amplificadores, transductores y sensores
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Asignatura :Sistema de Adquisición de Datos
ALUMNO: RAMALES FLORES JOSUÉSEGOVIA RAMIREZ MONSERRATRIOS RODRIGUEZ HUMBERTODIEGOPROFESOR: DE SANTIAGO MORA GILBERTOGRUPO: 4NV1TAREA: 2A2
INSTITUTO POLITECNICO NACIONALUPIICSA
Sensores Eléctricos, Transductores y
Amplificador Operacional
CARACTERISTICAS DE UN SENSOR
1. Convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, generalmente en una señal eléctrica.
2. Son codificadores (Encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores e iniciadores.
3. No siempre generan una señal eléctrica. Ejemplo. Los finales de carrera neumáticos, generan cambios de presión.
4. Funcionan con contacto físico y sin contacto físico. Ejemplos, finales de carrera, sensores de fuerza(contacto físico), barreras fotoeléctricas, barreras de aire, detectores de infrarrojos, sensores de reflexión ultrasónicos, sensores magnéticos(sin contacto físico).
5. En procesos controlados, son “preceptores” que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso
Existen diferentes tipos de sensores, en función del tipo de variable que tengan que medir o detectar:
De contacto. Ópticos. Térmicos. Magnéticos. De infrarrojos.
Tipos de Sensores
Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición límite de componentes mecánicos. Por ejemplo: saber cuando una puerta o una ventana que se abren automáticamente están ya completamente abiertas y por lo tanto el motor que las acciona debe pararse.
Los principales son los llamados fines de carrera (o finales de carrera). Se trata de un interruptor que consta de una pequeña pieza móvil y de una pieza fija que se llama NA, normalmente abierto, o NC, normalmente cerrado.
Final de carrera Símbolo de un final de carrera
La pieza NA está separada de la móvil y sólo hace contacto cuando el componente mecánico llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil haciendo que pase la corriente por el circuito de control.
La pieza NC hace contacto con la móvil y sólo se separa cuando el componente mecánico llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil impidiendo el paso de la corriente por el circuito de control. Según el tipo de fin de carrera, puede haber una pieza NA, una NC o ambas.
Sensores de Contacto
Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.
Estos se tratan con resistencias cuyo valor disminuye con la luz,
de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la
corriente eléctrica por el circuito de control. Cuando una persona
o un obstáculo interrumpen el paso de la luz, la LDR
aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente
por el circuito de control.
El circuito que aparece en la imagen superior derecha nos permitiría controlar la puesta en marcha de una alarma al disminuir la intensidad luminosa que incide sobre un LDR.
Sensores ópticos
Se trata de resistencias cuyo valor asciende con la temperatura (termistor PTC) o bien disminuye con la temperatura (termistor NTC).Por lo tanto, depende de la temperatura que el termistor permita o no el paso de la corriente por el circuito de control del sistema.
El símbolo de un termistores:
La principal aplicación de los sensores térmicos es, como es lógico, la regulación de sistemas de calefacción y aire acondicionado, además de las alarmas de protección contra incendios.
Sensores de Temperatura
Detecta los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El principal es el llamado interruptor Reed; consiste en un par de láminas metálicas de materiales ferromagnéticos metidas en el interior de una cápsula que se atraen en presencia de un campo magnético, cerrando el circuito.
Su símbolo recuerda vagamente al del interruptor convencional:.
El interruptor Reed puede sustituir a los finales de carrera para detectar la posición de un elemento móvil, con la ventaja de que no necesita ser empujado físicamente por dicho elemento sino que puede detectar la proximidad sin contacto directo. Esto es muy útil cuando interesa evitar el contacto físico, por ejemplo para detectar el nivel de agua de un depósito sin riesgo de cortocircuitos
Sensores Magnéticos
Existen diodos capaces de emitir luz infrarroja y transistores sensibles a este tipo de ondas y que por lo tanto detectan las emisiones de los diodos. Esta es la base del funcionamiento de los mandos a distancia; el mando contiene diodos que emiten infrarrojos que son recibidos por los fototransistores del aparato.
Los diodos de infrarrojos son a simple vista
idénticos a los LED, como se puede apreciar
en la imagen, y se representan de la misma
manera, mientras que el símbolo de los
fototransistores es semejante al de los
transistores normales pero añadiendo las
flechas que representan la luz que reciben.
Recordemos que las flechas salen del elemento
cuando éste emite luz o radiación infrarroja y
entran en él cuando el elemento recibe dicha
radiación.
Sensores Infrarrojos
Los sensores
Los capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales Metálicos ferrosos como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación y de conteo.
De conversión directa a variable eléctrica
Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales eléctricas.
Esta formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.
Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor.
Transductores
Reciben una señal de entrada función de una o mas cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida, ejemplos:-Un relé - un transmisor- un elemento primario - un convertidor PP/I- un convertidor PP/P
Consisten en un elemento elástico (tubo de Bourdon o capsula) que varia la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.
Salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación.
Son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor.
Transductores resistivos
Transductores capacitivos
Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión.
La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre 2 placas fijas.
Los dos capacitores pueden comparase en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.
Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores
Sensibles a las variaciones de temperatura. Sensibles a las aceleraciones transversales y precisan de
un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de corriente alterna a los que están acoplados.
Transductores capacitivos
Transductores ultrasónicos Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al
propagarse este en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario.
Componentes de un transductor
Carcasa Cristal piezoeléctrico Material de relleno Material amortiguador Conector
Aplicaciones
ECOGRAFIA
La ecografía puede definirse como un medio diagnóstico médico basado en las imágenes obtenidas mediante el procesamiento de los ecos reflejados por las estructuras corporales, gracias a la acción de pulsos de ondas ultrasónicas.
REPASO
Transductor: cualquier dispositivo que convierte un tipo de energía en otro.
Transductor de sonido: convierte energía eléctrica en energía de sonido y viceversa(ej:micrófonos)
Transductor ultrasónico: se basa en el efecto piezoeléctrico.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
Objetivos:
Fundamentar sobre los conceptos de amplificadores operacionales.
Conocer y utilizar los distintos circuitos con amplificadores operacionales.
Implementar circuitos con amplificadores operacionales.
Compartir información, conocimientos y destrezas en la implementación de circuitos electrónicos analógicos.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
Las propiedades asociadas con el amplificador ideal son:
Ganancia infinita de voltaje (Av → ∞)
Impedancia de entrada infinita (Zin → ∞)
Impedancia de salida cero ( Zout → 0)
Vo = 0 cuando Va = Vb
Ancho de banda infinito ( no hay atraso de la señal a través del amplificador)
En la práctica, ninguna de estas propiedades puede lograrse, pero ellas son bastante aproximadas.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
En la Figura 1 se muestra la representación de un AO indicando los terminales externos que normalmente presenta.
Figura 1. Terminales de un amplificador
operacional
En esta Figura 1, +V y −V son las marcas de los terminales para la fuente de voltaje. Los terminales de compensación de frecuencia se usan para prevenir oscilaciones del circuito del AO.
El nombre de entrada inversora surge porque si la entrada no inversora se pone a tierra y si se aplica una señal a la entrada inversora, la salida estará desfasada 180º con respecto a la entrada.
Los amplificadores operacionales (AO) son llamados así porque podemos encontrar circuitos montados a base de estos amplificadores para realizar operaciones matemáticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores y otras funciones matemáticas, son elementos muy usados en la electrónica analógica.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
La figura 2 muestra el símbolo electrónico típico de un amplificador operacional. Este concretamente es una cuarta parte del LM324 ya que vienen 4 amplificadores operacionales en un mismo circuito integrado. En este ejemplo, los pines 4 y 11 son de alimentación. Un amplificador operacional se puede alimentar con tensión sencilla o con tensión simétrica (dual). La tensión sencilla consiste en alimentar con dos cables, uno el positivo y el otro masa o tierra (por ejemplo a 12 voltios). La tensión simétrica consiste en alimentar el circuito con tres cables, uno el positivo, otro el de masa o tierra y otro el negativo, con la misma tensión que el positivo pero negativa (por ejemplo ±12). La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que se desea obtener en la salida: si en la salida se desea obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo se desea obtener tensiones positivas podemos usar alimentación simple.
También se debe tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si la alimentación es de 12 V no se debe esperar obtener 15 voltios a la salida.
Los pines 2 y 3 son las entradas, y el 1 es la salida. A la hora de analizar circuitos con amplificadores operacionales se dice que la corriente por las entradas inversora y no inversora del operacional es cero.
Figura 2
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
Circuito Integrado (CI): LM324
Cuádruple Amplificador Operacional Cuatro amplificadores operacionales independientes con alta ganancia y compensados internamente en frecuencia.
Operan desde una fuente de alimentación sencilla en un amplio rango de voltajes (también en +5V, como en sistemas digitales). El CI LM324 opera en un rango de alimentación de +3 a +32VDC, o de ±1.5 a ± 16VDC. La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio: http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
Circuito Integrado (CI): LM358N
Amplificador Operacional Dual de Bajo Consumo. Este IC esta compuesto de dos A.O independientes, con características de muy bajo consumo (500 μA), compensación interna de frecuencia, gran ganancia de voltaje DC (100dB), ancha banda de frecuencia(1MHz) entre otras. Otra ventaja de LM358 es la posibilidad de alimentación sencilla en un rango de 3 a 32V (doble ±1.5 a ±16V).
La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio http://www.national.com/ds/LM/LM158.pdf
AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O) Y APLICACIONES
Circuito Integrado (CI): LM741
Amplificador Operacional sencillo de uso general, considerado un estándar de la industria, desde cuando ya hace un par de décadas, ha
reemplazado el LM709. El A.O es compensado internamente y es protegido contra las sobrecargas en la entrada y la salida. En la mayoría de las aplicaciones es reemplazo directo, pin por pin de los CI: LM709C, LM201, LM301, MC1439, 748.
La hoja completa de características técnicas y de aplicaciones se puede obtener en el sitio http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Seguidor de Voltaje
En la figura se muestra un AO que con la salida realimentada directamente a la entrada inversora constituye lo que se denomina un seguidor de voltaje (la salida es igual a la entrada).
Esto se demuestra aplicando las leyes de Kirchhoff:
Se ve que
Como Av → ∞, entonces
El único camino a tierra para el voltaje de entrada es a través de la alta resistencia de entrada del amplificador, de modo que el seguidor de voltaje hace una buena etapa de aislamiento entre la fuente de voltaje y la carga. Una de las aplicaciones de esta configuración es para aislar la carga de los potenciómetros usados como divisores de voltaje, ya que esto permite que se comporten linealmente.
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Comparador de Voltaje
En la figura se muestra un AO con señales de voltaje aplicadas en las entradas inversora y no inversora, en una configuración de lazo abierto.
En este caso, el AO se satura debido a la alta ganancia Av y la salida Vo será
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Amplificador no inversor
La configuración no inversora en la cual la ganancia de voltaje de circuito puede fijarse dentro de ciertos límites con los resistores R1 y Rf.
Por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que va ≈ vi y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Amplificador Inversor
Conectado Vin a la entrada inversora se obtiene
un AO inversor como se muestra en la figura.
Por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Amplificador con Entrada Diferencial
Si se diseña el circuito de manera que R1 ≡ R11 = R12 y R2 ≡ R21 = R22 se tiene:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Circuito Sumador Aplicando al circuito las propiedades de los AO: vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Circuito Sumador
Si se diseña el circuito de manera que R1 = R2 = R3 se tiene:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Circuito integrador
Aplicando al circuito las propiedades de los AO: Vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff:
CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES (A.O)
Circuito Diferenciador
Aplicando al circuito las propiedades de los AO: Vo = Av (Vb − Va), por la alta impedancia de entrada del AO puede decirse que Va ≈ Vb = 0 y que no fluye corriente hacia el AO; por lo tanto, aplicando las leyes de Kirchhoff: