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Trabajo Práctico Nº 10 - Filtros de Señal

Introducción Teórica

Filtros

 Un Filtro electrónico es un elemento que deja pasar señales eléctricas a través de él, a una cierta frecuencia o rangos de frecuencia mientras previene el paso de otras, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. Es un dispositivo que separa, pasa o suprime un grupo de señales de una mezcla de señales. Pueden ser: analógicos o digitales, los filtros analógicos son aquellos en el que la señal puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo, mientras que la señal de los filtros digitales toma solo valores discretos.
 Un filtro analógico es un filtro usado para procesos analógicos o señales de tiempo continuo. Los filtros analógicos son divididos en filtros pasivos y filtros activos, dependiendo del tipo de los elementos que se emplean para su realización.
 Los filtros también son clasificados dependiendo de las funciones que realizan. Los filtros son sistemas de dos puertos, uno de entrada y otro de salida, que funcionan en el dominio de la frecuencia. Su operación se basa en bloquear señales en términos de su contenido espectral, dejando pasar señales cuya frecuencia se encuentra dentro de cierto rango conocido como banda de paso y rechazando aquellas señales fuera de este rango, conocido como banda de rechazo. Un filtro trabaja sobre señales de entrada produciendo una señal de salida cuyo contenido espectral depende del tipo de filtro.
 Hay diferentes tipos de filtros dependiendo de la aplicación específica que realizan. En términos prácticos, hay cuatro tipos básicos de filtros (Paso bajo, paso alto, paso banda y elimina banda).

 Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto.
 Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sería la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales próximas a ésta, en el diagrama hasta f1 y f2. No obstante, bastaría con una simple red resonante LC.

Filtros Pasa Bajos

 Un filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.


Filtros Pasa Altos

 Un filtro paso alto es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.

Desarrollo de la Práctica

1) Se procedió a armar el siguiente circuito:

2) Se Conectó a la entrada Vs del circuito anterior una señal senoidal de 200 mVpp y 100 Hz.

3) Se midió la tensión de salida, se calcularon la ganancia de tensión expresada en veces y en dB y se midió el desfasaje que sufre la señal a la salida respecto a la señal de entrada, obteniendo los siguientes resultados:

Vo = 2V
Ganancia en veces = 10
Ganancia en dB = 20
Desfasaje = 180º

4;5) Procedimos a repetir el punto anterior aumentando el número de mediciones y elaboramos una tabla donde se reflejen estas mediciones y cálculos:

6-7) A continuación se muestran los gráficos en el pasa bajos:

a)

b)

8) Luego de amuentar dos veces el valor de los capacitores en el filtro la frecuencia de corte medida fue de 93Hz.

10) Se procedió a repetir los puntos 1-8 para un circuito pasa altos:

Pasa Altos

2-b) Se Conectó a la entrada Vs del circuito anterior una señal senoidal de 200 mVpp y 100 Hz.

3-b) Se midió la tensión de salida, se calcularon la ganancia de tensión expresada en veces y en dB y se midió el desfasaje que sufre la señal a la salida respecto a la señal de entrada, obteniendo los siguientes resultados:

Vo = 1,4V
Ganancia en veces = 7
Ganancia en dB = 16,9

Desfasaje = 180º

4;5-b) Procedimos a repetir el punto anterior aumentando el número de mediciones y elaboramos una tabla donde se reflejen estas mediciones y cálculos:

6-7-b)

a)

b)

8) Luego de amuentar dos veces el valor de los capacitores en el filtro la frecuencia de corte medida fue de 1055Hz.

11) Se diseñó un circuito que cumple con la siguiente consigna: Se tienen dos señales senoidales de 1 Vpp. Una de ellas es de 50 Hz, la otra es de 60 Hz. Se requiere diseñar un sistema que me entregue 5 volts (un uno lógico) cuando la señal de entrada sea de 60 Hz, y 0 Volts cuando ésta cambie a los 50 Hz.

Conclusiones

 La realización de este trabajo nos permitió conocer el funcionamiento de los circuitos mas usados en la electrónica que son los filtros pasa altos y bajos. También nos ayudo a calcular la frecuencia de corte, ancho de banda, e incluso a dferenciar las distintas gráficas para cada diseño de filtro.

Trabajo Práctico Nº 9 - Fuentes Reguladas Integradas

Introducción Teórica

Reguladores de tensión 78xx y 79xx

Los reguladores lineales de tensión, también llamados reguladores de voltaje, son circuitos integrados diseñados para entregar una tensión constante y estable.
Estos dispositivos están presentes en la gran mayoría de fuentes de alimentación, pues proporcionan una estabilidad y protección sin apenas necesidad de componentes externos haciendo que sean muy económicos.
La tensión y corriente que proporcionan es fija según el modelo y va desde 3.3v hasta 24v con un corriente de 0.1A a 3A.
La identificación del modelo es muy sencilla. Las dos primera cifras corresponden a la familia:
78xx para reguladores de tensión positiva
79xx para reguladores de tensión negativaLas dos cifras siguientes corresponden al voltaje de salida:
xx05 para tensión de 5v
xx12 para 12v
xx24 para 24v
etc. etc.Los modelos más comunes son:

Modelo	7803	7805	7806	7808	7809	7810	7812	7815	7818	7824
Vout	3.3V	5V	6V	8V	9V	10V	12V	15V	18V	24V

Modelo	7903	7905	7906	7908	7809	7910	7912	7915	7918	7924
Vout	-3.3V	-5V	-6V	-8V	-9V	-10V	-12V	-15V	-18V	-24V

Con respecto a la corriente máxima (I_max) de salida, está indicada en el marcado del dispositivo. Por ejemplo, si entre la familia y el modelo aparece una L (78L05) indica que la corriente máxima de salida es de 0.1A.

• L = 0.1A

• M = 0.5A

• S = 2A

• T = 3A

• Sin letra = 1A

Una visión simplificada, para entender su funcionamiento, sería verlos como un divisor de tensión que se reajusta constantemente para que la tensión entregada sea siempre la misma. Evidentemente no es tan simple como un par de resistencias ajustables. En el interior de un regulador lineal de tensión pueden encontramporse conentes activos, como transistores trabajando en su zona lineal, y/o pasivos, como diodos zener, en su zona de ruptura. 

Los tres terminales corresponden a la Tensión de entrada (V_in), Tierra (gnd) y Tensión de salida (V_out). Según el encapsulado, TO92, TO220 o TO3, la asignación de los pinouts puede variar. Este que muestro aquí es un TO220.

Fuente de Tensión Regulada

 Una fuente de tensión regulada utiliza normalmente un circuito automático de control que detecta, prácticamente de un modo instantáneo, las variaciones de la tensión de salida y las corrige automáticamente. En general, todo sistema de control requiere los siguientes elementos básicos:

Elemento de referencia: Para saber si una magnitud ha variado se precisa una referencia, que deberá ser lo más estable posible.

Elemento de muestra: Su misión es detectar las variaciones de la magnitud en cuestión (tensiones, temperaturas, presiones, etc.).

Elemento comparador: Su finalidad es comparar, en todo momento, la referencia con la muestra de la magnitud que pretendemos controlar.

Amplificador de señal de error: La señal de error, que no es más que la diferencia entre la referencia y la muestra, puede ser de un nivel tan bajo que no puedan accionar el elemento. En este caso, debe amplificarse.

Elemento de control: Que interpretada la señal de error, amplificada o no, de modo que contrarreste las variaciones producidas en las magnitudes de salida.

Estos elementos básicos integran normalmente cualquier sistema de control, sea electrónico, mecánico, hidráulico, etcétera.
Los fabricantes de los reguladores recomiendan que la tensión entregada por el secundario del transformador debe ser como minimo 3V superior a la tensión nominal del regulador (para un 7812, la tensión del secundario minima será de 15V o mayor), esto también tiene que ver con la intensidad de consumo que se le exija a la salida de la fuente.

Desarrollo de la Práctica

1) Se procedió a armar el siguiente circuito:

2) Se procedió a variar la tensión de entrada entre 4 y 10 volts y se registró en cada valor la

tensión de salida.

Se graficó Vo en función de Vi, demostrado en el esquema a continuación:

a) Regula a patir de los 6,5V aproximadamente

b) La tensión drop-out es la mínima diferencia de tensión entre la entrada y la salida dentro de la cual el circuito es todavía capaz de regular la salida.

c) No, depende de cada circuito integrado

d) A continuación se muestran fuentes reguladas integradas de las que hemos investigado:

3) En el cuadro ubicado debajo se ilustra los resultados de las mediciones al aumentar la carga:

4) El gráfico a continuación grafica la tensión de salida(vo) en función de la carga (Rl).

5) Se procedió a graficar la potencia disipada por el integrado y la disipada por la carga en función de la resistencia de carga.

6) La tensión de entrada al integrado debería ser igual a la tensión de salida sumada al Drop-Out. En el caso de nuestro integrado , como la tension a regular son 4,97V y la V de drop out es de 1,07V la tension tiene que ser mayor o igual a 6,1V y menor a 24V.

Conclusiones

 En este trabajo hemos observado el funcionamiento de las fuentes reguladas de tension con una determinada familia de reguladores, 78xx. Particularmente, utilizamos el 7805, el cual regula la tension en 5V.

 El 7805 es la denominación de una familia de reguladores de tensión positiva, de tres terminales, Vi voltaje de entrada, Vo voltaje de salida y la pata central, masa o común, con especificaciones similares y que sólo difieren en la tensión de salida suministrada y en la corriente que es capaz de dar ante una demanda de ello depende las letras que intercala detrás de los dos primeros dígito.

 La tensión drop-out es la mínima diferencia de tensión entre la entrada y la salida dentro de la cual el circuito es todavía capaz de regular la salida. Esta tensión no es la misma para todas las fuentes reguladas integradas.

Trabajo Práctico Nº 8 - Sistemas Secuenciales

Introducción Teórica

Contador

Un contador es un circuito secuencial que cambia de estado cada vez que recibe un pulso por la entrada que lo dispara, de tal manera que una sucesión de dichos pulsos lo hace pasar por un cierto número de estados a partir de uno denominado estado inicial, hasta uno llamadaestado final. Un circuito así se denomina contador porque puede determinarse la cantidad de pulsos de entrada que ha recibido con sólo ver en qué estado de la secuencia se encuentra.

Algunos contadores detienen su conteo una vez alcanzado su estado terminal (de cuentas prefijadas) pero es mucho más frecuente los que cuentan libremente, es decir, que estando en el estado final, de recibirse un nuevo pulso de entrada, pasen al estado inicial y repitan cíclicamente la secuencia de conteo con los sucesivos pulsos de entrada. En estos casos, como la secuencia es cíclica, la mera observación del estado del contador no permite reconocer si se ha hecho una vuelta entera, y menos aún saber cuantas vueltas se produjeron. Por eso, si el número de estados que posee la secuencia es M, el número de pulsos de entrada recibidos se conoce como módulo de M, es decir, únicamente se conoce el resto de su división entera por M. Por esta razón, al número de estados de la secuencia se lo denomina módulo del contador

Un contador puede también ser considerado un divisor de frecuencia, ya que si recibe por su entrada de conteo una señal periódica de una frecuencia dada, el contador realizará un ciclo completo de su evolución cada M ciclos de la señal de entrada. Si se obtiene una señal que indique cada vez que el contador realiza uno de estos ciclos completos, esta señal tendrá una frecuenia M veces menor que la señal de entrada.

Los contadores se realizan sobre la base de un cierto número de flip-flops debidamente interconectados. El número de flip-flops utilizado limita el valor que puede llegar a tomar el módulo de un contador, ya que como n flip-flops solo puede lograr 2^n estados, no pueden lograrse con ellos un contador de módulo mayor que esa cifra. El conjunto de salidas de los flip-flops que integran un contador, que dan el estado del contador y, por ende, registran el número de pulsos contados, constituyen la salida del mismo.

Los contadores suelen clasificarse, desde el punto de vista de su estructura interna, en

Sincrónicos:
son aquellos en los cuales todos los flip-flops que los componen son disparados sincrónicamente por los pulsos de entrada.

Asincrónicos:
son aquellos en que no todos los flip-flops que lo componen son disparados sincrónicamente por los pulsos de entrada, sino que algunos de ellos reciben su disparo por otro mecanismo, por ejemplo la salida de otro flip-flop del contador.

También los podemos clasificar desde el punto de vista de la secuencia de estados por la que atraviesa, en contadores ascendentes , descendentes y bidireccionales.

Ascendentes:

Son aquellos en los que los sucesivos pulsos de entrada los hacen evolucionar desde un estado inicial, que corresponde a cuenta nula, hasta un estado terminal, que corresponde a cuenta máxima, es decir, los que cuentan hacia arriba. También se los llama aditivos o progresivos.

Descendentes:
Son aquellos en los que los sucesivos pulsos de entrada los hacen evolucionar desde un estado inicial, que corresponde a cuenta máxima, hasta un estado terminal, que corresponde a cuenta nula, es decir, los que cuentan hacia abajo. También se los llama sustractivos o regresivos.

Bidireccionales:
Son aquellos que pueden operar tanto en forma progresiva como regresiva.
Los contadores son muy usados en el conteo de eventos, o de pulsos de reloj, y como divisores de frecuencia. 

Decodificador:
Los decodificadores son dispositivos lógicos cuyas entradas presentan una combinación de ceros y unos que identifican y seleccionan a una de las varias salidas que posee; la salida así seleccionada pasa al nivel activo, mientras que todas las otras salidas quedan en el nivel inactivo. Por esta característica que tienen las entradas de seleccionar una de las salidas, se la suele denominar también entradas (o líneas) de selección o de dirección.
En este caso utilizamos un decodificador de BCD natural a 7 segmentos.

Desarrollo de la Práctica

1) Usando la hoja de datos de los CI se diseñó un contador que cumple con las siguientes prestaciones:

a)La cuenta debe mostrarse en un display de 7 segmentos.Podrás usar el modulo desarrollado en el TP1.

b) El sistema debera tener un Start-Up-Reset.

c) Mediante dos pulsadores(no llaves)deberas controlar la cuenta y su sentido en modo Toggle.

2) Se realizó el esquemático del contador:

Conclusiones

El conocimiento del funcionamiento de los sistemas secuenciales nos permitio diseñar un circuito contador con circuitos integrados, el cual es súmamente útil para realizar una cuenta ascendente o descendente, para cualquier fin que se necesite.
En el diseño del contador tuvimos que utilizar circuitos con los que ya habiamos trabajado como los monoestables funcionando como antirrebotes y otros circuitos nuevos como el toggle armado con el integrado 4013, internamente esta compuesto por dos flip-flop. El circuito no es muy costoso ni dificil de armar aunque se presentaron algunos inconvenientes que supimos solucionar. Este es un circuito muy util como contador.

Trabajo Práctico Nº 7 - Comparadores Analógicos

Introducción Teórica

Filtros

Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.
Hay diferentes tipos de filtros como por ejemplo los pasa altos, pasa bajos, analogicos y digitales.


Filtro pasa bajos:

Un filtro pasa bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.

Filtro pasa alto:


Un filtro paso alto es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.

Comparador


Un comparador es un circuito electrónico, ya sea analógico o digital, capaz de comparar una señal de entrada con un determinado valor, variando su salida según el resultado.
En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.
Como todo amplificador operacional, un comparador estará alimentado por dos fuentes de corriente contínua (+Vcc, -Vcc). El comparador hace que, si la tensión de entrada en el borne positivo es mayor que la tensión conectada al borne negativo, la salida será igual a +Vcc. En caso contrario, la salida tendrá una tensión -Vcc.

Amplificador Operacional en la configuracion Comparador: 

Desarrollo de la Práctica

1) Se armó en la protoboard el siguiente circuito:

2) Se puede observar que al oscurecer completamente el sensor de luz cambia el estado de la señal de salida, es decir, la lámpara enciende.

3) Al oscurecer el sensor tapándolo con la lámpara, produce que se encienda la misma.

Dependiendo del tiempo de respuesta del sensor, varía el tiempo en que reacciona al captar la luz de la lámpara, lo que produce que se apague la misma al captar la luz emitida. 

Por lo tanto es un ciclo continuo, que produce el parpadeo de la lamparita.

4)

a) El sistema no es estable, ya que en un momento empieza a oscilar, debido a que hay un determinado valor a partir del cual se produce el cambio. Si pasa a este valor se prende la lampara y si es inferior a dicho valor no se prende. Cuando el sistema esta próximo a este valor, empieza oscilar.

b) Sí, es periódica.

c) No es recomendado su uso puesto que puede ser que en cierto momento el sistema empiece a oscilar.

5) El circuito queda modificado de acuerdo a lo pedido de la siguiente forma:

6) Se oscureció el sensor y se varió la tensión de referencia.

   La siguiente imagen demuestra la curva de Histéresis:

7)

a) Si, el sistema ahora es estable.

b) No presenta ningunga inestabilidad.

c) Sí, es recomendable para un control de luz crepuscular, ya que no presenta oscilaciones.

Conclusiones

La práctica nos permitio conocer un sensor sensible a los cambios de luz, el LDR. Tal sensor es muy sensible a los cambios en los valores de lumen. Por tal razón, se introdujo la realimentación en el circuito para aumentar el valor del valor minimo al que la señal tendría que llegar para permanecer en un estado 1.Se armaron dos circuitos. Para el primer circuito se utilizó solo una tensión de referencia (Vref) lo que hizo que el circuito sea inestable, ya que ante la mínima falta de luz en el LDR se encienda la lámpara. En cambio, para el segundo circuito, se utilizaron dos tensiones de referencia, lo que hizo que el circuito se vuelva estable. 

Trabajo Práctico Nº 6 - Restador

Introducción Teórica

Un Amplificador Operacional es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G (ganancia).

La característica principal del amplificador operacional restador, es la amplificación de la diferencia de las tensiones de entrada. Tiene el inconveniente de que disminuye la impedancia de entrada del amplificador sensiblemente ademas de que las dos resistencias R1 y las dos R2 tienen que ser iguales.
El amplificador operacional restador básico puede considerarse que está formado por un amplificador operacional inversor y por otro amplificador operacional no inversor.




Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:










El lm741 le otorga al circuito alta ganancia y el amplio rango de voltaje de operación proporcionan unas excelentes características aprovechadas para amplificadores en general. Además posee la capacidad de anular el voltaje de off-set. 
Es un amplificador operacional monolítico de altas características. Se ha diseñado para una alta gama de aplicaciones analógicas.
Un alto rango de voltaje en modo común y ausencia de lacthup tienden a hacer el LM741 ideal para usarlo como un seguidor de tensión.
La alta ganancia y el amplio rango de voltaje de operación proporcionan unas excelentes características aprovechadas para amplificadores en general.

Desarrollo de la Práctica

1) A continuación se realizan los cálculos para determinar los valores de Rf y de R1, teniendo como datos los valores de Vc (3V) y de Vref (1V):

Siendo el valor designado para R1 47K:

2) En la imagen de abajo, se muestra el armado del siguiente circuito:

3) Se ajustaron los valores de Vc y Vref según se pide en el Tp, y se obtuvieron los siguinetes resultados:


Ajustando R3, se intentó fijar los valores de Vc y Vref en 1V:

 A 30°C, Vo es casi nula.


Ajustando Rf, se intentó fijar Vc 3V:

A 40°C, Vo mide casi 5v

Los valores de Vo no son exactos, pues no se puede calibrar exactamente Vc y Vref.


4) El gráfico a continuación, muestra Vo en función de Vc:

Conclusiones

En esta práctica, observamos el funcionamiento del amplificador 741 en la configuración de restador. 
Aprendimos que podemos simular un transductor de manera sencilla, y que adaptando los valores de ciertos componentes también variamos la temperatura del circuito.
Los valores de la tensión de salida Vo, que es la que simula los distintos valores de temperatura, nunca son exactos, ya que no se pueden calibrar perfectamente Vc y Vref.