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Tema 1: Introduccin
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Introduccin
1.1. Sistemas Electrnicos
1.2. Funciones principales de los sistemas electrnicos
1.3. Analgico vs Digital
1.4. Sensores
1.5. Actuadores
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1.1. Sistemas ElectrnicosSistema = cualquier volumen cerrado en el que las entradas y salidas son conocidos.
Entradas/salidas (inputs/outputs) = variacin de una magnitud fsica que porta informacin
Sistema electrnico = sistema que genera o manipula energa elctrica
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1.1. Sistemas ElectrnicosEl tipo de entrada o salida depender, en general, de como delimitemos nuestro sistema. En este ejemplo:- Si consideramos todo el sistema de sonido, la entrada seran variaciones de presin.
- Pero si slo consideramos el amplificador, la entrada sera una seal elctrica del micrfono.
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1.1. Sistemas ElectrnicosEstrategia Top-down = Un sistema complejo es progresivamente dividido en sistemas ms simples, resultando en una serie de mdulos que son ms fciles de manejar.
Diagrama de bloques = Forma de representar un sistema complejo en un conjunto de mdulos ms simples
Cuando la energa (informacin) va de un componente a otro, al primero se refiere como fuente (source) y al segundo como carga (load)
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1.2. Funciones principales
Las funciones principales de un sistema electrnico en ingeniera son
- Medicin
- Procesamiento
- Actuacin
Sensores
Acondicionamiento de seal
Actuadores
Drivers
- Alimentacin
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Medicin
Medicin = Incorporar informacin relevante del exterior a nuestro sistema.
Informacin = Variacin de una magnitud fsica.
Sensores = Detectan variaciones de de las magnitudes fsicas.
Acondicionadores de seal = Cambian alguna caracterstica de la seal de entrada
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Sensores- Un sensor produce fluctuaciones elctricas producida por la variacin de alguna magnitud fsica.
- Estas variaciones se conocen como seal elctrica.
- Las seales elctricas portan pues informacin.
Ejem. Micrfono: Variaciones de presin Clula fotovoltaica: Cambios de luz
- Un sensor convierte variaciones de una magnitud fsica en seales elctricas que se pueden usar como entrada en los sistemas electrnicos
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Acondicionamiento de la seal
- Acondicionadores de seal = Cambian alguna caracterstica de la seal de entrada
- La seal de salida de un sensor, puede requerir ser alterada de una forma adecuada para ser procesada adecuadamente
Ejem. Amplificar, quitar interferencias, convertir seal anloga en digital, convertir voltaje en corriente, ...
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Procesamiento
- Mdulo elctricos que operan a partir de las seales de entrada para determinar la accin a realizar.
- Circuitos que manipulan/analizan/almacenan la informacin recibida y determina las acciones necesarias para cumplir los objetivos especificados.
Ejem. Si vemos un baln venir hacia nosotros, los ojos actuaran como sensores, y el cerebro como procesador
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Actuacin - Actuadores = Generan un cambio en una magnitud fsica a partir de una seal elctrica (procesada).
- El actuador toma una seal elctrica de entrada y genera un cambio en una magnitud fsica como salida
Ejem. Altavoz, seal elctrica en sonido (variaciones de presin)
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Otros mdulos electrnicos
- Drivers = Adaptan la energa elctrica requerida por el actuador de una forma controlada. Por ejemplo, se pueden usar para regular la corriente que fluye en un circuito.
-Alimentacin= Circuitos que adecuan la energa elctrica para los restantes componentes electrnicos.
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1.3 Analgico vs Digital
- Las variaciones elctricas de un sensor portan informacin de alguna magnitud fsica que vara.
Atendiendo a su naturaleza, las cantidades fsicas se pueden clasificar como
Aquellas que varan continuamente (ej. temperatura,humedad, )
Aquellas que varan de forma discontinua o discreta (ej. poblacin)
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1.3 Analgico vs Digital
- Las seales elctrica tambin pueden ser continuas (analgicas) o discretas (digitales).
- No tiene por qu haber correspondencia necesaria entre seales y magnitud fsica (por ejemplo, a veces puede ser conveniente representar una magnitud continua con una seal discreta y viceversa)
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1.3 Analgico vs DigitalSeales Analgicas
-Toman un margen continuo de valores del amplitud, esto es, puede tomar tpicamente cualquier valor del intervalo
-Toman un valor anlogo a la magnitud representada
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1.3 Analgico vs DigitalSeales Digitales
-Toman un nmero discreto de valores ( nmero finito de amplitudes ).
-Slo son posibles algunos valores del intervalo (son discontinuas o discretas)
-Si solo existen 2 valores, se habla de seal binaria
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1.3 Analgico vs Digital
Acondicionamiento de seal: Analgico Procesamiento: DigitalDrivers y alimentacin: Analgico
Se hacen necesarios circuitos de conversin A/D y D/A
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1.3 Analgico vs DigitalVentajas circuitos digitales sobre analgicos
Menor sensibilidad al ruido elctrico y a la distorsin
- Ruido: Perturbacin no deseada aadida a la seal de entrada
- El ruido tiende a acumularse en las seales analgicas
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1.3 Analgico vs DigitalVentajas circuitos digitales sobre analgicos
- Como son menos sensibles al ruido, son ms precisos
- Posibilidad de implementar funciones matemticas, lgicas y de almacenamiento de gran complejidad.
- Aunque tienen ms componentes, los circuitos digitales son ms baratos que los analgico (tcnicas circuitos integrados)
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1.3 Analgico vs DigitalDesventajas de los circuitos digitales respecto a los analgicos
Para la misma funcin y velocidad:- Los sistemas analgicos requieren menos componentes que los sistemas digitales- Los circuitos digitales emplean muchas ms seales - Los circuitos analgicos son ms rpidos- Los circuitos analgicos funcionan mejor a amplitudes bajas o frecuencias altas - La conversin A/D y D/A complica y ralentiza el procesamiento
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1.4 Sensores
Los sistemas electrnicos interaccionan con el mundo exterior mediante los sensores y los actuadores.
- Actuadores y sensores son dos tipos de transductores
Transductor = Sistema que convierte una magnitud fsica en otra
Sensor = Transductor que transforma una magnitud fsica en una seal elctrica
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1.4 SensoresError = Diferencia entre el valor medido y el valor real. Los hay aleatorios (efecto del azar) y sistemticos (se producen de igual modo en todas las mediciones). Caractersticas de los sensores
- Rango = Intervalo de los valores que puede medir.
- Resolucin = Menor cambio en la variable medida que es capaz de detectar.Se suele expresar como un porcentaje del rango (Ej. resolucin es 0,1% del rango)
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1.4 SensoresCaractersticas de los sensores
- Exactitud (Accuracy) = Describe el mximo error esperado de la medida respecto al valor verdadero.
- Precisin = Mxima dispersin esperada para varias medidas del mismo valor de entrada. As, la precisin es una medida de la falta de errores aleatorios, y por tanto, aparatos con alta precisin producirn lecturas similares, con poca variacin.
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1.4 Sensores
Exactitud vs precisin
Alta exactitudAlta precisin
Bajo error sistemtico y aleatorio
Baja exactitudAlta precisin
Elevado error sistemtico
Baja exactitudBaja precisin
Elevado error sistemtico y aleatorio
Alta exactitudBaja precisin
Elevado error aleatorio
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1.4 SensoresCaractersticas de los sensores
- Linealidad = Indica en que medida la variacin de la salida es proporcional a la de entrada.
- Sensibilidad = Medida del cambio producido en la salida para un cambio en la entrada.
Ej. Un sensor de temperatura dado tiene una sensibilidad de 10 mV/C.
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1.4 SensoresCasi cualquier propiedad fsica de un material que vari en respuesta a una excitacin puede ser usada para producir un sensor con la circuitera adecuada.
Sensores de temperatura: Existen 2 tiposi) Output binario para indicar que la temperatura est por encima o debajo de cierto umbral.
-Termostato: abre o cierra un circuito en funcin de la temperatura. Esta formado por una lamina bimetlica compuesta de materiales con diferentes expansin trmicas, de manera que al aumentar la temperatura se dobla y funciona como interruptor.
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1.4 Sensoresii) Permiten medir directamente la temperatura
- PRT (platinum resistance thermometer). La resistencia elctrica de los metales depende de la temperatura. * Muy lineales
* Pobre sensibilidad 100 (0 C),140 (100 C) * Exactitud 0.1%
- Termistores. Se basan en la variacin de la resistencia con la temperatura de los semiconductores * No lineales
* Muy sensibles 5 k (0 C),100 (100 C)
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1.4 SensoresSensores de temperatura: Ejemplos
PRTNTC
Termopar
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1.4 SensoresSensores de luz: Existen 2 tipos
i) Fotovoltaicos: Generan electricidad al ser iluminados - Fotodiodos: Luz en una unin PN produce una corriente.
Se basa en el mismo principio que las clulas solares.*Poco lineales*Poco sensibles
ii) Fotoconductivos = Alguna de sus propiedades cambia bajo la influencia de la luz. - Fototransistor
* Muy sensible - LDR (light-dependent resistor) * No lineal
* Respuesta lenta
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1.4 SensoresSensores de deformacin (fuerza)- Galga extensiomtrica: Conjunto de laminas de material resistivo. Al aplicar una fuerza la lamina se deforma, al cambiar sus dimensiones cambia su resistencia.
- Y otros muchos tipos de sensores : Desplazamiento (interruptor, potencimetro,...), Velocidad (tacogenerador).
Casi cualquier propiedad fsica de un material que vari en respuesta a una excitacin puede ser usada para producir un sensor con la circuitera adecuada.
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1.4 Sensores
Fotodiodos Fototransistores
LDR Galga extensiomtrica
Sensores : Ejemplos
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1.4 SensoresSensor interfacing : Algunos sensores producen una seal elctrica directamente relacionada con la magnitud fsica que miden, otros sin embargo, necesitan de circuitera adicional para generar dicha seal.
Por ejemplo, muchos sensores representan el cambio de una magnitud fsica cambiando su resistencia (ej. PRT, LDR)
Una manera de introducir un cambio de resistencia en voltaje es introduciendo el sensor en un divisor de tensin
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1.4 SensoresEjemplo. Sensor de luz con una LDR. La cantidad de luz afecta el valor de la LDR que, para este ejemplo, oscila entre 400 (1000 lux) y 9 k (10 lux), esto hace que el voltaje de salida cambie de 6 V a 11.5 V.
Recordad, la LDR es muy poco lineal !!
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1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores
Calor
Nombre Magnitud elctrica a controlar
Calefactor resistivo VRMS, IRMS
Luz
Nombre Magnitud elctrica a controlar
Lmparas convencionales
VRMS, IRMS
LED IAVG
LED: Light Emitting Diode
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1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores
Calor
Nombre Magnitud elctrica a controlar
Calefactor resistivo VRMS, IRMS
Luz
Nombre Magnitud elctrica a controlar
Lmparas convencionales
VRMS, IRMS
LED IAVG
LED: Light Emitting Diode
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1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores
Calefactor resistivo LEDs
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1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadoresAlgunos tipos de actuadores
Fuerza, desplazamiento
Nombre Magnitud elctrica a controlarSolenoide IAVG
Motores AC VRMS, IRMS, f
Motores DC VAVG, IAVG
Motores paso a paso
I
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1.5 ActuadoresInterfaz con los actuadores
Implican tpicamente el suministro de importantes cantidades de energa elctrica
Deben adaptar la forma de esa energa a los requisitos del actuador
Es muy importante en su funcionamiento el rendimiento energtico
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