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Abstract— In this laboratory, the simulation of oscillators involving RC in phase displacement and with Wien bridge, and the simulation of an LC Colpitts in the OrCAD Spice programs were carried out.Index Terms—LM471, LC Colpitts, Wien Bridge, RC.I. INTRODUCCIÓNEn la electrónica se han presentado p...

Description

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Osciladores laboratorio 

Abstract— In this laboratory, the simulation of oscillators involving RC in phase displacement and with Wien bridge, and the simulation of an LC Colpitts in the OrCAD Spice programs were carried out. Index Terms—LM471, LC Colpitts, Wien Bridge, RC. Figura 2. Oscilador Puente Wien (RC)

I.

INTRODUCCIÓN

En la electrónica se han presentado problemas en los que se debe aplicar una clase de circuitos especiales para simular situaciones en las que los circuitos normalmente no pueden hacer ahí es donde intervienen los osciladores. Los osciladores son circuitos electrónicos básicos que no tienen entrada de alterna, pero proporcionan una salida alterna de una frecuencia concreta. La única entrada que necesita un oscilador es la tensión de la fuente de alimentación para polarizar el o los dispositivos activos que se utilizan en el circuito oscilador. En general, los osciladores son amplificadores realimentados con realimentación positiva o regenerativa. [1] El objetico principal del siguiente informe es diseñar osciladores sinusoidales donde se trabajaron osciladores de desplazamiento de RC y osciladores de alta frecuencia LC (Colpitts). Los osciladores de desplazamiento de fase constan de un elemento amplificador inversor, mueve a 180° la fase de la señal y por lo tanto realimenta positivamente al transistor.

Un oscilador Colpitts, básicamente es un generador de señales sinusoidales, este oscilador (LC) es perfecto para generar frecuencias muy altas, el rango de frecuencia está entre 1 y 5000MHz, normalmente se emplea un transistor BJT o FET en la construcción del amplificador (amplificador de retroalimentación positiva).

Figura 3. Oscilador Colpitts LC.

Figura 1. Oscilador desplazamiento de fase (RC)

Los osciladores de puente wein constan de un elemento amplificador no inversor, y con un par de capacitores en los cuales esta realimentado la parte positiva con la parte del sistema negativa.

Figura 4. Oscilador Colpitts LC.

II. OBJETIVOS A. Objetivo general Diseñar osciladores sinusoidales



B. Objetivos específicos Implementar y evaluar osciladores osciladores de baja frecuencia RC. Implementar y evaluar osciladores de alta frecuencia LC.

2 III. DESARROLLO DE LA PRACTICA Ve = Vc – Vce

A. Oscilador RC por desplazamiento de fase En la primera ejecución del laboratorio nos piden diseñar un oscilador RC por desplazamiento de fase con las siguientes características:

Ve = 4V Vb = Ve + 0.6

Tabla 1. Características del diseño desplazamiento de fase

Fo Vout VCC C

(4)

Vb = 3.4 V

6 KHz 10Vp-p 12V 10nF

Gracias a estos datos podemos hallar Re con la ecuación 5: -Vb + 0.7 + ReIc = 0

En este Oscilador se debe tener en cuenta lo siguiente: C1 = C2 = C

(5)

Re = 727 Ω De la siguiente manera asumo R1 = 20K para hallar la corriente I por medio de la ecuación 6

Ra = Rb = R

I=

Hallando el valor de R:

12−Vc R1

(6)

I = 0.5mA

1 R= 2 π (6 KHz)( √ 6)(10 nF)

(1)

Realizando la malla completa podemos despejar R2 como nos muestra la ecuación 7:

R = 1028 R2 = Asumiendo:

12−R1 (0.5 mA ) (0.5 mA )

Ic = 2mA

R2 = 4.5KΩ

Rc = 1kΩ Con esto valores podemos despejar la ecuación (2) para poder hallar nuestro Vc (que sería el mismo voltaje de salida): -Vcc + RcIc + Vc = 0

(7)

(2)

Con los datos anteriores procedemos a realizar la simulación en OrCAD Spice como se puede observar en la figura 5. Y por último para hallar el capacitor C lo hacemos a través de la ecuación 8.

Vc = 10 V Luego de la ecuación 3 podemos hallar Ve, que si la incluimos en la ecuación 4 podremos hallar Vb.

Ce =

1 2 πReqFo

(8)

Ce = 1uF

Figura 5. Oscilador por desplazamiento de fase.

Vce = Vc – Ve

(3)

Figura 6. Respuesta Oscilador por desplazamiento de fase.

3 Figura 8. Respuesta Oscilador Wien.

B. Oscilador RC en Puente Wien

R=

1 2 πFoC R = 7957Ω

Si sabemos que β = 1/3 y A = (1+(R2/R1)) y por teoría la multiplicación de estas dos debe ser igual a 1. Procedemos a la ecuación 10 para hallar R2 asumiendo un R1 = 10K Asumimos R1 mayor 2 por tanto elegimos R2 = 2.R1 entonces: R2 = 20K, pero se debe subir levemente para que pueda oscilar libremente R2 = 24.15KΩ Figura 7. Oscilador Wien.

Procedemos a realizar la simulación en OrCAD Spice sobre un Oscilador RC en Puente Wien con las siguientes características: Tabla 2. Características del diseño Oscilador RC en Puente Wien.

Fo Vout VCC C

2 KHz 10Vp-p 12V 10nF

Teniendo en cuenta:

Ra = Rb = R C1 = C2 = C = 10nF Por medio de la ecuación 9 podemos hallar el valor de la resistencia:

1 2 π √ Rac 1 RbC 2

IV. CONCLUSIONES Se logró concluir que para poder realizar el diseño de los osciladores se debe suponer muchos componentes, pero claro está teniendo en cuenta el datasheet del amplificador para saber que son las máximas corrientes que aguanta. Se concluyó que para el oscilador de puente Wein en el momento de hallar la r2 se debe subir un poco la resistencia debido a que si se halla el valor de ella con la relación de 2 veces r1 puede que el oscilador no funcione por ende se debe subirle un poco a esta resistencia.

RaC1 = RbC2 = R

F o=

Con la información anterior se realiza la simulación obteniendo así, el Oscilar Wien como se muestra en la Figura 7 y se logra apreciar que el diseño oscilo con los parámetros establecidos desde principio, con un voltaje pico a pico de 10V como se logra ver en la figura 8.

(9)

Para obtener la resistencia R1 y R2 del oscilador por desplazamiento de fase, se hizo necesario asumir que el voltaje en la base que el voltaje en la base es el mismo voltaje de la salida, debido a que se retroalimentará para poder realizar el desplazamiento de fase. REFERENCIAS [1] Universidad Francisco de Paula Santander,Departamento de Electricidad y electrónica UFPS,programa de ingeniería Electronica,S, Laboratorio practica n°5 application of sinusoidal oscillators, ing.Darwin Orlando Cardoso Sarmiento.

FILTROS DE SEGUNDO ORDEN

4

Departamento de electricidad y electrónica Universidad Francisco de Paula Santander

Summary- In the following laboratory practice, the design of active filters of second order is demonstrated to fulfill the functions of low-pass, high-pass and bandpass. All the circuits were implemented with the operational amplifier LM741 and the answers obtained with the simulations acquired in the OrCAD software were purchased. I.

INTRODUCCIÓN

Los filtros activos son circuitos con amplificadores operacionales diseñados para permitir el paso de señales eléctricas con un especifico rango de frecuencias e impedir el paso de las demás. Estos circuitos son utilizados muy comúnmente para el acondicionamiento de señales de entrada y la digitalización de señales. Dependiendo de su función de transferencia, los filtros se clasifican en pasa-bajas, pasa-altas, pasa banda o rechaza banda. Cada uno diseñados con elementos como resistencias y capacitores en distintas topologías para obtener la respuesta deseada. II.

OBJETIVOS

√

C1 ∗√ R 1∗R2 C2 Q= , R 1+ R 2

Diseñar filtros activos de segundo orden con amplificadores operacionales

Evaluar a través de la herramienta de simulación OrCAD cada uno de los filtros anteriormente descritos. III.

DESARROLLO DE LA PRACTICA

Los filtros que se planean diseñar serán del tipo Sallen-Key, este tipo de circuito produce filtros pasa-bajas o pasa-altas de segundo orden usando simplemente resistencias y condensadores. Para obtener filtros de mayor orden, se pueden poner en cascada varias etapas. A. Diseño de filtros

Q=

cálculos se hace del factor de calidad de la siguiente manera:

Q=0,5

√

C1 C2 Q=

Reemplazando el valor de

1 √2

y despejando el

valor del capacitor C1 en función del capacitor la ecuación queda de la siguiente manera:

C2

C1 =2C 2

Se elige arbitrariamente el valor de

C1 =2∗100 nF=200 nF

C2 =100 nF

Con la ecuación de la frecuencia de corte se despeja el valor de R

1 2 π∗5∗10 √100∗10 ∗200∗10 −9

3

−9

=225.08

Se elige el valor de R de acuerdo con los valores estándares de resistencias.

R=220 Ohms f 0 para el valor comercial de R. 1 =5,11 kHz f 0= −9 −9 2 π∗220∗√ 100∗10 ∗200∗10

Se recalcula el valor de



Diseño de filtro pasa alta

√

R2 ∗√ C 1∗C2 R1 Q= C 1+ C2

w 0=

1 √ R1 R2 C 1 C 2

La frecuencia de corte para este filtro es de

f 0=5 KHz

1 , para simplificar los √2 C1 =C2=¿ , quedando la ecuación del

y el factor de calidad

Q=

cálculos se hace factor de calidad de la siguiente manera:

Q=0,5 Diseño de filtro pasa baja.

f 0=5 KHz

1 , para simplificar los √2 R1= R2 =R , quedando la ecuación

y el factor de calidad

B. Objetivos específicos Implementar filtros con características pasa bajas, pasa altas, pasa banda o rechaza banda.

1 √ R1 R2 C 1 C 2

La frecuencia de corte para este filtro es de

R= A. Objetivo general

w 0=

√

R2 R1

5

Reemplazando el valor de

Q=

1 √2

y despejando el

valor del capacitor R2 en función del capacitor la ecuación queda de la siguiente manera:

R1

R2=2 R1

R1=2.2 kOhms R2=2∗2.2 kOhms=4.4 kOhms

Se elige arbitrariamente el valor de

Con la ecuación de la frecuencia de corte se despeja el valor de C

C=

1 2 π∗5∗103 √2.2∗103∗4.4∗103

=9.89 nF

Se elige el valor de C de acuerdo a los valores estándares de capacitores.

Figura 1. Filtro pasa-bajas

La figura 2 muestra el filtro pasa-baja y el anexo 2 evidencia la salida que permite el paso de frecuencias mayores a 5.011kHz.

C=10 nF

f 0 para el valor comercial de C. 1 f 0= =5.11 kHz 3 3 −9 2 π∗10∗10 √ 4.4∗10 ∗2.2∗10

Se recalcula el valor de



Diseño de filtro pasa alta

La frecuencia de corte para este filtro es de

f 0=5 KHz

1 , para simplificar los √2 C 1 =C 2=¿ , quedando la ecuación del

y el factor de calidad

Q=

cálculos se hace factor de calidad de la siguiente manera:

Q=0,5

√

R2 R1

Reemplazando el valor de

Q=

1 √2

Figura 2. Filtro pasa-altas

En la figura 3 se visualiza el filtro pasa-banda, el cual se forma de un filtro pasa-alta y un filtro pasa-bajas. El anexo 3 muestra la respuesta en frecuencia obtenida.

y despejando el

valor del capacitor R2 en función del capacitor la ecuación queda de la siguiente manera:

R1

R2=2 R1 R1=2.2 kOhms R2=2∗2.2 kOhms=4.4 kOhms

Se elige arbitrariamente el valor de

Con la ecuación de la frecuencia de corte se despeja el valor de C

C=

1 =9.89 nF 3 3 2 π∗5∗10 √2.2∗10 ∗4.4∗10

Figura 3. Filtro pasa-bandas

3

Se elige el valor de C de acuerdo con los valores estándares de capacitores.

C=10 nF f 0 para el valor comercial de C. 1 =5.11 kHz f 0= 3 3 −9 2 π∗10∗10 √ 4.4∗10 ∗2.2∗10 B. Simulaciones en el software OrCAD

Se recalcula el valor de

La figura 1 muestra el filtro pasa-baja y el anexo 1 evidencia la salida obtenida. Se puede observar que la frecuencia de corte es de 5.1076k Hertz.

IV.

CONSLUSIONES

El uso de filtros del tipo sallen-Key facilita el diseño de filtros pasa-bajo y filtro pasa-alto gracias a la tolerancia que posee frente a sus componentes. Es recomendable usar capacitores cerámicos ya que estos poseen valores en la escala de los nano faradios y poder así obtener valores de resistencia comerciales. La respuesta en frecuencia obtenida por las simulaciones muestra los valores de frecuencias de corte acorde a lo diseñado y las implementaciones físicas corroboran estos datos al permitir pasar las frecuencias deseadas para cada filtro.

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Anexo 1

Anexo 2

Anexos

7

Anexo 3

8

Parámetros de Amplificadores 

Abstract— In this laboratory practice, the following parameters are shown: operational amplifiers such as LM741, TL081 and LF353 in order to know their main characteristics and important parameters such as voltage compensated, output resistance (Ro), current deviation of polarization and operational bandwidth. Index Terms— Operational amplifier, polarization current, gain.

V. INTRODUCCIÓN el presente documento se detallaran las características y funcionamiento de los amplificadores operacionales. Los amplificadores están diseñados para obtener la máxima ganancia de voltaje obtenida por medio de una etapa diferencial, teniendo una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida casi nula provocando un flujo de corriente muy alto en la salida.

E

N

Consta de dos entradas de alimentación en CD, las cuales regulan el rango de excursión máximo que puede proporcionar la salida. Además, posee dos entradas de señal que pueden ser inversora o no inversora dependiendo de la configuración de sus resistencias.

VI. OBJETIVOS A. Objetivo general. Identificar el tipo de configuración presente en un circuito amplificador operacional dado. 30-April-2019 C. David está con la Universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta, Colombia (e-mail: [email protected]). J. Ricardo está con Universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta, Colombia ([email protected]).

9 B. Objetivos específicos. 

Identificar el tipo de realimentación presente en un circuito amplificador realimentado dado.



Comprobar de qué manera la realimentación afecta a los parámetros AC típicos del circuito como son (Ri, Ro, A).

VII. HERRAMIENTAS NECESARIAS Para el desarrollo de la práctica [1] se hizo uso de herramientas virtuales como el simulador Orcad Pspice, integrados y resistencias sugeridas por el docente, fuentes de voltaje y generadores de señal proporcionados por la Universidad. Esto

con el propósito de comprobar el comportamiento de los circuitos integrados y las variaciones existentes en los dispositivos. VIII. UNIDADES Se utilizaron en las mediciones unidades como miliamperios, voltaje, watts (potencia) y los amplificadores operacionales las unidades para la ganancia son (V/V).

IX. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Antes de realizar la práctica se realizó un trabajo previo del laboratorio para conocer las características básicas del amplificador operacional, se consultaron datasheets para realizar los montajes físicos de los circuitos propuestos de manera óptima y poderlos evaluar tanto virtual, físico y matemáticamente. Se utilizaron los modelos de amplificador TL081 [2] y LF353 [3]. A. Medicación de voltaje de offset: El primer circuito, (figura 1) es un amplificador polarizado en CD sin entradas en AC. La implementación de este circuito en físico o virtual con el simulador OrCad arroja un voltaje no deseado, puesto que en un amplificador ideal el voltaje de salida es cero.

Fig. 1. Amplificador operación sin entrada senoidal.

Al implementar el circuito de manera física, se mide el voltaje en la salida del amplificador. Este voltaje de salida se utiliza para hallar el voltaje offset:

Voffset =vo

( RfRi+Ri )

Los resultados obtenidos se aprecian en la tabla 1.

10

Los resultados obtenidos por el simulador para los dos amplificadores (figura 2 y 3), se muestran en la tabla 2.

TABLA II RESULTADOS DE VO Y VOFFSET MATEMÁTICAMENTE Parámetro TL 081 LF 353 Fig. 2. Simulación V Offset TL 081

Vo Voffset

1.108mV 10.97uV

V = volt.

TABLA I RESULTADOS DE VO Y VOFFSET MATEMÁTICAMENTE Parámetro TL 081 LF 353 Vo Voffset

304mV 3mV

300mV 2.97mV

V = volt.

Fig. 3. Simulación V Offset LF 353.

B. Medición de la resistencia Ro. Se implementó el circuito (figura 4) agregando un potenciómetro de 1k, entre la salida y tierra.

192.5uV 1.906uV

11

Fig. 4. Circuito para la medición de Ro.

Con la ayuda de este potenciómetro hallamos la resistencia de salida variando su valor hasta obtener la mitad de Vo hallado al inicio de la práctica. Este proceso se realizó para los dos de los amplificadores, los resultados se muestran en la tabla 3.

C. Medición del slew rate: La simulación propuesta en la guía (figura 5) a la cual se le aplica una señal senoidal que no llega a saturar el amplificador.

Fig. 5. Amplificador con entrada senoidal.

Luego de implementar los amplificadores, se muestra la señal amplificada y se compara con la señal original (entrada) con el fin de calcular el tiempo de subida y de bajada (figuras 6 y 7). Los datos obtenidos se muestran en la tabla 4. Fig. 6. Tiempo de bajada.

TABLA III RO PARA LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES Parámetro TL 081 LF 353 Ro V = volt.

17 Ω

3Ω

12

Tiempo

TABLA IV TIEMPO DE SUBIDA Y DE BAJADA TL 081 LF 353

Subida Bajada

27uS 65uS

2.4uS 2.2uS

S = segundos.

Fig. 7. Tiempo de subida.

Valor de SR: El valor de SR se halla de la siguiente forma para ambos casos:

SR=

∆ vo ∆t

X. GUIDELINES FOR GRAPHICS PREPARATION AND SUBMISSION A. Types of Graphics The

XI. CONCLUSIONES Se evidencia que a pesar de no haber una señal de entrada que alimente los circuitos implementados, el circuito produce un voltaje en la salida diferente de cero contrarios a los mostrado de manera ideal. Con la práctica se observó que una mal polarización o el aplicar un voltaje de entrada de manera errónea puede llevar a la avería del dispositivo. Se debe tener en cuenta la hoja de datos de los dispositivos debido a que algunos dispositivos presentan numeración de pin diferentes, una errónea conexión con lleva a la avería del dispositivo

13 REFERENCES AND FOOTNOTES A. References References need not be cited in text. When they are, they appear on the line, in square brackets, inside the punctuation. Multiple references are each numbered with separate brackets. When citing a section in a book, please give the relevant page numbers. In text, refer simply to the reference number. Do not use “Ref.” or “reference” except at the beginning of a sentence: “Reference [3] shows ... .” Please do not use automatic endnotes in Word, rather, type the reference list at the end of the paper using the “References” style. Reference numbers are set flush left and form a column of their own, hanging out beyond the body of the reference. The reference numbers are on ...