práctica 1 electrónica analógica

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

IIN

INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRICA

ÁREA: ELÉCTRICA - ELECTRÓNICA

ELECTRÓNICA

ANALÓGICA

PRÁCTICA 1 DE LABORATORIO

EQUIPO 8

GRUPO: 1701

PROFESOR: ING. JOSÉ UBALDO

RAMÍREZ URIZAR

Fecha de entrega: 23- Septiembre-2013

SEMESTRE 2014-I



ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Semestre: 2014-I

OBJETIVO:

Diseñar, simular y construir cada uno de los circuitos mencionados dentro de ésta práctica

de laboratorio; para así poder comparar resultados en sus diferentes etapas, y

posteriormente analizar su comportamiento y las características principales de cada uno

de ellos

Crear una relación entre los conocimientos adquiridos de forma teórica y práctica.

INTRODUCCIÓN

Tratar de resumir cada uno de los conocimientos adquiridos hasta ahora en una sola práctica

resulta sumamente interesante, ya que cada tema en especial guarda una relación muy

importante con los demás; es por ello que se deben de conocer las bases necesarias dentro de la

electrónica analógica para poder así adentrarse en el mundo del diseño.

Para el diseño de los amplificadores operacionales se utilizan diversas técnicas de fabricación. Al

principio solo se disponía de transistores bipolares, en tanto que actualmente se dispone de un

cumulo de dispositivos en los que se utilizan transistores de efecto de campo dentro del

amplificador operacional.

Los amplificadores operacionales diseñados con entradas bipolares o salidas complementarias

MOS, apropiadamente denominadas BiMOS son más rápidos y tienen una mejor respuesta a la

frecuencia que los amplificadores operacionales de propósito general.

El amplificador operacional 741 se ha utilizado durante muchos años y aun es un excelente

dispositivo para iniciar el estudio de los amplificadores operacionales, ya que no resulta caro, es

resistente y se consigue fácilmente, el símbolo del amplificador operacional es el siguiente

Podemos tener un amplificador inversor si el voltaje de entrada lo conectamos a la pata negativa

(entrada inversora) y un amplificador no inversor si conectamos a la pata positiva (entrada no

inversora).

http://www.google.com.mx/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=fhbqPoi9eo1nGM&tbnid=zTgc8UIQ_-ttMM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://perso.wanadoo.es/jalons3/curso/741.htm&ei=UsM_UpnqN8SVygGu4YGoDw&psig=AFQjCNH0OwZyQQi-ZFN4ziftF8IaoY3bvQ&ust=1379996882951390




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El amplificador operacional ideal cumple con la siguiente dos características:

1. La ganancia en lazo abierto A es infinita 2. Las resistencias que se ven desde cada uno de los terminales de entrada son infinitas o, lo

que es lo mismo, las intensidades de entrada I- e I+ son nulas. Con el amplificador operacional podemos diseñar un amplificador integrador o un derivador los cuales tendrán las siguientes características en forma ideal.

Integrador ideal

Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo) El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el capacitor hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.

Derivador ideal

Deriva e invierte la señal respecto al tiempo. Este circuito también se usa como filtro. Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampintegrating.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Opampdifferentiating.png




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DESARROLLO EXPERIMENTAL 1

1. Se diseñó un integrador y un derivador dado que la señal de entrada es una señal

senoidal con una amplitud de 4 y una frecuencia de 2.6 KHz.

a) Se graficó en papel milimetrico la señal de entrada y salida para cada uno de los circuitos

si las señales de entrada son: cuadrada, senoidal y triangular anotando su amplitud y

frecuencia.

NOTA: Para un mejor orden dentro del reporte, hemos decidido colocar en forma separada el

material y equipo utilizado para cada uno de los circuitos propuestos en ésta práctica.

INTEGRADOR

EQUIPO

1 Generador de funciones

1 Osciloscopio

1 Fuente de voltaje de CD

MATERIAL

Alambres y cables para conexiones Tableta de conexiones 1 Resistencia de 3.3 1 Resistencia de 39 1 Resistencia de 15 1 Capacitor de 0.1 1 C.I. LM741

1. Para poder realizar el diseño del integrador en primer lugar, tomamos como referencia las

siguientes características:

Un buen integrador actúa como tal, en la gama de frecuencias comprendidas entre y .




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Para una mejor linealidad la frecuencia de la señal de entrada (Equipo 8 = 2.6 Hz) deberá ser al menos 10 veces la frecuencia , esto implica que es al menos 10 veces mayor que .

Dado que debe de ser al menos 10

es al menos 260

Suponiendo

Ajustando el valor de a un valor de resistencia comercial

Dado que




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Pero como la frecuencia de entrada se debe de encontrar dentro del rango comprendido entre

y , debemos de aumentar el valor de disminuyendo el valor de , así que:

Y así tenemos

Para evitar el ruido en nuestra señal de salida hemos decidido colocar una resistencia que tenga

como función anularlo

Para obtenerla realizamos lo siguiente:

La resistencia de ruido calculada anteriormente reduce el mínimo ruido en el circuito, pero por

seguridad nosotros decidimos colocar una resistencia 3 veces mayor.

Y así finalmente




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Polarizando nuestro C.I. LM741 a se administró una señal senoidal con una amplitud de en la entrada de dicho integrador, por consecuencia pudimos observar en la salida una señal cosenoidal.

CH1= [V]

CH2= [mV]




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De manera consecuente si la señal de entrada es triangular, el integrador se encargará de proporcionar en la salida una señal formada a base de parábolas como se muestra a continuación.

CH1= ( ) CH2= ( )




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Por último colocamos a la entrada de nuestro integrador una señal cuadrada, para así obtener en su salida una señal triangular.

CH1= ( )

CH2= ( )




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CONCLUSIONES DISEÑO 1 (INTEGRADOR): La función que cumple el amplificador como integrador guarda una relación como tal y como su nombre lo indica, de integrar cada intervalo de la señal de entrada, además de que al ingresar nuestra señal en la entrada negativa del amplificador provoca que en la salida, nuestra señal se encuentre desfasada 180°. También en algunos casos un circuito integrador cumple con la función alterna de un circuito pasa bajas, pero para ello debe de cumplir con requisitos más específicos en lo que respecta al valor de sus componentes; también podemos comentar que existen pequeñas variaciones entre los valores obtenidos en cada una de las mediciones con respecto al análisis teórico y sus correspondientes simulaciones; esto se debe principalmente al ruido de nuestro sistema provocado en gran medida por los elementos que se encuentran en acción, pero a pesar de ello podemos concluir que se cumplió el objetivo del circuito, el cual era conocer sus características y comparar dichos resultados con los analizados en clase.

DERIVADOR EQUIPO


1 Osciloscopio


MATERIAL

Alambres y cables para conexiones Tableta de conexiones 1 Resistencia de 3.9 1 Resistencia de 220 1 Resistencia de 220 1 Capacitor de 0.1 1 C.I. LM741




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2. Para el diseño de nuestro circuito derivador tomamos las siguientes consideraciones:

Un circuito actúa como un buen derivador si la constante de tiempo es

aproximadamente igual al periodo de la señal de entrada del derivador

.

Suponiendo

Aproximando el valor de a una resistencia comercial

Dado que se debe de encontrar entre y

Para mantener a dentro del rango, colocamos en una resistencia que permitiera dicho acceso, ya que como es posible denotar es inversamente proporcional a éste valor Así que:




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Al ingresar una señal senoidal en la entrada de un derivador, por consecuencia se pudo observar en la salida una señal cosenoidal.

CH1=

CH2=




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Si la señal de entrada es triangular, el derivador se encargará de proporcionar en la salida una señal cuadrada como se muestra a continuación.

CH1= ( ) CH2= ( )




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Por último al colocar a la entrada de nuestro derivador una señal cuadrada, se obtuvo una señal a la salida a base de pulsos como se muestra en la siguiente imagen.

CH1 = ( )

CH1 = ( )




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CONCLUSIONES DISEÑO 1 (DERIVADOR): Nuestro circuito derivador, de forma matemática, visual y estructural funciona inversamente a un integrador; si esto sucede así, podemos decir que algún caso especial funciona como un filtro pasa altas. Podemos observar de manera escalonada como cada una de las señales guarda relación con la anterior, y también es cierto que no podemos obtener tal cual una gráfica exacta sin variación, pero el objetivo de nuestro circuito es observar sus características, y la función que tiene como tal. Así como en el integrador nuestras graficas presentan ruido, y algunas parecieran no resultar como esperábamos, como es el caso de la señal cuadrada y la formada a base pulsos, pero debemos de entender que nos encontramos en situaciones reales donde existen variaciones ajenas a nuestro diseño, y que nos permiten entender que algunas veces hay una diferencia abismal entre los cálculos hechos dentro de la teoría, y los datos obtenidos en la práctica.

b) Se acoplo el integrador con el derivador como se muestra en el diagrama de bloques y se

graficó las señales y .




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Figura Vi-V2 (Senoidal)




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Figura Vi-V2 (Triangular)




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Figura Vi-V2 (Cuadrada)

c) Invierta el integrador y derivador y repita el paso anterior.




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Figura Vi- V2 (Senoidal)




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Figura Vi- V2 (Triangular)




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Figura Vi- V2 (Cuadrada)

CONCLUSIONES DISEÑO 1 (ACOPLO INTEGRADOR-DERIVADOR Y DERIVADOR-INTEGRADOR): Resulta interesante acoplar los circuitos construidos anteriormente y darse cuenta de que así como en el cálculo diferencial la operación o función inversa de un integrador es




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la derivación. Cada uno de los dos circuitos de forma separada invierte la señal, o dicho de otra manera, desfasa la señal 180°; entonces como consecuencia al unir o acoplar los circuitos, está característica de un amplificador será anulada por el otro. Es posible que las ganancias varíen ya que no se diseñaron específicamente para anular dichas amplitudes, si no para darse cuenta de que su función es totalmente inversa aunque en la vida práctica se observen pequeñas variaciones.


2.- Utilizando un Amp-Op diseñe una compuerta OR con un voltaje de salida 5v.

EQUIPO


MATERIAL

Alambres y cables para conexiones Tableta de conexiones 2 Resistencias de 1 2 Resistencias de 10 1 Resistencia de 12 1 Diodo LED 1 Diodos zener 5V 1 C.I. LM741

Para el diseño de nuestra compuerta OR, analizamos la tabla de verdad correspondiente a

dicha compuerta.

S1 S2 Salida Voltaje Salida

0 0 0 0

0 1 1 5 V

1 0 1 5 V

1 1 1 5 V

Retomando la estructura del circuito comparador visto en clase; podemos definir su

funcionamiento analizando cada una de sus entradas.




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Y así tenemos

No inversor Inversor

Tomando como referencia lo anterior diseñamos nuestro circuito de la siguiente manera.

Dado que nuestro voltaje es ingresado en la entrada positiva podemos determinar que es un

circuito comparador no inversor; por lo tanto dicho diseño queda delimitado por la formula dada

anteriormente.

Y delimitando el voltaje de referencia con el divisor de voltaje siguiente:

Haciendo un análisis con respecto a nuestra formula, deducimos que en el caso en el cual

cualquiera de los dos switches o incluso los dos estén cerrados, el voltaje deberá de ser mayor

que el voltaje de referencia, para que así con ello el voltaje de salida dependa del voltaje positivo

de polarización de nuestro C.I LM741.

Para elegir el valor de la resistencias en cada uno de los divisores de voltajes enlazados por cada

switch, hicimos una relación con respecto al ya elegido, y llegamos a la conclusión que el

colocar el mismo valor de las resistencias de dicho divisor, provocaría en dos de los casos (cuando

uno de los switches se encontrara cerrado) que nuestra salida fuese cero; es por ello que




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decidimos colocar valores de resistencia un poco más pequeña para aumentar el voltaje ya que

dicha relación entre resistencia y voltaje es directamente proporcional.

Y así tenemos

Dado que cualquiera de los dos switch están cerrados

Cuando los dos switch están cerrados

En los tres casos tenemos:

Para evitar en el primer caso obtener un valor negativo de 5 Volts a la salida, se colocó un diodo

zener polarizado inversamente para evitar esté posible error. (Exclusivamente para una mejor

visualización del funcionamiento se colocó un LED en la salida).

S1 cerrado, S2 abierto (LED encendido)




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S1 abierto, S2 cerrado (LED encendido)

S1 y S2 cerrados ( Vs 5 Volts)




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S1 y S2 abiertos (LED apagado)

CONCLUSIONES DISEÑO 2 (COMPUERTA OR): Para poder realizar el circuito anterior hicimos uso de conocimientos adquiridos en asignaturas anteriores como lo son: diseño lógico, dispositivos electrónicos así como también de algunos conceptos básicos de análisis de circuitos eléctricos. Los fundamentos del diseño anterior se encuentran en los amplificadores que son utilizados como comparadores; dentro de los cuales podemos definirlos como inversores y no inversores según el análisis de sus entradas. Para la compuerta anterior utilizamos un comparador no inversor, con dos switches de entrada, de tal manera que al activar cualquiera de los dos o incluso los dos en la salida encontremos un voltaje de 5 volts debido a la polarización de nuestro circuito integrado. Podemos observar que no exactamente obtenemos el valor deseado a la salida del sistema, problema probablemente causado por la resistencia interna del Amp-Op, además de que para eliminar el valor negativo a la salida por no presionar ningún interruptor, colocamos un diodo zener, lo cual es causa también de una perdida de voltaje. Pero como hemos mencionado, el circuito cumplió con su objetivo principal, el cual es funcionar como una compuerta lógica OR.


3. La señal de entrada del siguiente circuito tiene la forma de onda triangular con una

frecuencia de 16 Hz y una amplitud de 6 ¿Cuánto tiempo está encendida la luz

verde y cuanto la roja?

EQUIPO



1 Osciloscopio




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MATERIAL

Alambres y cables para conexiones Tableta de conexiones 1 Resistencia de 39 1 Resistencia de 5.6 2 Resistencias de 680 1 C.I. LM741

En primera instancia antes de armar nuestro circuito realizamos en el análisis teórico del mismo.

Como pudimos observar nos encontramos con un circuito comparador no inversor ya que se

encuentra en la entrada positiva de nuestro amplificador; lo cual nos lleva a retomar una de la

formulas anteriormente mencionadas.

Delimitando primero dado el divisor de voltaje mostrado, tenemos:




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Por lo tanto, dicho voltaje de referencia será el límite en el cual un LED prenda mientras el otro se

apague, y es ahí donde residirá el cambio; es por ello que analizando la grafica:

Considerando a nuestra señal como una línea hasta el tiempo 1 delimitado en nuestra gráfica tenemos:

Vref =

Y

Frecuencia = 16 Hz Periodo = 0.0625 s

Realizando las operaciones correspondientes tenemos que

El primer corte del voltaje de referencia respecto a la señal de entrada lo hace en:

+ 3

- 3

Vref =

1 2 3 4

t

Ve




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*Debido a la accesibilidad del equipo utilizamos un LED amarillo en lugar de un LED verde




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Como podemos observar el ciclo negativo dura más tiempo, esto conlleva a que el tiempo de encendido del LED verde sea mayor.

CONCLUSIONES DISEÑO 3: Un comparador de nivel no inversor es el circuito que se analizó anteriormente; el objetivo de dicho circuito es mantener un voltaje de referencia con el cual podamos delimitar el encendido y apagado de los LED´s así como el intervalo que existe entre cada una de estas acciones. Al parecer no tuvimos ningún problema en el armado del circuito, pero el inconveniente surgió al activarlo y notar que la frecuencia proporcionada en el diseño no nos permitía a simple vista notar el cambio en el apagado y encendido de los diodos; es conveniente mencionar que para corroborar si estábamos en lo correcto tuvimos que disminuir la frecuencia y notar el cambio; pero para llegar a una conclusión con respecto a los periodos de funcionamiento recurrimos al análisis teórico, el cual fue mostrado anteriormente.

BIBLIOGRAFÍA Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados

Quinta Edicion

Robert F. Coughlin

Frederick F. Driscoll

Ed. Prentice Hall

práctica 1 electrónica analógica

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