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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y SISTEMAS

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN

TAREA EVALUACIÓN ASÍNCRONA PC N°4 CURSO: ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL TE501V

GRUPO 3

ALARCON MARTEL ELMER RICARDO

20180215E

BONILLA VALLEJOS ANTHONY

20180113H

TACO LOPEZ JUAN ALEJANDRO

20184005E

URCIA PEREZ MILAN ALEXANDRA

20180052I

VALENTIN DELGADO BRAYAN

20180242B

YARLEQUE ORBEZO ISABEL ROSA

20180180G

SETIEMBRE – 2020

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Tarea-evaluación asíncrona- PC N°4 TE501 1. Diseñar y simular un circuito rectificador trifásico de media onda con diodos semiconductores, el voltaje eficaz por fase debe ser de 19.3 voltios. (3P) Se presenta el circuito planteado, formado por las fuentes de tensión alterna V1, V2 y V3; además de 3 diodos (D1, D2, D3) y una resistencia R1 = 1 Kohm; el punto remarcado es donde nos interesa medir el voltaje ya que este será el voltaje rectificado.

Figura 1.1. Circuito de un rectificador trifásico de media onda con diodos semiconductores Para poder medir el voltaje, conectamos los cables del circuito (antes de pasar por los diodos) a los terminales del Osciloscopio de 4 canales, ya que se desea observar 4 ondas senoidales: La de la fuente V1, la de la fuente V2, la de la fuente V3 y la que se encontraba a la salida de las 3 que sería la onda rectificada.

Figura 1.2. Circuito de un rectificador trifásico de media onda conectado a un osciloscopio de 4 canales

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En el osciloscopio de 4 canales pudimos observar lo siguiente al correr la simulación:

Figura 1.3. Resultado de la simulación con Multisim del osciloscopio de 4 canales

Sin embargo, para poder obtener detalles adicionales recurrimos al análisis transitorio en donde nos proporcionan escalas más específicas en cuanto a tiempo y voltaje, en donde: V1: Voltaje a la salida de la fuente 1, V2: Voltaje a la salida de la fuente 2, V3: Voltaje a la salida de la fuente 3 y V4: Voltaje rectificado.

Figura 1.4. Resultado de la simulación con Multisim por análisis transitorio

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2. Se quiere realizar un sistema de adquisición de datos de 2 señales continuas procedentes de sensores de presión y temperatura. a) Realizar un diagrama de bloques de los componentes. b) Describir cada componente del diagrama de bloques.

Descripción de cada componente del diagrama de bloques: a) Multiplexor Los multiplexores ya sean analógicos o digitales son dispositivos que nos permiten multiplexar varias entradas en una única salida. Ellos nos permiten que para registrar varias señales diferentes podamos utilizar un único conversor A/D y con ello disminuir de forma considerada el costo en un SAD. Generalmente los multiplexores se pueden dividir por el tipo de salida en simples y diferenciales o por el número de entradas en de 2, 4, 8 o 16 entradas. b) Conversor Digital Analógico D/A Dispositivo que me convierte un código digital en una señal eléctrica correspondiente (voltaje o corriente). Su función dentro de un SAD o de control es proporcional un nivel de voltaje o corriente deseada a un elemento que me permitirá variar la variable que estoy controlando hasta llevarla al valor deseado. Este tipo de dispositivo también se puede utilizar como generador de señales. c) Sensores o Transductores Los sensores tienen un rol vital en todo SAD ellos tienen la función de convertir la variable física que se desea registrar en una magnitud eléctrica (voltaje, corriente, resistencia, capacidad, Inductancia, etc.). d) Amplificadores operacionales En sus configuraciones básicas (inversora, no inversora, amplificadora, conversor de corriente a voltaje, etc.), son usados para garantizar que al conversor A/D le sea suministrado el rango máximo de voltaje y así el mismo pueda dar el mayor número de combinaciones posibles.

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e) Amplificador de instrumentación Puede alternadamente sustituir al amplificador operacional, siempre que la aplicación lo exija, pues los mismos tienen prestaciones superiores a los amplificadores operacionales normales, lo cual hace que sean más costosos. Entre las características de los amplificadores de instrumentación tenemos una impedancia de entrada inf inita y una ganancia ajustable en ocasiones mediante una red resistiva de precisión externa o mediante resistores internos de precisión por interruptores o por software. f) Los aisladores Son dispositivos de mucha importancia principalmente en sistemas médicos donde se requiere aislar completamente al paciente del equipo de medición con el fin de evitar que en caso de desperfectos del equipo los pacientes estén expuestos altos niveles de voltaje o corriente, también en equipos o instrumentos que manejen altas tensiones es necesario garantizar el aislamiento entre los instrumentos de medición y las fuentes de alta tensión. Entre los dispositivos más comunes son los opto-acopladores.

3. ¿Qué es un amplificador operacional de transconductancia?, describir una aplicación Los amplificadores operacionales de transconductancia (OTA) son amplificadores operacionales cuya salida, en lugar de ser una fuente de tensión de baja impedancia como en los amplificadores operacionales convencionales, es una fuente de corriente de alta impedancia, controlada mediante tensión diferencial de entrada. La ganancia de transconduct ancia 𝑔𝑚 puede a su vez programarse por medio de una corriente 𝐼𝐴𝐵𝐶 (amplifier bias current) inyectada en un terminal apropiado.

Figura 3.1. Circuito esquemático de un amplificador a transconductancia LM13600

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El Amplificador operacional de transconductancia (OTA) proporciona una corriente a su salida que depende directamente de la tensión que se le aplica a la entrada. La ecuación muestra dicha expresión, el cual depende del parámetro 𝑔𝑚 , la transconductancia. Para que dicha relación se cumpla, el OTA requiere una impedancia de salida muy elevada, lo que significa que trabajará con corrientes de salida muy bajas. 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝑔𝑚 × (𝑉𝑖𝑛 + − 𝑉𝑖𝑛 − ) Al igual que el amplificador operacional estándar, tiene entradas inversoras (-) y no inversoras (+); líneas de alimentación (𝑉 + y 𝑉 −); y una única salida. A diferencia del amplificador operacional tradicional, tiene dos entradas de polarización adicionales, 𝐼𝐴𝐵𝐶 e 𝐼𝐵𝐼𝐴𝑆 .

Figura 3.2. Símbolo esquemático de la OTA Un OTA básico está constituido por un par diferencial a la entrada del dispositivo y varios espejos de corriente colocados de forma concreta para mejorar ciertos aspectos de su funcionamiento. En el OTA ideal, la corriente de salida es una función lineal del voltaje de entrada diferencial, calculado de la siguiente manera: 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝑔𝑚 × (𝑉𝑖𝑛 + − 𝑉𝑖𝑛 − ) donde 𝑉𝑖𝑛 + es el voltaje en la entrada no inversora, 𝑉𝑖𝑛 − es el voltaje en la entrada inversora y 𝑔𝑚 es la transconductancia del amplificador. El voltaje de salida del amplificador es el producto de su corriente de salida y su resistencia de carga: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 × 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 La ganancia de voltaje es entonces el voltaje de salida dividido por el voltaje de entrada diferencial: 𝐺𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒 =

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 × 𝑔𝑚 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑖𝑛 − +

La transconductancia del amplificador generalmente se controla mediante una corriente de entrada, denominada 𝐼𝐴𝐵𝐶 ("corriente de polarización del amplificador"). La transconductancia del amplificador es directamente proporcional a esta corriente. Esta es la característica que lo hace útil para el control electrónico de la ganancia del amplificador, etc.

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La posibilidad de programar la transconductancia permite dos tipos de aplicaciones. En el primer grupo están comprendidas aquellas aplicaciones en las cuales se debe optimizar alguna especificación (ruido, corrientes de polarización, resistencias de entrada y salida, etc.). En el segundo grupo se incluyen dispositivos de tipo paramétrico o controlado, como amplificadores de ganancia controlada por tensión, filtros controlados, osciladores controlados, resistencias controladas, etc. Este segundo tipo de aplicaciones es difícil de implementar con amplificadores operacionales tradicionales, o aún con los de tipo programable, como el LM4250. En estos últimos, si bien la transconductancia de la primera etapa puede programarse, dicha transconductancia se manifiesta como una ganancia de tensión que puede programarse hasta cierto punto por medio de la corriente de programación. Pero como dicha ganancia de tensión es muy elevada, es necesario realimentar el amplificador, con lo cual el comportamiento se vuelve insensible al control que pueda ejercerse sobre la ganancia a lazo abierto. un aspecto novedoso y significativo de los amplificadores a transconductancia es que pueden ser utilizados a lazo abierto. Ello se debe a que la transconductancia es mucho más predecible que la ganancia de tensión. APLICACIÓN El OTA en sistemas de adquisición de señal ECG (Electrocardiograma)

Existen varias etapas en un sistema de adquisición de señal ECG. El objetivo prioritario del OTA es realizar la etapa del filtro pasa-altos, para ello, existen varias topologías para su implementación. La más simple consiste en elaborar un filtro pasa-alto de primer orden, tal y como se ve en la figura 3.3. Concretamente, se conecta un condensador en serie en la entrada y una resistencia elaborada por el OTA. Este filtro pasa-alto se posicionaría después de un preamplificador de instrumentación integrado, el cual amplificaría el valor de la forma de onda del ECG.

Figura 3.3. Filtro pasa-alto de primer orden elaborado con OTA S-P (serie-paralelo)

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Sin embargo, existen otras topologías más compactas para la implementación de esta etapa. Una de las más utilizadas es la del amplificador de doble entrada (INA), el cual se caracteriza por ser un diseño que implementa el filtro pasa-alto en su realimentación. La figura 3.4. presenta dicho circuito.

Figura 3.4. Amplificador de instrumentación INA, con un integrador en la realimentación El INA consta de dos lazos de realimentación. El primer lazo convierte la señal diferencial de entrada en corriente (etapa de transconductancia), la cual se copia al segundo lazo, donde es convertido a voltaje (transimpedancia). Por lo tanto, la ganancia del circuito es determinada por la relación de resistencias. Además, el CMRR del INA es incrementado debido a la estructura realimentada del circuito. Para la implementación del filtro paso-alto, se conecta un integrador en la salida del INA, cuya respuesta es de un filtro paso-bajos. El nodo de salida del integrador se conecta al voltaje de referencia del INA, cerrando de esta manera la rama de realimentación. Este enlace permite que el sistema completo responda como un filtro pasa-alto. Cabe resaltar que el 𝑉𝐴𝑁𝐴𝐿𝑂𝐺 corresponde a una tierra analógica de un valor de voltaje de 𝑉𝐷𝐷 /2, sin el cual no se podría llevar a cabo dicha topología. La ecuación ( 1) muestra la función de transferencia del INA. Remplazando la expresión de un integrador, se obtiene la ecuación (2) correspondiente al sistema completo. 𝑉𝑜𝑢𝑡 − 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 =

𝑅2 ∙ (𝑉𝑖𝑛 ) … (1) 𝑅1

𝑅2 𝑠 ∙ 𝑅𝑂𝑇𝐴 ∙ 𝐶𝐿 ∙ ∙ (𝑉𝑖𝑛 ) … (2) 𝑅1 1 + 𝑠 ∙ 𝑅𝑂𝑇𝐴 ∙ 𝐶𝐿

Donde 𝑅1 y 𝑅2 son resistencias que contiene el INA y el 𝑅𝑂𝑇𝐴 es la resistencia equivalente de la transconductancia del OTA. Observando la ecuación (2) se comprueba la respuesta paso -alto del sistema, donde su frecuencia de corte dependerá del condensador 𝐶𝐿 y el 𝑔𝑚 del OTA S-P.

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4. ¿Qué es un UPS (fuente de alimentación ininterrumpida) ?, describir una aplicación. El Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI), en inglés Uninterruptible Power Supply e s un dispositivo que, gracias a sus baterías u otros elementos almacenadores de energía, durante un apagón eléctrico puede proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado a todos los dispositivos que tenga conectados. Otra función que se puede añadir a estos equipos es mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas d e tensión y eliminando armónicos de la red en caso de usar corriente alterna. Los UPS proporcionan energía eléctrica a equipos llamados cargas críticas, como aparatos médicos, industriales o informáticos que requieren alimentación permanente y de calidad, para estar siempre operativos y sin fallos (picos o caídas de tensión). La unidad de potencia para configurar un UPS es el voltiamperio (VA), que es la potencia aparente, o el vatio (W), que es la potencia activa, también denominada potencia efectiva o efi caz, consumida por el sistema. Para calcular cuánta energía requiere un UPS, se debe conocer su consumo. Si se conoce la potencia efectiva o eficaz, en vatios, se multiplica la cantidad de vatios por 1,4 para tener en cuenta el pico máximo de potencia que puede alcanzar el equipo. Por ejemplo: (200 W × 1,4) = 280 VA. Si lo que encuentra es la tensión y la corriente nominales, para calcular la potencia aparente (VA) hay que multiplicar la corriente (amperios) por la tensión (voltios), por ejemplo: (3 amperios × 220 voltios) = 660 VA. TIPOS Las cargas conectadas a los UPS requieren una alimentación de corriente continua. Transforman la corriente alterna de la red comercial a corriente continua, y la usarán para alimentar la carga y almacenarla en sus baterías. Por esto, no necesitan convertidores entre las baterías y las cargas. Principalmente existen 3 tipos de UPS. Cada uno corrige diferentes fallos comunes del suministro eléctrico: • • •

UPS offline: Corrige fallos eléctricos como fallos de alimentación, caídas de tensión, sobretensiones prolongas y picos de corriente (sobretensiones y subtensiones). UPS Line Interactive: Corrige fallos de alimentación, caídas de tensión, picos de corriente, infra tensiones y sobretensiones prolongadas. UPS online: El tipo más seguro y el que más fallos eléctricos corrige: Fallos de alimentación, caídas de tensión, picos de corriente, infra tensiones prolongadas, sobretensiones prolongadas, distorsiones en la onda de línea, variaciones en las frecuencias, micro cortes y distorsión armónica.

APLICACIÓN Una aplicación usual para los UPS es su conexión para la alimentación de las computadoras, ya que permiten usarlas por varios minutos (dependiendo del diseño del UPS y del consumo de la computadora) en el caso de que se produzca un corte eléctrico. Algunos UPS también ofrecen aplicaciones que se encargas de realizar procedimientos automáticamente.

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Los UPS generalmente son de esta manera:

Dentro del UPS tenemos diversos componentes, los cuales hemos estudiado a lo largo del ciclo, los cuales son: •

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Rectificador: Rectifica la corriente alterna de entrada, saliendo corriente continua para cargar la batería. Desde la batería se alimenta el inversor que nuevamente convierte la corriente en alterna. Cuando se descarga la batería, ésta se vuelve a cargar en un lapso de 8 a 10 horas, por este motivo la capacidad del cargador debe ser proporcional al tamaño de la batería necesaria. Batería: Se encarga de suministrar la energía en caso de interrupción de la corriente eléctrica. Su capacidad, se mide en amperes hora, depende de su autonomía (cantidad de tiempo que puede proveer energía sin alimentación). Inversor: Transforma la corriente continua en corriente alterna, la cual alimenta los dispositivos conectados a la salida del UPS Conmutador de dos posiciones: Permite conectar la salida de la entrada del UPS con la salida del inversor.

El funcionamiento interno del UPS como lo componente antes mencionados es la siguiente imagen:

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Se conectan a las computadoras directamente con un cable como podemos ver en la siguiente imagen:

De esta forma el UPS se encarga de monitorear la entrada de energía, cambiando a la batería apenas detecta problemas en el suministro eléctrico. Ese pequeño cambio de origen de la energía puede tomar algunos milisegundos si es un UPS offline. En el caso de que fuera un UPS online, este evita esos milisegundos sin energía al producirse un corte eléctrico, pues pro vee alimentación constante desde su batería y no de forma directa.