Manual de problemas para la integración de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas

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(1)1. UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES.. Trabajo de Diploma.. Manual de problemas para la integración de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas.. Autor: Amado Magdaleno Mesa. Tutor: Dr. Carlos Roche Beltrán.. Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución.

(2) 2. UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Trabajo de Diploma Manual de problemas para la integración de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas.. Autor: Amado Magdaleno Mesa. Email: [email protected] Tutor: Dr. Carlos Roche Beltrán Profesor Titular. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones Email: [email protected]. Santa Clara 2016 Año 58 de la Revolución.

(3) 3. Hago constar, que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu de Las Villas” como parte de la culminación de estudios en la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Los abajo firmantes certifican que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ____________________________ Firma del Jefe de Departamento. ________________ Firma del Autor. donde se defiende el trabajo. __________________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) 4. PENSAMIENTO. “Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.” Albert Einstein..

(5) 5. DEDICATORIA. . En especial a la memoria de mi madre, que siempre quiso lo que hoy soy.. . A mi esposa Odalys y mis hijas, Yadira y Yairy, por brindarme su apoyo en todo momento..

(6) 6. AGRADECIMIENTOS A mi tutor, Dr. Carlos Roche Beltrán, por su apoyo incondicional. A todas aquellas personas que han sido mi soporte y compañía durante todo el período de estudio y de mi formación profesional. A la memoria de mi madre. A mi esposa, un especial agradecimiento. A mis hermanas y hermanos. A mis hijas Yadira y Yairy. A todos mis compañeros de aula, que durante esta larga etapa han estado brindándome su apoyo, en especial, a Vladimir Moya Leblanch. Al claustro de profesores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y a los que nos han impartido las diferentes asignaturas durante el curso de la carrera. A todos los que, de una u otra forma, colaboraron para hacer posible este trabajo de diploma. A todos aquellos que no creyeron en mí, por hacer que redoblara los esfuerzos por llegar hasta aquí.. A todos, muchas gracias.. TAREA TÉCNICA. 1. Análisis de las bibliografías consultadas en lo relativo a la integración de la Electrónica Analógica con Mediciones Electrónica. 2. Estudio de los avances tecnológicos y de las herramientas para la simulación de las propuestas..

(7) 7. 3. Propuestas de diseños de circuitos para la integración de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas. 4. Identificación de las facilidades que aporta el simulador Proteus, para la simulación de circuitos electrónicos en el caso de las Mediciones Electrónicas. 5. Elaboración del informe de la investigación.. ___________________ Firma del Autor. _____________________ Firma del Tutor.

(8) 8. RESUMEN El presente trabajo de diploma da continuidad a investigaciones anteriores, enmarcándose en el desarrollo de recursos que permiten apoyar el proceso de enseñanza-aprendizaje de la Electrónica mediante el empleo de las Tecnologías de la Información y la Comunicación. En específico y como producto de la investigación se desarrolla un manual que contiene una selección de problemas a fines a la Electrónica Analógica III y las Mediciones Electrónicas. Para el desarrollo del trabajo resultó necesario identificar los puntos de contactos entre estas dos asignaturas y realizar una selección adecuada de posibles problemas que involucraran contenidos y aplicaciones que se abordan en las asignaturas objeto de análisis. Los mismos pueden ser utilizados en el desarrollo de taras correspondientes al seminario final de estas asignaturas. En la solución de los problemas se ha sugerido que se utilice el simulador Proteus como herramienta que ayuda en los procesos de análisis y diseño de circuitos electrónicos..

(9) 9. TABLA DE CONTENIDOS. SIGLAS. ................................................................................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 11 CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LA RELACIÓN ENTRE LA EA III Y LAS ME......... 13 1.1.. EVOLUCIÓN Y TENDENCIA DE LA ELECTRÓNICA APLICADA ..................................... 13. 1.2.. PUNTOS DE CONTACTOS .................................................................................................. 17. 1.3.. TENDENCIA Y EJEMPLOS ................................................................................................. 19. 1.3.1-SITRANS TK-L programable ................................................................... 19 1.3.1.. SISTEMA DE CONTROL PARA EL ARRANQUE Y PROTECCIÓN DE LA TURBINA. 21. CAPÍTULO 2. SELECCIÓN Y/O ELABORACIÓN DE TAREAS INTEGRADORAS ...................... 23 2.1-ANÁLISIS.................................................................................................................................... 23 2.2-DISEÑO ....................................................................................................................................... 29 2.2.1 PROBLEMA (RESUELTO) 8.8 DE LA PÁGINA 272 DEL TEXTO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA................................................................................................................................. 29 2.2.2. PROBLEMA PROBLEMA 4.6 DEL LIBRO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA ...... 30 2.3. SIMULACIÓN Y EXPERIMENTACIÓN REAL .......................................................................... 33 CAPÍTULO 3. CONFECCIÓN DE UN MANUAL DE PROBLEMAS INTEGRADORES DE LA EAIII Y ME ..................................................................................................................................................... 40. 3.1 ESTRUCTURA. DEL MANUAL.................................................................................. 40. 3.1.1 Contenidos .................................................................................................. 41 3.1.2 Secciones ..................................................................................................... 41 3.2 GUÍA REALIZADA PARA EL DESARROLLO DE LOS PROBLEMAS ................................ 42 3.3 PROBLEMAS INTEGRADORES DE LA EAIII Y ME ................................................. 43 3.3.1 Ejemplo 1 .................................................................................................... 45 3.3.2 Ejemplo 2 .................................................................................................... 47 3.3.3 Ejemplo 3 ....................................................... ¡Error! Marcador no definido..

(10) 10 CONCLUSIONES. ............................................................................................................................ 51 RECOMENDACIONES. .................................................................................................................... 52 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ............................................................................................... 53 ANEXO 1 ........................................................................................................................................... 54.

(11) 11. INTRODUCCIÓN. En la Facultad de Ingeniería Eléctrica (F.I.E) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, en Villa Clara, Cuba, la Electrónica es una de las disciplinas complejas en la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, en que los estudiantes presentan mayor dificultad a la hora del aprendizaje, por lo que se mancomunan esfuerzos en la enseñanza para su actualización y desarrollo. Se realizan investigaciones, se potencia el uso de plataformas interactivas como internet, Moodle, Intranet, simuladores, multimedia, también herramientas virtuales, la experimentación en laboratorios, para optimizar la adquisición del conocimiento en la formación de los estudiantes como Ingenieros en Telecomunicación y Electrónica. En la FIE, el programa de estudios actual es el Plan D, con sus objetivos por año. En el caso del tercer año, se imparten en paralelo a otras, las asignaturas Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas, entre las cuales existen varios puntos de coincidencias, por lo que el desarrollo de tareas, que involucren contenidos de estas asignaturas, pueden ayudar a la formación, en los estudiantes, de una visión de sistema electrónico. Por lo planteado anteriormente, el problema de investigación de este trabajo de diploma es: ¿Cómo confeccionar un manual que integre problemas de aplicaciones reales, afines a la Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas? Para dar cumplimiento a este problema de investigación, se define como objetivo general confeccionar un manual que contenga tareas o problemas integradores de Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas. Se han definido los objetivos específicos siguientes: 1- Identificar las tendencias actuales relacionadas con aplicaciones afines a la EAIII y ME, principalmente enfocados hacia el diseño electrónico. 2- Determinar los criterios a tener en cuenta para la selección y/o elaboración de las tareas integradoras. 3- Seleccionar y/o elaborar los posibles problemas o tareas a través de los cuales se pueden integrar contenidos de ME y EA3. 4- Simular los circuitos seleccionados.

(12) 12. 5- Elaborar el manual. En correspondencia con los objetivos específicos se han planteado las interrogantes científicas siguientes: 1- ¿Cuáles son las tendencias actuales, relacionadas con las aplicaciones afines a la EAlll y ME? 2- ¿Qué criterios se tomarán en cuenta para la selección y/o elaboración de las tareas integradoras de EAlll y ME? 3- ¿Qué estructura deberá tener el manual de problemas para integrar EAlll y ME? 4- ¿Cuál simulador es más adecuado para la simulación de las tareas o problemas seleccionados y/o elaborados? El trabajo de diploma está estructurado en tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, las referencias bibliográficas y anexos. En el primer capítulo se reseña la evolución y tendencia de la Electrónica Aplicada, así como los puntos de contactos entre la Electrónica Analógica III y las Mediciones Electrónicas, donde se citan algunos ejemplos. Por su parte, en el capítulo dos se hace un análisis de los criterios a tener en cuenta para la selección y/o elaboración de las tareas o problemas integradores de E.A.III y M.E. y se muestra con un ejemplo, algunos aspectos a tener en cuenta para el diseño de los problemas y tareas a seleccionar. En el capítulo tres, se presentan los aspectos tomados en cuenta en la confección del Manual Integrador de Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónica. Con este Manual, la FIE cuenta con una herramienta, que ayuda a profesores y alumnos del segundo semestre del 3er año en las tareas finales, contribuyendo a la formación en el perfil de la Electrónica..

(13) 13. CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES DE LA RELACIÓN ENTRE LA EA III Y LAS ME 1.1.. EVOLUCIÓN Y TENDENCIA DE LA ELECTRÓNICA APLICADA. La Electrónica Aplicada es relativamente joven, pero el desarrollo que alcanzó en el siglo XX ha permitido que se convierta en una tecnología compleja, la que puede considerarse dividida en cuatro grandes campos, que se sustentan cada uno del anterior, en forma de pirámide invertida, tal como se ilustra en la figura 1. Figura 1. Áreas de la Electrónica. El campo inferior es denominado Electrónica del Estado Sólido y se dedica, casi en su totalidad, al estudio de la conducción en los semiconductores. A continuación de la Electrónica del Estado Sólido, surge el campo de los Componentes Electrónicos o Dispositivos Electrónicos que, en la actualidad, se obtienen en una gran diversidad y cantidad. Éstos, interconectados entre sí y con componentes pasivos, se obtienen los Circuitos Electrónicos para que realicen determinada función, ya sea operando en forma continua (Electrónica Analógica) o en conmutación (Electrónica Digital). Los Sistemas Electrónicos están constituidos por la interconexión de diferentes Circuitos Electrónicos, que adecuadamente configurados y conectados son utilizados en numerosas aplicaciones, que pueden dividirse en tres grandes grupos: Telecomunicaciones, Electrónica Industrial e Informática, los cuales, en la actualidad.

(14) 14. se dan muy interrelacionados, respondiendo a la clasificación de Tecnologías de la Información.. La Electrónica Industrial tiene como objetivo el estudio de la Instrumentación Electrónica, la cual, es la técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, su conversión a magnitud eléctrica y su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un sistema de almacenamiento, procesamiento, visualización, transmisión y/o control”. En este nivel, Electrónica Industrial, dentro de la Instrumentación Electrónica, es donde se ubica la asignatura “Mediciones Electrónicas”. (Roche, 2008) Hoy día, la Electrónica Aplicada ya ha recorrido varios años de constante evolución pasando de equipos electrónicos aislados a la integración totalmente automatizada. No obstante, para estas soluciones de automatización integradas, es necesario el conocimiento de los principios electrónicos a los cuales, también está sujeto la Instrumentación Electrónica, y como es de esperarse, los conocimientos sobre Electrónica Analógica, Electrónica Digital y la Instrumentación Electrónicas. Parte de estos conocimientos se adquieren en cursos anteriores y en el segundo semestre del tercer año de la carrera de Ingeniería en Telecomunicación y Electrónica. A este tercer año se le llama “el año de la Electrónica” pues en él se imparten varias asignaturas de esta disciplina, en particular es de interés, el estudio de las asignaturas, Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas. En la figura 2 se muestra el mapa conceptual del objeto de estudio del tercer año de las asignaturas antes mencionadas y en la figura 3, el mapa conceptual del objeto de estudio de la asignatura Mediciones Electrónicas en el segundo semestre, resaltando en color rojo, lo específico del tercer año de la propia carrera, período en que se enmarca este trabajo investigativo..

(15) 15. E.Alll. Gener. Regul. volt.. de. F activos. Ampl.Oper.de. y PLL. propósitos. Convertidor A/D y D/A. específicos. Señ.. lineales ess. Sensores. MEDICIONES ELECTRÓNICAS. Acondicio-. Sample. namiento. and. Amplificador de Instrumentación. Convertidor A/D. Hold Figura 2. Mapa del objeto de estudio de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas.

(16) 16. SISTEMA DE MEDIDAS Procesamiento. Funciones principales. Distribución. Adquisición Elementos que lo componen. Acondicionamiento. Sensores Convertidores A/D Son de. Química. Óptica. Magnética. Eléctrica. naturaleza Mecánica. Térmica Flujo. Entre ellas. Entropía Velocidad Desplazamiento. Fuerza. Calor. Presión. Posición. Figura3. Mapa conceptual sobre las Mediciones Electrónicas. Temperatura a.

(17) 17. 1.2.. PUNTOS DE CONTACTOS. La Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónicas, están estrechamente entrelazadas por muchos puntos de contactos, ya que no se concibe Mediciones Electrónicas sin la Electrónica Analógica lll y de manera general sin la Electrónica Analógica. Para mostrar de una forma más visual los puntos de contactos que existen entre la Electrónica Analógica III y las Mediciones Electrónicas, en la figura 4, se muestra un circuito simulado en el simulador Proteus, correspondiente a un proyecto final del segundo semestre del tercer año, de la asignatura Mediciones Electrónicas.. Figura 4. Circuito simulado, donde se controla el nivel y temperatura de un líquido en un depósito.(Banet. et al., 2014). A Mediciones Electrónicas lo conforman circuitos electrónicos debidamente interconectados, por dispositivos de Electrónica Analógica y otros Digitales. A modo de ejemplo, en la figura 4, el circuito presentado se enmarca en el área de la Electrónica Aplicada, donde las asignaturas Electrónica Analógica, Mediciones Electrónicas y Microprocesadores desempeñan un papel fundamental. El mismo se basa, en conocer y regular el nivel y la temperatura de un depósito de un líquido, donde se han utilizado varios componentes, como sensores; el LM35 que es un sensor de.

(18) 18. temperatura y micro interruptores que son sensores de nivel, un convertidor análogo – digital (ADC0804), cuatro display de 7 segmentos para mostrar los datos del nivel y la temperatura, el micro controlador 8051, el cual dirige los procesos relacionados con el manejo de los datos y su visualización en los display. Para el circuito conmutador de la turbina y el calentador se usan sendos transistores NPN, Q2N2222, dos Relay, resistencias, diodos rectificadores y como indicadores en el panel frontal, diodos LED, entre otros dispositivos que se estudian en la Electrónica Analógica. Como se puede observar, Mediciones Electrónicas está formada por circuitos que contienen, casi en su totalidad, elementos referentes a Electrónica Analógica lll, por lo cual ambas materias están estrechamente ligadas y sus puntos de contactos están presentes en todo momento. Como se puede observar en la figura cuatro, la otra materia relacionada con estas asignaturas es Microprocesadores que también se imparte en el segundo semestre de tercer año, en la cual los estudiantes requieren de un aprendizaje más profundo..

(19) 19. 1.3.. TENDENCIA Y EJEMPLOS. La Electrónica Aplicada lleva un desarrollo y evolución vertiginosos en la actualidad. La evolución constante de diferentes aspectos en los dispositivos electrónicos, ha facilitado el desarrollo de las tecnologías para poder fabricar dispositivos con mayor grado de integración, de tal manera, que ya es posible proyectarse hacia la Nano Tecnología en campos para la salud humana y otros. Los dispositivos electrónicos de Electrónica Analógica y los circuitos de Mediciones Electrónicas, hoy tienden a integrarse mucho más. Las tecnologías actuales son fabricadas con dispositivos que tienen integrados los circuitos, según la necesidad y objetivo del fabricante. En el caso de la Electrónica de Instrumentación, técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, su conversión a magnitud eléctrica y su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un sistema de almacenamiento, procesamiento, visualización, transmisión y/o control, donde se ubica la asignatura “Mediciones Electrónicas” (Roche, 2008), ya están integrados con la Informática, para el control de muchos procesos industriales, tal es el caso de la empresa SIEMENS, con Totally Integrated Automation (www.siemens.com/fi 01). Esta empresa es catalogada como pionera en implementar consecuentemente en el mercado, la tendencia que supuso pasar de equipos aislados a soluciones de automatización integradas, la cual, como opción económica, para efectuar mediciones de temperatura utilizando como sensores la Pt100, ofrece el convertidor SITRANS TKL, que transforma la señal procedente de termorresistencias Pt100, en una señal de corriente continua independiente de la carga y adaptada a las características del sensor. 1.3.1-SITRANS TK-L programable En el SITRANS TK-L programable, la parametrización se realiza desde una computadora, dicho convertidor se muestra en la figura 5. Como se puede observar se encuentra presente tanto la conversión A/D como la D/A, situación que suele presentarse en otros procesos relacionados con la Instrumentación Electrónica. Según el Anexo1, la señal suministrada por la Pt100 es amplificada en la etapa de entrada por un amplificador operacional específico para esta función y fue fabricado para medir temperatura. (Siemens, 2006). (Ver Anexo 1)..

(20) 20. Figura 5. Diagrama en bloques del funcionamiento del SITRANS TK-L.. SENSOR. AMPLIFICACIÓN. (A/D) (µP) (D/A). (PT100). Figura 6. Diagrama en bloques del SITRANS TK- L. Debido al vertiginoso desarrollo tecnológico en el mundo y a la carrera de la competitividad de las diferentes corporaciones, hacen que su tendencia sea de fabricar y comercializar dispositivos electrónicos cada vez más integrados, otro ejemplo de ello es la “Instrumentación de Campo”, para la automatización de procesos, con su catálogo FI 01. 2006 de la corporación Siemens, manejados por PC o PLC (Controlador Lógico Programable) y que desde entonces la siguen perfeccionando continuamente. www.siemens.com/pcbased ) Estos cambios en la forma, tamaño e integración, tienen objetivos específicos y generales, como el abaratar sus costos y simplificar los diseños de muchos dispositivos, entre ellos, los usados en Instrumentación Electrónica y por tanto en lo referente a Mediciones Electrónicas..

(21) 21. El avance tecnológico ha posibilitado reducir los circuitos electrónicos para abaratar los costos en piezas, diseñar dispositivos que llevan a cabo mediciones electrónicas de señales eléctricas o no eléctricas. 1.3.2-Control de Temperatura Otro ejemplo, es un controlador de temperatura que traen los hornos adquiridos en China, marca Omega, para las panaderías, puestos en marcha en el 2005 en la ciudad de Santa Clara, Villa Clara y que su funcionamiento lo muestra el diagrama en bloques de la figura 6. (Chino) (Chino) (Chino) (Chino) (Chino) Como se puede observar se parte de un sensor de temperatura tipo termopar J y luego los bloques de amplificación y conversión A/D y D/A, unidos a un bloque de visualización mediante display de LED. Además se cuenta con un bloque para realizar la función de control y señalización, muy común en el área de la automática. SENSOR (TERMOPAR TIPO J). AMPLIFICADOR. ICL 7107 CON. DISPLAY. OPERACIONAL. A/D, D/A. LED. Sistema de control y Señalización Figura 7. Control de temperatura del horno Omega. 1.3.3-Sistema de control para el arranque y protección de la turbina. Otro ejemplo actual e implementado en Cuba, como resultado de un proyecto de modernización del sistema de control para el arranque y protección de la turbina de compresión del central azucarero “Elpidio Gómez” y funcionando desde el 2015, es el que fue objeto del trabajo de diploma del ingeniero Fidel Benítez Hidalgo, del Departamento de Automática y Sistemas Computacionales, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, contando con la tutoría del Dr. José Rafael Abreu García y del Dpto. de Proyecto y Puesta en Marcha, el Ing. Guillermo Artiles Jaramillo de la empresa ZETI, en Villa Clara. (Hidalgo, 2015).

(22) 22. En la fase de “Proyecto”, selecciona la instrumentación de campo, de acuerdo con las especificaciones técnicas que garantizan el correcto funcionamiento del equipo, la selección del PLC (Control Lógico Programable) y el HMI (Interfaz Hombre-Máquina). Existe la posibilidad de una conexión bien definida entre la instrumentación de campo, el autómata y la interfaz de usuario. Al mismo tiempo, existe la comunicación entre los datos procesados por el PLC (donde se programan las lecturas de las señales de campo y su escalado, entre otros controles) y el sistema SCADA (Supervisión Control y Adquisición de Datos) de la planta eléctrica a través de un conmutador. El esquema general de dicha modernización se muestra en la figura 7; (Hidalgo, 2015) TURBINA SENSORES. Comunicación Alámbrica. Comunicación CONTROL. Alámbrica. Y. y/o. LÓGICO. y/o. ACTUADOR. Inalámbrica. PROGRAMABLE. Inalámbrica. INTERFAZ HOMBREMÁQUINA. (PLC). FiguraES 8. Diagrama en bloques de la estructura general de la modernización.. Como se puede apreciar, la dirección o tendencia de la Electrónica Aplicada, y como parte de ella, los sistemas Electrónicos de Instrumentación, que se ocupan de la medición de cualquier tipo de magnitud física, su conversión a magnitud eléctrica y su tratamiento para proporcionar la información adecuada a un. sistema de. almacenamiento, procesamiento, visualización, transmisión y/o control, donde se ubica la asignatura “Mediciones Electrónicas” es a la integración de muchos circuitos electrónicos en una cápsula o integrado, a la vez que se integran a sistemas computarizados ajustados al propósito que se desea su funcionalidad..

(23) 23. CAPÍTULO 2. SELECCIÓN Y/O ELABORACIÓN DE TAREAS INTEGRADORAS 2.1-ANÁLISIS Para la confección del Manual de tareas integradoras de Electrónica Analógica lll y Mediciones Electrónica, es necesario hacer un análisis minucioso y selectivo, donde se tienen presentes varios aspectos importantes como: 1. Los programas analíticos de las asignaturas Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas, que se imparten en la FIE, en el 2do semestre del tercer año, tomando en cuenta: a. Los contenidos de las asignaturas b. Los tipos de actividades c. La infraestructura de laboratorio disponible 2. Criterios de los profesores que imparten clases de estas asignaturas. 3. Problemas que se pueden encontrar en los libros de Electrónica y otros en internet. 4. La vinculación adecuada entre el análisis y el diseño necesario. 5. Las posibilidades de simulación electrónica. 6. Las posibilidades de realizar el montaje real del circuito en el laboratorio. En el Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones se tienen programadas las conferencias y los contenidos a impartir, para el aprendizaje de los alumnos del segundo semestre del tercer año, enmarcado en el Programa Analítico y el P1, para las asignaturas. Para el caso de la Electrónica Analógica III, los principales temas tratados son:  Reguladores de voltaje.  Generadores de señales.  Circuitos selectivos de frecuencia.  Sistemas de adquisición de datos. Con los correspondientes contenidos siguientes: . Reguladores de voltaje lineales discretos e integrados.. . Reguladores de voltaje conmutados. . Osciladores sinusoidales, configuraciones clásicas.. . Generadores de onda cuadrada y de onda triangular..

(24) 24. . Osciladores controlados por voltaje.. . El 555. . Circuito integrado generador de funciones. . Filtros activos.. . Software de ayuda al diseño de filtros activos. . Lazo amarrado por fase (PLL). . Amplificadores operacionales especializados (de instrumentación, de aislamiento, etc.).. . Estructuras generales de sistema de adquisición de datos: o Conversores A/D y D/A. o Circuitos multiplexores, circuitos de muestreo y retención.. Los objetivos instructivos, que se han definido, son: . Caracterizar circuitos discretos e integrados, de utilidad para: la regulación de voltaje, la generación de señales, la selección de frecuencias y la conversión A/D y D/A, utilizando la información que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos correspondientes.. . Diseñar circuitos y sistemas de poca complejidad, destinados a: la regulación de voltaje, la generación de señales, el filtrado, la selección de frecuencias y la conversión A/D y D/A.(1617). Y los objetivos específicos a lograr: a. Caracterizar circuitos discretos e integrados, de utilidad para la estabilización de voltajes. b. Diseñar circuitos reguladores de tensión. c. Caracterizar circuitos discretos e integrados, de utilidad para la generación de señales, utilizando la información que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos correspondientes. d. Diseñar circuitos osciladores y generadores de señales de poca complejidad e. Diseñar filtros activos..

(25) 25. f. Caracterizar circuitos discretos e integrados, de utilidad para la generación de señales y la selección de frecuencias, utilizando la información que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos correspondientes g. Caracterizar amplificadores operacionales especializados y dispositivos analógicos programables. h. Diseñar circuitos sencillos, en los que se utilizan amplificadores operacionales especializados. i.. Caracterizar circuitos integrados, de utilidad para: la adquisición y el acondicionamiento de señales, la conversión A/D y la conversión D/A, utilizando la información que ofrecen los fabricantes en las hojas de datos correspondientes.. j.. Diseñar circuitos sencillos destinados a la conversión A/D y D/A.. Como se puede apreciar, un peso importante dentro de los objetivos a alcanzar en la EAIII lo tiene el diseño electrónico, precisamente se encuentra en correspondencia con uno de los perfiles de salidas definidos en el modelo del profesional (el Diseño Electrónico). El mismo garantiza el logro de varias habilidades relacionadas con el análisis, la simulación y el montaje real de los circuitos. La bibliografía definida en el plan de estudios para esta asignatura es el libro de Rashid, “Circuitos Micro electrónicos. Análisis y Diseño”. Además, se utilizan como textos complementarios el Microelectronics de Millman, el texto de Malvino, etc. Cada uno con sus características en particular. El texto de Rashid es muy sugerente y apropiado para alcanzar los objetivos de la asignatura pues logra un balance adecuado entre el análisis y el diseño; así como entre los resultados teóricos y los obtenidos mediante la simulación con SPICE.(Rashid, 2002) La asignatura Mediciones Electrónicas, se enmarca dentro de la Electrónica Aplicada y posee un número elevado de conceptos interrelacionados. En la figura 9, se representa una posible división de las Mediciones Electrónicas en niveles, donde el nivel 3, corresponde a un sistema real de medición electrónico..

(26) 26. Figura 9. División en niveles de las Mediciones Electrónicas.. El mapa conceptual correspondiente al nivel superior de las Mediciones Electrónicas (figura 10) establece los elementos que lo integran (subsistemas de adquisición, procesamiento y distribución de los datos) y los conceptos asociados con un sistema de medición electrónico real. Este mapa conceptual permite obtener una imagen visual de la asignatura Mediciones Electrónicas..

(27) 27. Figura 10. Mapa conceptual de sistema de medida electrónico. El mapa conceptual correspondiente al nivel inferior se representa en la figura 11. Como se puede observar, de este se deben derivar otros mapas conceptuales que permiten establecer vínculos con los conocimientos que ya posee el estudiante de asignaturas cursadas. Éste es el caso de los circuitos electrónicos amplificadores, dentro del que se encuentra el amplificador operacional, quien puede ser considerado, por sí mismo, como una tecnología compleja de amplia utilización en la instrumentación electrónica. Es de interés particular reflejar los circuitos amplificadores de uso más frecuente en la instrumentación, como es el caso de los amplificadores de instrumentación, los de aislamiento, transimpedancia, transconductancia, etc.; así como los conceptos asociados a los criterios de selección de amplificadores operacionales..

(28) 28. Figura 11. Mapa conceptual del subsistema de adquisición de datos (nivel 0 de las Mediciones Electrónicas). (Roche, 2008). Las bibliografías recomendadas, como base material de estudio, para las Mediciones Electrónicas son:  Texto básico: Electronic Instruments and Measurements, de Larry Jones, A. Foster Chin. John Wiley (1983). (Chin., 1983) . Texto complementario: Instrumentación Electrónica de M. A. Pérez García, y un colectivo de autores españoles. (García., 2004). En la selección de los problemas, se realizó un análisis exhaustivo de cada uno de los textos mencionados, extrayendo aquellas situaciones que garantizan el cumplimiento de la finalidad de este proyecto de investigación. Del conjunto de herramientas de simulación disponibles se realizó la selección del Proteus, aun cuando se utiliza actualmente el Orcad en los laboratorios de ambas materias..

(29) 29. 2.2-DISEÑO Para diseñar dichos problemas integradores, es necesario tener presente todos los conceptos enseñados en clases, también se aconseja consultar las bibliografías orientadas por los profesores en su momento del contenido que refleja el problema que se pretende diseñar. También se puede investigar y obtener información en otras bibliografías disponibles para los estudiantes en la red universitaria e Internet, relacionadas con el contenido del problema que se diseña. Para mostrar, cómo proceder para diseñar un problema, se ejemplifica con los siguientes casos: 2.2.1 PROBLEMA (RESUELTO) 8.8 DE LA PÁGINA 272 DEL TEXTO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA El problema 8.8 plantea la necesidad de controlar mediante una LDR (Resistencia por Diferencia de Luz) una lámpara, de forma que se encienda cuando la luz ambiente descienda por debajo de 20Lux. La lámpara está gobernada por un actuador que deberá recibir una señal superior a los 3V para proceder a su encendido. (Chin., 1983) El problema muestra un circuito con un voltaje de -1v de entrada a un Amplificador Operacional con configuración inversora, donde se debe obtener un voltaje de salida mayor a 3v para hacer funcionar un actuador, que debe encender una iluminaria al bajar la iluminación a 20Lux. Por tanto, en orden de acciones, se debe transitar por un conjunto de pasos a los cuales se hace referencia seguidamente. Se debe realizar el correcto enunciado del problema de acuerdo a lo estudiado en las materias de análisis, ya sea, de las clases recibidas o desde las bibliografías necesarias acorde con el problema que se plantea. Para el caso del ejemplo presentado, su selección se basa en los argumentos siguientes: . Se emplea un elemento sensor de iluminación, estudiando en la asignatura Mediciones Electrónicas, en este caso una LDR. En la misma interesa conocer su comportamiento para los 20 Lux (𝑅𝐿 (20𝐿𝑢𝑥) ).. . Además, es necesario preguntarse cómo se realizará la transformación de resistencia a una magnitud adecuada de voltaje, para lo cual se requiere ajustar la ganancia de la configuración inversora del amplificador operacional. Esta.

(30) 30. misma función de amplificación se podría lograr mediante un amplificador de instrumentación. Por lo que se tendría que valorar al respecto. . En el problema se parte de disponer de una referencia de voltaje de -1V. Sería interesante plantear la obtención de este voltaje y de la fuente simétrica que alimenta el amplificador operacional, en correspondencia con lo estudiado en el primer tema de la asignatura EAIII.. . La necesidad de disponer de un circuito actuador que permita el encendido de la lámpara, logrando el aislamiento necesario entre la etapa de bajo consumo y la parte de potencia.. 2.2.2. PROBLEMA 4.6 DEL LIBRO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA El problema plantea el diseño de un sistema de medida óptico que incluye un LED de infrarrojos y un fototransistor, estando el LED excitado por una señal de onda cuadrada de 1KHZ. Además, es necesario disponer de un filtro que elimine la señal de 100Hz proveniente del alumbrado convencional con la finalidad de evitar la saturación del sistema de medida. Se ofrece la ganancia deseada. En su selección se toman en cuenta los argumentos siguientes: . Se emplea como elemento sensor (de luz) un fototransistor, el mismo se recibe la señal de luz que emite el LED. En este caso es necesario valorar la disponibilidad de estos elementos en el simulador. En su caso se pudiera utilizar un optoacoplador, como se muestra en la figura 11. El principio de funcionamiento de todos estos elementos se estudia en la asignatura Mediciones Electrónicas..

(31) 31. Figura 12. Circuito Excitador de Optoacoplador.. . La excitación del LED mediante una señal de onda cuadrada, sugiere la necesidad de disponer de un generador de onda cuadrada. Precisamente la arquitectura basada en el comparador con histéresis Schmitt Trigger, mostrada en la figura 13, estudiada en EAIII es la más pertinente.. Figura 13. Generador de onda cuadrada. . Por último, la necesidad de disponer de un filtro supresor de banda que elimine la señal de 100Hz proveniente del alumbrado convencional, conduce al diseño de un filtro activo, para lo cual se pueden utilizar algún software convencional dedicado a estas funciones, como es el caso de FilterWiz Lite.. FilterWiz permite la realizar el diseño de filtros de una forma muy sencilla y práctica, proporcionando una verificación paso a paso de cada etapa del diseño. En Fig.14 se muestra la ventana del FilterWiz con los parámetros del filtro que se está diseñando, valiendo la pena recordar que la frecuencia central de 100Hz y el ancho de banda de rechazo es de 100Hz. Se podría haber escogido un ancho de banda de rechazo menor, pero implicaría gran distorsión en la Respuesta de Magnitud..

(32) 32. Figura 14 – Ventana del FilterWiz con los parámetros del diseño. En Fig. 15 se muestra la gráfica presentada por el Software referente a la Respuesta de Magnitud de la aproximación de Chebyshev, la que se escogió por ser el que mejor suprime la frecuencia de 100Hz y las cercanas a ella de una forma aproximadamente simétrica, además de ser de orden 6, que se puede considerar un orden no muy alto.. Figura 15 – Respuesta de Magnitud vs Frecuencia.

(33) 33. 2.3. SIMULACIÓN Y EXPERIMENTACIÓN REAL Un simulador de circuitos electrónicos es una herramienta de software utilizada por profesionales en el campo de la electrónica y los estudiantes de las carreras de Tecnologías de Información. Ayuda a crear algún circuito que se desee ensamblar, ayudando a entender mejor el mecanismo, y ubicar las fallas dentro del mismo de manera sencilla y eficiente. PROTEUS es una aplicación de diseño asistido por Computadora, compuesto de 3 módulos: 1.. ISIS (Intelligent Schematic Input System): módulo de captura de esquemas.. 2.. VSM (Virtual System Modelling): módulo de simulación, incluyendo PROSPICE.. 3.. ARES (Advanced Routing Modelling): módulo para la realización de circuitos impresos (PCB).. El módulo ISIS es un programa que permite dibujar, sobre un área de trabajo, un circuito que posteriormente podremos simular. En la manipulación del software casi siempre existirán varias opciones para un mismo fin. Normalmente podremos optar por seguir un menú, acceder a un icono o trabajar con el teclado. VSM es un completo entorno de diseño, que permite realizar todas las tareas de diseño de circuitos electrónicos, tales como: dibujo de esquemas de circuitos, simulación interactiva de circuitos analógicos, digitales, y con microcontroladores, con animación en tiempo real, además del diseño de circuitos impresos. Cuenta con una extensa librería de componentes genéricos y específicos. Dentro de las ventajas se encuentran: la posibilidad de utilizar un simulador de circuitos le permite al ingeniero electrónico hacer pruebas sin correr el riesgo de dañar algún componente, si eso llegase a ocurrir, implicaría mayor gasto de material semiconductor. Cuando un circuito trabaje correctamente en el simulador, será más fácil armarlo en una tabla de prototipo (protoboard), y se puede tener la seguridad de que el circuito funcionará correctamente. Con el simulador se pueden hallar de manera más fácil los errores y problemas que surgen a la hora de ensamblar los circuitos eléctricos, con algunas herramientas que los programas ya cuentan, como, por ejemplo, multímetros, generadores de voltaje y osciloscopios..

(34) 34. Desventajas: Algunos simuladores de circuitos no están lo suficientemente actualizados, y no cuentan con todos los chips del mercado, eso sería un contratiempo para el diseñador, ya que deberá darse a la tarea de fabricar su propio semiconductor. Cuando no se sabe cómo manejar el programa de simulación, genera retrasos en los diseños, se debe estudiar de manera completa todos los componentes y opciones que tiene el programa, para poder realizar el trabajo de manera correcta. (2014) Se usa el ejemplo del segundo problema elegido, 8.8 de la página 272 de Instrumentación Electrónica, tomo 3 mostrado en la figura 16, para ejemplificar la simulación en el simulador Proteus. Haciendo uso del simulador Proteus, disponible en los laboratorios de la FIE, se simula la primera etapa del problema, que tiene como Vin, -1v, R1 de 1KΩ, R (20Lux) de 5KΩ, y el Amplificador Inversor (741), para visualizar un voltaje de salida VO=5v. En la figura 17 se muestra la simulación de la primera etapa del circuito, que alimenta con 5v la entrada del actuador, encargado de encender una lámpara cuando la luz ambiente descienda a 20Lux. Requerimiento del problema de una salida de 5V, la cual es mayor de 3V, como se pide. Para confeccionar el circuito fue necesario la LDR del simulador, que tiene como máximo 1MΩ y en el 6to nivel de iluminación tiene valor de 5KΩ, necesaria para obtener la ganancia del circuito a AV igual a 5, para dar un Vo de 5v. De esta forma se tiene ya diseñado la parte del circuito, donde se obtiene un voltaje de salida (Vo=5v) mayor que 3v, cuando la luz ambiente descienda a 20 lux, que se muestra en la figura 17.. Figura 16-Circuito del problema 8.8 (control de una lámpara con LDR).

(35) 35. Figura 17-Parte del circuito de control de una lámpara con LDR (5v a la salida del Amp.Oper). Figura 18-Circuito de control de una lámpara con LDR.

(36) 36. En la figura 18, se muestra ya el circuito completo, requerido en el problema. Donde para la sección del actuador, se selecciona un relay con coil a 12v que acciona dos contactos, uno normalmente cerrado y otro normalmente abierto. Este relay consumirá una corriente, que el transistor será capaz de dejar circular por colector y emisor, pudiendo ser esta, mayor a 84mA y menor a 252 mA. También se selecciona el transistor PNP Q2N2222, disponible en el simulador y adecuado para el objetivo que se requiere, más la resistencia de 5KΩ como RB, las fuentes de voltaje, de CD de 12V y CA de 115v, para alimentar a la lámpara por los contactos del Relay, y la lámpara de 120V CA. En el circuito, cuando la iluminación desciende a 20 Lux, hay una salida por el Amplificador Inversor de 5V, el cual pone al transistor Q2N2222 a trabajar en la región de saturación, permitiendo cerrar el circuito de la bobina del relay y así, este cierra sus contactos que estaban abiertos, permitiendo cerrar el circuito de los 115V CA, para encender la lámpara artificial de 120V..

(37) 37. Figura 19- Montaje real del circuito seleccionado.. En la figura 19 se muestra el montaje real del circuito seleccionado, en el Laboratorio de Electrónica para los estudiantes..

(38) 38. En la FIE, los alumnos también cuentan con laboratorios, donde tienen horas clase programadas. Aquí pueden hacer simulación real de circuitos, referentes y en concordancia con el aprendizaje. A continuación, se muestran fotos del laboratorio real de Electrónica, donde se muestra el equipamiento con que cuentan los alumnos para sus trabajos en el laboratorio, los que, entre otros, son: . Multímetros de mesa.. . Generadores de funciones.. . Osciloscopios.. . Fuentes.. . Contadores Digitales.. . Protoboard..

(39) 39. Figura 20- Instrumentos con los que cuentan los estudiantes en el Laboratorio de Electrónica.. En la figura 20 se muestran los instrumentos en el Laboratorio de Electrónica. En los laboratorios los alumnos cuentan con lo mínimo necesario para el aprendizaje de la simulación real, aunque en el momento de la confección de este trabajo se encontraban más equipos y componentes electrónicos en los almacenes, en espera de ser trasladados a los laboratorios, para contribuir con el aprendizaje de los alumnos..

(40) 40. CAPÍTULO. 3.. CONFECCIÓN. DE. UN. MANUAL. DE. PROBLEMAS. INTEGRADORES DE LA EAIII Y ME 3.1 Estructura del manual Durante el desarrollo del capítulo se da a conocer la estructura del manual de problemas y sus particularidades. Se elabora una guía metodológica que permitirá orientar al estudiante durante la solución de los problemas y además se ofrecen ejemplos desarrollados que servirán de referencia para la elaboración de otros ejercicios. En la Figura 3.1 se muestra la portada del manual de ejercicios.. Figura 21-Portada del Manual de problemas a fines a la EAIII y ME..

(41) 41. 3.1.1 Contenidos A partir de los elementos abordados en el capítulo 2, se seleccionan los temas que conforman el manual, los cuales se muestran a continuación, exponiendo de esta manera como queda constituido el manual. Tema 1. Sistema de Medida Electrónico  Sensores  Circuitos de acondicionamiento primario  Filtros  Amplificadores  Generadores de onda Tema 2. Sistemas de adquisición de datos  Multiplexores  Circuitos de muestreo y retención.  Convertidores A/D y D/A Tema 3. Problemas integradores de la EAIII y ME  Sobre diseño de sistema medida electrónico  Otros. 3.1.2 Secciones Cada tema consta de un grupo de ejercicios estructurados en cuatro secciones. Las cuales se muestran a continuación. Teoría En esta sección se brinda una breve introducción teórica, donde el estudiante encontrará los conceptos que deberá dominar y emplear en cada tema. Así como las características y funciones de cada bloque funcional. Ejercicios resueltos Para el desarrollo de esta sección se ha hecho una selección de ejemplos y problemas resueltos de los libros (de texto y complementarios) disponibles para las asignaturas. La segunda sección está dedicada a los problemas resueltos, en la cual se plantean una serie de problemas típicos de cada dispositivo y se brindan soluciones desarrolladas y pormenorizadas indicando paso a paso.

(42) 42. las posibles variantes a emplear. En muchos casos la solución de los ejercicios estará apoyada por el uso de la simulación y las hojas de datos. Ejercicios propuestos con respuesta En la tercera sección se plantean problemas con respuestas, para que el estudiante aplicando los procedimientos aprendidos en clase, resuelva los mismos y compare los resultados arribando a conclusiones sobre los métodos empleados. Contribuyendo al entrenamiento de los estudiantes en la asignatura. En ocasiones se dejan orientaciones para la solución de estos ejercicios. El profesor puede hacer uso de estos ejercicios en la orientación del estudio independiente. Ejercicios propuestos Esta sección está destinada a los problemas propuestos que el estudiante debe ser capaz de resolver para posteriormente comparar la solución con otros compañeros y llevar a cabo el análisis en el aula. Estos problemas podrán ser utilizados por los profesores para orientar el trabajo en equipo de preparación para las clases prácticas.. 3.2 Guía realizada para el desarrollo de los problemas El objetivo fundamental de este manual es proporcionar ejercicios que integren contenidos abordados en las asignaturas EAIII y ME, los mismos pueden ser utilizados para el desarrollo de una tarea final de semestre. Para la solución de los problemas es necesario realizar los procesos de análisis y diseño, donde la simulación sea una herramienta que facilite el aprendizaje y llegar a resultados de manera que se pueda comparar la veracidad de los cálculos realizados. Con el objetivo de guiar al estudiante, se sugiere que se transite por diferentes etapas partiendo de lo más sencillo y simplificado hasta llegar a las soluciones más completas, más acabadas donde se tomen en cuenta los parámetros que definen el comportamiento de los dispositivos reales. Por lo que a la hora de mostrar los ejemplos se realizan las siguientes acciones. 1- Interpretación y análisis del problema asumiendo la representación de la solución mediante bloques funcionales. 2- Análisis del problema tomando en cuenta los circuitos que forman parte de esos bloques funcionales. 3- Análisis del problema incluyendo la simulación electrónica (se sugiere el uso del Proteus)..

(43) 43. 4- Montaje real de los circuitos. 5- Comparación de los resultados. Para la selección de estos problemas se utiliza la bibliografía definida en el capítulo anterior. Se muestran ejemplos del Libro de Instrumentación Electrónica, Foster Chin, ejercicios resueltos del Rashid y el Malvino. 3.3 Problemas integradores de la EAIII y ME. En esta sección del manual se han incluido un total de 13 tareas, las cuales se relacionan en la tabla 3.1: Tarea. Tema. Texto. 1. Temporizador 555. Rashid. Enunciado tomo. 3, Multivibrador Monoestable. Capítulo 16, página prolongador 817. de. pulso. (página 848); Con LED y Optoacoplador. 2. Temporizador 555. Rashid. tomo. 3, Multivibrador Monoestable. Capítulo 16, página detector de pulso faltante 817. (página 848); Más activación de LED.. 3. Temporizador 555. Rashid. tomo. 3, Multivibrador Monoastable. Capítulo 16, página (página 846); 817. 4. (Lazo. amarrado Rashid. Con Filtro Paso Bajo.. tomo. 3, PLL 565 como demodulador. por fase) PLL. Cap.16, página 817. FSK (página 861).. Tarea. Tema. Texto. Enunciado. 5. (Lazo. amarrado Rashid. por fase) PLL. tomo. 3, PLL 565 como multiplicador. Cap.16, página 817. de frecuencia (página 859)..

(44) 44. 6. Filtros Analógicos. Instrumentación. Problema 4.6 (página 188).. Electrónica, Cap. 4, página 147 7. Instrumentación Fotorresistencias. Ejercicio 8.8 (página 272).. Electrónica, Cap. 8, página 268. 8. Termistores. Instrumentación. Problema 8.4 (página 274).. Electrónica, Cap. 8, página 249 9. Termistores. Instrumentación. Problema 8.6 (página 274).. Electrónica, Cap. 8, página 249 10. Osciladores. Microelectrónica.. Oscilador Simétrico (página. Sexta edición (Jacob 647). Millman),. Cuarta. parte, página 640 11. Osciladores. Microelectrónica.. Con Termistor en el Puente. Sexta edición (Jacob de Wien. Millman),. Cuarta. parte, página 640 12. _. _. Voltímetro Electrónico con fuente electrónica.. 13. -Medidor. _. _. de. RSE. (Resistencia. Serie. Equivalente). de. capacitores, con fuente y oscilador..

(45) 45. En este epígrafe se realiza una muestra del posible desarrollo metodológico que pueden dar los estudiantes a determinados problemas, siguiendo la guía propuesta anteriormente. 3.3.1 Ejemplo 1 Diseño de un modulador FSK (manipulación por corrimiento de frecuencia), usando el circuito integrado 555 en su modo normal como multivibrador astable. Este circuito se muestra en la figura 22.. Figura 22. Como se puede observar, se trata de una aplicación del circuito integrado 555. Existen dos potenciómetros RV1 y RV2, cuyo principio de funcionamientos (aunque sencillo) se ha estudiado en las Mediciones Electrónicas. Un problema similar con el Oscilador Controlado por Voltaje (VCO) 566 ha sido presentado en clase práctica de la Electrónica Analógica III. El estado activo o inactivo del transistor Q1 dependerá de la señal de entrada. En general, para la transmisión de datos se utiliza una frecuencia de señal de 150 Hz..

(46) 46. Cuando la señal de entrada es “1” lógico, el transistor Q1 está en estado de corte, y el 555 funciona en su modo normal como multivibrador astable. Por tanto, la frecuencia de salida, que corresponde al “1” lógico, puede obtenerse de la ecuación: 𝒇𝒐 = 𝟏. 𝟒𝟓/𝑪𝟏(𝑹𝒗𝟏 + 𝟐𝑹𝟐) Cuando la señal de entrada es “0” lógico, el transistor Q1 está activado (en saturación). Como resultado, Rv2 está conectado en paralelo con R2. Esto reduce el tiempo de carga del capacitor C e incrementa la frecuencia de la salida. Por tanto, la frecuencia de la salida correspondiente al 0 lógico puede obtenerse de la ecuación: 𝒇𝒐 = 𝟏. 𝟒𝟓/𝑪𝟏(𝑹𝒗𝟏||𝑹𝒗𝟐 + 𝟐𝑹𝟐) Por lo anterior, con valores adecuadamente seleccionados de C1, R1, Rv1, Rv2, el multivibrador astable 555 puede producir frecuencias de 1070 Hz y de 1270 Hz para la modulación FSK, que corresponden al 1 y al 0, respectivamente. La diferencia entre las señales FSK de 1270 Hz y 1070 Hz (es decir, 200 Hz) es lo que se conoce como corrimiento de frecuencia. Para este caso en específico la frecuencia obtenida es de 1041 Hz. En esta aplicación se hace el filtrado de las frecuencias mayores de 1000 Hz por lo que se diseña un filtro paso bajo de 2do orden utilizando la arquitectura Sallen y Key y la aproximante de Butterworth, dicha aproximante presenta mínimos errores en la banda de paso y respuesta de magnitud monótona en todas las bandas. La configuración utilizada se muestra en la figura 23.. Figura 23.

(47) 47. Se puede comprobar que para los valores de resistencia colocados en el 555 la frecuencia a la salida es de 1041 Hz y el filtro atenúa completamente la frecuencia, producto a que esta es superior a la frecuencia de corte del filtro diseñado.. 3.3.2 Ejemplo 2 Diseño de demodulador FSK con el PLL 565.. Los demoduladores FSK a menudo son usados en receptores AM/FM. Una aplicación muy útil del PLL 565 es como demodulador FSK para recibir señales de manipulación por corrimiento de frecuencia de 1070Hz y de 1270Hz, como se muestra en la figura 24.. Figura 24 Receptor AM/FM. Como se muestra en la figura 25 al aparecer la señal en la entrada, el lazo amarrado por fase se amarra a la frecuencia de la entrada y la rastrea entre las dos frecuencias con un corrimiento correspondiente de cd en la salida. La señal de entrada se conecta a través de un capacitor de acoplamiento Ci para bloquear el nivel de cd del receptor FSK. Ambos terminales de entrada están conectados a tierra a través de los resistores R2 y R3, que son idénticos. El capacitor C2 del filtro del lazo determina las características dinámicas del demodulador y su valor debe ser menor que lo usual, a fin de eliminar la sobreexcitación en el pulso de salida. Para eliminar de la salida la componente portadora se utiliza un filtro pasabajas de escaleras RC de tres etapas. La frecuencia.

(48) 48. de corte alta del filtro de escalera deberá quedar aproximadamente a la mitad, esto es: Fh = 1/2ПRC, entre la rapidez de manipulación máxima (150Hz) y el doble de la frecuencia de entrada (2x1070Hz es aproximadamente 2200Hz). La señal de salida de 150Hz puede hacerse compatible a nivel lógico conectando un comparador de voltaje entre la salida y la terminal 6 del PLL 565, R2 y C1 determinan la frecuencia de oscilación libre de VCO. La frecuencia libre es ajustada utilizando R1, de manera que se produzca un voltaje ligeramente positivo con fo = 1070Hz.. Figura 25 Uno de los parámetros importantes para diseñar un lazo amarrado por fase, como es el LM565, es la frecuencia de oscilación libre del VCO la cual viene dada por. Donde R0 y Co son los valores de la resistencia y del condensador externo conectados a las pastillas 8 y 9 del circuito integrado. De esta forma la ganancia del lazo viene dada por: C0 es un capacitor que se conecta entre los terminales 9 y el 1 del chip. El terminal 1 se puede conectar a tierra o a un voltaje negativo (-VCC). El margen de enganche se calcula como:.

(49) 49. Donde fo. es la frecuencia libremente corredora del VCO y Vc es el voltaje total. suministrado al circuito El margen de captura se halla como: Fc = ±((2πfH/3600C2) **0.5)/(2π) C2 es un capacitor que se conecta entre los terminales 10 y 7 y forma parte del filtro paso bajo del Circuito Integrado. Finalmente se conecta el comparador, el cual tiene su entrada inversora y no inversora conectada respectivamente al pin 6 y 7 del PLL. El pin 6 entrega un nivel de referencia fijo promedio a la señal que maneja el PLL, el pin 7 en este caso entrega dos señales con dos diferentes valores promedio ya que dependen de la señal de entrada, este pin muestra las señales encargadas de modificar o forzar la frecuencia del VCO debido al lazo cerrado que se maneja en el interior del PLL. El comparador detecta las variaciones en el pin 7 y entrega dos diferentes niveles de saturación con diferentes periodos de tiempo dependiendo de dichas variaciones en el pin 7. En la figura 26 se muestran la señal de salida que se debe obtener (parte de abajo) en correspondencia con la excitación (parte de arriba).

(50) 50. Figura 26.

(51) 51. CONCLUSIONES. Al culminar este trabajo se obtuvieron los resultados siguientes: 1. Se realizó una búsqueda de información lo cual permitió elaborar el marco teórico de la investigación. 2. Como resultado del diagnóstico se evidencia la necesidad de disponer de un. manual de problemas, para que los alumnos integren contenidos de la Electrónica Analógica y las Mediciones Electrónicas. Se ha sugerido que se utilice el simulador Proteus para comprobar los análisis teóricos realizados. 3. Se confeccionó un manual de problemas para la asignatura Mediciones. Electrónicas. para. los. estudiantes. de. la. carrera. de. Ingeniería. en. Telecomunicaciones y Electrónica que finalizan el segundo semestre del tercer año, que integran la E. AIII. y M.E., extraídos de varios libros, lo que debe facilitar el estudio independiente de los alumnos como facilitar el trabajo del profesor. 4. Se desarrollaron ejemplos de circuitos simulados en el PROTEUS y se. analizaron las facilidades de trabajo que brinda este con los distintos circuitos integrados que posee..

(52) 52. RECOMENDACIONES. Se recomiendan los siguientes aspectos: 1. Seguir trabajando en la incorporación de materiales de apoyo (ejemplos de. simulaciones utilizando el PROTEUS.) con el objetivo de complementar los conocimientos que los estudiantes adquieren en clase. 2. Emplear el Manual para la orientación de tareas correspondientes al último. seminario de las asignaturas Electrónica Analógica III y Mediciones Electrónicas. 3. Continuar enriqueciendo el Manual con más problemas integradores para su. mejor explotación en la preparación de los alumnos e incluir tareas que involucren contenidos de la asignatura Microprocesadores I..

(53) 53. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Horno Omega Chino [Online]. Internet. Available: es.made.in.china.com. ARENY, R. P. 2004. Sensores y acondicionadores de señal, Marcombo. BANET, C. R. T., GLEZ., J. A. P., FIGUEROA., J. E. R., JARDINES., K. I. & GUERRA., Y. R. 2014. Desarrollo de una aplicación con el microcontrolador 8051, para controlar los niveles de agua y temperatura en un depósito., Universidad Central "Malta Abreu" de Las Villas. Cuba. BEEBY, S. 2004. MEMS mechanical sensors, Artech House. CHIN., L. J. A. F. 1983. Electronic Instruments and Measure. Mediciones Electrónicas. CHINO, H. O. Internet. Available: es.made.in.china.com. GARCÍA., P. 2004. Instrumentación Electrónica. HIDALGO, F. B. 2015. Diseño del sistema de control para el arranque y protección de la turbina de contrapresión del central "Elpidio Gómez". Facultad de Ingeniería Eléctrica . Universidad Central "Malta Abreus"de Las Villas. Cuba. MALIK, N. R. 1996. Circuitos electrónicos. Análisis, Simulación Y Diseño. Ed.: Prentice Hall. MILLMAN, J. & GRABEL, A. 1987. Microelectronics, McGraw-Hill, Inc. RASHID, M. H. 2002. Circuitos microelectrónicos: análisis y diseño, Thomson-Paraninfo. ROCHE, C. 2008. Las Mediciones Electrónicas: Tecnología Compleja. Empleo de los Mapas Conceptuales. SCHILLING, D. L., ANGEL, M., NUÑO GARCÍA, F. & DÍAZ GONZÁLEZ, J. 1993. Circuitos electrónicos: discretos e integrados. SIEMENS 2006. Instrumentos para medida de temperatura SITRANS T..

(54) 54. ANEXO 1 DISPOSITIVO SITRANS TK-L PARA MEDIR TEMPERATURA..

(55) 55.

(56) 56.

(57)