Informe TP Nº 9 "Filtros de Señal"

Introducción teórica

Un filtro es un circuito que nos permite el paso de una banda de frecuencia específica mientras atenúa todas las señales fuera de esta banda.

Atendiendo a la ganancia, podemos encontrar dos tipos de filtro:

 
Filtros pasivos. Los que atenuarán la señal en mayor o menor grado. Se implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.
Filtros activos. Son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación suelen aparecer amplificadores operacionales. No suelen contener bobinas, salvo en el caso de frecuencias muy altas.

Los inductores no se utilizan a menudo en los filtros activos de vida, porque son voluminosos y costosos.


Atendiendo a su respuesta en frecuencia, encontramos los siguientes filtros:

Filtro paso bajo. Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 ó continua, hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a baja frecuencia.
Filtro paso alto. Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.
Filtro paso banda. Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
Filtro elimina banda. Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.

Desarrollo de la práctica

Filtro pasa bajos:

1) Armado del circuito:

• Valores calculados:

fc = 1/2π*R*C

fc = 1/2π*100kΩ*10nF

fc = 159,15 Hz

G = -R2/R1

G = -10

G[dB] = 20*log G

G[dB] = 20 dB

• Valores medidos:

f = 50 Hz

f = 70 Hz

f = 180 Hz

6) y 7)

a-

b-

8) Al aumentar el capacitor al doble la frecuencia de corte disminuye a la mitad.

fc = 1/2π*R*C*2

fc = 1/2π*100kΩ*10nF*2

fc = 79,57 Hz

Filtro pasa altos:

1) Armado del circuito:

• Valores calculados:

fc = 1/2π*R*C

fc = 1/2π*10kΩ*10nF

fc = 1,59k Hz

G = -R2/R1

G = -10

G[dB] = 20*log G

G[dB] = 20 dB

• Valores medidos:

f = 20 KHz

6) y 7)

a-

b-

8) Al aumentar el capacitor al doble la frecuencia de corte disminuye a la mitad.

fc = 1/2π*R*C*2

fc = 1/2π*10kΩ*10nF*2

fc = 795,77 Hz

11) Diseño:

60 Hz → 5V

50 Hz → 0V

1 Vpp ⇒ Vi = 0,5V

                Vo = 5V

Av = Vo/Vi

Av = 5V/0,5V

Av = 10

----------------------

C = 10µF       fc = 50 Hz

fc= 1/2π*R1*C

R1 = 1/2π*fc*C

R1 = 1/2π*50 Hz*10µF

R1 = 318,30 Ω

R1 = 330 Ω (Valor comercial)

Av = -R2/R1

R2 = Av*R1

R2 = 10 * 330 Ω

R2 = 3,3k Ω

Circuito:

Si fuese un filtro de mayor selectividad pasaría la f = 60 Hz y no la de 50 Hz, pero como es un filtro activo eso no sucede.

Conclusiones

En este trabajo práctico aprendimos las características y el funcionamiento de los distintos tipos de circuitos filtros, pasa altos, pasa bajos y pasa banda.

Además aprendimos a calcular el ancho de banda, frecuencia de corte y a calcular los valores de los componentes para el diseño de un filtro dependiendo de la aplicación necesaria.

Informe TP Nº 8 "Fuentes Reguladas Integradas"

Introducción teórica

Los reguladores lineales de tensión, también llamados reguladores de voltaje, son circuitos integrados diseñados para entregar una tensión constante y estable.

Estos dispositivos están presentes en la gran mayoría de fuentes de alimentación, pues proporcionan una estabilidad y protección sin apenas necesidad de componentes externos haciendo que sean muy económicos.

La familia

La tensión y corriente que proporcionan es fija según el modelo y va desde 3.3v hasta 24v con un corriente de 0.1A a 3A.

La identificación del modelo es muy sencilla. Las dos primeras cifras corresponden a la familia:

• 78xx para reguladores de tensión positiva
• 79xx para reguladores de tensión negativa

Las dos cifras siguientes corresponden al voltaje de salida:

• xx05 para tensión de 5v
• xx12 para 12v
• xx24 para 24v
• etc. etc.

Con respecto a la corriente máxima (Imáx) de salida, está indicada en el marcado del dispositivo. Por ejemplo, si entre la familia y el modelo aparece una L (78L05) indica que la corriente máxima de salida es de 0.1A.

• L = 0.1A
• M = 0.5A
• S = 2A
• T = 3A
• Sin letra = 1A

¿Cómo funciona?

Una visión simplificada, para entender su funcionamiento, sería verlos como un divisor de tensión que se reajusta constantemente para que la tensión entregada sea siempre la misma. Evidentemente no es tan simple como una par de resistencias ajustables. En el interior de un regulador lineal de tensión pueden encontrarse componentes activos, como transistores trabajando en su zona lineal, y/o pasivos, como diodos zener, en su zona de ruptura.

Tres terminales (pinout)

Los tres terminales corresponden a la Tensión de entrada (Vin), Tierra (ground) y Tensión de salida (Vout). Según el encapsulado, TO92, TO220 o TO3, la asignación de los pinouts puede variar. El que se muestra a continuación es un TO220.

Desarrollo de la práctica

1) Realizamos el siguiente circuito.

2) Variamos la tensión de entrada entre 4V y 10V; y registramos para cada valor la tensión de salida Vo.

a.- A partir de los 7V el circuito regula con una salida de aproximadamente 5V 

b.- La tensión de Drop-Out es la mínima diferencia de tensión entre la entrada y la salida dentro de la cual el circuito es todavía capaz de regular la salida dentro de las especificaciones.

c.- No, depende de cada circuito integrado.

d.-

3)

4) En el gráfico siguiente se puede apreciar, la tensión de Salida Vo en función de las resistencias.

5) En el gráfico siguiente podemos apreciar la potencia disipada por el integrado y la disipada por la carga en función de la resistencia de carga.

 6) En función de Drop-Out la Vi debe ser de 8V.

Conclusiones

En éste trabajo práctico aprendimos cómo funcionan las fuentes reguladas integradas, para ello utilizamos el 78L05 que regula a 5V que forma parte de la familia de reguladores de tensión positiva. Aprendimos también que:

• Las dos primeras cifras indican si son reguladores de tensión positiva o negativa.
• Las dos últimas cifras indican el voltaje de salida.
• La letra indica la corriente máxima de salida.

Sobre el drop-out podemos decir que es la mínima diferencia de tensión entre la entrada y la salida dentro de la cual el circuito es todavía capaz de regular la salida y que no es la misma para todas las fuentes reguladas integradas.

Informe TP Nº 7 "Sistemas Secuenciales"

Introducción teórica

En los circuitos secuenciales las salidas dependen de la conducta anterior del circuito, así como de los valores presentes en las entradas.

 Los Circuitos Secuenciales se realizan usando lógica combinacional y uno o más flip-flops.

 La salida de un flip-flop depende de su estado en vez del valor de su entrada. Las entradas producen cambios en el estado. Las salidas de los flip-flop se conocen como el estado Q.

 Contadores: Los contadores son circuitos secuenciales que cambian de estado ante el cambio de una señal de entrada evolucionando cíclicamente entre un número concreto de estados. En los contadores síncronos la señal que marca el cambio de estado es, básicamente, la señal de reloj. Existen muy variados tipos de contadores para aplicaciones muy diversas aplicaciones.

Dispocisión de patas de los circuitos integrados utilizados:

CD4013

CD4510

CD4511

LM555

Desarrollo de la práctica

Realizamos el siguiente circuito, que consiste en un contador, en el cual la cuenta se muestra en un display de 7 segmentos, tiene un start-up-reset y mediante el uso de 2 pulsadores controlamos la cuenta y el sentido de la misma.

Conclusiones

En este trabajo práctico armamos un circuito contador entre 0 y 9 que podía realizar la cuenta de forma ascendente o descendente, para el que necesitamos utilizar varios tipos de integrados.

 En la realización del circuito aplicamos el conocimiento adquirido en prácticas anteriores, ya que hemos utilizado el circuito del LM555 en modo monoestable.

 Además hemos utilizado nuevos circuitos como el toggle del CD4013.

Informe TP Nº 6 "Comparadores Analógicos"

Introducción teórica

Un comparador es un circuito electrónico, ya sea analógico o digital, capaz de comparar dos señales de entrada y variar la salida en función de cuál es mayor.
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 (V1) es mayor que la tensión conectada al borne negativo (V2), la salida (Vout) será igual a +Vcc. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -Vcc.

Desarrollo de la práctica

1) Armado del circuito:

3) El sistema se vuelve inestable al acercar la lámpara.

4) a) No. La inestabilidad se debe a que cuando la intensidad de luz no es suficiente el relé oscila entre normal cerrado (NC) y normal abierto (NA).

b) No es periódica debido a que yo puedo taparlo completamente y no se produce variación.

c) No.

Videos:

Probando inestabilidad

5) Modificación del circuito:

7) El sistema es estable. Al aumentar el valor del preset la lámpara siempre va a estar prendida aunque tape un poco el sensor.

a) Sí, hay estabilidad.

b) No existe inestabilidad.

c) Sí.

Video:

Conclusiones

En éste trabajo práctico armamos un circuito comparador con un amplificador operacional, el cual no era estable, y colocando una resistencia de realimentación logramos una ganancia más estable haciendo que el comparador no dependa exclusivamente del LDR.

Informe TP Nº 5 "Restador"

Introducción teórica

El amplificador operacional restador es una configuración con dos entradas, en la que se amplifica la diferencia de potencial entre ambas. 

La salida (Vo) es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G (Ganancia).

Restador

Desarrollo de la práctica

1)  Vo = Rf . (Vc - Vref) / R1

Donde:  Vo = 5V                                 Calcular R1

             Vc = 3V
             Vref = 1V
             Rf suponer 100 kΩ

Cálculo:

Vo = Rf . (Vc - Vref) / R1
Vo . R1 = Rf . (Vc - Vref)
R1 = Rf . (Vc - Vref) / Vo
R1 = 40 kΩ
R1 = 39 kΩ Valor comercial

2) Armado del circuito:

3) Con Vc = 1V (Imagen 01), ajustamos R3 para obtener Vo = 0V (Imagen 02). Logrando simular una temperatura de 30ºC.

Imagen 01

Imagen 02

Con Vc = 3V (Imagen 03), ajustamos R3 para obtener Vo = 5V (Imagen 04). Logrando simular una temperatura de 40ºC.

Imagen 03

Imagen 04

4) Gráfico Vo (Vc)

Conclusiones

En este trabajo práctico aprendimos el funcionamiento del amplificador operacional restador y lo armamos en protoboard para realizar algunas mediciones.

Modificando el valor de Vc logramos también cambiar el valor de salida Vo.

Al fijar Vc en 1 Volt la salida Vo fue 0. Al fijar Vc en 3 Volt la salida fue 5 V.

Informe TP Nº 4 "Amplificadores Operacionales"

Introducción teórica

El amplificador operacional es un circuito electrónico con dos entradas y una salida.

Su nombre proviene de que originalmente eran utilizados para realizar operaciones matemáticas en calculadoras analógicas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc).

El amplificador ideal tiene ganancia infinita, impedancia de entrada infinita, ancho de banda infinito, impedancia de salida cero, tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Al ser la impedancia de entrada infinita las corrientes de entrada son cero.

En el amplificador real la ganancia es alta, impedancia de entrada elevada, baja tensión de offset, bajo nivel de ruido.

Amplificador operacional ideal.

Disposición de patas del C.I. LM741 que utilizaremos en el trabajo práctico.

 Desarrollo de la práctica

Amplificador Inversor

1) Armado del siguiente circuito:

2) Para medir la tensión de offset se puentea la pata inversora con masa y se desactiva el generador.

Voffset = 2,3 mV

3)

Señal de salida con máxima excursión simétrica.

     Avo (teórico) = - R2 / R1 = -120kΩ / 10kΩ = -12

     Avo (práctico) = Vo / Vi = 20,8 V / 1,72 V = 12,09

 

Señal de entrada con Vpp = 1,72 V

    

Señal de entrada (amarilla) y señal de salida (azul) se verifica que la fase de la señal de salida desfasa 180º a la señal de entrada.

4)

El funcionamiento no varía.

5)

Señal de salida con 1 kHz

   

Señal de salida con 10 kHz

 

Señal de salida con 50 kHz

 

Señal de salida con 100 kHz

 

Señal de salida con 1 MHz

Al aumentar la frecuencia de entrada al amplificador disminuye la tensión de salida del mismo llegando a un momento en el cual disminuye a casi 0 sin poder controlar la amplificación con las resistencias.

6) Utilizando el método de máxima transferencia de energía, el cual consiste en colocar entre Vi y R1 un preset de 100k o 500k y variarlo hasta que entre R1 y masa haya Vi/2, nuestro cálculo nos dio Ri = 10,59k.

Amplificador No Inversor

1) Armado del siguiente circuito:

2) Para medir la tensión de offset se puentea la pata no inversora con masa y se desactiva el generador.

Voffset = 8,7 mV

3)

Señal de salida con máxima excursión simétrica.

    Avo (teórica) = 1 + R2 / R1 = 1 + 100kΩ / 10kΩ = 11
    Avo (práctica) = Vo / Vi = 19,6 V / 1,72 V = 11,4

4) El funcionamiento no varía.

5)

Señal de salida con 1 kHz

 

Señal de salida con 10 kHz

Señal de salida con 50 kHz

Señal de salida con 100 kHz

 

Señal de salida con 1 MHz. No funciona porque no depende de la configuración sino del operacional.

6) Conectamos el preset en serie y variamos su valor pero no hubo variación de Vpp debido a que estamos midiendo Vi directamente entonces para estos casos se conecta una resistencia en serie para determinar Ri.

Buffer

1) Armado del siguiente circuito:

Verificando su funcionamiento hay una pequeña diferencia con Vi debido al ruido.

2) Voffset = 1,6 mV

3) Ajustamos la señal de salida logrando la máxima excursión simétrica y se comprueba que la fase es la misma a la de entrada.

4) El funcionamiento no varía.

5)

Señal de salida con 1 kHz

 

Señal de salida con 10 kHz

Señal de salida con 50 kHz

 

Señal de salida con 100 kHz

 

Señal de salida con 1 MHz. No funciona porque no depende de la configuración sino del operacional.

Amplificador no inversor diseñado

Datos:
Vi = 1 Vpp
Avo = 26 dB
f = 0 - 1kHz

Cálculos:

26 dB = 20 log Vo / Vi

10 ^ (26 / 20) = Vo / Vi

20 = Vo / Vi


Vo / Vi = 1 + R2 / R1

Vo / Vi - 1 = R2 / R1

20 - 1 = R2 / R1

19 = R2 / R1


Suponer R2 = 100kΩ

19 = 100kΩ / R1

19 . R1 = 100kΩ

R1 = 100kΩ / 19

R1 = 5,25kΩ

R1 = 5kΩ Valor comercial

11) 

	Valores Teóricos	Valores Medidos
Ganancia en dB	26 dB	25,55 dB
Ganancia en veces	20	18,94

CH1 = Vi; CH2 = Vo

Conclusiones

En este trabajo práctico aprendimos el funcionamiento de los amplificadores operacionales LM741 y TL081. Medimos la tensión de offset conectando la entrada Vi del amplificador a masa y medimos la salida con un tester ya que con el osciloscopio era imposible apreciar la señal. Medimos la impedancia de entrada a través del método de máxima transferencia de energía. Aprendimos que a altas frecuencias el funcionamiento del amplificador no depende de la configuración sino de él mismo.