de señales analógicas
Todo sistema de instrumentación, orientado a la obtención de medidas referentes a sensores, tiene varios bloques de tratamiento de la información analógica proporcionada por el sensor. Estos bloques normalmente son: bloque sensor, bloque acondicionador y bloque amplificador. A la salida del bloque amplificador la señal de salida está preparada para ser convertida a información digital. La mayoría de los sensores más utilizados se basan en la variación de resistencia con la magnitud a medir.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA TERMINALES Y CONEXIÓN DEL PUENTE DE WHEATSTONE Un puente de Wheatstone está constituido por cuatro terminales: dos de alimentación del puente y otros dos desde los que se toma la señal de salida que ataca al circuito acondicionador.
Terminales de un Puente de Wheatstone
Las resistencias realmente no tienen un valor constante de x Ohmios, tienen un valor inicial denominado R0 y un valor añadido que depende de la magnitud. Para evitar errores en la medida, se crea un circuito específico denominado Puente de Wheatstone que consigue que el error en la medida sea lo menor posible. RX = R0 (1 + X) Rx = valor resistivo total R0 = resistencia inicial del sensor X = factor corrector de resistencia
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Puente de Wheatstone con sensor resistivo real (Rx)
El puente está diseñado para colocar tres resistencias y el sensor en una posición específica. Tiene dos terminales de alimentación (Vcc y masa) que generan una circulación de corriente por el puente; y otros dos terminales de salida denominados A y B, por donde se toma la medida de la variación de tensión.
Operando matemáticamente se llega a la siguiente ecuación: Vs = ((Vcc x K) / (K + 1)2 ) · X Vs = tensión de salida K = R2 / R0 = R1 / R4 X= valor de variación de la resistencia inicial R0 respecto de la magnitud a medir
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
MANUAL DE ELECTRÓNICA Tomando como elemento sensor una galga extensiométrica, su ecuación de comportamiento relaciona la magnitud resistiva con la magnitud de presión.
Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión)
Al aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste se encoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga y provocando una variación de resistencia. La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma: Rg = R0
x
( 1 + (K1x E)
Rg = resistencia de la galga R0 = resistencia inicial de la galga sin deformaciones K1 = constante que depende del material soporte E = deformación lineal de la galga El valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factor El que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señal de una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstone para obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entre los terminales A y B.
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
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MANUAL DE ELECTRÓNICA AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN Los amplificadores de instrumentación son amplificadores construidos a base de amplificadores operacionales que suelen colocarse en la salida de un Puente de Wheatstone para amplificar la tensión entre los terminales A y B del puente, y referir el valor de tensión a masa (cero voltios). Tienen la ventaja de regular la ganancia de tensión por medio de una resistencia variable de ajuste.
TERMINALES Y CONEXIÓN DE UN AMP. DE INSTRUMENTACIÓN Este tipo de amplificador tiene ocho terminales: tres de alimentación, dos para la entrada de tensión diferencial, dos para regular la ganancia y uno de salida.
Símbolo electrónico y terminales de un amplificador de instrumentación
Va, Vb: terminales de entrada de la tensión diferencial del puente. RG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de ganancia. Vo: tensión de salida referida a masa. La ganancia en tensión, es decir, el factor Gv que amplifica la señal de entrada diferencial tomada entre los terminales Va y Vb del amplificador de instrumentación, viene fijada por una resistencia variable, externa al amplificador, conectada entre los terminales RG1 y RG2. El amplificador de instrumentación tiene tres terminales de alimentación: dos terminales para dar cobertura al amplificador sobre la tensión diferencial Va-Vb (+Vcc y -Vcc) y otro terminal para referir la tensión de salida Vo a masa (GND).
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CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Por lo tanto la tensión de salida Vo es igual: Vd = Va - Vb Vo = Gv x Vd Se denomina Vd a la tensión diferencial tomada entre los terminales de salida del Puente de Wheatstone. Esta tensión de salida suele ser amplificada por medio de un amplificador de instrumentación, tal y como muestra el siguiente gráfico:
Conexionado de un Amplificador de Instrumentación con un puente acondicionador
VA, VB: terminales de entrada de la tensión diferencial del puente RG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de ganancia Vo: tensión de salida referida a masa La tensión Vo, salida del amplificador, es igual a la tensión de salida del puente (Vs) por la ganancia de tensión del amplificador. Así, por ejemplo, para una tensión de salida diferencial del puente de 20 microvoltios, si la ganancia está regulada en un valor de 1000, en la salida del amplificador se obtiene un valor de tensión de 20 milivoltios referidos a masa. El motivo fundamental del uso de amplificadores de instrumentación es el de hacer apreciables las variaciones de tensión, del orden de microvoltios, que experimenta el sensor colocado en el puente.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SENSORES SENSOR INDUCTIVO El sensor para la detección del número de revoluciones y fase del motor es del tipo inductivo, y opera a través de la variación de campo magnético generado por el paso de los dientes de una polea dentada del cigüeñal.+
1: 2: 3: 4: 5: 3: 6: 7:
sensor nº revoluciones y fase arrollamiento imán permanente cableado sensor nº revoluciones y fase corona dentada polea del cigüeñal tornillo fijación sensor señal del sensor referencia de fase
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Los dientes que pasan delante del campo magnético producen variaciones del entrehierro entre polea y sensor; por lo tanto el flujo disperso, que varía en concordancia, induce en las espiras del sensor una tensión alternada de forma senoidal cuya amplitud depende de la velocidad angular de la rueda fónica, del entrehierro entre diente y sensor, de la forma de los dientes, de las características magnéticas del sensor y del sistema de soporte.
Señal de salida del sensor inductivo
Proceso de acondicionamiento de la señal
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Señal de salida del circuito acondicionador
La señal de salida, que varía entre 0.5 y 100 voltios en función del número de revoluciones, es acondicionada por la unidad central de tal manera que obtenga una señal a cada paso por cero, y una oscilación rectangular de amplitud constante. El intervalo entre el inicio de un diente y el siguiente es de 6º, a excepción de la indicación de referencia, realizada mediante la eliminación de dos de los sesenta dientes de la polea. El hueco originado por la falta de los dos dientes suministra a la unidad central un punto de referencia del cigüeñal, y cada diente sucesivo de la corona dentada, comunica a la unidad central un incremento de su posición angular. La variación debida al paso de los dientes y de las ranuras genera una frecuencia de señales analógicas, es decir, fuerzas electromotrices que se generan en el sensor cada 6º, que se envían al circuito de acondicionamiento presente en la centralita, y se utilizan para reconocer el número de revoluciones motor y el P.M.S.
Diagrama de bloques del circuito acondicionador
El circuito de acondicionamiento está formado por un recortador de dos niveles, o un comparador analógico, que fija el nivel de tensión de salida entre cero y cinco voltios, es decir, prepara la señal procedente del sensor inductivo en valores fácilmente tratables por sistemas digitales (centralita de control).
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SENSOR PIEZOELÉCTRICO El sensor piezoeléctrico de detonación está creado con el objetivo de evitar problemas de picado de cilindros en el motor. Con objeto de reducir el consumo y aumentar el par motor, se procura conseguir compresiones altas. Sin embargo, a medida que aumenta la compresión, aumenta también el riesgo de que se originen inflamaciones incontroladas de la mezcla combustibleaire. Como consecuencia de ello se tiene una combustión detonante. Las vibraciones de la cámara de combustión son detectadas por el sensor, reconocidas por un circuito analizador y conducidas al circuito de regulación. En este caso, el dispositivo de regulación desplaza el momento de encendido, en la dirección de retardo, hasta que se desciende nuevamente por debajo del límite de detonación. El sensor de detonación es de tipo piezoeléctrico montado sobre el bloque motor en posición simétrica respecto a las parejas de cilindros 1-2 y 3-4. Dicha posición está determinada por la necesidad de detectar el nacimiento de la detonación de forma análoga para todos los cilindros. Cuando el motor detona, se generan vibraciones del bloque con una determinada frecuencia: estas vibraciones son transformadas por el sensor en una señal de tensión que es enviada a la centralita.
Circuito de regulación de control de “picado”
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Este sensor consta de un disco de cerámica piezoeléctrica, fabricada con masa sísmica, que puede ser un cristal de cuarzo, en un encapsulado plástico; la masa sísmica transmite las deformaciones que le han sido provocadas mediante vibraciones. Además, se necesita un circuito de regulación de detonaciones, como unidad de regulación separada o integrada en una unidad de control. El principio de funcionamiento de este sensor se basa en la polarización eléctrica de las moléculas de un cristal de cuarzo. En estado de reposo las moléculas no poseen una orientación particular, tal y como muestra la figura siguiente:
Moléculas de cristal de cuarzo sin polarizar
Cuando el cristal está sometido a una presión o a un choque, éstas se orientan de forma tanto más marcada cuanto más elevada es la presión a la que está sometido el cristal.
Moléculas de cristal de cuarzo polarizadas
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Esta orientación produce una tensión en los terminales del cristal que es acondicionada por un circuito de regulación que prepara la señal para que pueda ser tratada por la unidad de control.
Bloque acondicionador del sensor de detonaciones
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MANUAL DE ELECTRÓNICA A partir de las señales emitidas por el sensor se filtra y analiza la señal de detonación característica. La unidad de control asigna al correspondiente cilindro las señales que pasan a través del convertidor
Señales con detonaciones
En el punto de máxima compresión se produce el fenómeno de la detonación, por lo que la señal analógica de salida del sensor presenta fuertes variaciones en su frecuencia y amplitud. Esta señal es tratada por el circuito acondicionador para adecuar la señal a los valores de tensión de trabajo del conversor analógico-digital, es decir, reduce proporcionalmente los picos máximos de variación en la amplitud y aumenta la anchura de los picos (filtro e integrador). El ADC convierte la tensión analógica a digital y compara cada valor con el valor medio de tensión de los ciclos precedentes de cada cilindro.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SENSOR EFECTO HALL El efecto Hall consiste en que si un semiconductor recorrido por una corriente eléctrica se coloca en un campo magnético perpendicular a una corriente, se genera una fuerza electromotriz en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético. La tensión de alimentación es constante, cinco voltios, y la tensión generada está unida al campo magnético que actúa sobre el semiconductor, por lo tanto las variaciones de campo magnético producen variaciones en la fuerza electromotriz resultante o tensión Hall.
1. Deflector. 2. Material magnético. 3. Entrehierro. Sensor Efecto Hall
La variación de campo magnético es provocada por un rotor con diafragmas que, alternativamente, obstaculizan o permiten el paso de flujo magnético. La señal de tensión generada por el sensor de efecto Hall, es elaborada por un circuito acondicionador para proporcionarle a la centralita una señal cuadrada que varíe en torno a valores digitales (cero o cinco voltios).
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MANUAL DE ELECTRÓNICA El circuito acondicionador de la señal procedente del sensor efecto Hall está formado por los siguientes elementos: -
Un filtro, formado por la resistencia R1 y el condensador C1, que elimina componentes de frecuencia indeseables y elimina ruido eléctrico. Un condensador (C2) que estabiliza y alisa en tensión la señal procedente del filtro. Un circuito integrado IC1 formado por un montaje Tipo Darlington con transistores bipolares.
Circuito acondicionador del sensor Efecto Hall
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Circuito interno del integrado IC1
La señal procedente del sensor, una vez alisada y filtrada convenientemente, ataca la base del primer transistor T1 del montaje Darlington. Cuando una ranura del rotor se sitúa perpendicular al sensor, se permite el paso de flujo magnético con lo que se genera una tensión eléctrica que provoca la saturación del transistor dos del montaje Darlington con lo que en la salida diferencial Va-Vb se tiene un valor de aproximadamente 0,4 voltios que es la tensión colector emisor de saturación de cada transistor. En el caso de tener una zona del rotor que impida el paso de corriente, el montaje no se polariza y por lo tanto se tiene en la salida diferencial una Va-Vb igual a cinco voltios.
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Señal de tensión de salida del circuito acondicionador
La señal de salida es una señal cuadrada que varía en torno a valores digitales de cero o cinco voltios. Normalmente esta señal cuadrada se conecta a un contador digital, que informa a la centralita constantemente del número de impulsos recibidos.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SONDA LAMBDA El sensor denominado Sonda Lambda está orientado a optimizar la mezcla combustibleaire respecto de la potencia requerida. La presencia en los gases de escape de elementos contaminantes, perjudiciales para la salud se debe reducir. Los sistemas de control para el encendido y la preparación de la mezcla pueden mejorar en cierta medida la composición de los gases de escape, pero sólo es posible lograr una reducción substancial de los elementos contaminantes emitidos utilizando catalizadores de gases de escape. Estos sólo funcionan eficazmente con gasolina sin plomo y siempre que la combustión se realice de la mejor forma posible. El sistema Lambda regula el caudal de combustible inyectado, de tal forma que la mezcla aire-combustible permita una combustión perfecta y completa. Para caracterizar la mezcla combustible-aire se ha elegido el coeficiente de aire (lambda): = volumen de aire aspirado / necesidad teórica de aire Los posibles valores de
son los siguientes:
= 1: el volumen de aire aspirado corresponde al caudal de aire teóricamente necesario. -
-
< 1: falta de aire o mezcla rica. > 1: exceso de aire o mezcla pobre.
La potencia, el consumo y la composición de los gases de escape de un motor de gasolina dependen esencialmente de la composición de la mezcla combustible-aire. La combustión completa, utilizando gasolina, tiene lugar con una proporción de mezcla de aproximadamente 14:1 (14 Kg. de aire por 1 Kg. de gasolina); esta situación implica que = 1. En el margen de valores de en torno a 1 se consiguen los valores más favorables de CO y de HC, siendo al mismo tiempo el consumo de combustible muy favorable.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Gráfica de composición de gases de escape
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MANUAL DE ELECTRÓNICA La sonda Lambda está constituida por un cuerpo cerámico alojado en una carcasa que lo protege frente a efectos mecánicos indeseables. La parte exterior del cuerpo cerámico está en contacto con la corriente de gases de escape, estando la parte interior en contacto con el aire ambiente
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MANUAL DE ELECTRÓNICA El cuerpo está constituido por dióxido de circonio. Sus superficies llevan unos electrodos formados por una capa de platino de poco espesor permeable a los gases. En el lado expuesto a los gases de escape, la superficie va recubierta de una capa cerámica porosa que protege la superficie de los electrodos contra la suciedad debida a los residuos de la combustión que se encuentran en suspensión en los gases de escape. Mediante la sonda Lambda se puede medir el contenido de oxígeno de los gases de escape. La señal de la sonda es una medida de la composición de la mezcla.
Relación entre mezcla y tensión de la Sonda Lambda
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MANUAL DE ELECTRÓNICA El principio de funcionamiento de la sonda se basa en que el material cerámico utilizado se vuelve conductor para los iones de oxígeno a temperaturas superiores a 300ºC. Si el contenido de oxígeno no es igual a ambos lados de la sonda, entonces, debido a las propiedades características del material utilizado, se origina una curva de tensión con punto de inflexión y salto en el margen = 1.
Diagrama de impulsos para la regulación Lambda
El principio de funcionamiento eléctrico del circuito acondicionador de señal se basa en la utilización de comparadores analógicos. Para = 1 la tensión de salida de la sonda es de 400 mv. aproximadamente, este valor de tensión marca el límite entre mezcla rica y mezcla pobre, por lo que este valor es la tensión de referencia (Vref) del circuito acondicionador.
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Diagrama de bloques del circuito acondicionador
Si el valor de tensión de la sonda Lambda está por debajo de la tensión de referencia (Vref) la mezcla es pobre, en caso de que sea superior a Vref, aproximándose a 800 mv., la mezcla es rica. El circuito electrónico que cubre el acondicionamiento de señal es un amplificador de tensión seguido de un comparador inversor con tensión de referencia, alimentado entre 0 y 12 v. = 1, es decir, 400 mv El valor de Vref de comparación es el valor teórico para multiplicado por la ganancia del amplificador. Por ejemplo, si la ganancia de tensión (Gv) del amplificador es de 5, la tensión de referencia del comparador es de 2 voltios (400 mv x 5). Si la mezcla es rica, la tensión de salida del sensor es aproximadamente de 800 mv., al amplificarse con ganancia 5 se obtienen 4 voltios a la entrada del comparador. Al ser mayor que la tensión de referencia del comparador (4 v.), y tratarse de un comparador inversor, la salida es de 0 voltios (comparador alimentado entre 0 y 12 v.). Si la mezcla es pobre, el circuito acondicionador proporciona a su salida una tensión de 12 voltios.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA SENSOR DE PRESIÓN (GALGA EXTENSIOMETRICA) Los sensores de presión suelen fabricarse tomando como base elementos que varían su resistencia eléctrica con la deformación física; el más utilizado de estos elementos es la galga extensiométrica. En el automóvil pueden ir situados sobre elementos que soportan grandes presiones, con el fin de protección; o pueden ir situados sobre membranas, con el objetivo de calcular caudales de aire. La galga extensiométrica se compone de un hilo resistivo dispuesto en zig-zag sobre un material soporte, de manera que la deformación del material soporte se transmite a la galga, la cual se encoge o se estira variando su longitud, y por lo tanto su resistencia, ya que la resistencia varía según la ecuación: R = r x (L / S) R : resistencia eléctrica. r : resistividad característica del material. L : longitud del hilo. S : sección del hilo. Su ecuación de comportamiento relaciona la magnitud resistiva con la magnitud de presión.
Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión)
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Al aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste se encoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga y provocando una variación de resistencia. La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma: Rg = R0 x (1 + (K1x El)). Rg = resistencia de la galga. R0 = resistencia inicial de la galga sin deformaciones. K1 = constante que depende del material soporte. E = deformación lineal de la galga. El valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factor El que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señal de una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstone para obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entre los terminales A y B.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA APLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA TERMÓMETRO DIGITAL Mediante un sensor de temperatura NTC se mide la temperatura en cualquier elemento. El valor de tensión proporcionado por el sensor es acondicionado, y convertido a digital mediante un conversor ADC. Este valor digital direcciona una memoria EPROM y los datos de salida de esta memoria son los correspondientes al valor en grados de la temperatura medida. Utilizando decodificadores y displays de siete segmentos se visualiza el valor de la temperatura.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Circuito electrónico del termómetro digital.
La NTC se acondiciona, dependiendo de la temperatura mínima y máxima que puede soportar, mediante un puente de Wheatstone. La señal diferencial medida por este puente es amplificada y acondicionada adecuadamente mediante un amplificador de instrumentación de ganancia de tensión Gv. La señal de tensión acondicionada se transforma mediante un conversor analógico/digital (ADC) en un código binario. Este código direcciona una memoria EPROM previamente programada. Esta memoria EPROM tiene de longitud de palabra 16 bits, cuatro para las unidades, cuatro para las decenas, cuatro para las centenas, tres para los millares y uno para el signo. Cada posición de memoria tiene 16 bits que conforman el valor de una determinada temperatura. Dependiendo del código de direccionamiento proporcionado por el ADC, la memoria vuelca sobre los displays el valor decimal de temperatura correspondiente. El código proporcionado por la memoria EPROM es decodificado por cifras para poder actuar sobre cada uno de los displays, de manera que se ilumine la cifra correspondiente. La memoria se direcciona mediante nueve bits, ocho son proporcionados por el ADC y el noveno bits se selecciona externamente por el usuario. Dependiendo del valor de este último bit, la memoria vuelca los datos del valor de la temperatura en grados Celsius o en grados Fahrenheit.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA AVISADOR LUMINOSO DE RESERVA DE COMBUSTIBLE Un aforador mide la cantidad de combustible presente en el depósito. El aforador está formado por un potenciómetro angular cuyo cursor se mueve mecánicamente con el nivel de combustible por medio de un flotador. Cuando el nivel de combustible está en la zona de reserva, se enciende un testigo luminoso.
Avisador luminoso de reserva de combustible
El aforador varía su tensión de salida dependiendo de la cantidad de combustible. Este valor medido por el aforador es comparado con un valor de tensión de referencia, calculado en laboratorio, que se corresponde con la cantidad de combustible que se toma como nivel de reserva. El valor de la tensión de referencia se aplica mediante un potenciómetro al terminal de referencia del comparador; el valor de tensión proporcionado por el aforador se aplica al otro terminal del comparador. Dependiendo de si el valor de tensión proporcionado por el aforador supera o no el valor de tensión de referencia, el comparador da a su salida un valor bajo (masa) o alto (Vcc) de tensión respectivamente, ya que el comparador es inversor. Si el valor es alto el diodo LED se ilumina.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONTROL DE TEMPERATURA EN UN RECINTO El propósito de este tipo de control es mantener la temperatura de un recinto entre un valor máximo y mínimo constante. Este control actuaría sobre un actuador electromecánico que haría descender o ascender la temperatura para mantenerla dentro de su variación permitida; es decir, el circuito de control es el que avisa si la temperatura supera alguno de los valores límite de temperatura (máximo y mínimo).
Control de temperatura en un recinto
El sensor utilizado para medir la temperatura del recinto es el denominado LM35, este sensor proporciona una tensión diferencial (entre dos puntos) dependiendo de la temperatura que detecte. Las tensiones VA y VB proporcionadas por el sensor son restadas por medio del circuito diferencial, obteniendo a su salida una única tensión amplificada denominada VS1 referida a masa. Esta tensión se compara con un valor de tensión de referencia mediante una báscula Schmitt no inversora. El valor de tensión de referencia proporciona los valores de conmutación de la báscula, que se corresponden con la temperatura máxima y mínima permitida. Si se sobrepasa alguno de estos dos valores se enciende un indicador luminoso.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA MOTORES PASO A PASO El motor paso a paso, también llamado “Stepper motor”, es un dispositivo electromecánico cuyo eje gira en pasos angulares siguiendo unos impulsos eléctricos ordenados en número y velocidad. Las partes de que se compone son: un rotor, que puede ser un imán permanente, y un estator con arrollamientos o bobinados uniformemente distribuidos a lo largo de su superficie. El motor paso a paso gira un determinado ángulo cada vez que recibe un impulso eléctrico en una de sus bobinas. Este tipo de motores pueden considerarse motores digitales puesto que convierten información digital en movimientos mecánicos. Su uso es simple y presentan la ventaja de que al actuar en saltos de ángulo fijos, accionado directamente por los impulsos de control, se puede controlar en todo momento la posición del eje del motor. La difusión actual de los motores paso a paso está unida al desarrollo de microcontroladores cada vez más potentes y al hecho de ser controlables directamente por ordenadores.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO El principio de funcionamiento de un motor paso a paso se basa en la orientación de un imán permanente o un núcleo de hierro por la acción de un campo magnético (flujo magnético en el material ferromagnético del estator) producido por el paso de una corriente eléctrica.
Esquema interno de un motor paso a paso
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MANUAL DE ELECTRÓNICA La posición que toma el eje depende del número de bobinados existentes en el estator del motor y del número de polos del rotor. Si se alimentan en sucesión los arrollamientos o bobinados se crea un campo magnético giratorio que es seguido por el rotor. El sentido de la rotación lo marca el sentido de alimentación de los bobinados.
Estator de un motor paso a paso con cuatro bobinados.
Alimentando las bobinas según la secuencia A1-B1-A2-B2 se consigue que el eje del motor gire en sentido dextrógiro (a derechas) en pasos de 90º. Existen multitud de configuraciones posibles en la creación de motores paso a paso dependiendo del número de bobinas y del número de partes salientes del imán permanente. Los ángulos de paso estándar son los siguientes:
ÁNGULOS DE PASO 1,8º 3,75º 7,5º 15º
PASOS / VUELTA 200 96 48 24
Se puede realizar cualquier movimiento incremental siempre que sea múltiplo del ángulo de paso; por ejemplo: 6 pasos x 7,5 º/paso = 45º.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONTROL DE MOTORES PASO A PASO En el control del movimiento del rotor de un motor paso a paso hay que tener en cuenta varios aspectos, entre los más importantes figuran: -
Formas de accionamiento (pilotaje). Circuitos de alimentación de las bobinas del estator (drivers). Circuitos secuenciadores.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA FORMAS DE ACCIONAMIENTO La forma de accionar o pilotar un motor paso a paso depende únicamente de la construcción y la disposición de los bobinados en el estator.
Bobinado con toma intermedia
A, B y C: terminales de alimentación. L, L1 y L2: valores de inducción de la bobina dependiendo de los terminales de conexión. Los bobinados pueden ser fabricados con una toma intermedia; dependiendo de cómo estén conectados los terminales de la bobina y la toma intermedia, se tienen las siguientes conexiones:
Alimentación de bobina por terminales A y B
Alimentación de bobina por terminales A y C
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Alimentación de bobina por terminales B y C
Si la alimentación de la bobina se realiza entre los terminales A y B la bobina resultante es una bobina de valor L. De la misma manera si la alimentación de la bobina se realiza entre A y C, la bobina resultante es una bobina de valor L1. Cuando la alimentación de la bobina se realiza entre B y C, la bobina tiene un valor de L2.
-N: norte magnético. -S: sur magnético. -P, Q, R y S: bobinados del estator. -S1 y S2: conmutadores. Accionamiento unipolar de un motor paso a paso con bobinados con toma intermedia
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MANUAL DE ELECTRÓNICA En motores paso a paso con bobinados provistos de toma intermedia, el pilotaje es denominado “unipolar”. Con bobinados en el estator sin toma intermedia el pilotaje es “bipolar”. En el caso de pilotaje unipolar el circuito de alimentación debe tener dos conmutadores que conecten las líneas de alimentación. El conmutador S1 conecta las líneas de alimentación al bobinado P o al bobinado Q, mientras que el conmutador S2 conecta las líneas de alimentación a los bobinados R o S. La toma intermedia de ambas bobinas, está conectada a uno de los bornes de la fuente (borne positivo). El sentido de la corriente está determinado por el terminal (A, B, C, D) al que se conecta el otro borne de la fuente, que es el borne negativo (borne -).
P y R: bobinados del estator. S1, S2, S3 y S4: conmutadores. Accionamiento bipolar de un motor paso a paso.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA En los motores de accionamiento bipolar las bobinas no tienen toma central. El cambio de polaridad en el campo magnético producido por las bobinas del estator se obtiene cambiando el sentido de la corriente que circula por ellas, mediante la conmutación de las líneas de alimentación. Por lo tanto, se necesitan cuatro conmutadores. Con este pilotaje se obtiene un incremento del par, pero el control electrónico de estos motores es más complejo que el control unipolar ya que a elevadas velocidades se producen sobrecalentamientos. Este tipo de pilotaje es poco utilizado por el elevado número de transistores (dos por cada conmutador) que se necesitan. Para que el rotor de un motor paso a paso gire de una manera gradual, es necesario que la secuencia de conmutación en las líneas de alimentación de las bobinas P, Q, R, S (control unipolar) o R, S (control bipolar) debe generar un movimiento del rotor que varíe en ángulos múltiplos del ángulo de paso estándard del motor. Las variaciones de ángulo dependiendo de la conmutación de las líneas de alimentación de las bobinas del estator, en el caso de bobinas con toma intermedia, se presenta en el siguiente gráfico:
Accionamiento unipolar con alimentación de un solo bobinado
Detalle del rotor con referencia del movimiento
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MANUAL DE ELECTRÓNICA
Secuencia de alimentación del estator
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MANUAL DE ELECTRÓNICA Alimentando únicamente uno de los bobinados (R, S, P, Q,) se crea un flujo electromagnético en la zona del estator en la cual va arrollada la bobina, por lo tanto hay dos zonas por las que circula flujo electromagnético que son: estator PQ y estator RS. El flujo electromagnético es creado por la circulación de corriente a lo largo del material ferromagnético de que está compuesto el estator. El sentido de la corriente orienta el sentido del flujo en la misma dirección. El flujo electromagnético crea en el estator dos polos magnéticos, uno positivo (norte), que va a atraer al polo negativo (sur) del imán permanente del rotor, y otro negativo que va a atraer al polo positivo del rotor. Las fuerzas magnéticas generadas en el rotor producen el movimiento en el eje del motor. Alimentando el bobinado P del estator PQ, debido al sentido de la corriente que circula por la bobina P, sólo existen dos polos magnéticos en el estator. El sentido del flujo marca la zona de polarización norte y la zona de polarización sur del estator. El imán permanente del rotor orienta su norte con la zona sur del estator, generando un movimiento en el eje adosado a él. El estudio para una bobina es aplicable a cualquiera de los bobinados restantes (Q, R, S) pero teniendo en cuenta el sentido de la corriente y del flujo, y cómo va a estar polarizado cada estator (PQ, RS).
Accionamiento unipolar con alimentación de dos bobinados
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Detalle del rotor y referencia del movimiento
Secuencia de alimentación simultánea del estator
Tomando como base la creación de polos en el estator alimentando un solo bobinado, el estudio en casos de alimentación de dos bobinados simultáneamente, tiene como diferencias el incremento del número de polos que actúan sobre el imán permanente del rotor. Por ejemplo, en el supuesto de alimentar el bobinado P del estator PQ y el bobinado R del estator RS, se crean cuatro polos (dos norte y dos sur), los polos norte de ambos estator atraen hacia sí el polo sur del rotor, esta atracción genera en el eje del motor un giro de un ángulo igual al número de grados por paso.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA DRIVERS Son circuitos situados entre el motor y el circuito secuenciador cuya función va a ser la de conmutar la alimentación de los bobinados del motor. Los drivers contienen conmutadores que van a ser transistores funcionando en zona de corte o zona de saturación para que su comportamiento sea equivalente a un interruptor.
FASE 2: bobinado 2 del estator. A1, A2, A3 y A4: líneas de control. RELOJ: generador de impulsos cuadrados Esquema interno del driver de un bobinado de un motor paso a paso .
Los drivers, actualmente, integran los transistores y resistencias necesarias para que, trabajando con valores digitales a su entrada, conmute la alimentación de los bobinados del motor paso a paso. El montaje interno más utilizado es el montaje Darlington de transistores bipolares.
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MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS SECUENCIADORES Estos circuitos generan las secuencias en la alimentación de los bobinados de un motor paso a paso. Los circuitos secuenciadores son los circuitos de control de los drivers. Normalmente están formados por un integrado generador de impulsos, como puede ser un oscilador LM555, cuya salida va conectada a la entrada UP/DOWN de un contador binario.
Diagrama de bloques de un sistema electrónico basado en motores paso a paso
La salida binaria del contador va conectada a un decodificador binario que hace que en el Driver del motor paso a paso conmuten determinados transistores y estos a su vez varíen las líneas de alimentación de los bobinados del motor. La función del oscilador puede ser realizada, en aplicaciones complejas, por un microcontrolador que genera los impulsos eléctricos que incrementan el estado del contador binario.
MÓDULOS COMERCIALES La siguiente tabla muestra los tipos de motores, características y fabricantes que se dedican a su comercialización, en el mercado industrial de los motores paso a paso: FABRICANTE AOUSTIN GROUZET SIEMENS MINIWATT
ALIMENTACIÓN (Voltios) 2,5 - 40 6 - 24 24 - 48 24 - 48
PASO (Grados) 0,72 - 15 7,5 - 18 15 7,5 - 15
INERCIA ROTOR (gr/m2) 120 a 1.500 5,6 - 18 N/D N/D
PAR (N·cm) 37,4 a 1907 1,1 a 8,6 2,5 a 30 2,5 a 30
264
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