Electronica aplicada automotriz 3
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Electronica aplicada automotriz 3 Electronica aplicada automotriz 3 Document Transcript

  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACIRCUITOS OPERACIONALESOPERACIONALESLos operacionales son circuitos integrados, que contienen varios transistores, diodos,resistencias y condensadores. Estos componentes están conectados de tal manera quese obtiene en la salida del operacional, la misma señal de tensión que se aplica a laentrada pero amplificada. Circuito de un operacional referido a masaLos operacionales tienen cinco terminales principales:- Terminal inversor (-): es el terminal de entrada por la patilla negativa del operacional.- Terminal no inversor (+): es el terminal de entrada por la patilla positiva del operacional.- Terminales de alimentación: son dos terminales en los que se aplica la tensión de alimentación del operacional.- Terminal de salida (Vs): es el terminal por el que sale la señal amplificada.La ganancia de tensión de un amplificador operacional se representa en su símbolocomo Gv. La entrada no inversora es V1 mientras que la entrada inversora es V2. Sedenomina entrada diferencial a la caída de tensión entre los terminales positivo y negativodel operacional: Ven = V1 - V2 189
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICALas tensiones V1, V2 y Vs son tensiones de nudo, lo que significa que siempre se midencon respecto a masa. La mayoría de las veces no se dibuja en el símbolo el terminalde masa, como muestra el siguiente gráfico: Símbolo electrónico de un amplificador operacionalLa entrada no inversora tiene un signo positivo, mientras que la entrada inversora tieneun signo negativo. La tensión diferencial de la entrada Ven aparece entre las entradasno inversora e inversora. La tensión de salida está dada por: Vs = Gv x VenEs decir, la tensión de salida es igual a la tensión de entrada multiplicada por el valorde la ganancia de tensión (Gv).Los operacionales forman dos grandes tipos dependiendo de la forma de realimentarlos.La realimentación consiste en retornar la señal de tensión de salida a la entrada medianteun circuito adicional denominado circuito de realimentación. Este lazo de realimentaciónpuede volver a la entrada inversora (terminal negativo) y se denomina realimentaciónnegativa, o bien volver a la entrada no inversora (terminal positivo) y se llamarealimentación positiva. Esquema de un operacional con realimentación negativa 190
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Esquema de un operacional con realimentación positivaDependiendo del tipo de realimentación y de su circuito adicional, los operacionalespueden funcionar de diversas formas. La clasificación general dependiendo del tipo derealimentación, y a su vez dependiendo de la forma del circuito de realimentación esla siguiente:- Realimentación negativa: * Amplificador operacional inversor. * Amplificador operacional no inversor. * Sumador. * Integrador. * Diferenciador. * Convertidor corriente/tensión. * Convertidor tensión/corriente. * Diferencial. * Seguidor.- Realimentación positiva: * Comparador no inversor. * Comparador inversor. * Báscula inversora. * Báscula no inversora. 191
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAOPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN NEGATIVADependiendo del circuito de realimentación, se consiguen circuitos operacionales querealizan diversas funciones.Los circuitos operacionales con realimentación negativa basan su función en la amplificaciónde señal, mientras que los circuitos operacionales con realimentación positiva funcionancomo comparadores de señales.El bloque acondicionador de la señal procedente de un sensor, normalmente va a estarformado por la conexión de varios tipos de circuitos operacionales con diferentes tiposde realimentación.AMPLIFICADOR NO INVERSOR DE TENSIÓN Circuito amplificador no inversorEste circuito amplifica la tensión de entrada y proporciona a la salida la tensión deentrada multiplicada por la ganancia de tensión. Esta ganancia de tensión vienedeterminada por el valor de las resistencias del circuito de realimentación, de tal maneraque:Vs = Gv x VeGv = (R2 + R1) / R1Vs = ((R2 + R1) / R1) x Ve 192
  • CIRCUITOSIMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASeñales de entrada y salida en un amplificador operacional no inversor 193
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAMPLIFICADOR INVERSOR DE TENSIÓN Circuito amplificador inversorEste circuito amplifica la tensión de entrada pero la invierte, es decir, la cambia de signo.El valor de la ganancia de tensión depende del valor de las resistencias:Vs = Gv x VeGv = - (R2 / R1)Vs = - (R2 / R1) x Ve Señales de entrada y salida en un amplificador operacional inversor 194
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASUMADOR Circuito sumadorUna ventaja importante de los amplificadores inversores de tensión, es su capacidadde amplificar más de una señal de tensión a la vez. El circuito sumador aprovecha estacaracterística para amplificar y a la vez sumar varias tensiones de entrada:Para V1 => - (R / R1) x V1Para V2 => - (R / R2) x V2En la salida se suman todas las señales de entrada amplificadas e invertidas:Vs = - R x (V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn) Señales de entrada al sumador 195
  • CIRCUITOSIMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Señal de salida del sumador 196
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAINTEGRADOR Circuito integradorEl integrador es un circuito que ejecuta una operación matemática llamada integración.La aplicación más popular de un integrador es la destinada a producir una rampa detensión, la cual incrementa o decrementa la tensión linealmente. Esto hace que alintegrar una onda cuadrada se consiga una onda triangular. Señales de entrada y salida en un integrador 197
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICADIFERENCIADOR Circuito diferenciadorUn diferenciador es un circuito que ejecuta una operación llamada en matemáticasderivada. Esta operación es la contraria a la de integración, es decir, realiza el procesoinverso; produce una tensión de salida proporcional a la variación de la tensión deentrada respecto al tiempo. Aplicaciones comunes de un diferenciador son producir unasalida rectangular a partir de una rampa de entrada (operación inversa a la realizadapor el integrador) o detectar los flancos de subida y bajada de un pulso rectangular. Señales de entrada y salida en un diferenciador 198
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACONVERTIDOR CORRIENTE / TENSIÓN Circuito convertidor corriente/tensiónEste circuito transforma una señal de intensidad, aplicada a la entrada, en una señalde tensión (proporcionada a la salida). El valor de tensión a la salida depende del valorde la resistencia y del valor de la corriente en la entrada: Señales de entrada y salida en un convertidor corriente/tensión 199
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACONVERTIDOR TENSIÓN / CORRIENTE Circuito convertidor tensión/corrienteEste circuito realiza la función contraria al convertidor corriente / tensión, es decir,convierte una señal de tensión en una señal de intensidad. El valor de la intensidad dela salida depende de los valores de la resistencia del circuito de realimentación y de latensión de entrada:Is = E / R Señales de entrada y salida en un convertidor tensión/corriente 200
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICADIFERENCIAL Circuito diferencialUn circuito diferencial resta dos señales de entrada y amplifica el resultado. El factorde amplificación (ganancia de tensión) depende del valor de las resistencias.Siempre resta la señal de tensión de entrada del terminal no inversor (positivo) menosla tensión de entrada del terminal inversor (negativo):Vs = R2 / R1 x (V2 - V1) Señales de entrada al diferencial 201
  • CIRCUITOSIMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Señal de salida del diferencial 202
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASEGUIDOR Circuito seguidorEste circuito proporciona a la salida la misma señal de tensión que existe a la entrada:Vs = Ve.Los seguidores se utilizan como protección para aislar etapas diferentes de un circuito.Por ejemplo, la señal de salida de una etapa ataca a la entrada de otra etapa distinta;la forma de separar la salida de la entrada (aunque en realidad se trate de la mismaseñal de tensión) es mediante un seguidor, de esta forma se consigue protección anteposibles interferencias y las dos etapas están completamente diferenciadas.El diagrama de bloques de un proceso de aislamiento y protección de dos etapas es elsiguiente: Diagrama de bloques del proceso de aislamiento mediante un seguidor 203
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAOPERACIONALES CON REALIMENTACIÓN POSITIVALos operacionales realimentados positivamente realizan la comparación de dos valoresde tensión por lo que se llaman comparadores. Cuando la tensión de la entrada noinversora es mayor que la de la entrada inversora, el comparador produce una tensiónde salida de nivel alto. Cuando la tensión de la entrada no inversora es menor que lade la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel bajo.Los valores de tensión alto y bajo proporcionados a la salida dependen del valor de laalimentación del operacional; por ejemplo, si el operacional se alimenta por sus dosterminales de alimentación con +Vcc uno y con -Vcc el otro (alimentación simétrica),el nivel alto de tensión a la salida es de valor +Vcc, y el nivel bajo es -Vcc. Otra formade alimentar el operacional, denominada asimétrica, es alimentarlo con +Vcc y masa(cero voltios), con lo que el nivel alto de tensión a la salida es +Vcc, pero el nivel bajode tensión a la salida es 0 voltios.Por lo tanto, la tensión de la entrada no inversora es mayor que la tensión de la entradainversora cuando la tensión de salida del comparador está a nivel alto y no lo es cuandola tensión de salida está a nivel bajo. Esquema de un operacional con realimentación positiva 204
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACOMPARADOR NO INVERSOR Circuito comparador no inversorEste circuito compara un valor de tensión de entrada con el valor cero voltios (terminalinversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensión deentrada (Ve) es mayor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es menor que cero voltios.Este comportamiento se referencia en una curva que se llama función de transferenciadel comparador y que relaciona la tensión de entrada con la tensión de salida: Función de transferencia de un comparador no inversorPara poder comparar una tensión con un valor de tensión (Vref) distinto de cero, se colocauna pila del valor a comparar en el terminal inversor, en vez de conectarlo a masa. 205
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Circuito comparador no inversor con tensión de referenciaLa función de transferencia varía el valor de comparación, por lo que desplaza el ejevertical de la curva. Al valor de tensión sobre el que se compara se le denomina puntode conmutación, ya que es el punto en el que conmuta el valor de la tensión de salidadel comparador. Función de transferencia de un comparador no inversor con tensión de referencia 206
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACOMPARADOR INVERSOR Circuito comparador inversorEste circuito compara el valor cero voltios con un valor de tensión de entrada (terminalno inversor conectado a masa). El valor de la tensión de salida vale +Vcc si la tensiónde entrada (Ve) es menor que cero, y vale -Vcc si el valor de Ve es mayor que cerovoltios. Este comportamiento es el inverso al del comparador no inversor, y tambiénse referencia mediante su función de transferencia: Función de transferencia de un comparador inversor 207
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAPara poder comparar una tensión (Vref) distinta de cero con la tensión de entrada(conectada al terminal inversor), se coloca una pila del valor a comparar en el terminalno inversor, en vez de conectarlo a masa. Circuito comparador inversor con tensión de referenciaLa función de transferencia varía el punto de conmutación (desplaza su tramo vertical)hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de si el valor de Vref es negativo opositivo, respectivamente. Función de transferencia de un comparador inversor con tensión de referencia 208
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICABASCULA NO INVERSORA Circuito de báscula de Schmitt no inversoraEste circuito comparador se llama báscula Schmitt no inversora. Las básculas Schmittson comparadores normales pero que al estar realimentados positivamente consiguentener dos puntos de conmutación, uno superior y otro inferior. Su función de transferenciaes la siguiente: Función de transferencia de una báscula Schmitt no inversora 209
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEste circuito conmuta (cambia el valor de la tensión de salida) en dos puntos: V1 y V2.Estos valores de tensión dependen del valor de las resistencias del lazo de realimentaciónpositiva, y del valor de la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vccy -Vcc, los valores de la tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo):V1 = - (R1 / R2) x VccV2 = (R1 / R2) x VccLas básculas Schmitt son llamadas también comparadores con histéresis. La histéresis,o tensión de histéresis, es el valor de tensión que existe entre los dos puntos deconmutación (V1, V2); es decir, es la diferencia entre los dos valores de tensión quemarca la anchura de la función de transferencia de la báscula:H = V2 - V1Pero como los dos valores son iguales aunque de signo contrario, el valor de la histéresisserá siempre el doble de uno de los dos valores de los puntos de conmutación:H = 2 x V2 Histéresis de una báscula Schmitt no inversoraEl funcionamiento de este circuito es similar al de un comparador normal, pero con dospuntos de conmutación que influyen dependiendo del valor de tensión de entrada delque se proceda. La conmutación en la tensión de salida viene marcada por los sentidosde las flechas dibujadas sobre la función de transferencia de la báscula Schmitt. Si latensión de entrada (Ve) es mayor que V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hastaque llega a ser igual que V1, momento en el que la salida pasa de valer +Vcc a valer- Vcc. 210
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula no inversoraPor el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valorno conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto deconmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer -Vcc a valer+Vcc. Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula no inversora 211
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICABASCULA INVERSORA Circuito de báscula de Schmitt inversoraEste circuito comparador se llama báscula Schmitt inversora. Su función de transferenciaes la siguiente: Función de transferencia de una báscula Schmitt inversora 212
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEste circuito también conmuta el valor de la tensión de salida en dos puntos: V1 y V2,pero de forma inversa a como lo hace la báscula no inversora. Estos valores de tensióndependen del valor de las resistencias del lazo de realimentación positiva, y del valorde la tensión de salida; si la báscula está alimentada entre +Vcc y -Vcc, los valores dela tensión de salida son +Vcc (nivel alto) y -Vcc (nivel bajo): V1 = - (R1 / R1 + R2) x Vcc V2 = (R1 / R1 + R2) x VccLa tensión de histéresis de esta báscula vale también: H = V2 - V1 H = 2 x V2 Histéresis de una báscula Schmitt inversoraEl funcionamiento de este circuito es similar al de la báscula no inversora, pero cambiandoel sentido de conmutación en la función de transferencia. La conmutación en la tensiónde salida viene marcada por los sentidos de las flechas dibujadas sobre la función detransferencia de la báscula Schmitt inversora. Si la tensión de entrada (Ve) es mayorque V2 y se empieza a decrecer, no conmuta hasta que llega a ser igual que V1, momentoen el que la salida pasa de valer -Vcc a valer +Vcc (al contrario que en la báscula noinversora). 213
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Conmutación de -Vcc a +Vcc en una báscula inversoraPor el contrario, cuando la tensión de entrada es menor que V1, al aumentar su valorno conmuta la salida hasta que esta tensión de entrada no llega al valor del punto deconmutación V2, momento en el que la tensión de salida pasa de valer +Vcc a valer-Vcc. Conmutación de +Vcc a -Vcc en una báscula inversora 214
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICATanto en la báscula inversora como en la no inversora, para cambiar los puntos deconmutación y por lo tanto cambiar la histéresis de la báscula, hay que modificar losvalores de las resistencias del lazo de realimentación positiva.Para modificar el eje central del rectángulo que representa la función de transferenciade las básculas, es decir, el punto medio del segmento formado por la histéresis (puntomedio entre V1 y V2), simplemente hay que conectar una pila de tensión de valor Vrefen el terminal que está conectado a masa.Por ejemplo, en una báscula no inversora se modifica el punto central de la histéresisa un valor Vref con el circuito siguiente: Circuito de báscula no inversora con tensión de referenciaCon lo que su función de transferencia es ahora: Función de transferencia de una báscula no inversora con tensión de referencia. 215
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAMÓDULOS COMERCIALESLos códigos de numeración de los operacionales más utilizados son: LF351 LM10C LM318 LM741C TL071 LF353 LM11C LM324 LM747C TL072 LF355 LM301C LM348 LM748 NE531 TL074 LF356 LM307 LM358 LM1458 TL082 LF13741 LM308 LM709 LM4250 TL084 216
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICATEMPORIZADOR ANALÓGICO-DIGITAL (LM555)El generador de base de tiempo o temporizador 555 es un integrado que combina ensu interior un oscilador, dos comparadores, un biestable RS y un transistor bipolar. Estecircuito interno permite diversas aplicaciones, pero fundamentalmente se utiliza paragenerar señales de tensión cuadradas.TERMINALES DEL TEMPORIZADOR 555El esquema del circuito integrado de este temporizador es el siguiente: Terminales del temporizador 555Sus ocho terminales son los siguientes:- GND (1): este terminal es la conexión a masa del integrado.- Disparo (2): es el terminal por el que se excita al temporizador, cuando necesita una tensión de disparo. Este terminal funciona con lógica negativa de entrada, es decir, es activo a nivel bajo.- Salida (3): por este terminal se proporciona la tensión de salida (también se llama Q).- Reset (4): al activar este terminal se resetea el temporizador con lo que se inicia de nuevo desde el principio el proceso que se esté realizando. Se activa a nivel bajo de tensión porque funciona con lógica negativa de entrada.- Control (5): es un terminal de control. A este terminal, normalmente, se conecta un condensador de valor 0,01 mF (microfaradios).- Umbral (6): este terminal determina la tensión de referencia a comparar de uno de los comparadores internos del temporizador.- Descarga (7): este terminal es el colector del transistor bipolar interno del temporizador, se le denomina así porque permite la descarga de un condensador que se conecta a él.- Alimentación (8): es el terminal por el que se alimenta con tensión (+Vcc) al temporizador 555. 217
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAFUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLEEl término monoestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados (detensión): uno estable y otro inestable (también llamado metaestable). Un estado establees aquel en el que la señal permanece inalterable indefinidamente; mientras que unestado inestable o metaestable es aquel en el que, por ser inestable, la tensión tiendea cambiar pasado un cierto tiempo. Gráfico del primer estado establePor ejemplo, la bola de color azul se encuentra en un estado estable, porque si no semodifica su situación desde el exterior (empujándola), por sí misma no se mueve dela posición en la que está (posición estable). Gráfico del estado inestable 218
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAPero si se empuja la bola hacia el interior del hoyo, se le fuerza a pasar a un estadoinestable (bola en color rojo) porque se encuentra en una pendiente (zona inestable)y no puede permanecer quieta. La bola no permanece indefinidamente en el estadoinestable, sino que busca el estado estable; por eso está un tiempo oscilando entre lasdos pendientes, hasta que se para justo en la base del hoyo. Gráfico del segundo estado estable 219
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAUna vez que se ha parado en el fondo del hoyo, permanece quieta indefinidamente (bolade color verde) hasta que una fuerza exterior modifique su estado, por eso esta situaciónes también un estado estable.En electrónica sucede lo mismo con las tensiones de los circuitos multivibradoresmonoestables conocidos coloquialmente como monoestables. En el estado estable, latensión de salida permanece constante durante un tiempo indefinido, hasta que desdeel exterior se obliga a cambiar al circuito a un estado inestable (mediante un pico detensión en la patilla de disparo); al cambiar al estado inestable, la tensión de salidacambia a otro valor y permanece en él durante un tiempo fijo (tiempo metaestable) ypasado este tiempo, la señal de salida vuelve a su valor estable por sí sola, hasta quese vuelva a efectuar un nuevo disparo de tensión. Conexión de un temporizador 555 como monoestableEn este circuito el temporizador 555 funciona como un monoestable. La salida permanececon un valor de tensión constante de cero voltios (estado estable) hasta que se excitaal temporizador por el terminal de disparo (2); en ese momento la tensión de salidapasa a valer +Vcc durante un periodo de tiempo determinado por el valor de la resistenciay del condensador conectado al terminal de umbral (6), y pasado ese tiempo, la tensiónde salida vuelve a su estado estable, es decir, a valer cero voltios. 220
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICALa salida permanece en este estado hasta que se vuelva a realizar un disparo de tensións o b r e e l t e r m i n a l 2 , t a l y c o m o m u e s t ra e l c r o n o g ra m a s i g u i e n t e : Cronograma de funcionamiento del circuito monoestableLa tensión de disparo tiene que ser menor que 1/3 de Vcc para que el temporizador 555conmute de estado.Los cambios de estado se consiguen mediante la carga y descarga del condensadorconectado al terminal de umbral. 221
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAFUNCIONAMIENTO COMO AESTABLEEl término aestable significa que es un proceso en el que se dan dos estados inestables(metaestables). En este proceso el valor de tensión varía por sí solo entre dos valores(dos estados) intermitentemente, ya que los dos valores son estados inestables. Conexión de un temporizador 555 como aestableEn este circuito, la tensión de salida conmuta indefinidamente entre los valores de +Vccy masa. Cuando la salida vale +Vcc, se mantiene en este valor un tiempo determinadodefinido por los valores del condensador (C) y las dos resistencias (Ra, Rb); pero altratarse de un estado metaestable, el circuito conmuta automáticamente buscando unestado estable. Al conmutar, la salida pasa a valer cero, y se mantiene en este valorun tiempo determinado e igual al tiempo en que se mantiene a valor +Vcc (porque losvalores del condensador y las resistencias no varían); pero terminado este tiempo, comose trata de un estado inestable, el circuito conmuta buscando otro estado, y la salidapasa a valer +Vcc, repitiéndose indefinidamente el proceso. 222
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Cronograma de funcionamiento del circuito aestable.En este circuito la salida conmuta indefinidamente sin necesidad de un disparo de tensiónexterior, ya que los dos estados posibles son inestables y conmutan entre ellosautomáticamente, buscando un posible estado estable que no existe. 223
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAPUENTE DE WHEATSTONELa función básica de un puente es la de acondicionar la señal procedente de sensoresque varían su resistencia respecto de una magnitud a medir. Transforma la variaciónde resistencia del sensor en valores de tensión o de corriente. Por ejemplo, una galgaextensiométrica, utilizada para medir la presión ejercida sobre una determinada superficie,varía su resistencia eléctrica dependiendo del grado de presión a la que se vea sometida. Diagrama de bloques de un sistema de tratamiento de señales analógicasTodo sistema de instrumentación, orientado a la obtención de medidas referentes asensores, tiene varios bloques de tratamiento de la información analógica proporcionadapor el sensor. Estos bloques normalmente son: bloque sensor, bloque acondicionadory bloque amplificador. A la salida del bloque amplificador la señal de salida está preparadapara ser convertida a información digital.La mayoría de los sensores más utilizados se basan en la variación de resistencia conla magnitud a medir. 224
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICATERMINALES Y CONEXIÓN DEL PUENTE DE WHEATSTONEUn puente de Wheatstone está constituido por cuatro terminales: dos de alimentacióndel puente y otros dos desde los que se toma la señal de salida que ataca al circuitoacondicionador. Terminales de un Puente de WheatstoneLas resistencias realmente no tienen un valor constante de x Ohmios, tienen un valorinicial denominado R0 y un valor añadido que depende de la magnitud. Para evitarerrores en la medida, se crea un circuito específico denominado Puente de Wheatstone que consigue que el error en la medida sea lo menor posible.RX = R0 (1 + X)Rx = valor resistivo totalR0 = resistencia inicial del sensorX = factor corrector de resistencia 225
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Puente de Wheatstone con sensor resistivo real (Rx)El puente está diseñado para colocar tres resistencias y el sensor en una posiciónespecífica. Tiene dos terminales de alimentación (Vcc y masa) que generan una circulaciónde corriente por el puente; y otros dos terminales de salida denominados A y B, pordonde se toma la medida de la variación de tensión.Operando matemáticamente se llega a la siguiente ecuación:Vs = ((Vcc x K) / (K + 1)2 ) · XVs = tensión de salidaK = R2 / R0 = R1 / R4X= valor de variación de la resistencia inicial R0 respecto de la magnitud a medir 226
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICATomando como elemento sensor una galga extensiométrica, su ecuación de comportamientorelaciona la magnitud resistiva con la magnitud de presión. Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión)Al aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste seencoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga yprovocando una variación de resistencia.La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma:Rg = R0 x ( 1 + (K1x E)Rg = resistencia de la galgaR0 = resistencia inicial de la galga sin deformacionesK1 = constante que depende del material soporteE = deformación lineal de la galgaEl valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factorEl que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señalde una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstonepara obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entrelos terminales A y B. 227
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓNLos amplificadores de instrumentación son amplificadores construidos a base deamplificadores operacionales que suelen colocarse en la salida de un Puente de Wheatstonepara amplificar la tensión entre los terminales A y B del puente, y referir el valor detensión a masa (cero voltios). Tienen la ventaja de regular la ganancia de tensión pormedio de una resistencia variable de ajuste.TERMINALES Y CONEXIÓN DE UN AMP. DE INSTRUMENTACIÓNEste tipo de amplificador tiene ocho terminales: tres de alimentación, dos para la entradade tensión diferencial, dos para regular la ganancia y uno de salida. Símbolo electrónico y terminales de un amplificador de instrumentaciónVa, Vb: terminales de entrada de la tensión diferencial del puente.RG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de ganancia.Vo: tensión de salida referida a masa.La ganancia en tensión, es decir, el factor Gv que amplifica la señal de entrada diferencialtomada entre los terminales Va y Vb del amplificador de instrumentación, viene fijadapor una resistencia variable, externa al amplificador, conectada entre los terminalesRG1 y RG2.El amplificador de instrumentación tiene tres terminales de alimentación: dos terminalespara dar cobertura al amplificador sobre la tensión diferencial Va-Vb (+Vcc y -Vcc) yotro terminal para referir la tensión de salida Vo a masa (GND). 228
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAPor lo tanto la tensión de salida Vo es igual: Vd = Va - Vb Vo = Gv x VdSe denomina Vd a la tensión diferencial tomada entre los terminales de salida del Puentede Wheatstone.Esta tensión de salida suele ser amplificada por medio de un amplificador deinstrumentación, tal y como muestra el siguiente gráfico: Conexionado de un Amplificador de Instrumentación con un puente acondicionadorVA, VB: terminales de entrada de la tensión diferencial del puenteRG1, RG2: terminales de conexión de la resistencia de gananciaVo: tensión de salida referida a masaLa tensión Vo, salida del amplificador, es igual a la tensión de salida del puente (Vs)por la ganancia de tensión del amplificador. Así, por ejemplo, para una tensión de salidadiferencial del puente de 20 microvoltios, si la ganancia está regulada en un valor de1000, en la salida del amplificador se obtiene un valor de tensión de 20 milivoltiosreferidos a masa.El motivo fundamental del uso de amplificadores de instrumentación es el de hacerapreciables las variaciones de tensión, del orden de microvoltios, que experimenta elsensor colocado en el puente. 229
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASENSORESSENSOR INDUCTIVOEl sensor para la detección del número de revoluciones y fase del motor es del tipoinductivo, y opera a través de la variación de campo magnético generado por el pasode los dientes de una polea dentada del cigüeñal.+ 1: sensor nº revoluciones y fase 2: arrollamiento 3: imán permanente 4: cableado sensor nº revoluciones y fase 5: corona dentada polea del cigüeñal 3: tornillo fijación sensor 6: señal del sensor 7: referencia de fase 230
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICALos dientes que pasan delante del campo magnético producen variaciones del entrehierroentre polea y sensor; por lo tanto el flujo disperso, que varía en concordancia, induceen las espiras del sensor una tensión alternada de forma senoidal cuya amplitud dependede la velocidad angular de la rueda fónica, del entrehierro entre diente y sensor, de laforma de los dientes, de las características magnéticas del sensor y del sistema desoporte. Señal de salida del sensor inductivo Proceso de acondicionamiento de la señal 231
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Señal de salida del circuito acondicionadorLa señal de salida, que varía entre 0.5 y 100 voltios en función del número de revoluciones,es acondicionada por la unidad central de tal manera que obtenga una señal a cadapaso por cero, y una oscilación rectangular de amplitud constante. El intervalo entreel inicio de un diente y el siguiente es de 6º, a excepción de la indicación de referencia,realizada mediante la eliminación de dos de los sesenta dientes de la polea.El hueco originado por la falta de los dos dientes suministra a la unidad central un puntode referencia del cigüeñal, y cada diente sucesivo de la corona dentada, comunica ala unidad central un incremento de su posición angular.La variación debida al paso de los dientes y de las ranuras genera una frecuencia deseñales analógicas, es decir, fuerzas electromotrices que se generan en el sensor cada6º, que se envían al circuito de acondicionamiento presente en la centralita, y se utilizanpara reconocer el número de revoluciones motor y el P.M.S. Diagrama de bloques del circuito acondicionadorEl circuito de acondicionamiento está formado por un recortador de dos niveles, o uncomparador analógico, que fija el nivel de tensión de salida entre cero y cinco voltios,es decir, prepara la señal procedente del sensor inductivo en valores fácilmente tratablespor sistemas digitales (centralita de control). 232
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASENSOR PIEZOELÉCTRICOEl sensor piezoeléctrico de detonación está creado con el objetivo de evitar problemasde picado de cilindros en el motor.Con objeto de reducir el consumo y aumentar el par motor, se procura conseguircompresiones altas. Sin embargo, a medida que aumenta la compresión, aumentatambién el riesgo de que se originen inflamaciones incontroladas de la mezcla combustible-aire. Como consecuencia de ello se tiene una combustión detonante.Las vibraciones de la cámara de combustión son detectadas por el sensor, reconocidaspor un circuito analizador y conducidas al circuito de regulación. En este caso, eldispositivo de regulación desplaza el momento de encendido, en la dirección de retardo,hasta que se desciende nuevamente por debajo del límite de detonación.El sensor de detonación es de tipo piezoeléctrico montado sobre el bloque motor enposición simétrica respecto a las parejas de cilindros 1-2 y 3-4. Dicha posición estádeterminada por la necesidad de detectar el nacimiento de la detonación de formaanáloga para todos los cilindros. Cuando el motor detona, se generan vibraciones delbloque con una determinada frecuencia: estas vibraciones son transformadas por elsensor en una señal de tensión que es enviada a la centralita. Circuito de regulación de control de “picado” 233
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEste sensor consta de un disco de cerámica piezoeléctrica, fabricada con masa sísmica,que puede ser un cristal de cuarzo, en un encapsulado plástico; la masa sísmica transmitelas deformaciones que le han sido provocadas mediante vibraciones. Además, se necesitaun circuito de regulación de detonaciones, como unidad de regulación separada ointegrada en una unidad de control.El principio de funcionamiento de este sensor se basa en la polarización eléctrica de lasmoléculas de un cristal de cuarzo.En estado de reposo las moléculas no poseen una orientación particular, tal y comomuestra la figura siguiente: Moléculas de cristal de cuarzo sin polarizarCuando el cristal está sometido a una presión o a un choque, éstas se orientan de formatanto más marcada cuanto más elevada es la presión a la que está sometido el cristal. Moléculas de cristal de cuarzo polarizadas 234
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEsta orientación produce una tensión en los terminales del cristal que es acondicionadapor un circuito de regulación que prepara la señal para que pueda ser tratada por launidad de control. Bloque acondicionador del sensor de detonaciones 235
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAA partir de las señales emitidas por el sensor se filtra y analiza la señal de detonacióncaracterística. La unidad de control asigna al correspondiente cilindro las señales quepasan a través del convertidor Señales con detonacionesEn el punto de máxima compresión se produce el fenómeno de la detonación, por loque la señal analógica de salida del sensor presenta fuertes variaciones en su frecuenciay amplitud. Esta señal es tratada por el circuito acondicionador para adecuar la señala los valores de tensión de trabajo del conversor analógico-digital, es decir, reduceproporcionalmente los picos máximos de variación en la amplitud y aumenta la anchurade los picos (filtro e integrador). El ADC convierte la tensión analógica a digital y comparacada valor con el valor medio de tensión de los ciclos precedentes de cada cilindro. 236
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASENSOR EFECTO HALLEl efecto Hall consiste en que si un semiconductor recorrido por una corriente eléctricase coloca en un campo magnético perpendicular a una corriente, se genera una fuerzaelectromotriz en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.La tensión de alimentación es constante, cinco voltios, y la tensión generada está unidaal campo magnético que actúa sobre el semiconductor, por lo tanto las variaciones decampo magnético producen variaciones en la fuerza electromotriz resultante o tensiónHall. 1. Deflector. 2. Material magnético. 3. Entrehierro. Sensor Efecto HallLa variación de campo magnético es provocada por un rotor con diafragmas que,alternativamente, obstaculizan o permiten el paso de flujo magnético.La señal de tensión generada por el sensor de efecto Hall, es elaborada por un circuitoacondicionador para proporcionarle a la centralita una señal cuadrada que varíe en tornoa valores digitales (cero o cinco voltios). 237
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEl circuito acondicionador de la señal procedente del sensor efecto Hall está formadopor los siguientes elementos:- Un filtro, formado por la resistencia R1 y el condensador C1, que elimina componentes de frecuencia indeseables y elimina ruido eléctrico.- Un condensador (C2) que estabiliza y alisa en tensión la señal procedente del filtro.- Un circuito integrado IC1 formado por un montaje Tipo Darlington con transistores bipolares. Circuito acondicionador del sensor Efecto Hall 238
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Circuito interno del integrado IC1La señal procedente del sensor, una vez alisada y filtrada convenientemente, ataca labase del primer transistor T1 del montaje Darlington. Cuando una ranura del rotor sesitúa perpendicular al sensor, se permite el paso de flujo magnético con lo que se generauna tensión eléctrica que provoca la saturación del transistor dos del montaje Darlingtoncon lo que en la salida diferencial Va-Vb se tiene un valor de aproximadamente 0,4voltios que es la tensión colector emisor de saturación de cada transistor.En el caso de tener una zona del rotor que impida el paso de corriente, el montaje nose polariza y por lo tanto se tiene en la salida diferencial una Va-Vb igual a cinco voltios. 239
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Señal de tensión de salida del circuito acondicionadorLa señal de salida es una señal cuadrada que varía en torno a valores digitales de ceroo cinco voltios. Normalmente esta señal cuadrada se conecta a un contador digital, queinforma a la centralita constantemente del número de impulsos recibidos. 240
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASONDA LAMBDAEl sensor denominado Sonda Lambda está orientado a optimizar la mezcla combustible-aire respecto de la potencia requerida.La presencia en los gases de escape de elementos contaminantes, perjudiciales parala salud se debe reducir. Los sistemas de control para el encendido y la preparación dela mezcla pueden mejorar en cierta medida la composición de los gases de escape, perosólo es posible lograr una reducción substancial de los elementos contaminantes emitidosutilizando catalizadores de gases de escape. Estos sólo funcionan eficazmente congasolina sin plomo y siempre que la combustión se realice de la mejor forma posible.El sistema Lambda regula el caudal de combustible inyectado, de tal forma que la mezclaaire-combustible permita una combustión perfecta y completa.Para caracterizar la mezcla combustible-aire se ha elegido el coeficiente de aire (lambda): = volumen de aire aspirado / necesidad teórica de aireLos posibles valores de son los siguientes:- = 1: el volumen de aire aspirado corresponde al caudal de aire teóricamentenecesario.- < 1: falta de aire o mezcla rica.- > 1: exceso de aire o mezcla pobre.La potencia, el consumo y la composición de los gases de escape de un motor de gasolinadependen esencialmente de la composición de la mezcla combustible-aire. La combustióncompleta, utilizando gasolina, tiene lugar con una proporción de mezcla deaproximadamente 14:1 (14 Kg. de aire por 1 Kg. de gasolina); esta situación implicaque = 1. En el margen de valores de en torno a 1 se consiguen los valores másfavorables de CO y de HC, siendo al mismo tiempo el consumo de combustible muyfavorable. 241
  • CIRCUITOSIMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Gráfica de composición de gases de escape 242
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICALa sonda Lambda está constituida por un cuerpo cerámico alojado en una carcasa quelo protege frente a efectos mecánicos indeseables. La parte exterior del cuerpo cerámicoestá en contacto con la corriente de gases de escape, estando la parte interior encontacto con el aire ambiente 243
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEl cuerpo está constituido por dióxido de circonio. Sus superficies llevan unos electrodosformados por una capa de platino de poco espesor permeable a los gases. En el ladoexpuesto a los gases de escape, la superficie va recubierta de una capa cerámica porosaque protege la superficie de los electrodos contra la suciedad debida a los residuos dela combustión que se encuentran en suspensión en los gases de escape.Mediante la sonda Lambda se puede medir el contenido de oxígeno de los gases deescape. La señal de la sonda es una medida de la composición de la mezcla. Relación entre mezcla y tensión de la Sonda Lambda 244
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEl principio de funcionamiento de la sonda se basa en que el material cerámico utilizadose vuelve conductor para los iones de oxígeno a temperaturas superiores a 300ºC. Siel contenido de oxígeno no es igual a ambos lados de la sonda, entonces, debido a laspropiedades características del material utilizado, se origina una curva de tensión conpunto de inflexión y salto en el margen = 1. Diagrama de impulsos para la regulación LambdaEl principio de funcionamiento eléctrico del circuito acondicionador de señal se basa enla utilización de comparadores analógicos.Para = 1 la tensión de salida de la sonda es de 400 mv. aproximadamente, este valorde tensión marca el límite entre mezcla rica y mezcla pobre, por lo que este valor esla tensión de referencia (Vref) del circuito acondicionador. 245
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Diagrama de bloques del circuito acondicionadorSi el valor de tensión de la sonda Lambda está por debajo de la tensión de referencia(Vref) la mezcla es pobre, en caso de que sea superior a Vref, aproximándose a 800mv., la mezcla es rica.El circuito electrónico que cubre el acondicionamiento de señal es un amplificador detensión seguido de un comparador inversor con tensión de referencia, alimentado entre0 y 12 v.El valor de Vref de comparación es el valor teórico para = 1, es decir, 400 mvmultiplicado por la ganancia del amplificador. Por ejemplo, si la ganancia de tensión(Gv) del amplificador es de 5, la tensión de referencia del comparador es de 2 voltios(400 mv x 5).Si la mezcla es rica, la tensión de salida del sensor es aproximadamente de 800 mv.,al amplificarse con ganancia 5 se obtienen 4 voltios a la entrada del comparador. Al sermayor que la tensión de referencia del comparador (4 v.), y tratarse de un comparadorinversor, la salida es de 0 voltios (comparador alimentado entre 0 y 12 v.). Si la mezclaes pobre, el circuito acondicionador proporciona a su salida una tensión de 12 voltios. 246
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICASENSOR DE PRESIÓN (GALGA EXTENSIOMETRICA)Los sensores de presión suelen fabricarse tomando como base elementos que varíansu resistencia eléctrica con la deformación física; el más utilizado de estos elementoses la galga extensiométrica.En el automóvil pueden ir situados sobre elementos que soportan grandes presiones,con el fin de protección; o pueden ir situados sobre membranas, con el objetivo decalcular caudales de aire.La galga extensiométrica se compone de un hilo resistivo dispuesto en zig-zag sobreun material soporte, de manera que la deformación del material soporte se transmitea la galga, la cual se encoge o se estira variando su longitud, y por lo tanto su resistencia,ya que la resistencia varía según la ecuación:R = r x (L / S)R : resistencia eléctrica.r : resistividad característica del material.L : longitud del hilo.S : sección del hilo.Su ecuación de comportamiento relaciona la magnitud resistiva con la magnitud depresión. Gráfico de una galga extensiométrica (sensor de presión) 247
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAl aplicar una fuerza en sentido longitudinal al material soporte de la galga, éste seencoge longitudinalmente y se estira transversalmente, deformándose la galga yprovocando una variación de resistencia.La ecuación de comportamiento de cada galga es una ecuación física de la forma:Rg = R0 x (1 + (K1x El)).Rg = resistencia de la galga.R0 = resistencia inicial de la galga sin deformaciones.K1 = constante que depende del material soporte.E = deformación lineal de la galga.El valor de variación de resistencia es el producto de una constante K1 por un factorEl que depende del grado de deformación del material soporte. Acondicionar la señalde una galga extensiométrica, implica colocar la galga dentro de un Puente de Wheatstonepara obtener a la salida la deformación del material soporte, expresada en voltios, entrelos terminales A y B. 248
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAPLICACIONES DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICATERMÓMETRO DIGITALMediante un sensor de temperatura NTC se mide la temperatura en cualquier elemento.El valor de tensión proporcionado por el sensor es acondicionado, y convertido a digitalmediante un conversor ADC. Este valor digital direcciona una memoria EPROM y losdatos de salida de esta memoria son los correspondientes al valor en grados de latemperatura medida. Utilizando decodificadores y displays de siete segmentos se visualizael valor de la temperatura. 249
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Circuito electrónico del termómetro digital.La NTC se acondiciona, dependiendo de la temperatura mínima y máxima que puedesoportar, mediante un puente de Wheatstone. La señal diferencial medida por estepuente es amplificada y acondicionada adecuadamente mediante un amplificador deinstrumentación de ganancia de tensión Gv.La señal de tensión acondicionada se transforma mediante un conversor analógico/digital(ADC) en un código binario. Este código direcciona una memoria EPROM previamenteprogramada. Esta memoria EPROM tiene de longitud de palabra 16 bits, cuatro para lasunidades, cuatro para las decenas, cuatro para las centenas, tres para los millares yuno para el signo. Cada posición de memoria tiene 16 bits que conforman el valor deuna determinada temperatura. Dependiendo del código de direccionamiento proporcionadopor el ADC, la memoria vuelca sobre los displays el valor decimal de temperaturacorrespondiente.El código proporcionado por la memoria EPROM es decodificado por cifras para poderactuar sobre cada uno de los displays, de manera que se ilumine la cifra correspondiente.La memoria se direcciona mediante nueve bits, ocho son proporcionados por el ADC yel noveno bits se selecciona externamente por el usuario. Dependiendo del valor de esteúltimo bit, la memoria vuelca los datos del valor de la temperatura en grados Celsiuso en grados Fahrenheit. 250
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAVISADOR LUMINOSO DE RESERVA DE COMBUSTIBLEUn aforador mide la cantidad de combustible presente en el depósito. El aforador estáformado por un potenciómetro angular cuyo cursor se mueve mecánicamente con elnivel de combustible por medio de un flotador.Cuando el nivel de combustible está en la zona de reserva, se enciende un testigoluminoso. Avisador luminoso de reserva de combustibleEl aforador varía su tensión de salida dependiendo de la cantidad de combustible. Estevalor medido por el aforador es comparado con un valor de tensión de referencia,calculado en laboratorio, que se corresponde con la cantidad de combustible que setoma como nivel de reserva. El valor de la tensión de referencia se aplica mediante unpotenciómetro al terminal de referencia del comparador; el valor de tensión proporcionadopor el aforador se aplica al otro terminal del comparador. Dependiendo de si el valorde tensión proporcionado por el aforador supera o no el valor de tensión de referencia,el comparador da a su salida un valor bajo (masa) o alto (Vcc) de tensión respectivamente,ya que el comparador es inversor. Si el valor es alto el diodo LED se ilumina. 251
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACONTROL DE TEMPERATURA EN UN RECINTOEl propósito de este tipo de control es mantener la temperatura de un recinto entre unvalor máximo y mínimo constante. Este control actuaría sobre un actuador electromecánicoque haría descender o ascender la temperatura para mantenerla dentro de su variaciónpermitida; es decir, el circuito de control es el que avisa si la temperatura supera algunode los valores límite de temperatura (máximo y mínimo). Control de temperatura en un recintoEl sensor utilizado para medir la temperatura del recinto es el denominado LM35, estesensor proporciona una tensión diferencial (entre dos puntos) dependiendo de latemperatura que detecte.Las tensiones VA y VB proporcionadas por el sensor son restadas por medio del circuitodiferencial, obteniendo a su salida una única tensión amplificada denominada VS1referida a masa.Esta tensión se compara con un valor de tensión de referencia mediante una básculaSchmitt no inversora. El valor de tensión de referencia proporciona los valores deconmutación de la báscula, que se corresponden con la temperatura máxima y mínimapermitida. Si se sobrepasa alguno de estos dos valores se enciende un indicador luminoso. 252
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAMOTORES PASO A PASOEl motor paso a paso, también llamado “Stepper motor”, es un dispositivo electromecánicocuyo eje gira en pasos angulares siguiendo unos impulsos eléctricos ordenados ennúmero y velocidad. Las partes de que se compone son: un rotor, que puede ser unimán permanente, y un estator con arrollamientos o bobinados uniformemente distribuidosa lo largo de su superficie.El motor paso a paso gira un determinado ángulo cada vez que recibe un impulsoeléctrico en una de sus bobinas.Este tipo de motores pueden considerarse motores digitales puesto que convierteninformación digital en movimientos mecánicos. Su uso es simple y presentan la ventajade que al actuar en saltos de ángulo fijos, accionado directamente por los impulsos decontrol, se puede controlar en todo momento la posición del eje del motor. La difusiónactual de los motores paso a paso está unida al desarrollo de microcontroladores cadavez más potentes y al hecho de ser controlables directamente por ordenadores.PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTOEl principio de funcionamiento de un motor paso a paso se basa en la orientación deun imán permanente o un núcleo de hierro por la acción de un campo magnético (flujomagnético en el material ferromagnético del estator) producido por el paso de unacorriente eléctrica. Esquema interno de un motor paso a paso 253
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICALa posición que toma el eje depende del número de bobinados existentes en el estatordel motor y del número de polos del rotor. Si se alimentan en sucesión los arrollamientoso bobinados se crea un campo magnético giratorio que es seguido por el rotor. El sentidode la rotación lo marca el sentido de alimentación de los bobinados. Estator de un motor paso a paso con cuatro bobinados.Alimentando las bobinas según la secuencia A1-B1-A2-B2 se consigue que el eje delmotor gire en sentido dextrógiro (a derechas) en pasos de 90º.Existen multitud de configuraciones posibles en la creación de motores paso a pasodependiendo del número de bobinas y del número de partes salientes del imán permanente.Los ángulos de paso estándar son los siguientes: ÁNGULOS DE PASO PASOS / VUELTA 1,8º 200 3,75º 96 7,5º 48 15º 24Se puede realizar cualquier movimiento incremental siempre que sea múltiplo del ángulode paso; por ejemplo: 6 pasos x 7,5 º/paso = 45º. 254
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACONTROL DE MOTORES PASO A PASOEn el control del movimiento del rotor de un motor paso a paso hay que tener en cuentavarios aspectos, entre los más importantes figuran:- Formas de accionamiento (pilotaje).- Circuitos de alimentación de las bobinas del estator (drivers).- Circuitos secuenciadores. 255
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAFORMAS DE ACCIONAMIENTOLa forma de accionar o pilotar un motor paso a paso depende únicamente de laconstrucción y la disposición de los bobinados en el estator. Bobinado con toma intermediaA, B y C: terminales de alimentación.L, L1 y L2: valores de inducción de la bobina dependiendo de los terminales de conexión.Los bobinados pueden ser fabricados con una toma intermedia; dependiendo de cómoestén conectados los terminales de la bobina y la toma intermedia, se tienen las siguientesconexiones: Alimentación de bobina por terminales A y B Alimentación de bobina por terminales A y C 256
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Alimentación de bobina por terminales B y CSi la alimentación de la bobina se realiza entre los terminales A y B la bobina resultantees una bobina de valor L. De la misma manera si la alimentación de la bobina se realizaentre A y C, la bobina resultante es una bobina de valor L1. Cuando la alimentación dela bobina se realiza entre B y C, la bobina tiene un valor de L2. -N: norte magnético. -S: sur magnético. -P, Q, R y S: bobinados del estator. -S1 y S2: conmutadores. Accionamiento unipolar de un motor paso a paso con bobinados con toma intermedia 257
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEn motores paso a paso con bobinados provistos de toma intermedia, el pilotaje esdenominado “unipolar”. Con bobinados en el estator sin toma intermedia el pilotaje es“bipolar”.En el caso de pilotaje unipolar el circuito de alimentación debe tener dos conmutadoresque conecten las líneas de alimentación. El conmutador S1 conecta las líneas dealimentación al bobinado P o al bobinado Q, mientras que el conmutador S2 conectalas líneas de alimentación a los bobinados R o S. La toma intermedia de ambas bobinas,está conectada a uno de los bornes de la fuente (borne positivo). El sentido de lacorriente está determinado por el terminal (A, B, C, D) al que se conecta el otro bornede la fuente, que es el borne negativo (borne -). P y R: bobinados del estator. S1, S2, S3 y S4: conmutadores. Accionamiento bipolar de un motor paso a paso. 258
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAEn los motores de accionamiento bipolar las bobinas no tienen toma central. El cambiode polaridad en el campo magnético producido por las bobinas del estator se obtienecambiando el sentido de la corriente que circula por ellas, mediante la conmutación delas líneas de alimentación. Por lo tanto, se necesitan cuatro conmutadores.Con este pilotaje se obtiene un incremento del par, pero el control electrónico de estosmotores es más complejo que el control unipolar ya que a elevadas velocidades seproducen sobrecalentamientos. Este tipo de pilotaje es poco utilizado por el elevadonúmero de transistores (dos por cada conmutador) que se necesitan.Para que el rotor de un motor paso a paso gire de una manera gradual, es necesarioque la secuencia de conmutación en las líneas de alimentación de las bobinas P, Q, R,S (control unipolar) o R, S (control bipolar) debe generar un movimiento del rotor quevaríe en ángulos múltiplos del ángulo de paso estándard del motor.Las variaciones de ángulo dependiendo de la conmutación de las líneas de alimentaciónde las bobinas del estator, en el caso de bobinas con toma intermedia, se presenta enel siguiente gráfico: Accionamiento unipolar con alimentación de un solo bobinado Detalle del rotor con referencia del movimiento 259
  • CIRCUITOSIMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Secuencia de alimentación del estator 260
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICAAlimentando únicamente uno de los bobinados (R, S, P, Q,) se crea un flujo electromagnéticoen la zona del estator en la cual va arrollada la bobina, por lo tanto hay dos zonas porlas que circula flujo electromagnético que son: estator PQ y estator RS. El flujoelectromagnético es creado por la circulación de corriente a lo largo del materialferromagnético de que está compuesto el estator. El sentido de la corriente orienta elsentido del flujo en la misma dirección. El flujo electromagnético crea en el estator dospolos magnéticos, uno positivo (norte), que va a atraer al polo negativo (sur) del imánpermanente del rotor, y otro negativo que va a atraer al polo positivo del rotor. Lasfuerzas magnéticas generadas en el rotor producen el movimiento en el eje del motor.Alimentando el bobinado P del estator PQ, debido al sentido de la corriente que circulapor la bobina P, sólo existen dos polos magnéticos en el estator. El sentido del flujomarca la zona de polarización norte y la zona de polarización sur del estator. El imánpermanente del rotor orienta su norte con la zona sur del estator, generando unmovimiento en el eje adosado a él. El estudio para una bobina es aplicable a cualquierade los bobinados restantes (Q, R, S) pero teniendo en cuenta el sentido de la corrientey del flujo, y cómo va a estar polarizado cada estator (PQ, RS). Accionamiento unipolar con alimentación de dos bobinados 261
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICA Detalle del rotor y referencia del movimiento Secuencia de alimentación simultánea del estatorTomando como base la creación de polos en el estator alimentando un solo bobinado,el estudio en casos de alimentación de dos bobinados simultáneamente, tiene comodiferencias el incremento del número de polos que actúan sobre el imán permanentedel rotor. Por ejemplo, en el supuesto de alimentar el bobinado P del estator PQ y elbobinado R del estator RS, se crean cuatro polos (dos norte y dos sur), los polos nortede ambos estator atraen hacia sí el polo sur del rotor, esta atracción genera en el ejedel motor un giro de un ángulo igual al número de grados por paso. 262
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICADRIVERSSon circuitos situados entre el motor y el circuito secuenciador cuya función va a serla de conmutar la alimentación de los bobinados del motor. Los drivers contienenconmutadores que van a ser transistores funcionando en zona de corte o zona desaturación para que su comportamiento sea equivalente a un interruptor. FASE 2: bobinado 2 del estator. A1, A2, A3 y A4: líneas de control. RELOJ: generador de impulsos cuadrados Esquema interno del driver de un bobinado de un motor paso a paso .Los drivers, actualmente, integran los transistores y resistencias necesarias para que,trabajando con valores digitales a su entrada, conmute la alimentación de los bobinadosdel motor paso a paso. El montaje interno más utilizado es el montaje Darlington detransistores bipolares. 263
  • CIRCUITOS IMPRIMIR ÍNDICE ZOOM ZOOM ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS MANUAL DE ELECTRÓNICACIRCUITOS SECUENCIADORESEstos circuitos generan las secuencias en la alimentación de los bobinados de un motorpaso a paso. Los circuitos secuenciadores son los circuitos de control de los drivers.Normalmente están formados por un integrado generador de impulsos, como puede serun oscilador LM555, cuya salida va conectada a la entrada UP/DOWN de un contadorbinario. Diagrama de bloques de un sistema electrónico basado en motores paso a pasoLa salida binaria del contador va conectada a un decodificador binario que hace que enel Driver del motor paso a paso conmuten determinados transistores y estos a su vezvaríen las líneas de alimentación de los bobinados del motor. La función del osciladorpuede ser realizada, en aplicaciones complejas, por un microcontrolador que genera losimpulsos eléctricos que incrementan el estado del contador binario.MÓDULOS COMERCIALESLa siguiente tabla muestra los tipos de motores, características y fabricantes que sededican a su comercialización, en el mercado industrial de los motores paso a paso: FABRICANTE ALIMENTACIÓN PASO INERCIA ROTOR PAR (Voltios) (Grados) (gr/m2) (N·cm) AOUSTIN 2,5 - 40 0,72 - 15 120 a 1.500 37,4 a 1907 GROUZET 6 - 24 7,5 - 18 5,6 - 18 1,1 a 8,6 SIEMENS 24 - 48 15 N/D 2,5 a 30 MINIWATT 24 - 48 7,5 - 15 N/D 2,5 a 30 264