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1 FASE 4 PRESENTAR SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL CIRCUITO DE PROPÓSITO ESPECÍFICO CON AMP OP

PRESENTADO A: FREDDY MAYO RENTERIA

PRESENTADO POR: WURGENSEN MAURICIO QUINTERO GALVIS_CÓDIGO_1116545423 EDUAR ELIAN AMAYA FUENTES_ CÓDIGO:1006636015 GRUPO: 243006_43

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CEAD YOPAL

30/11/2020 INTRODUCCIÓN

Mediante la realización de esta actividad permite profundizar y ampliar los conocimientos en temas de electrónica, mediante la implementación de filtros activos osciladores y reguladores para dar

solución a problemas y situaciones propias en el campo disciplinar realizando

simulaciones y montajes físicos. De igual manera se realizará la implementación del circuito y las respectivas simulaciónes con el sofware proteus, para verificar los resultados obetenidos en el análisis matemático de cada uno de los ejercicio planteados en esta fase de aprendizaje.

ACTIVIDADES A DESARROLLAR

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El problema: Suponga que trabaja para una compañía que diseña, prueba, fabrica y comercializa instrumentos electrónicos. Su cuarta asignación es presentar trabajando en equipo con los mismos compañeros, una solución llamada luces audio rítmicas de 3 canales, La cual permite que según el rango de frecuencias seleccionados por canal se pueda encender un led, de manera tal que al recibir una señal de audio los leds se enciendan según el ritmo de los tonos, para el diseño se solicita un canal para las notas bajas uno para notas medias y uno para notas altas, se dispone nuevamente del amp op LM324 para implementar los filtros activos de segundo orden. El equipo de trabajo cuenta con 3 semanas para presentar un informe a la empresa, en él mismo, es obligatorio se evidencie una fundamentación teórica, una argumentación y la validación de la solución. Además, de ser aprobada la propuesta, se deberá realizar una implementación real y para ello se contará con acceso a los laboratorios.

Fig. 1 Diagrama esquemático del sistema

1. Luego de la lectura de los recursos educativos requeridos para la Unidad 4, Cada estudiante debe describir con sus propias palabras la teoría de funcionamiento del circuito anterior. Solución: Estudiante: Wurgensen Mauricio Quintero Galvis TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO Según el circuito presentado esta subdivido en varios circuitos a partir de amplificadores operacionales, el primer subcircuito U1:A es un filtro pasa bajas no inversor, el cual permite el paso de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte de diseño del filtro y las que estén por encima de este valor de diseño las atenúa o las elimina, el siguiente subcircuito U1:B es un filtro pasa banda con retroalimentación múltiple, lo cual es un filtro Pasa banda de segundo orden que ofrece factores de calidad relativamente alto, el tercer subcircuito U1:C es un filtro pasa alto el cual permite pasar señales de alta frecuencia y bloquea o atenúa señales de baja frecuencia. En resumen, el circuito de luces audio rítmicas de 3 canales enciende un led dependiendo de la frecuencia seleccionada canal.

Estudiante: Eduar Elian Amaya TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO El circuito propuesto es un sistema de luces audio rítmicas que consta de tres filtros activos para filtrar las frecuencias de las señales, descrito como pasa bajas, pasa banda y pasa altas. El circuito con una fuente de alimentación 18 voltios, esta alimentación va a los terminales positivos y negativos de los amplificadores operacionales. El amplificador U1A es un filtro pasa bajas activo de segundo orden que consta de dos polos (capacitor y resistencia) y tiene una retroalimentación negativa el cual como su nombre lo indica tiene la función de permitir el paso de señales de frecuencias bajas y en la salida tiene un led que indica cuando la señal llega.El amplificador U1B es un amplificador operacional que está configurado como filtro activo de

segundo orden pasa banda que al igual que el primero consta de dos polos, pero a diferencia de la configuración del primero en la entrada no inversora está conectada la tierra. En la entrada inversora viene conectada la señal de entrada y también tiene retro alimentación negativa. Al igual que el filtro U1A tiene a la salida un led que indica cuando llega la señal. El amplificador operacional U1C es un filtro activo de segundo orden que está configurado como pasa alta. Tiene retroalimentación negativa, la señal llega a la entrada no inversora y cuenta con dos polos. A diferencia de los dos primeros filtros la configuración cambia en el sentido que la señal llega primero al capacitor. Este filtro tiene como finalidad dejar pasar solo las señales con altas frecuencias. En la salida del filtro este también tiene un led indicador de la señal. Se observa que la señal que va hacia las entradas de los amplificadores operacionales (inversora y no inversora) es una señal sinusoidal. Que llega a los tres filtros y dependiendo de la frecuencia entonces así se encenderá el led indicador. ARGUMENTACIÓN.

2. Argumentar matemáticamente el diseño presentado dando respuesta a lo que a continuación se solicita: -Estudiante 1: a.) Identifique el tipo de filtro activo construido con el amp op U1:A, calcule el valor de R1 para exista una respuesta Butterworth y la frecuencia de corte fc1. -Estudiante 2: b.) Identifique el tipo de filtro activo construido con el amp op U1:C, calcule el valor de R8 para exista una respuesta Butterworth y la frecuencia de corte fc2 usando como valores de C6 y C5 = 0.1uF. -Estudiante 3 y 4: c.) Identifique el tipo configuración del amplificador U1:B, teniendo en cuenta los valores calculados fc1 y fc2 calcule BW, fo y Q. -Estudiante 5:

d.) Conociendo los valores de BW fo y Q calcule el valor de R5, R11 y R12 para una ganancia Ao = 2Q2/4. Solución: a.) Identifique el tipo de filtro activo construido con el amp op U1:A, calcule el valor de R1 para exista una respuesta Butterworth y la frecuencia de corte fc1. Es un filtro pasa bajas con topología SALLEN KEY Para que exista una respuesta Butterworth es decir lineal debemos tener en cuenta el factor de amortiguación del filtro, sabiendo esto tenemos que el factor de amortiguación es: R 2=1 KΩ DF =2−

R1 R2

Esto lo podemos aplicar por que el filtro tiene retroalimentación negativa y además cuenta con dos polos. Sabiendo esto vamos a la tabla y obtendremos el valor de DF y así podremos despejar la incógnita que necesitamos obtener:

Para garantizar una respuesta de Butterworth es necesario que la relación de R1 Y R2 sea 0.586. Por tanto, DF =2−

R1 R2

1.414=2−

R1 1 KΩ

Despejamos R1 y tenemos lo siguiente: R 1=(1.414−2)∗−1 KΩ R 1=586 Ω Para obtener la frecuencia Fc1 tendremos entonces lo siguiente:

F C=

1 2 πRC

Reemplazamos los valores teniendo en cuenta que R10=R4=R y que C1=C2=C, por lo tanto: R=1 C=1 µF Frecuencia de corte: f c=

1 1 = 2 πRC 2 π 1 k 1 μ

f c =159.15 Hz

b.) Identifique el tipo de filtro activo construido con el amp op U1:C, calcule el valor de R8 para exista una respuesta Butterworth y la frecuencia de corte fc2 usando como valores de C6 y C5 = 0.1uF. Es un filtro pasa altas con topología SALLEN KEY Como se hizo en el filtro pasa bajas en este también se debe ajustar R1/R2 para garantizar una respuesta Butterworth

R8 =0.586 1k R8 =586 Frecuencia de corte: f c=

1 1 = 2 πRC 2 π 1 k∗0.1 μ

f c =1591.5 Hz c.) Identifique el tipo configuración del amplificador U1:B, teniendo en cuenta los valores calculados fc1 y fc2 calcule BW, fo y Q.

-

Es un filtro Pasa banda con Retroalimentación Múltiple

-

El cual es el resultado de combinar un amplificador operacional integrador (Filtro pasa bajas) y uno derivador (filtro pasa altas).

Amplificad integrador (Pasa bajas)

Amplificador derivador (Pasa altas)

De los anteriores cálculos se sabe que:

or

f c1 =159.15 Hz , f c 2=1591.5 Hz Con esta información se halla: f 0 , BW y Q f 0=√ f c1 f c2 f 0=√ 159.15∗1591.5 f 0=503.27 BW =f c 2−f c1 BW =1591.5−159.15 BW =1432.35

Q=

f0 BW

Q=

503.27 1432.35

Q=0.35 Donde: f 0 es la frecuenciacentral , A es la ganancia, Q es el factor de calidad, f C 2 es la frecuEncia de corte alta, f C 1 es lafrecuencia de corte bajay Bw es el ancho de banda. d.) Conociendo los valores de BW fo y Q calcule el valor de R5, R11 y R12 para una ganancia Ao = 2Q2/4.

A=

2 Q2 4

A=

2∗0.352 4

A=0.061

R 5=

Q 2 π f 0 AC

R 5=

0.35 2 π∗503.27∗0.061∗0.01 μ

R5=181.45 k Ω R11 =

Q π f 0C

R11 =

0.35 π∗503.27∗0.01 μ

R11 =22.13 k Ω

R12=

Q 2 π f 0 C (2Q 2−A )

R12=

0.35 2 2 π∗503.27∗0.01 μ(2 ¿ 0.35 −0.061)

R12=60.15 k Ω C 1 0 .0 1 u R 2 2 2 .1 3 k

1Vac 0Vdc

V1

R 1

C 2

1 8 1 .4 5 k

0 .0 1 u

-

O U T R 3 6 0 .1 5 k

0

O PAM P

0

+ U 1

0

V

80mV

(509.703,60.977m) (1.5968K,43.123m)

(159.681,43.289m) 40mV

0V 1.0Hz V(U1:OUT)

10Hz

100Hz

1.0KHz

10KHz

100KHz

Frequency

3. Cada estudiante debe presentar la simulación del circuito de luces rítmicas de 3 canales propuesto en la que se evidencie el correcto funcionamiento y las siguientes mediciones usando el osciloscopio. Amplitud de la señal de salida del amplificador U1: A, U1:B y U1:C para una señal sinusoidal de entrada de 100Hz, 500Hz y 3Khz a 5Vp de amplitud. Solución: -

Frecuencia 100 Hz

-

Frecuencia 500 Hz

-

Frecuencia 3 KHz

CONCLUSIONES

-

Se logró reconocer la importancia que tiene la imlementación de los filtros activos osciladores y reguladores para dar solución a problemas y situaciones propias en el campo disciplinar realizando simulaciones y montajes físicos.

-

Se pudo analizar y comprender cada una de las tematicas planteadas en esta unidad, las cuales fueron una herramienta fundamental para lograr el desarrollo oportuno de esta actividad. De igual manera se comprobaron los valores obtenidos en el análisis matemático de cada ejercicio, mediante el uso del software proteus.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS



González, J. Moreno, A. (2009).  Circuitos electrónicos aplicados con amplificadores operacionales:

teoría

y problemas. (pp.

87-113). Recuperado

de https://elibro-

net.bibliotecavirtual.unad.edu.co/es/ereader/unad/33834?page=90 

Grob, B. Fournier, J. (1983). Circuitos electrónicos y sus aplicaciones. (pp.259-287). Recuperado

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Grob, B. Fournier, J. (1983). Circuitos electrónicos y sus aplicaciones. (pp.129 -153). Recuperado

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Imaker, T. (Productor). (2016). OVI Filtro analógico de butterworth de orden superior. [Video] Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=VtdY8q-k55Y