miércoles, 3 de noviembre de 2010

Trabajo Practico Nº 11 "Filtros Activos"

Introducción teórica:

Un filtro activo es un filtro electrónico analógico distinguido por el uso de uno o más componentes activos (que proporcionan una cierta forma de amplificación de energía), que lo diferencian de los filtros pasivos que solamente usan componentes pasivos. Típicamente este elemento activo puede ser un tubo de vacío, un transistor o un amplificador operacional.
Un filtro activo puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la señal de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos, siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.

Se pueden implementar, entre otros, filtros paso bajo, paso alto, paso banda.

Filtro Pasa bajo:

Un filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.
En particular la función de transferencia de un filtro pasa bajo de primer orden corresponde a H(s)=k\frac{1}{1+\frac{s}{\omega_c}} \,\!, donde la constante k \,\! es sólo una ponderación correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia reside en la forma de la función de transferencia \frac{1}{1+\frac{s}{\omega_c}} \,\!, la cual determina el comportamiento del filtro. En la función de transferencia anterior \omega_c \,\! corresponde a la frecuencia de corte propia del filtro, aquel valor de frecuencia para el cual la amplitud de la señal de entrada se atenua 3 dB.
De forma análoga al caso de primer orden, los filtros de pasa bajo de mayor orden también se caracterízan por su función de transferencia, por ejemplo la de un filtro paso bajo de segundo orden corresponde a H(s)=K\frac{\omega_o^2}{s^2+2\xi\omega_os+\omega_o^2} \,\!, donde \omega_o \,\! es la frecuencia natural del filtro y \xi \,\! es el factor de amortiguamiento de este.
Filtro Pasa Banda:
Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto.

Filtro Pasa Alto:
Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.

El filtro paso alto más simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es la caída de tensión en la resistencia.

Si se estudia este circuito (con componentes ideales) para frecuencias muy bajas, en continua por ejemplo, se tiene que el condensador se comporta como un circuito abierto, por lo que no dejará pasar la corriente a la resistencia, y su diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita, el condensador se comportará como un cortocircuito, es decir, como si no estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal. Por otra parte, el desfase entre la señal de entrada y la de salida si que varía, como puede verse en la imagen.

El producto de resistencia por condensador (R×C) es la constante de tiempo, cuyo recíproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el módulo de la respuesta en frecuencia baja 3dB respecto a la zona pasante:

f_c = {1 \over 2 \pi R C}

Donde fc es la frecuencia de corte en hercios, R es la resistencia del tweteer o parlante en ohmios y C es la capacidad en faradios.

El desfase depende de la frecuencia f de la señal y sería:

\theta\ = \tan ^{-1}\frac{f_c}{f}

Actividades:

1) Armar el siguiente circuito cuidando de alimentar adecuadamente con +/- 12V sus terminales y filtrando los mismos:

2) Conectále a la entrada Vs una señal senoidal de 200mVpp y 100Hz

Le conectamos la señal al circuito.

3) Medí la tensión de salida, averiguá la ganancia de tension expresandola en veces y en dB. Medí el defasajeque sufre la señal a la salida respecto a la señal de entrada. Expresá ese valor en grados sexagesimales.

Vpp: 1.52V
Avs: 7.6 veces; 17.6 dB
Grados sexagesimales: 90º

4;5)Repetí el punto anterior para no menos de 20 frecuencias distintas. Aumenta el número de mediciones donde observe un cambio significativo en alguna de ellas.
 Elaborá una tabla donde se reflejen estas mediciones y calculos de manera ordenada y clara.


6) En base a esta tabla realiza dos graficos:

a)Una grafica donde se muestre la variacion de la ganancia expresada en dB (eje y) , en función de la frecuencia (eje x). Para ello usá un gráfico semilogaritmico. Eje y lineal, eje x expresado en décadas (tambien llamado decádico) comenzando con una frecuencia de 1Hz.
b) Idem anterior pero en el eje y gráfica ahora el ángulo de defasaje de la señalde salida respecto a la entrada.

El defasaje es de 189º en la fc.

7) En la primer gráfica marcar la región de paso de banca, la frecuencia de corte, y mediante mediciones logradas a partir de la tabla y/o obtenidas mismo de la gráfica calcular la pendiente de atenuación del filtro expresándolo en dB/dec. En la segunda gráfica marcá cuanto defasa el filtro a la frecuencia de corte. Asimismo y en ese mismo gráfico marcá cuanto defasa el filtro una decada por encima y por debajo de la frecuencia de corte.







8) Aumentar dos veces el capacitor usado en el filtro y medir la nueva frecuencia de corte. Explicar cómo influye la frecuencia del capacitor en la frecuencia del corte del filtro.

fc = 92Hz

9) A manera de prueba, reemplazá el generador de señales por la salida de un reproductor de MP3. Ajustá el volumen de salida de tal forma que no sature y recorte. Conectále a la salida del filtro uno de tus auriculares del MP3. Compará la señal que te entrega este circuito. Describí esta experiencia.

10) Repetí los pasos 1 a 8 con el siguiente circuito:


11) Diseño:
Se tienen dos señales senoidales de 1Vpp. Una de ellas es de 50 Hz, la otra es de 60 Hz. Se requiere diseñar un sistema que me entregue 5 Volts (un uno lógico) cuando la señal de entrada sea de 60 Hz, y 0 Volts cuando ésta cambie a los 50Hz.
Se pide: Dibujar el circuito final con todas las mediciones y cálculos realizados para su solución.



lunes, 13 de septiembre de 2010

TP10 "Fuentes Integradas Reguladas"

Introduccion Teorica:
Una fuente regulada de tension utiliza una realimentacion negativa que detecta de un modo instantaneo las variaciones de tension de salida. actuando como control que las corrige automaticamente.
La regulacion puede ser serie o paralelo:


Regulacion Serie:

Una fracción de la tensión de salida, m Vs, es comparada con una tensión de referencia VR.
La diferencia de las dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.
Si VR = m Vs => El control no actúa.

Si VR <>s => El control debe conducir menos para disminuir la tensión a la salida.
Si VR > m Vs => El control debe conducir más para aumentar la tensión a la salida

Regulacion Paralelo:
En este montaje, el control trabaja en corriente (la regulacion serie lo hace en tension), siendo Rs la encargada de producir la caida de tension necesaria.
El comparador compara una fraccion de la tension de salida, m Vs, con una tension de referencia VR. La diferencia entre estas dos es amplificada por el amplificador de error y aplicada al control.

Si VR = m Vs => El control no actúa.

Si VR > m Vs => El control debe conducir menos, para, al drenar menos corriente por RS, disminuir la caída de tensión en ésta y aumentar la de salida.

Si VR <>s => El control debe conducir más para, al drenar más corriente por Rs, aumentar la caída en ésta y disminuir la salida.

Consideraciones con la tensión de salida

A.-
Tensión mínima de salida. Vsmín = VR

No se puede bajar de este valor, por lo que, si se quieren obtener pequeñas tensiones de salida, es preciso utilizar zeners de baja tensión.

B.-
Tensión máxima de salida. Vsmáx = Ve

En este punto se pierde la regulación, por lo que no es aconsejable acercarse a él.

Conviene que la tensión de entrada sea bastante mayor que la de salida deseada. Ahora bien, si la de salida es variable (por medio del potenciómetro del elemento de muestra), cuando a la salida está presenta la tensión mínima (VR), VCE alcanzará valores elevados, lo que habrá que prever a fin de evitar la destrucción del transistor. Habrá que contar con el caso peor, en que Vs = VR y Is = máxima.

En este caso; VCE = Ve - VR y la potencia disipada por el control P = VCE . Ismáx.


Circuito Completo:
Un circuito elemental basado en los elementos explicados en los puntos anteriores sería:Observar que hemos colocado en el elemento de control un transistor más ( el T3) montado con el T2 en Darlington, de esa manera aumentamos la eficiencia del elemento de control al aumentar la b correspondiente.

Proteccion contra cortocircuitos:
En la fuente regulada en serie, un cortocircuito es fatal para el transistor de control, ya que tiene que soportar toda la corriente de cortocircuito.
No es así en la fuente regulada en paralelo, en la que al producirse un corto y quedar la tensión de salida a cero, todos los elementos quedan sin polarización. En este caso, es la resistencia serie, Rs, la que soporta toda la corriente.

En las fuentes reguladas en serie es conveniente añadir, pues, un elemento de protección contra cortocircuitos, que desconecte el control cuando se produzca alguno. Los dos tipos más usados son:


En ambos casos, cuando la corriente de slida excede de cierto valor, los diodos conducen en un caso o el transistor conmuta en el otro, saturándose y drenando la corriente de base del transistor de control, que queda sin polarización y, por tanto, desconectado.

Actividades:

1) Armar el siguiente ciurcuito

2) Varia la tensión de entrada entre 4 y 10 volts y registra para cada valor la tensión de salida en una tabla. Dibuja Vo (Vi)

Responde el siguiente cuestionario:

a. ¿A parir de que valor de tensión de entrada el circuito regula?


A partir de 6,5v

b. ¿Qué es la tensión drop-out?

Es la diferencia entre la Vi y la Vo

c. Esta tensión, ¿es la misma para todas las fuentes reguladas integradas?

No, depende de cada integrado

d. Investiga e informa por lo menos tres fuentes reguladas integradas que mejoren el valor de drop-out del 7805. Para este punto deberás crear un cuadro comparativo señalando: Tensión de drop-out, Máxima tensión de entrada, costo aproximado y proveedor en el pais.

3) Aumenta gradualmente la carga, utilizando cuatro resistores de 150 Ohms. Mide la tensión de drop-out la tensión de salida y la corriente por la carga. Construye una tabla que contendrá los valores medidos. Calculá en cada caso las potencias disipadas por el integrado y por la carga, agregándolas a la tabla.

4) Graficá tensión de salida en función de la carga

5) En un mismo gráfico representá la potencia disipada por el integrado y la disipada por la carga en función de la resistencia de carga.

6) Determiná y justifica cuál debería ser la tensión de entrada al integrado.

TP 9 Sistemas Secuenciales

Introduccion Teorica
en los sistemas secuenciales, los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno. El sistema secuencial más simple es el biestable, de los cuales, el de tipo cerrojo es el más utilizado actualmente.
La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A éstos se los denomina "sincrónicos", a diferencia de los "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj.
Los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados:
-Contador
-Registros

En todo sistema secuencial nos encontraremos con:
a) Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn).
b) Un conjunto finito, m, de estados internos, de aquí que los estados secuenciales también sean denominados autómatas finitos. Estos estados proporcionarán m variables internas (Y1,Y2,..., Ym).
c) Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp).

Dependiendo de como se obtengan las funciones de salida, Z, los sistemas secuenciales pueden tener dos estructuras como las que se observan el la siguiente figura, denominadas autómata de Moore, a), y autómata de Mealy, b).



Actividades:

1) Usando las hojas de datos de los circuitos integrados CD 4510 y CD 4013, diseña un contador que cumpla con las siguientes presentaciones:

a. La cuenta debe mostrarse en un display de 7 segmentos. Podrás usar el módulo desarrollado en el TP1.

b. El sistema deberá tener un Start-Up-Reset.

c. Miediante dos pulsadores (no llaves) deberás controlar la cuenta y su sentido en modo toggle.

2) Dibuja el esquemático del diseño.

3)Previo al armado, verificar el funcionamiento del sistema en un simulador.

4)Depurá el diseño, dibujando nuevamente el esquemático sin errores.

5) Presentá el circuito armado y funcionando.

Conclusiones: En el diseño del contador tuvimos que utilizar circuitos con los que ya habiamos trabajado como los monoestables funcionando como antirrebotes y otros circuitos nuevos como el toggle armado con el integrado 4013.
El circuito no es muy costoso ni dificil de armar aunque se presentaron algunos inconvenientes que supimos solucionar. Este es un circuito muy util como contador.

lunes, 9 de agosto de 2010

Tp 6 Amplificadores Operacionales

Introducción teórica:
Un amplificador operacional (A.O.), es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor “G” (ñganancia):
Vout = G•(V+ − V−)
El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.



Desarrollo de la práctica:
1) Armar el circuito del amplificador inversor.

2) Ajustar el generador de señales de tal forma que entregue una tensión continua. Usar el control de Offset para variar la tensión proporcionada. Usar el multimetro para medir las tensiones Vs y Vo del circuito. Resumir las mediciones realizadas completando la siguiente tabla.



3) Graficar la tension de salida Vo en funcion de la entrada Vs. Marcar en ese grafico las zonas de amplificación linel, saturacion, y la tension de Offset.



4) Reformar el circuito anterior con el objeto de anular la tension residual de Offset a la salida del amplificador. Armar el circuito y verificar que la tension de salida puede ser anulada.

5) Dibujar el circuito y colocar sobre el mismo grafico el valor medido. Explicar porque un resistor en el terminal no inversor ayuda a disminuir esa tension y no influye en el calculo de la ganancia de tension del amplificador.

Rta: Aumentando el resistor en el terminal no inversor logramos disminuir el offset sin modificar el calculo de ganancia del amplificador.

6) Ajustar el generador para que entregue una señal senoidal Vs=50mVpp con una frecuencia de 1 KHz. Verificar que la fase de la señal de entrada es opuesta a la de salida y que la ganancia de tension se mantiene constante a pesar de imponerle una señal senoidal de 1 KHz.

7) Remplazar el LM741 por el TL081. Comentar si existe alguna variación en el funcionamiento del circuito.

Rta: No hemos notado ninguna variacion en el funcionamiento del circuito.

8) Usando el LM741 ensayar ahora el amplificador, aumentandole la frecuencia del generador hasta 1KHz. Verificar que la ganancia de tension deja de responder al cociente entre R2 y R1.

9) Volver a ajustar el generador de señales a 1KHz y medir la impedancia de entrada del amplificador inversor visto desde los terminales de entrada de Vs, utilizando el metodo de la maxima transferencia de energia.



Conclusiones:

Este trabajo práctico nos sirvió para comprender y razonar como funcionan los amplificadores operacionales, que problemas pueden surgir en circuitos con estos componentes y de que manera se pueden resolver dichos problemas.

lunes, 5 de julio de 2010

TP 8 Comparadores Analogicos

INTRODUCCION TEORICA:

Comparador Analogico:
Un comparador es un circuito electrónico, ya sea analógico o digital, capaz de comparar una señal de entrada con un determinado valor, variando su salida según el resultado.


Representación esquemática de un amplificador operacional funcionando como comparador:

En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.
Como todo amplificador operacional, un comparador estará alimentado por dos fuentes de corriente contínua (+Vcc, -Vcc). El comparador hace que, si la tensión de entrada en el borne positivo (en el dibujo, V1) es mayor que la tensión conectada al borne negativo (en el dibujo, V2), la salida (Vout en el dibujo) será igual a +Vcc. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -Vcc.

REALIZACION DE LA PRACTICA:

1)Armar el siguiente circuito

2) Oscurece completamente el sensor de luz y verificar que la señal de salida cambia de estado al variar la referencia.

3) Acercá la lámpara al sensor hasta observar un cambio en el comportamiento del sistema. Describe el nuevo comportamiento del sistema.

4) Responde el siguiente cuestionario:

a. ¿El sistema es estable? En caso de no serlo ¿Cómo explicarias esta inestabilidad?

b. ¿La inestabilidad es periódica?

c. Teniendo en cuenta esta experiencia ¿Usarias el circuito ensayado para hacer un control de luz crepuscular?

5) Modificá el circuito anterior de la siguiente manera:


7) Repite el punto 3 y el 4.

Respuestas:
1)


2)Al tapar el sensor de luz vemos efectivamente que la señal de salida cambia y que la lamparita se prende.

3)Al acercar la lamparita observamos que esta comienza a titilar por el hecho de que el sensor no estaba ni oscuro ni iluminadao, era un punto intermedio.

4)
a.Tomandolo en ciertas condiciones se lo puede considerar cuasi-estable.

b.En ciertos casos lo es.

c.No, porque la luz en el dia varia gradualmente no es que se oscurese o se aclara "de golpe" entonces el sensor al estar en puntos intermedios de luz comenzaria a titilar y eso no es lo que queremos.


7)Al repetir los puntos 3 y 4 notamos que ya no depende del sensor, sino que depende del potenciometro de control.

CONCLUCIONES:

Este trabajo práctico nos sirvió para comprender y razonar como funcionan los circuitos comparadores analogicos, que problemas pueden surgir en circuitos con estos componentes y de que manera se pueden resolver dichos problemas. Ademas trabajamos con un componente nuevo para nosotros el "sensor de luz" pudiendo armar asi un circuito detector de luz basico, estudiar su funcionamiento que inestabilidades presenta y como corregir las mismas.