Practica 7 grupo 1 - Nota: 7,6 PDF

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Universidad San Carlos de GuatemalaFacultad de ingenieríaLaboratorio de instrumentación eléctricaPractica 7Brandom Alexander Miranda Sontay 201807227 Julio César Quijivix Orozco 201800947IntroducciónLos circuitos de instrumentación se implementan par mediciones de sensores, estas mediciones por lo g...

Description

Universidad San Carlos de Guatemala Facultad de ingeniería Laboratorio de instrumentación eléctrica Practica 7 Brandom Alexander Miranda Sontay Julio César Quijivix Orozco

201807227 201800947

Introducción Los circuitos de instrumentación se implementan par mediciones de sensores, estas mediciones por lo general funcionan con voltajes y corrientes muy pequeños por lo que estos deben ser diseñados con el objetivo de reducir las perdidas en los mismos para que la información llegue a los circuitos de adquisición con la mayor fidelidad posible. Dado que en ciertas ocasiones los sensores emiten señales de corriente alterna resulta importante rectificarlas, puesto que en caso contrario estas señales pueden provocar algún tipo de daño a los componentes encargados de recibir la señal. El circuito rectificador se encarga de tomar la corriente alterna y transformarla a una señal directa. A diferencia de los circuitos basados en el uso de 4 diodos para la rectificación de la corriente, el circuito presentado en esta práctica posee una caída de potencial extremadamente baja por lo que la misma puede ser considerada como despreciable. Esto resulta ideal para el uso en circuitos de instrumentación puesto que las tensiones que se manejan en los mismo suelen ser extremadamente bajas, el uso de diodos representaría un inconveniente dada la considerable caída de tensión en los mismos, el uso de estos propiciaría perdidas parciales o completas de las señales que se busca analizar. Objetivos General •

Utilizar un amplificador operacional en un circuito como rectificador de precisión de media onda.

Específicos •

Medir la compensación en la tensión de salida de un circuito de amplificador operacional con un diodo en el bucle de realimentación negativa al hacerle variaciones al voltaje y la frecuencia de la fuente Vi. Analizar el error que se obtiene al realizar mediciones con

voltímetros que posean una impedancia de entrada igual, 10 veces mayor y 100 veces mayor a la resistencia de Thévenin del circuito en análisis mediante la gráfica ea/V. •

Medir el error de la tensión de salida con respecto a la entrada (Vo – Vi) en un circuito de amplificador operacional con un diodo en el bucle de realimentación negativa al hacerle variaciones al voltaje y la frecuencia de la fuente Vi. Deducción del modelo matemático que describe el comportamiento del error obtenido en mediciones realizadas por un voltímetro en función de la variable X y la constante K.

•

Describir el comportamiento grafico de la señal de salida respecto a la de entrada luego de realizar variaciones al valor del voltaje y la frecuencia de la fuente Vi.

•

Comparar el resultado de la compensación de la tensión de salida, el error, y el comportamiento gráfico de un amplificador de propósito general 741 con un amplificador LM6364M.

Marco Teórico Rectificador de onda completa El rectificador de onda completa es un circuito empleado para aprovechar ambos semiciclos de la corriente alterna y obtener corriente directa como resultado ideal aunque el resultado aparenta ser el mismo que en el rectificador de media onda, en este caso los niveles de intensidad son superiores y la caída de tensión es menor cuando se le aplica una carga al sistema. Funcionamiento: Durante el semiciclo positivo el diodo queda en circuito abierto, entonces el primer amplificador queda configurado como comparador por lo que la señal sigue de largo de la entrada a la salida.

Y durante el semiciclo negativo el diodo se pone en corto entonces el primer amplificador se comporta como amplificador inversor, la señal de entrada es invertida y amplificada por uno, tal como se muestra a continuación.

Rectificador de media onda El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna, de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo. Funcionamiento: Durante el semiciclo positivo el amplificador operacional se comporta como un amplificador seguidor.

La salida del circuito vo’ será:

Y la salida del amplificador vo será: Donde el voltaje del diodo dependerá del tipo que sea, por ejemplo si es de silicio será 0.7 voltios pero si es de germanio será 0.3 voltios. Durante el semiciclo negativo el diodo se pondrá en circuito abierto y el amplificador operacional funcionara como comparador, así que la salida del circuito vo’ será tierra (0 voltios), y la salida del amplificador vo será VOL.

Métodos Y Materiales Métodos •

Simulación en software electrónico “Multisim” y ¨Proteus¨.

Materiales (en Multisim)

• • • • • • •

AO 741, LM6364M

• •

TL082CD Fuente de ±15V

Osciloscopio Resistencias de 10KΩ Resistencias de 1KΩ Switch Fuente AC Diodos rectificadores

Laboratorio 7.1 Rectificador de media onda con amplificadores operacionales

1. Haga una tabla en Excel con las columnas: frecuencia f, voltaje de entrada Vi, voltaje de compensación (salida del amplificador operacional) Vo, voltaje de salida del sistema VT, compensación (Vo – VT) y observaciones. Ejecute la simulación y active el amplificador 741 con la tecla “A”. Mantenga constante la frecuencia de Vi a 300 Hz. Al valor de Vi hágale variaciones de 0.1 voltios cada una hasta 2 voltios, luego de 0.5 cada una hasta 10 voltios. Por cada variación que necesite realizar debe detener la simulación, darle doble clic a la fuente, escribir el valor de Vi que corresponda, aceptar los cambios, y volver a ejecutar la simulación. La tabla la debe llenar con los valores picos positivos de las señales que se visualizan en el osciloscopio XSC1 (para ello detenga la simulación y mantenga abierta la ventana del osciloscopio) con ayuda de los canales A, B, C y desplazando horizontalmente el cursor T1 hacia el valor máximo positivo de la señal de salida (de esta forma se puede medir el valor de Vi, Vo y VT. Ver figura xxy). Vi debe ser medido con el canal A, Vo con el B y VT con el C. Nota: por cada variación realizada a Vi ajuste en cada canal del osciloscopio XSC1 la escala de la señal de salida en la función scale. f (Hz) 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

Vi Teórico (v) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Vi (v) 0.141 0.283 0.423 0.559 0.706 0.848 0.988 1.127 1.267 1.408 1.554 1.688 1.834 1.979 2.119 2.259 2.397 2.54 2.679 2.82 3.519 4.231 4.939 5.64 6.35 7.048 7.759

Vo (v) 0.142 0.283 0.424 0.56 0.707 0.849 0.989 1.128 1.268 1.41 1.555 1.688 1.835 1.98 2.12 2.26 2.398 2.541 2.68 2.821 3.519 4.232 4.939 5.641 6.351 7.049 7.76

VT (v) 0.627 0.787 0.938 1.081 1.234 1.381 1.525 1.668 1.81 1.955 2.103 2.238 2.387 2.534 2.676 2.817 2.957 3.102 3.42 3.385 4.089 4.806 5.518 6.222 6.936 7.636 8.35

Vo – Vi (v) -0.485 -0.504 -0.514 -0.521 -0.527 -0.532 -0.536 -0.54 -0.542 -0.545 -0.548 -0.55 -0.552 -0.554 -0.556 -0.557 -0.559 -0.561 -0.74 -0.564 -0.57 -0.574 -0.579 -0.581 -0.585 -0.587 -0.59

300 300 300 300 300 300 300 300 300

6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

8.444 9.171 9.873 10.595 11.287 12.004 12.667 13.425 14.107

8.445 9.172 9.874 10.595 11.288 12.005 12.668 13.426 13.511

9.038 9.766 10.471 11.194 11.888 12.607 13.272 14.031 14.117

-0.593 -0.594 -0.597 -0.599 -0.6 -0.602 -0.604 -0.605 -0.606

a) Según las mediciones obtenidas del voltaje de compensación Vo, ¿es dicho valor aproximadamente 0.6 V mayor que la salida final del circuito VT por cada variación de Vi realizada? Al analizar los valores obtenidos de la tabla anterior observamos que la columna que hace referencia al voltaje de compensación posee valores muy similares entre si y todos se mantiene en un rango muy cercano a 0.6 por lo que efectivamente vi es aproximadamente 0.6V mayor que Vo b) ¿La señal de salida VT es casi igual a la entrada Vi por cada variación realizada? Explique. Los voltajes Vi y VT poseen una diferencia significativa entre sí, existe una similitud considerable entre Vi y Vo debido a la existencia de una ganancia en la configuración del amplificador operacional, lo que causa que VT sea mayor. c) ¿Explique cuál es el comportamiento grafico de la salida respecto a la entrada por cada variación realizada a la señal de entrada Vi? El comportamiento de la señal de salida es el mismo que un rectificador de media onda, permitiendo únicamente el paso de la fase positiva de la onda de entrada.

2. Repita el ejercicio anterior, considerando que en este caso el voltaje Vi debe permanecer con un valor constante de 2 V y las variaciones debe hacerlas a la frecuencia f de Vi. Las variaciones deben ser de 500 Hz cada una hasta 10 KHz. Nota: por cada variación realizada a la frecuencia ajuste el time base en el osciloscopio XSC2 para poder visualizar correctamente todas las graficas en la pantalla.

f (Hz) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000

Vi Teórico (v) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Vi (v) 2.819 2.823 2.815 2.812 2.821 2.823 2.818 2.822 2.825 2.823 2.822 2.823 2.825 2.82 2.817 2.822 2.823 2.816 2.822 2.815

Vo (v) 2.819 2.824 2.816 2.813 2.819 2.824 2.818 2.822 2.856 2.798 2.828 2.888 2.72 2.096 0.298 0.119 0.008 0.006 0.005 0.005

VT (v) 3.383 3.387 3.379 3.376 3.383 3.387 3.381 3.386 3.42 3.361 3.392 3.452 3.282 2.647 0.124 0.59 -0.626 -1.751 -3.544 -3.209

Vo – VT (v) -0.564 -0.563 -0.563 -0.563 -0.564 -0.563 -0.563 -0.564 -0.564 -0.563 -0.564 -0.564 -0.562 -0.551 0.174 -0.471 0.634 1.757 3.549 3.214

3. Desactive el amplificador 741 con la tecla “A” y Active el amplificador LM6364M con la tecla “B”. Repita el ejercicio uno y dos para este amplificador que tiene características mejoradas de ganancia – ancho de banda y slew rate. Use el osciloscopio XSC2 para obtener los datos que necesite.

f (Hz) 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

Vi Teórico (v) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

Vi (v) 0.141 0.282 0.421 0.564 0.704 0.847 0.986 1.125 1.242 1.407 1.542 1.691 1.836 1.975 2.115 2.257 2.395 2.541 2.681 2.826 3.525 4.224 4.932 5.642 6.352 7.039 7.757 8.477 9.181 9.886 10.596 11.275 11.996 12.705 13.417 14.101

Vo (v) 0.045 0.068 0.082 0.095 0.108 0.121 0.133 0.146 0.156 0.171 0.182 0.2 0.255 0.346 0.454 0.571 0.69 0.818 0.943 1.074 1.719 2.376 3.049 3.728 4.409 5.07 5.763 6.458 7.139 7.822 8.51 9.168 9.868 10.556 11.248 11.913

VT (v) 0.503 0.526 0.54 0.554 0.566 0.579 0.592 0.604 0.615 0.63 0.642 0.66 0.731 0.839 0.958 1.085 1.21 1.343 1.473 1.607 2.266 2.933 3.612 4.297 4.983 5.648 6.344 7.042 7.726 8.412 9.102 9.762 10.464 11.154 11.847 12.514

Vo – VT (v) -0.458 -0.458 -0.458 -0.459 -0.458 -0.458 -0.459 -0.458 -0.459 -0.459 -0.46 -0.46 -0.476 -0.493 -0.504 -0.514 -0.52 -0.525 -0.53 -0.533 -0.547 -0.557 -0.563 -0.569 -0.574 -0.578 -0.581 -0.584 -0.587 -0.59 -0.592 -0.594 -0.596 -0.598 -0.599 -0.601

a) Según las mediciones obtenidas del voltaje de compensación Vo, ¿es dicho valor aproximadamente 0.6 V mayor que la salida final del circuito VT por cada variación de Vi realizada?

Como observamos en la columna que hace referencia al voltaje de compensación observamos una diferencia que ronda 0.6V por lo que efectivamente el voltaje Vi es aproximadamente 0.6V mayor que Vo b) ¿La señal de salida VT es casi igual a la entrada Vi por cada variación realizada? Explique. De igual forma que con el ejercicio anterior observamos que los voltajes VT y Vi no son aproximadamente iguales, existe una diferencia cercana a los 0.6V, esto causado por la configuración de los amplificadores operacionales, puesto que en la configuración existe una ganancia en la entrada no inversora del mismo por lo que el voltaje de salida resulta ser mayor.

c) ¿Explique cuál es el comportamiento grafico de la salida respecto a la entrada por cada variación realizada a la señal de entrada Vi? El comportamiento es similar al anterior, parecido al de un recortador de media onda en la cual únicamente se permite el paso de la fase positiva de la señal

f (Hz) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000

Vi Teórico (v) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Vi (v) 2.824 2.81 2.82 2.826 2.821 2.816 2.819 2.816 2.817 2.823 2.819 2.824 2.828 2.822 2.827 2.822 2.822 2.825 2.825 2.82

Vo (v) 1.072 1.06 1.069 1.074 1.07 1.065 1.068 1.065 1.066 1.071 1.068 1.072 1.076 1.071 1.075 1.071 1.07 1.073 1.073 1.069

VT (v) 1.605 1.593 1.602 1.608 1.603 1.598 1.601 1.598 1.599 1.605 1.601 1.605 1.61 1.604 1.608 1.604 1.604 1.606 1.607 1.602

Vo – VT (v) -0.533 -0.533 -0.533 -0.534 -0.533 -0.533 -0.533 -0.533 -0.533 -0.534 -0.533 -0.533 -0.534 -0.533 -0.533 -0.533 -0.534 -0.533 -0.534 -0.533

a. ¿Con que amplificador se obtienen los mejores resultados, considerando las variables analizadas en ambos casos? El amplificador que ofrece los mejores resultados es el LM6364M, Puesto las señales de alta frecuencia no afectan al funcionamiento del mismo a diferencia del amplificador LM741 el cual presento alteraciones con el aumento de la frecuencia 4. Describa las conclusiones de cada uno de los ejercicios realizados. En todos los casos presentados, podemos ver como el circuito mediante el uso de el voltaje de compensación mantiene los voltajes de salida muy similares a los voltajes de entrada, Cada uno de los circuitos mostrados posee ventajas uno respecto al otro, pero el amplificador operacional LM6364M presento la ventaja más recalcable, la cual es que muestra menos variaciones con el aumento de la frecuencia.

5. ¿Qué aplicación práctica recomendaría para este circuito? El circuito mostrado acá puede ser aplicado como puente rectificador de baja perdida en adición a algunos diodos, Es especialmente útil en circuitos de alta precisión que trabajan con voltajes muy bajos, puesto que se evitan perdidas por la fase de rectificación, como en la toma de datos de un sensor que produzca una salida de voltaje oscilante. Discusión de resultados Como podemos observar a medida que se varia la frecuencia los dos circuitos implementados en la practica se comportan de forma constante, esto es aplicable para los mismo es aplicable para ambos a frecuencias relativamente bajas, a medida que la frecuencia se torna alta el amplificador operacional LM741 presenta inconsistencias en los voltajes de comparación. El amplificador operacional LM6364M no presenta estas inconsistencias. Estos circuitos presentan un comportamiento interesante, puesto que mediante el voltaje de compensación se mantiene una salida de voltaje similar e incluso mayor que la del voltaje de entrada permitiendo que podamos referirnos a estos rectificadores como sin perdidas. Conclusiones

• En ambos circuitos el voltaje de salida es muy similar al voltaje de entrada, con un voltaje de compensación que varia entre 0.4 a 0.6V. • Los circuitos presentados en esta practica resultan ideales para aplicaciones en las cuales se requiere circuitos precisos con baja o nula perdida.

Laboratorio 7.2 Rectificador de onda completa con amplificadores operacionales. 7.2.1 Para realizar la práctica del rectificador de onda completa con amplificadores operacionales, busque en internet un amplificador que pueda utilizar y repita los pasos de la sección 7.1, luego compare estos resultados con los que se obtienen con el circuito que se presentó en el video en clase, el cual se muestra a continuación:

1. Haga una tabla en Excel con las columnas: frecuencia f, voltaje de entrada Vi, voltaje de compensación (salida del amplificador operacional) Vo, voltaje de salida del sistema VT, compensación (Vo – VT) y observaciones. Ejecute la simulación y active el amplificador 741 con la tecla “A”. Mantenga constante la frecuencia de Vi a 300 Hz. Al valor de Vi hágale variaciones de 0.1 voltios cada una hasta 2 voltios, luego de 0.5 cada una hasta 10 voltios. Por cada variación que necesite realizar debe detener la simulación, darle doble clic a la fuente, escribir el valor de Vi que corresponda, aceptar los cambios, y volver a ejecutar la simulación. La tabla la debe llenar con los valores picos positivos de las señales que se visualizan en el osciloscopio XSC1 (para ello detenga la simulación y mantenga abierta la ventana del osciloscopio) con ayuda de los canales A, B, C y desplazando horizontalmente el cursor T1 hacia el valor máximo positivo de la señal de salida (de esta forma se puede medir el valor de Vi, Vo y VT. Ver figura xxy). Vi debe ser medido con el canal A, Vo con el B y VT con el C. Nota: por cada variación realizada a Vi ajuste en cada canal del osciloscopio XSC1 la escala de la señal de salida en la función scale.

f 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

Vi (teorico) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

vi -0.137 -0.162 -0.39 0.564 0.703 0.847 0.986 1.128 1.269 1.408 1.55 1.689 1.833 1.979 2.115 2.255 2.396 2.533 2.675 2.813 3.523 4.242 4.928 5.634 6.361 7.043 7.768 8.467 9.146 9.855 10.575 11.246 11.95 12.687 13.418 14.085

vo 0.137 0.162 0.39 0.564 0.703 0.847 0.986 1.128 1.269 1.408 1.55 1.689 1.833 1.979 2.115 2.255 2.396 2.533 2.675 2.813 3.522 4.242 4.928 5.634 6.361 7.043 7.768 8.467 9.145 9.855 10.575 11.246 11.95 12.673 12.791 12.793

vt -13.4 -13.4 -13.4 1.146 1.291 1.441 1.583 1.728 1.873 2.015 2.16 2.301 2.447 2.596 2.733 2.875 3.018 3.156 3.3 3.439 4.156 4.881 5.573 6.284 7.014 7.7 8.429 9.131 9.813 10.525 11.249 11.922 12.629 13.354 13.472 13.475

vo-vt 13.537 13.562 13.79 -0.582 -0.588 -0.594 -0.597 -0.6 -0.604 -0.607 -0.61 -0.612 -0.614 -0.617 -0.618 -0.62 -0.622 -0.623 -0.625 -0.626 -0.634 -0.639 -0.645 -0.65 -0.653 -0.657 -0.661 -0.664 -0.668 -0.67 -0.674 -0.676 -0.679 -0.681 -0.681 -0.682

a) Según las mediciones obtenidas del voltaje de compensación Vo, ¿es dicho valor aproximadamente 0.6 V mayor que la salida final del circuito VT por cada variación de Vi realizada? Como podemos observar en la columna del voltaje de compensación, el voltaje se mantiene en valores cercanos a 0.6V b) ¿La señal de salida VT es casi igual a la entrada Vi por cada variación realizada? Explique. Como podemos observar en las tablas el voltaje de salida gracias al voltaje de compensación posee un valor muy similar al voltaje de entrada, por lo que no presenta perdidas c) ¿Explique cuál es el comportamiento grafico de la salida respecto a la entrada por cada variación realizada a la señal de entrada Vi? Como podemos observar en la grafica brindada por el osciloscopio la salida de este circuito se comporta como un circuito rectificador de onda completa, por lo que tanto la fase positiva como negativa se encuentran presentes en el voltaje de salida, con la única diferencia que la fase negativa pasa a ser positiva.

2. Repita el ejercicio anterior, considerando que en este caso el voltaje Vi debe permanecer con un valor constante de 2 V y las variaciones debe hacerlas a la frecuencia f de Vi. Las variaciones deben ser de 500 Hz cada una hasta 10 KHz. Nota: por cada variación realizada a la frecuencia ajuste el time base en el osciloscopio XSC2 para poder visualizar correctamente todas las graficas en la pantalla.

f 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Vi (teorico) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

vi 2.819 2.827...