3.- Acondicionamiento de señales Difícilmente un diseñador conecta un transductor directamente y la parte de procesamiento o de despliegue de un sistema, ya que la señal que nos envía nuestro transductor por lo general es muy débil o contiene ruido y componentes que no deseamos, por eso realizamos etapas de acondicionamiento de señales.
Procesamiento de señal
Circuito de acondicionamiento
Transductor
Importante: El circuito de acondicionamiento puede proporcionar una impedancia de entrada adecuada para no demandar mucha corriente al transductor. CIRCUITOS PUENTE Puente Wheatstone utilizado para medición de resistencia a
I1
R1 E
c
I2 G
R3
R2
Si Vcb = Vdb el puente se encuentra en equilibrio
d
Si si
R1 R3
=
R2 R4
R4 b
Vcd
= Vac − Vad = I 1 R1 − I 2 R2
donde I1 =
E
y
R1 + R3
I2
=
E R2
+ R4
Sacando equivalentes de thévenin sin galvanómetro Vcd
R R2 Voltaje del generador Thévenin = E 1 − R1 + R3 R2 + R4 R1
R2
a
como Rb es casi 0 c
Rb b
R3 RTH
=
R1R3 R1 + R3
+
d R4
R2 R4 R2 + R4
Resistencia de Thévenin
Cuando nuestro detector de cero o galvanómetro se conecta en las terminales cd, la corriente del galvanómetro es: Ig = corriente de galvanómetro Rg = Resistencia del galvanómetro Ig
=
VTH
RTH
+ Rg 1
Ejemplo: E = 5 v, Sensibilidad del galvanómetro = 10 mm/µA, Resistencia interna Rg = 100 Ω Calcular la deflexión del galvanómetro causada por la variación de Resistencia de la rama BC de 5 Ω en el siguiente circuito: VTH
100
1000
100 1000 = 5 − 100 + 200 1000 + 2005
VTH = 2.77 mV
5V
G 200
RTH
2005
= 100 × 200 + 1000 × 2005 300
3005
RTH = 734 Ω
Ig
=
VTH RTH
+ Rg
=
2.77mV = 3.32 µA 734 Ω + 100Ω
La deflexión del galvanómetro es d = 3.32 µA ×
10mm = 33.2mm 1µA
PUENTE MAXWELL Utilizado para medición de inductancias. Z1
C1
R2
R1
Z3
detector LX R3
Z2 = R2
ZX
Z3 = R3
= RX +
jωLX
=
Z2 ZX Z2 Z3
ZX
=
Z X1
= Z 2 Z 3Y1
Z1
RX
y
1 = R2 R3 + R1
Y1
=
1 R1
+
jωC1
ya que Z C
=
1 jωC1
jωC1
Separando términos reales e imaginarios: RX
=
R2 R3 R1
L = R2 R3C1
2
PUENTE SCHERING Se usa ampliamente en la medición de capacitancias.
C1
ZX
= Z 2 Z 3Y1
ZX
= RX −
CX
Z2
= R2
RX
Z3
=
R2
R1 D C3
∴
RX
−
RX
−
j
ωC X j
ωC X
− 1 = R2 j + ωC3 R1 =
R2C1 C3
−
−
j
ωC X j
ωC 3
Y1
=
1 R1
+
jωC1
jωC1
jR2
ωC 3 R1
Al igualar términos reales e imaginarios: RX
= R2 C1
CX
= C3
C3 R1 R2
3
AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN Por lo general las señales que recibimos de un transductor deben ser amplificadas a gran escala y no pueden pasar mucha corriente para este fin, por eso se utilizan los opamp, ya que tienen las siguientes características:
• • • • • • •
Resistencia de entrada alta (orden de cientos de M Ω) Resistencia de salida baja (debajo de 1Ω ) Grande ganancia de lazo abierto (orden de 104 a 106) Gd
Grande CMRR (common mode rejection ratio)
Gc
Buen rango de frecuencias de operación
Baja sensibilidad a las variaciones de la fuente de alimentación Gran estabilidad al cambio de temperatura en el ambiente
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN V3 10k
V1 10k
R2
1k
R1
10k
R2
V2
190k R4
R3
Salida A = 1 + 2 R1 R3 R4 R2
10k
V4
R3
R4 190k
Opamp ideal V1
R0 Rd
V2
± A(V2-V1)
Vo
A=∞ V1-V2 = 0 Rd = ∞ R0 = 0 Ancho de banda = ∞
Reglas Reglas
1.- Para que el opam esté en zona linear, V1 debe ser igual a V2 gracias A=∞ 2.- No fluye corriente hacia el interior de opamp por ninguna de sus terminales.
4
INVERSORES
iRf
Ri
Vi
Por regla 1
Rf
iRi
i R1
=
Por regla 2
Vi
i R1
Ri
Vo
Vi
∴ Vo = −iR f = − A=
Vo
=−
Ri
Por regla 1, Vi está en la terminal (-) del opam asi: Vo = Vi
Vo
Vi
Rf
Rf
Vi
SEGUIDOR
Ri
= iR 2 = i
Aplicación: Sirve como bufer, ya que proporciona buena corriente de salida y alta impedancia a la entrada.
NO – INVERSORES iRf Rf
iRi Ri
Regla 1 Vo
Vi
∴
Vo Vi
= A=
i( R f
+ Ri )
iRi
=
Rf
Regla 2
i=
Vi
VS
=
i=
V3 − V S R3
Vo
=
Vo
Ri
= i ( R f + Ri )
+ Ri Ri
Amplificador diferencial de 1 opamp V3 V4
i R3
R4
R3 V5
Vo R4
A= CMRR =
Gd Gc
V4 R4
1
R3 + R4
= V S − Vo R4
2
(V4 − V3 )R4 R3 R4 R3
CMRR (common mode rejection ratio)
Gc = Ganancia que aparece cuando V1 = V2 A = Gd = Ganancia cuando V 1 ≠ V2 5
Amplificadores No inversores sin Ri a tierra. V1
V3
V1 − V2
= iR1
R2
V3 − V4
= i (R2 + R1 +)( R2 =) i 2 R2 + R1
R1
Gd
=
Gc
=1
R2
CMRR
V4
V2
− V 4 2R 2 + R1 = V1 − V2 R1
V3
=
Gd Gc
= Gd
Combinando 2 circuitos anteriores obtenemos:
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN R3
V1
R4
R2 Vo R1 R2 V2
R3 R4
Gd
2 R + R R = A = 2 1 4 R1 R3
Aplicaciones: En amplificadores diferenciales de osciloscopios CMRR ≈ 100 En amplificadores de biopotenciales de alta calidad CMRR ≈ 10000 http://www-s.ti.com/sc/ds/ina111.pdf
6
Vo
COMPARADOR SIMPLE Vi Vref
VS Vo
Vref
Vi
Vref
Vi
-VS Vo VS Vref Vi
Vo -VS
Se deben buscar comparadores con buena respuesta al cambio de voltaje de entrada Vi Recomendado LM01A (National) bajo costo y buena respuesta
COMPARADOR CON HYSTERESIS
Vo
Rd
Vi
Vref
VS Vo Vi
VS -VS
Vref R1
R2
Se utiliza cuando los voltajes a comparar se encuentran cercanos y por ruido existen fluctuaciones en V i, y es necesario utilizar un comparador con hysteresis. Vref = -5V Vi = -9V Vo = -10V Vs = -5V
7
CONSIDERACIONES DE LOS OPAMPS GAIN-BANDWITH PRODUCT Especificación que proporciona el fabricante para que nosotros podamos obtener nuestro ancho de banda dividiendo este factor entre la ganancia que le estamos dando a nuestro amplificador. Ganancia
frecuencia
INPUT OFFSET VOLTAGE En el opamp ideal no existe voltaje de salida cuando sus terminales se encuentran al mismo valor. Pero en la práctica esto no resulta cierto y aparece un voltaje a la salida, para compensar esta situación es necesario colocar un potenciómetro para poner un voltaje de offset que nos de cero a la salida.. INPUT BIAS CURRENT En la realidad si existen corrientes que fluyen hacia el interior del opamp, entonces es necesario que nuestras resistencias de retroalimentación sean bajas para minimizar este error, en el orden de 10 K hacia abajo.
SLEW RATE Cuando se demandan cambios rápidos en la salida, la corriente proporcionada para realizar estos cambios es limitada según sea el caso del opamp que utilizamos, es por eso que el fabricante nos pone en las hojas de especificaciones los slew rate. Por ejemplo, para el 741, el slew rate es de 0.5 V/ µs. Esto quiere decir que nuestra salida no puede cambiar de –5V a +5V en menos de 20 µs.
8
FILTROS: Filtro ideal Pasa bajas
Pasa banda
Ganancia (dB) Ho
Ganancia Ho
fC
frecuencia
f1
Pasa altas
f2
frecuencia
Rechaza banda Ganancia Ho
Ganancia Ho
fC
Filtro real dB
frecuencia
f1
f2
frecuencia
Ripple
Ho H1 Ho-3
Banda de transición Banda de atenuación
H2 fC
fS
9
FILTROS PASIVOS Son aquellos que utilizan solo elementos pasivos como lo son resistencias, inductores y capacitores. Pasa bajas de 1er orden Respuesta en frecuencia Vo
R
Vi
Vo
Vi
C
ωC
Vo Vi
=
1
τ
1 + jωτ
= RC
ω
= 2πf
ωC
frecuencia
=1 τ
Pasa altas de 1er orden
Vo
C
Vi
Vo
Vi
R
ωC frecuencia
Vo Vi
=
jωτ
1 + jωτ
El orden de un filtro es determinado por el número de elementos guardadores de energía o reactivos que posee el filtro.
10
Pasa bajas de 2do orden R
Vi
Respuesta en frecuencia
L
Vo
Vo
Vi
C
ωC Vo
=
Vi
1
donde ω C =
2
jω 2ζjω + + 1 ωC ωC
ζ
= (R 2 )
Q
=
C
1 LC
frecuencia
Corner frecuency
damping
L
1 ωC = 2ζ ∆ω
Q = factor de calidad, ∆ω = Ancho de banda
Efecto de damping 1
1 cuando ζ < 1 2
2 cuando ζ = 1 3 cuando ζ > 1
3
ωC Pasa altas de 2do orden C
Vi
R
1
Vo L
2 3
Vo Vi
=
ω2
ωC
2
jω 2ζjω + + 1 ω C ωC 11
FILTROS ACTIVOS Pasa bajas 1er orden Respuesta en frecuencia
C Vo
Vi
Vi
R2
R1
Vo
ωC
frecuencia
ωC
frecuencia
Pasa altas 1er orden R2 C
Vi
Vo
R1
Vi
Vo
La ventaja de estos filtros en comparación con los pasivos es su baja impedancia a la salida, y por lo tanto, su fácil acople con etapas en cascada que pueden ser añadidas con el fin de incrementar el orden del filtro.
ARREGLOS PARA 2do Y 3er ORDEN. Pasa bajas 2do orden
Pasa bajas de 3er orden C1
R1
C1
R2
R
Vo Vi
fC
C2
=
R
R Vo
Vi
C2
C3
1 2π R1 R2 C1C 2
Si nosotros colocamos estos dos filtros en cascada, podemos obtener un filtro de quinto orden.
12
Convertidores ADCs y DACs ADCs. Actualmente se ha venido haciendo el procesamiento de señales de una forma digital, por lo que es necesario convertir las señales que provienen de los transductores en señales digitales. Relación básica Entrada/Salida Q = Cantidad de salto mínima FS Q = LSB = n LSB = Least Significant Bit 2 FS = Voltaje total de entrada VR n = número de bits de la salida
Vi Entrada analógica
Salida digital
ADC
Salida
= X = Vi
111 110 101 Salida digital 100 011 010 001 000 1/8
VR
1/4
3/8
1/2
5/8
3/4
7/8
Entrada analógica
Errores comunes en ADCs a) Off-set
b) Ganancia
Vo
Vo Dig
Vi
Vi
c) Linealidad
En el mercado, a) y b) son errores pequeños y que pueden ser ajustados inicialmente en el ADC
d) Perdida de bit
Bit perdido
13
-
Resolución: Número de bits Exactitud: ½ LSB “error”
Existe un tiempo de conversión Tc que necesita el ADC para sacar un número digital a partir de recibir un dato analógico con el fin de que al existir una variación en la entrada no surja una confusión en la conversión. El cambio de voltaje máximo en la entrada contra el tiempo está dado por la siguiente ecuación:
dVi ≤ FS dt max 2 n t c
FS = V total de entrada
1
Ejemplo: En un convertidor de 8 bits con un tiempo de conversión de 100 µs, sacar la frecuencia máxima de una onda senoidal de entrada. Vi
= Asen (2πft )
dVi
= 2πfA cos(2πft )
dt
dVi = 2πfA dt max de
1
f max
= n1
2 t cπ
2πfA ≤
Si FS = 2A
2
2A 1 => f ≤ n 2 n tc 2 t cπ
sustituyendo tc
f max = 12.4 Hz
SAMPLE-AND-HOLD Reducción de Tc utilizando un circuito sample-and-hold (S/H), ya que este circuito toma el voltaje de entrada y lo mantiene constante, así el convertidor realiza la conversión casi inmediatamente, y el tiempo de retardo solo viene dado por el (S/H) ya que tarda en recibir el comando de hacer el muestreo y la retención. Este nuevo tiempo es llamado tiempo de apertura T a dado comúnmente por 20 ns. Recalculando tenemos: 1 f max = 8 = 62.17 KHz 2 taπ AJUSTE DE SEÑAL DE ENTRADA -
Rango Escala total Vi
10 5 0 -5
Circuito que implementa esta función Vi
Vi 4
4
R
5
Vi Entrada ADC
2.5 0
+ 2. 5 -10V
4R 4R
Entrada ADC
0
-2.5
-10 14
Es bueno usar buenos reguladores para que nuestro ADC no pierda la relación en la conversión: X
Salida: 8 bits 12 bits
=
Vi Vr
10 bits 3 ½ dígitos de BCD 14 bits 16 bits
Comunes
Especiales
Código en aplicaciones digitalesbinario se usanysalidas BCD. para displays de multímetros digitales o todo tipo de medidores con paneles Gráfica 1
Vi
busy /EOC
start
Vr ADC start clock
...
Byte alto EOC t Byte bajo
OE HBE
HBE
c
LBE LBE
SEÑALES DE CONTROL Vi = V de entrada Vr = V de referencia busy = Señal que indica conversión en proceso o END OF CONVERSION Start = Entrada que indica al ADC inicio de conversión. HBE = High-byte Enable LBE = Low-bit Enable
15
Técnicas de conversión en ADC’s a) ADC de contador Entrada analógica
Entrada analógica Vi comparador
DAC
Salida digital
_ + Salida digital Control lógico
Clock
Contador
“Tracking”: con counter de decremento e incremento
tiempo
Tc
Ciclo de reloj
b) ADC de aproximación sucesiva (más utilizado actualmente) Entrada analógica Vi FS Señales de
DAC _ +
Vi DAC
Salida digital
Clock
Salida SAR MSB 1
SAR Registro de aproximaciones sucesivas
1
LSB 0
Diagrama lógico: Regla 1: Si es menor VDAC a Vi se sostiene MSB y se enciende el siguiente MSB Regla 2: Si es mayor VDAC a V i se apaga MSB y se enciende el siguiente MSB
111 110 101 100 011 010 001
111 110 101 100 011 010 001 000
16
c) ADC DE RAMPA integrador GND Voltaje de referencia -Vr
GND C comparador R
Vi Clock
Control lógico
Contador
Salida digital
Como la carga ganada por el capacitor durante el primer intervalo es igual a la carga perdida en el segundo.
integración
t1Vi
Carga del capacitor y salida del integrador
t2 t1
t1
t2
= t2Vr
=
V1 Vr
=X
tiempo
d) ADC CONVERTIDOR DE VOLTAJE A FRECUENCIA Vi
VFC
varactor
Contador timer
Salida digital
Vi
Alta resolución Transmisión remota Inmune al ruido
e) ADC en paralelo o flash
2n-1 Comparadores
3R 2 Codificador
R R
. . .
. ..
Salida digital
R
2 Utilizado para conversiones rápidas 17
f) ADC de flecha(mecánico) 111
Aguja Galvanómetro 000
LSB MSB
110
Disco LED’s LSB
001
3 bits de salida digital 101
010 100
MSB
011 foto sensores
http://www.national.com/ds/AD/ADC0801.pdf
DAC’s (Convertidores Digital - Analógico) Registro de bits MSB
R
Transistores 2R
bit 3
4R
bit 2
Vout
8R bit 1 LSB
16R
bit 0
_ Vref
+
Casos: 1000 → V out = 0001 → Vout = 1001 → Vout =
R
2R
V ref
=
Vref
=
R
16 R Vref
2
+
Vref
2 Vref
16
Vref
16
El circuito anterior muestra el funcionamiento de un DAC de 4 bits. Que por lo general son fabricados con todos sus componentes en un simple circuito integrado, con el fin de maximizar su capacidad en funcionamiento, un buen DAC ofrece una alta amplitud de resolución y una alta rapidez en el muestreo de datos digitales. -
Consta con señales de control como (CS ) para el muestreo y la activación del convertidor.
- Y pines para variar la amplitud de la señal de salida y voltaje de referencia http://www.national.com/ds/DA/DAC0808.pdf 18
TÉCNICAS DE ELIMINACIÓN DE RUIDO inherente o transmitido Ruido
Acople
Transientes en fuentes Magnético
Receptores
Capacitancia Campo magnético Cables Encapsulados
Electroestático Radio frecuencia Temperatura Humedad Químicos
Elemento de sensado Resistencias Capacitores Preamplificadores
Tipos de ruido Vo Señal sin ruido t Vo Ruido aditivo Vo
t Vo
= VS + en
Ruido multiplicativo t
Vo
= [1 + N (t )]
VS
Donde N(t) es una función del Ruido
TÉCNICA DIFERENCIAL Para lograr una estabilidad en la reducción del ruido, por lo general las señales son combinadas por pares, siendo fabricados en una forma dual donde la salida es el resultado de la diferencia de salidas en el par de sensores. Variable sensada
Sensor principal
SI + _
Ruido
SI – SO Salida diferencial
Sensor de preferencia SO
19
BLINDAJE ELÉCTRICO CR
ZC
in
eR
Vn
ln =
Z
Vn + ZS
Z
Circuito equivalente al ruido eléctrico sobre un circuito CR
eR
ZC
in1
in2
Basado en el principio de que una carga que no puede existir en el interior de una superficie conductora cerrada.
Vn Z
Reglas:
• El blindaje debe ser conectado al voltaje de referencia de todo el circuito, como lo puede ser la tierra o el chasis.
• Si se usa un cable blindado, el blindaje debe ser conectado a la referencia del lado de donde surge la señal.
Referencia
Cable blindado Sensor
Z Referencia
• Si el blindaje es partido en varias secciones, todos los blindajes deben ser conectados en serie. Cable blindado Sensor
Z
• Nunca conectar el blindaje en dos puntos diferentes al voltaje de referencia (GND). Cable blindado Sensor
∆V
ib
Z
• Conectar blindaje a tierra por medio de cables cortos para evitar inductancias. 20
BLINDAJE MAGNÉTICO Lamentablemente el blindaje contra campos magnéticos es más difícil ya que un campo magnético al contacto con un conductor produce una corriente, algunas reglas a seguir podrían ser las siguientes:
• Evitar que cables conductores queden paralelos al campo magnético. • Si un conductor que transporta alta corriente variable induce un campo magnético enorme, entonces es necesario que el regreso o referencia de esa corriente sea enrollado para que los campos se anulen.
M
• Puede ser reducido el ruido magnético si se utiliza el blindaje como conductor.
M
TIERRAS
• Aprovechar los espacios libres de la tarjeta impresa para extender la tierra (GND). • Montar componentes con transientes de corriente muy rápidos como transistores, micros, etc. Lo más cercano posible o pegado a la tarjeta .
• Mantener todas las tierras lo más cerca posible con el fin de evitar diferencias de potenciales y corrientes parásitas en las líneas de tierra.
21
4.- Sistemas de adquisición de datos. Los sistemas de adquisición de datos surgen gracias a la necesidad de sustituir al hombre en tareas donde se realizan procesos de medición o de observación de una manera periódica y durante lapsos de tiempo en los cuales el hombre por naturaleza no ofrecería una observación confiable. -
Encubadora: Nivel de oxígeno – temperatura – Diferentes instrumentos Procesador de señal
Medición
Interfase
(Sensor acondicionamiento)
PC
GPIB RS232
Instrumento
GPIB (General Porpuse Interfase Bus) Fue diseñado a mediados de los 1960’s por HP con el fin de estandarizar la comunicación y el control entre instrumentos digitales de laboratorio. Y fue nombrado PIB (HP Interfase Bus). Pero en 1978 la IEEE formuló un documento describiendo el funcionamiento de BUS llamándolo GPIB. Y estandarizándolo con la clave IEEE 488. Esquema del GPIB Hacia unidades adicionales Control Hablante y Oyente Dispositivos
D0
Hablante Oyente
Bus de Datos D7 NDAC (No Data Accepted) DAV (Daya Valid) NRFD (Not Ready For Data) IFC (interface clear) ATN (Attention) SRQ (Service Request) REN (Remote enable) EOI (end or identify)
22
Señales de Hand-Shake: DAV: Sirve para indicar que un dato en el bus de datos es valido (Nivel lógico 1). NRFD: El dispositivo o dispositivos que están listos para recibir un dato ponen esta línea en cero para indicar que están listos al dispositivo transmisor. NDAC: Los dispositivos que reciben el dato ponen en 0 lógico esta línea para indicar que todos han leído el dato. Señales de control: IFC: Con un 0 en esta línea el controlador reinicia a los demás dispositivos conectados al bus. ATN: Cuando esta línea se encuentra 0, el controlador indica que el byte que puso en el bus de datos es un comando o dirección, cuando se encuentra en 1 el controlador indica que es un dato. SQR: Este pin es usado por los dispositivos del bus para indicarle al controlador que hubo un problema en su tarea o que necesitan enviar algún dato, en cuanto el controlador recibe un 0 en esta línea, realiza un polling para checar cual es el dispositivo solicitando el servicio. REN: Un 0 en la línea habilita a los dispositivos del bus a ser controlados por el controlador. EOI: Cuando un dispositivo está transmitiendo, debe poner en 0 esta línea cuando termine de transmitir sus datos. Diagrama de Hand-Shake DATA
VALID DATA
DAV NRFD NDAC
Asignación de terminales para GPIB 12
1
24
13
Señal de la terminal 1.- D1 13.- D5 2.- D2 14.- D6 3.- D3 15.- D7 4.- D4 16.- D8 5.- EOI 17.- REN 6.- DAV 18.- GND 7.- NDAC NRFD 8.-
19.- GND 20.-
Se intenta cobrar las señales de hand shake y 9.- IFC 21.- GND 10.- SRQ 22.- GND de control cada uno trenzado con uno de 11.- ATN 23.- GND tierra con el fin de blindar, minimizando el 12.- Shield 24.- GND ruido entre ellas. Y las de datos alrededor de ellas. - Las distancias típicas de un dispositivo al controlador son menores de 20 m. - Manejan niveles TTL 0-0.8 = 0 lógico 2.5-5 = 1 lógico Provoca inmunidad al ruido
-
Velocidad 1 Mb/s (Máxima especificada). Pero como se encuentran conectados en paralelo todos los dipositivos, el bus funciona a la velocidad del dispositivo más lento. 23
RS232C Es uno de los estándares de interfase serial más usados actualmente. RS = Recommended standard C = Tercera versión del standard Motorola MC1488 Transmisor o driver Texas instrument SN75188
El frente de un conector hembra DB255 para RS232C 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
PIN 1.- Este pin es para conectarse en el blindaje del cable conector. PIN 2.- (TxD) Transmitted data PIN 3.- (RxD) Received data PIN 4.- (RTS) Request to send.- Se activa por el transmisor cuando desea transmitir un dato sobre la línea. Y debe ser mantenido hasta finalizar la transmisión. PIN Clearhasta to send.Usado por el receptor para indicar al transmisor que está listo para recibir dato. Debe5.ser(CTS) mantenido finalizar la transmisión. PIN 6.- (DSR) Data set ready.- bit indicador de condición del modem. Utilizado para indicar que el modem está encendido. PIN 7.- (SG) Es la tierra o referencia del dato transmitido. PIN 20.- (DTR) Data terminal ready.- Es el pin que indica que el modem está en on-line y que la comunicación es posible. PIN 22.- (RI) Ring indicator.- Activado por el modem cuando detecta una llamada de entrada en la línea telefónica. También es usado para dispositivos que responden llamadas automáticamente. Niveles de voltaje en RS232 +15V +5V -5V -15V
0 lógico
+25V 0 lógico +3V INVALIDO -3V
INVALIDO 1 lógico
1 lógico
Driver
-25V Receptor
24
5.- ACTUADORES Y DISPOSITIVOS FINALES DE CONTROL - INTRODUCCIÓN Solenoides.- En general, una bobina de alambre conductor de más de una vuelta recibe el nombre de solenoide. S
N = S _
N
+ Imán equivalente
V
Depende del número de vueltas y el sentido de enrollado LEY DE LA MANO DERECHA. Para determinar polaridad magnética. La polaridad no depende del núcleo, pero si de la intensidad. La polaridad depende de la dirección de la corriente a través del conductor y de la dirección del devanado. EJERCICIOS: ¿Donde está el polo norte de cada solenoide?
1
N
3
_
+
N
_
2
N
+
RELEVADORES ELECTROMAGNÉTICOS T3 N
_ T1
+ T2
P5
P4
Especificaciones: 1.- Voltaje de control 2.- Voltaje a través de la unión en AC 3.- Voltaje a través de la unión en DC 4.- Corriente a determinado voltaje 5.- Velocidad de transición elasticidad de la placa 6.- Tiempo de conexión
25
TIRISTORES El término tiristor incluye todos los dispositivos semiconductores los cuales presentan un funcionamiento inherente como dispositivo de corte y conducción, en oposición a aquellos que presentan un cambio gradual en la conducción. Los tiristores son dispositivos que no pueden operar en forma lineal por la forman en que realizan su función de conmutación. SCR ( Silicon Controlled Rectifier ) A
Dispositivo de 3 terminales y 4 capas de dopado, utilizado para el control de corrientes relativamente grandes. El símbolo esquemático y de dopado para un SCR es el siguiente: A Cátodo N P N P
Simbología
Compuerta G
K
Ánodo
SCR
A G f2
K
f1
S1
S2
El SCR maneja 2 estados: Encendido o Conducción y Apagado o Bloqueado. Los términos popularmente utilizados para describir como esta operando un SCR son ángulo de disparo y ángulo de conducción. Para producir que un SCR pase a su estado de conducción es necesario imprimir un pulso de corriente en la puerta (Igt) que debe estar entre 0.1 y 20 mA. La aplicación más común de los SCR´s es la de controlar la cantidad de potencia eléctrica que se entrega a una carga, modificando el ángulo de disparo de los mismos. Un ejemplo seria el siguiente.
26
TRIAC
SCR Bidireccional.
Terminal 1 N
P
P N P
Compuerta
Simbología T1
N
N
G
T2
Terminal 2
UJT (Unique Junction Transistor) Se usa en aplicaciones de temporización Emisor de tipo P
Simbología
Placa tipo N B2
E B1
Base 2 Base 1
B2
E B1
27
MOTORES La industria ha usado motores de CD durante muchos años debido a sus propiedades excepcionales de control de velocidad bajando esencialmente a cero revoluciones por minuto, y debido a su buen arranque y par a baja velocidad. MOTORES: Se estima que dos terceras partes de la energía eléctrica que consumen los países de destina a motores de diversos tipos. Ventiladores, calefactores, bombas, lava vajillas, refrigeradores, hornos, secadoras, etc. Los motores convierten la energía eléctrica (voltaje y corriente) en par y rotación de un eje. Y se dividen por su potencia en 2 clases. Caballos enteros y fraccionarios. CARACTERÍSTICAS PAR-VELOCIDAD (T-n) Cuando se conecta un motor a una fuente eléctrica apropiada, la acción electromagnética produce un par o torque sobre su eje, y este par es función de la velocidad del motor. Tm n = rpm Par Tarr MOTOR
n sincronía 0
100%
50%
Velocidad en % de sincronismo
Cuando el motor se conecta por primera vez, el motor genera un par de arranque, Tarr para poner en marcha el ventilador. A medida que el ventilador aumenta su velocidad se genera un par mayor hasta que alcanza un par máximo Tm. Después de éste punto el par decrece rápidamente con la velocidad hasta una velocidad de sincronismo nS donde no se produce par alguno. Tm Par MOTOR Tu (ventilador)
Punto de operación n1
El ventilador comenzará a acelerar debido a que el par del motor es mayor al para del ventilador. Las curvas se cruzan en el punto de operación n 1 donde no es posible más aceleración.
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En este punto la velocidad es constante y si alguna fuerza transitoria aumentara la velocidad, el ventilador necesitará un par del que le proporciona el motor por lo que el sistema se desacelerará. Si la velocidad está abajo, el motor suministra más par del que el ventilador necesita, y la velocidad del sistema regresa a n 1. ARRANQUE Y CONTROL DE MOTORES. Si los motores se conectan directamente a la línea consumen inicialmente hasta 600% de la corriente de funcionamiento normal. Para motores de caballos enteros se acostumbra limitar la corriente arrancándolos a voltajes reducidos, para esto se usan autotransformadores en serie con el motor. Autotransformador
+ VAlim _
Vred M
Cuando se reduce el voltaje de alimentación también se reduce el par de salida del motor, como lo muestra la siguiente figura: Motor
Punto de operación
T TL TS
Banda transportadora
n
Solución: Acople del motor con embragues que accionan después de que el motor alcanza cierta velocidad.
LEYES DE ACCIÓN DE MOTOR Y GENERADOR DE CA. B
R alambre
B
i + RL Vind _ S
N V I
Vind
= UlB
B = Densidad de flujo magnético
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i
f
Ley de acción
Ra
f Campo debil
+ Vc _ S
N
f
= IlB
i
Campo fuerte
Problema: R = 0.59 N. Calcular f VC = 9 v, Ra = 4 Ω,
l=
0.2 m, B = 1.3 T
MOTORES DE CD Ia
Realidad N
S N
Armadura
Campo S
Ia
Icam
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Par total en una armadura Na = No. De conductores r = radio de la armadura l = longitud de la armadura
1 T = N a rlBI a 2
Problema: 324 NM Una máquina de CD tiene 16 conductores, densidad de campo B = 0.9 T, radio de armadura de 0.5 m y corriente de armadura Ia = 100 A. La armadura tiene una longitud l = 0.9 m Determinación de HP en un motor de CD. “Psal = T ωm”
ω
=
HP
rpm
60
=
× 2π
donde ωm = Velocidad angular en rad/s
n = rpm
KW
0.746 Problema: Si el motor anterior trabaja a 1500 rpm. ¿Cuál es la potencia en HP que genera?
Eliminado del desgaste en conductores con escobillas. Escobillas Conductor Placas metálicas
Escobillas Conductor Rotor
Características CD: Grandes T a bajos voltajes y buen control de velocidad. Muy costosos por la configuración de embobinados en su fabricación, desgaste de escobillas.
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MOTORES DE CA. A diferencia de los motores de C.D. En este tipo de motores el campo magnético variable se encuentra en el estator, teniendo el rotor un campo magnético fijo. I2
· N
S
I1
S
·
x N
x
Campo horizontal
Campo vertical
I2
·
i1(t)
·
x
i2(t)
I1
x t
Colocando las 2 corrientes en el estator con embobinados a 90°
ta tb
⇒ El campo magnético dentro del estator
x
gira en sentido contrario a las manecillas del reloj una vez por ciclo (a 60 Hz) ∴ a 3600 rpm
Bta
B(tb)
y
En la industria existen embobinados trifásicos colocados a 60° en lugar de 90° con lo que se logra reducir la velocidad del motor seguido por la siguiente fórmula. n = 120 f/pp n = Velocidad del motor en rpm f = frecuencia de la fuente de alimentación pp = par de polos 32
ROTOR.Las barras del rotor de un motor de inducción son usualmente de aluminio fundido en forma de jaula de ardilla directamente en las ranuras de un rotor de hierro laminado Barra de aluminio
Cilindro
Jaula de ardilla Cilindro del rotor
Características de T vs n Barras de 2 niveles
2
3
1
4 nS Velocidad n
MOTORES DE PASOS Ejemplo de 4 pasos
Pines de control Driver N
Standard
S
1.8 ° por paso 0.9 ° por paso 0.45° por paso 33
Valvulas a) Solenoides
Para el control y automatización de fluidos Solenoide Resorte
Solenoide
Entrada
Salida
Manejada por motores eléctricos b) Baja reducción 2 sentidos
MOTOR CD Tornillo
Aplicaciones donde se manejan altas presiones Entrada
Salida
c) Válvulas electro neumáticas Válvula Solenoide Ingreso de aire Depósito de aire a presión
Compartimiento de aire Escape de aire
Entrada
Resorte
Salida 34
d) Válvulas electro hidráulicas
Solenoide Entrada de agua Escape de agua
Resorte
Misma
Entrada
Salida
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