Circuitos Electrónicos II (66.10) Guía de Problemas Nº 1: Realimentación negativa y Corrimientos

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1 Circuitos Electrónicos II (66.10) Guía de Problemas Nº 1: Realimentación negativa y Corrimientos 1.- Para los siguientes circuitos, hallar vo/vg considerando Avol op ; Ro op = 0; Ri op 1.1) 1.2) 2.- A continuación se muestra el circuito simplificado de un canal electrocardiográfico. Calcular Vo y V RL a frecuencias medias, considerando Avol op ; Ro op = 0; Ri op. LA RA Guía de Problemas Nº 1 1/14

2 3.- En la siguiente figura se muestra el circuito simplificado de un amplificador de instrumentación típico. Se pide: a) Discutir el funcionamiento de cada una de las etapas del circuito en forma cualitativa. b) Calcular vo a frecuencias medias. Considerar: Avol op ; Ro op = 0; Ri op. c) Analizar las características sobresalientes de este tipo de amplificadores. d) Seleccionar los componentes para su implementación, discutiendo el criterio utilizado. e) Determinar las mediciones necesarias y los puntos de prueba para verificar y calibrar el circuito. Describir un procedimiento de ajuste. f) Completar el circuito y realizar el diagrama eléctrico completo y el listado de partes necesarios para el diseño del circuito impreso y su implementación. Guía de Problemas Nº 1 2/14

3 4.- Analizar en forma cualitativa si los siguientes circuitos están realimentados negativamente. 5.- En cada caso determine si la realimentación es negativa. Qué magnitud se muestrea y cuál se suma? Cúal es el parámetro que se estabiliza? Calcular PE, a y B, indicando la relación de magnitudes. 5.1) Datos: R1=10 kω; R2=90 kω; Avol=1000; Ri=5 kω; Ro=50 Ω; Rg=600 Ω; RL=4k7 Guía de Problemas Nº 1 3/14

4 5.2) Datos: Rg = 100Ω; RL=4k7; R1=10kΩ; R2=10kΩ; R3=10kΩ; R4=10kΩ; Avol=1000; Ri=10 kω; Ro=50 Ω; 5.3) Datos: Rg=100 Ω; R1=1 kω; R2=10 kω; R3=1kΩ; R4= 10 kω; R5=10 kω; R6=1 kω; R7=100 Ω; R8=1kΩ; RL=10 kω; Avol= 1000; Ri=5 kω; Ro=50 Ω 5.4) Datos: Rg=1 kω; Rf=10 kω; RL=10 kω; Avol=75 db; Ri=20 kω; Ro=20 Ω Guía de Problemas Nº 1 4/14

5 5.5)Datos: Rg=600 Ω; RL=4k7; R1=10 kω; R2=10 kω; Avol= 60 db; Ri=20 kω; Ro=15 Ω 5.6) Datos: Rg=100 Ω; R1=1kΩ; R2=10 kω; R3=10 kω; R4= 10kΩ; RL=4k7; Avol=60 db; Ri=20 kω; Ro=15 Ω 6.- En los siguientes circuitos el amplificador operacional posee: Avol Ri op finita Ro op finita Determine el valor de la impedancia vista por RL. 6.1) Guía de Problemas Nº 1 5/14

6 6.2) 7.- Para los circuitos del punto 4, obtenga: a) La impedancia vista por el generador vg b) La impedancia vista por RL. vo 8.- Calcule, la resistencia vista por el transductor piezoeléctrico X, en modo pulso-eco v durante la recepción y la vista por RL, aplicando teoría de realimentación. Datos: Vg=300 V; f s =1 MHz; Rg=50 Ω; Zx=50 Ω; R1=4k7; R2=4,7 MΩ; R3=50 Ω; R4=100 kω; RL=50 Ω; Avol = 79 db; Ri op = 6 kω; Ro op = 10 mω; Para Q1 y Q2: V DS = 600 V; R DS = 30 Ω; V GS = 20 V; V GS(th) = -1.4 V; C ISS = 98 pf; C OSS = 8.5 pf; t d(on) = 5.4 ns Guía de Problemas Nº 1 6/14

7 9.- Diseñar, a partir del diagrama en bloques, un transmisor 4-20 ma con las siguientes especificaciones: -Entrada: 0-1V (A); 0-10V (B) -Salida:4-20 ma -Impedancia de entrada mayor a 10 MΩ -Máxima impedancia de carga 500 Ω 10.- Diseñar, a partir del diagrama en bloques, un receptor 4-20 ma con las siguientes especificaciones: -Entrada: 4-20 ma. -Salidas:0-5V -Indicador de lazo abierto Guía de Problemas Nº 1 7/14

8 11. Diseñar un dp Cell básico, que cumpla con las siguientes especificaciones: Offset y span ajustables Salida analógica: 0 a 5 V Rango de medición: 0 a 10 kpa Sensibilidad: 0.5 V/kPa Exactitud: +/ ºC o mejor Coeficiente de temperatura: ºC o mejor Temperatura de operación: 0ºC a 60ºC Conexión eléctrica: Borneras Conexión a proceso: Fitting 3/16 a. Investigar los diferentes sensores de presión comerciales y su funcionamiento. Buscar las hojas de datos y analizar sus especificaciones. b. Realizar el diagrama en bloques completo. c. Analizar las posibles soluciones circuitales para cada bloque. Seleccionar la solución más adecuada, justificando el criterio utilizado. d. Realizar el diagrama eléctico completo. e. Calcular y seleccionar los componentes del circuito, justificando el criterio de selección utilizado. Buscar las hojas de datos y analizar las especificaciones de los principales componentes. f. Realizar un listado de componentes, indicando cantidad, referencia, valor/código, descripción (potencia, tolerancia, tecnología del componente, etc.), fabricante, proveedores y costo unitario, y un diagrama de su localización en el prototipo (protoboard o ciruito impreso) g. Describir un procedimiento de Montaje, Verificación y ajuste del prototipo. Guía de Problemas Nº 1 8/14

9 12.- Aún en ausencia de señal puede observarse, en amplifcadores realimentados negativamente, la existencia de una señal de salida, que a veces nos lleva a la saturación de la misma. Discutir: 121. Cuál es el origen de este efecto? 122. Cómo puede compensarse o minimizarse? En qué se diferencian los amplificadores operacionales con entrada de transistores bipolares de juntura respecto a los que tienen transistores de efecto de campo, en cuanto a las tensiones y corrientes de offset, y corrientes de polarización? A partir de las hojas de datos del amplificador operacional 741, discutir la información técnica que suministra el fabricante en relación a este efecto Cómo varían los parámetros anteriores con la temperatura? Y con la tensión de alimentación? Tiene sentido hablar de la deriva de la Corriente de polarización con la temperatura? Por qué? 13.- El circuito mostrado a continuación es frecuentemente utilizado en aplicaciones bioeléctricas, como por ejemplo en oxímetros de pulso. Analice su funcionamiento y Calcule Vo. Datos: R1= 10 MΩ; R2=1 MΩ; R3=100 kω; C1=67 pf; C2=75 pf Guía de Problemas Nº 1 9/14

10 14.- Determine la tensión de salida v s del siguiente circuito, considerando que el amplificador operacional es ideal Siendo el amplificador operacional del siguiente circuito ideal, Cuál debe ser el valor de v i para que la salida v s sea nula? Qué magnitud del amplificador operacional puede ser representada por v 1. Datos: R1=1 KΩ; R2=1 MΩ; V 1 = 10 mv 16.- Dado el siguiente circuito se sabe que, para la ganancia de lazo (T) mucho mayor que 1, la ganancia de tensión es de -62,6 veces. Además se sabe que con v g nula, el máximo desplazamiento de la tensión de salida es de 626 mv y, que de ese total, lo motivado por la tensión de desplazamiento (V off ) asciende al 90 %. Determine el valor de la corriente de desplazamiento (I off ). Considere que la impedancia de entrada del amplificador operacional tiende a infinito y la de salida a cero. Datos: Rg=50 Ω; R1=1 KΩ; R3=R1//R2 Guía de Problemas Nº 1 10/14

11 17.- En el circuito mostrado a continuación se utiliza una termocupla para medir temperatura. Sabiendo que la termocupla presenta una resistencia prácticamente despreciable y que tiene una sensibilidad de 50 µv/ºc, se pide: 17.1.) Cuál sería el error en temperatura máximo si se utilizara el amplificador operacional LM741 sin apelar a la compensación de offset? 17.2.) Suponiendo que se compensa el offset para la temperatura ambiente, y ésta varía en 10 ºC, Cuál sería el error en la tensión de salida? 18.- Diseñar, a partir del diagrama en bloques, un amplificador para una termocupla tipo K, que cumpla con las siguientes especificaciones: Alimenatción: +/-15 V Sensibilidad: 10 mv/ºc Respuesta lineal entre -200 y 1200 ºC Error total : <1ºC 25 ºC) Buscar las hojas de datos y analizar las especificaciones de los circuitos integrados LT1025 y LTKA00, ambos de de Linear Technology. Guía de Problemas Nº 1 11/14

12 Prácticas de Laboratorio A. Receptor Transmisor de Lazo 4 20 ma. A.1. OBJETIVO Verifcar el funcionamiento del transmisor y receptor de corriente, diseñados en los problemas 9 y 10. Realizar su calibración. A.2. INTRODUCCIÓN Existen diferentes sistemas para comunicar los sensores con controladores y dispositivos de lectura y visualización cercanos o remotos, dependiendo de las distancias a cubrir, la velocidad de comunicación, el factor de rechazo a la interferencia E.M., el aislamiento, el entorno, y el costo. También se debe elegir el medio de transmisión más adecuado, por ejemplo, par trenzado, cable coaxil, fibra óptica, ondas de radio, etc. La transmisión de tensiones continuas proporcionales a la magnitud medida que los sensores entregan sólo se recomienda para cortas distancias, ya que en entornos industriales los lazos formados por los conductores captarán tensiones parásistas inducidas, las cuales podrán alterar totalmente las magnitudes de la señal de medida. El uso de cables mallados, sistemas de tierra y fibra óptica, pueden solucionar estos problemas de interferencia, pero son sistemas complejos y de alto costo. El principio de la telemedida opr corriente es de amplio uso en la transmisión de señales débiles en los entornos industriales, por su relativa facilidad de implementación, confiabilidad y bajo costo. La medición a través de lazos de corriente se efectúa convirtiendo la magnitud medida por el sensor en una corriente continua proporcional, que se envía a través de un conductor y se lee en el extremo receptor en forma de tensión usando una resistencia conocida. Para la comunicación por medio de los lazos de corriente, se han normalizado los siguientes valores: 1-5 ma, 0-5 ma, 4-20 ma, 0-20 ma, 2-10 ma y ma. Las tensiones de entrada también están normalizadas, tales como 0-10 mv, mv, 0-1 V, 0-5 V y 0-10 V. Otra ventaja de la telemedida por corriente, y que depende del tipo de transmisor, es la posibilidad de configurar la técnica de enlace modificando el número de hilos necesarios para transmitir la señal y la alimentación, permitiendo de esta forma, reducir considerablemente las inducciones parásitas sobre los cables cuando estos son de gran longitud. En la siguente figura (fig. A.1), se muestran los modos de enlace más usados. En (a), se presenta un sistema con cuatro hilos que transmite la alimentación y la señal desde el dispositivo de lectura usando conductores separados. Sin embargo, es posible compartir una línea como retorno, tal como se ve en (b). En (c), la conexión se hace a través de dos hilos, conectando en serie la fuente de alimentación con el dispositivo de lectura. Guía de Problemas Nº 1 12/14

13 A.3. MONTAJE Y CALIBRACIÓN Fig. A.1. Modos de enlace típicos en telemedida por corriente Una vez que disponga de todos los componentes, armar el receptor y el transmisor, diseñados de acuerdo a los diagramas en bloques indicados de los problemas 9 y 10, en dos protoboards o plaquetas universales. Para calibrar el receptor, alimente el circuito con una fuente de +12V/0/-12V, aplique una corriente de 4 ma a la entrada y mida la tensión con un voltímetro DC a la salida. Ajuste el tirmmer de ajuste de cero hasta obtener una tensión igual a 0 Vdc. Para finalizar la calibración, haga circular a través de la entrada una corriente de 20 ma y varíe el trimmer de ajuste de ganancia hasta obtener en la salida una tensión de 5 Vdc. Para calibrar el transmisor, alimente el circuito a través de una fuente bipolar de +/-12 V. Dependiendo del valor máximo definido para la entrada de tensión, se debe colocar el selector de entrada en A o B. Para calibrar el nivel inferior de la corriente de salida, cortocircuite la entrada del circuito y coloque un miliamperímetro entre los dos terminales de salida para leer la corriente, mientras se varía el control para el ajuste de escala mínima hasta el valor esperado. Finalmente, para calibrar el nivel superior de la corriente de salida, retire el cortocircuito de la entrada, conecte una fuente DC ajustada al valor máximo de la tensión de entrada y ajuste el control de escala máxima hasta leer en el miliamperímetro la corriente de salida deseada. Guía de Problemas Nº 1 13/14

14 B. dp Cell A.1. OBJETIVO Verificar el funcionamiento del medidor de presión diferencial del problema 11. Realizar su calibración A.2. INTRODUCCIÓN Un dp Cell es un transmisor de presión diferencial que incluye internamente el circuito de acondicionamiento, suministrando señales amplificadas de 0-1 V, 0-10 V, 0-5 V o de 4-20 ma. Posee dos entradas de presión y la señal de salida es proporcional a la diferencia de presión existente entre ellas. En cambio, un medidor de presión absoluta tiene únicamente una entrada y su señal es proporcional a la presión existente en dicha entrada, utilizando un punto de referencia interno, el cual es constante. Los dp Cell se utilizan para la medición de presión, caudal y nivel, pudiéndose medir las principales variables de procesos industriales utilizando un único transmisor. A.3. CALIBRACIÓN // ACF Sin aplicar presión al sensor ajustar el offset hasta que la salida sea Aplicar una presión con el valor máximo que se vaya a medir y ajustar el span hasta que la salida sea 5V. Guía de Problemas Nº 1 14/14