Análisis de Circuitos Eléctricos: Amplificadores Operacionales y Puentes de Wheatstone, Diapositivas de Automatización Industrial

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En los procesos automatizados, el acondicionamiento de las señales es de gran importancia, debido a que es la base de los cálculos y del buen funcionamiento del proceso. Se dice que a buenas medidas, buenos cálculos y buen resultado del sistema de control. Los transductores, sensores y trasmisores son los encargados de tomar las medidas primarias, dentro de estos, el acondicionador contribuye a escalar las señales medidas y presentarlas al sistema de control en una forma adecuada y fiable para su procesamiento

Puentes de Wheatstone Corriente Alterna El puente de corriente alterna nace a partir del puente de corriente continua, en este puente la fuente de alimentación es de corriente alterna a un nivel y una frecuencia determinada. Es utilizado con capacitores o inductores Condición de Equilibrio 1 2 3 1 2 3 Z Z Z Z ó Y Y Y Y X X   1 2 3         X X BD CD I Z I Z V V ó 1 3 2   X in in Z Z V I Z Z V I     3 2 1 2 1

Amplificadores Operacionales Son elementos de amplificación de alta ganancias , utilizados para trabajar con señales de poco voltaje. Son utilizados para amplificar señales de corrientes continuas y para señales de corrientes alternar pueden alcanzar hasta MHz. Generalmente son utilizados con una red compuesta por elementos electrónicos como resistencias y capacitores entre ellos, con la finalidad de producir una salida estable.   0 2 1 V K V V D   Características Reales de un Amplificador Operacional Ganancia^ de 10 (^3) a 10 9 Ancho de Banda de 0 a MHz Impedancia de Salida de 25Ω a 50ΩΩ a 5Ω a 50Ω0Ω Impedancia de Entrada de 105Ω a 50Ω^ a 10^12 Señal de Salida cuando V 1 =V 2 muy pequeña

Amplificadores Operacionales Seguidor de Tensión : Este se comporta básicamente como el amplificador de tensión ideal, tiene una impedancia de entrada muy grande, una impedancia de salida pequeña y una ganancia de voltaje estable. Para el análisis de la impedancia de entrada y salida que presenta esta configuración, lo haremos en función a la figura. Ganancia de lazo Cerrado

V sal  ALC * Ven  AB * V en

Si se cumple que: 2 1 2 1

R

V V

y I

R

V

I

sal X R X R

2 1 1 2

R

R

V

V

A

R

V

R

V V

en sal LC sal en en

Amplificadores Operacionales en(LC) en

Z (1 AB)Z

en en en en en en en eror eror eror en eror sal

AB Z

i

V

V AB i Z

V V ABV AB V

V V BV

1 2 2

R R

R

B

en sal

V

V

B

La fracción de retroalimentación y viene dada por: ó La impedancia de entrada a lazo cerrado La impedancia de salida a lazo cerrado:

AB

Z

Z

sal sal LC

( )

Amplificadores Operacionales Diferenciador: Su función consiste en tomar la derivada de la función de entrada. La salida de este circuito es de forma inversa y la ecuación que representa la salida es la siguiente: Integrador: Esta configuración toma la integral de la señal de entrada al circuito. La ecuación que describe este comportamiento es la siguiente:

Amplificadores Operacionales Diferencial a Lazo Cerrado : Esta configuración toma la diferencia de las dos señales de entrada y en función al resultado, genera la salida. La salida del sistema viene dada por la ecuación 2 1 1 2 3 3 1 1

0 *^ V

R

R R

R R

R

V

R

R

V

f f

2 1 1 0

V V

R

R

V

f

Si hacemos R1 = R2 y además Rf = R3, tendremos que la salida será

Amplificador de Instrumentación El mas usual de los tipos de amplificadores de instrumentación se hace con tres amplificadores operacionales y se obtiene un mejor desempeño con respecto a un solo amplificador. Al ser tres amplificadores estos presentan un rechazo de modo común al menos diez veces mayor.   2 1 1 2 4 3 0

1 V V

R

R

R

R

V 

Amplificadores de Aislamiento Son una subclase de los amplificadores de instrumentación y su función primordial es la de aislar eléctricamente el circuito de entrada con el circuito de salida. Estos amplificadores ofrecen una protección contra voltajes muy alto, por el orden de los 5000 Voltios, su aislamiento se logra por uso de transformadores a la entrada o por medio de optoacopladores.

Filtros Activos -20dB/Dec Filtro Básico Pasa Bajas Un filtro activo pasa bajas en configuración básica, esta compuesto por un amplificador operacional de ganancia unitaria mas un circuito RC. El valor de R y Rf deben ser iguales para asegurar la ganancia igual a uno. Para determinar el filtro deseado, se debe definir la frecuencia de corte wc , esta frecuencia se calcula a partir del circuito RC de entrada al amplificador c c f RC w 2  1   wc Esta dada en radianes por segundos fc Esta dada en hertz R Esta dada en ohm C Esta dada en Faradios

Los filtros pasa bajas de -20 dB/década poseen una pendiente de -45 en su frecuencia de corte, mientras que los filtros Butterworth de - dB/década poseen una pendiente de -90  en su frecuencia de corte ( wc ) Filtros Activos -40dB/Dec Procedimiento para el diseño.

• (^) Definir la frecuencia de corte wc ó fc.
• (^) Definir C1; se recomienda escoger un valor entre 100 pF y 0.1μF.
• (^) Definir C2=2C1.
• (^) Definir Rf=2R
• (^) Calcule: 1

1. 707 w C R c  1
2. 707 w C R c 

Un filtro pasa altas con una atenuación de 40dB/década cuando la frecuencia w esta debajo de su frecuencia de corte wc. por ser un filtro de Butterworth su ganancia a lazo cerrado será de 0.707 cuando estamos en la frecuencia de corte ( wc ) y de 0dB en la banda de paso ( w>wc ). Filtros Activos -40 dB/Dec Procedimiento para el diseño de un filtro pasa alta de 40dB/década.

• (^) Definir la frecuencia de corte, wc ó fc.
• (^) Definir C1=C2=C, con un valor adecuado, se recomienda un valor entre 1pF y 0.01μF.
• (^) Hacer Rf = R, para minimizar el desvió de corriente de dc.
• Calcular w C

R R

c

1 ^2 2 

Filtros Activos Pasa Banda Los filtros pasa banda son filtros selectores que permiten elegir la banda de frecuencia que se desea dejar pasar , esta banda de frecuencia esta limitada por una frecuencia mínima y una máxima. B = fh – fl Filtro Pasa Banda r l h f  f f B f Q r  y f f B B f B f l r h l      4 2 2 2