Tema 1: Introduccin

2

Introduccin

1.1. Sistemas Electrnicos

1.2. Funciones principales de los sistemas electrnicos

1.3. Analgico vs Digital

1.4. Sensores

1.5. Actuadores

3

1.1. Sistemas ElectrnicosSistema = cualquier volumen cerrado en el que las entradas y salidas son conocidos.

Entradas/salidas (inputs/outputs) = variacin de una magnitud fsica que porta informacin

Sistema electrnico = sistema que genera o manipula energa elctrica

4

1.1. Sistemas ElectrnicosEl tipo de entrada o salida depender, en general, de como delimitemos nuestro sistema. En este ejemplo:- Si consideramos todo el sistema de sonido, la entrada seran variaciones de presin.

- Pero si slo consideramos el amplificador, la entrada sera una seal elctrica del micrfono.

5

1.1. Sistemas ElectrnicosEstrategia Top-down = Un sistema complejo es progresivamente dividido en sistemas ms simples, resultando en una serie de mdulos que son ms fciles de manejar.

Diagrama de bloques = Forma de representar un sistema complejo en un conjunto de mdulos ms simples

Cuando la energa (informacin) va de un componente a otro, al primero se refiere como fuente (source) y al segundo como carga (load)

6

1.2. Funciones principales

Las funciones principales de un sistema electrnico en ingeniera son

- Medicin

- Procesamiento

- Actuacin

Sensores

Acondicionamiento de seal

Actuadores

Drivers

- Alimentacin

7

Medicin

Medicin = Incorporar informacin relevante del exterior a nuestro sistema.

Informacin = Variacin de una magnitud fsica.

Sensores = Detectan variaciones de de las magnitudes fsicas.

Acondicionadores de seal = Cambian alguna caracterstica de la seal de entrada

8

Sensores- Un sensor produce fluctuaciones elctricas producida por la variacin de alguna magnitud fsica.

- Estas variaciones se conocen como seal elctrica.

- Las seales elctricas portan pues informacin.

Ejem. Micrfono: Variaciones de presin Clula fotovoltaica: Cambios de luz

- Un sensor convierte variaciones de una magnitud fsica en seales elctricas que se pueden usar como entrada en los sistemas electrnicos

9

Acondicionamiento de la seal

- Acondicionadores de seal = Cambian alguna caracterstica de la seal de entrada

- La seal de salida de un sensor, puede requerir ser alterada de una forma adecuada para ser procesada adecuadamente

Ejem. Amplificar, quitar interferencias, convertir seal anloga en digital, convertir voltaje en corriente, ...

10

Procesamiento

- Mdulo elctricos que operan a partir de las seales de entrada para determinar la accin a realizar.

- Circuitos que manipulan/analizan/almacenan la informacin recibida y determina las acciones necesarias para cumplir los objetivos especificados.

Ejem. Si vemos un baln venir hacia nosotros, los ojos actuaran como sensores, y el cerebro como procesador

11

Actuacin - Actuadores = Generan un cambio en una magnitud fsica a partir de una seal elctrica (procesada).

- El actuador toma una seal elctrica de entrada y genera un cambio en una magnitud fsica como salida

Ejem. Altavoz, seal elctrica en sonido (variaciones de presin)

12

Otros mdulos electrnicos

- Drivers = Adaptan la energa elctrica requerida por el actuador de una forma controlada. Por ejemplo, se pueden usar para regular la corriente que fluye en un circuito.

-Alimentacin= Circuitos que adecuan la energa elctrica para los restantes componentes electrnicos.

13

1.3 Analgico vs Digital

- Las variaciones elctricas de un sensor portan informacin de alguna magnitud fsica que vara.

Atendiendo a su naturaleza, las cantidades fsicas se pueden clasificar como

Aquellas que varan continuamente (ej. temperatura,humedad, )

Aquellas que varan de forma discontinua o discreta (ej. poblacin)

14

1.3 Analgico vs Digital

- Las seales elctrica tambin pueden ser continuas (analgicas) o discretas (digitales).

- No tiene por qu haber correspondencia necesaria entre seales y magnitud fsica (por ejemplo, a veces puede ser conveniente representar una magnitud continua con una seal discreta y viceversa)

15

1.3 Analgico vs DigitalSeales Analgicas

-Toman un margen continuo de valores del amplitud, esto es, puede tomar tpicamente cualquier valor del intervalo

-Toman un valor anlogo a la magnitud representada

16

1.3 Analgico vs DigitalSeales Digitales

-Toman un nmero discreto de valores ( nmero finito de amplitudes ).

-Slo son posibles algunos valores del intervalo (son discontinuas o discretas)

-Si solo existen 2 valores, se habla de seal binaria

17

1.3 Analgico vs Digital

Acondicionamiento de seal: Analgico Procesamiento: DigitalDrivers y alimentacin: Analgico

Se hacen necesarios circuitos de conversin A/D y D/A

18

1.3 Analgico vs DigitalVentajas circuitos digitales sobre analgicos

Menor sensibilidad al ruido elctrico y a la distorsin

- Ruido: Perturbacin no deseada aadida a la seal de entrada

- El ruido tiende a acumularse en las seales analgicas

19

1.3 Analgico vs DigitalVentajas circuitos digitales sobre analgicos

- Como son menos sensibles al ruido, son ms precisos

- Posibilidad de implementar funciones matemticas, lgicas y de almacenamiento de gran complejidad.

- Aunque tienen ms componentes, los circuitos digitales son ms baratos que los analgico (tcnicas circuitos integrados)

20

1.3 Analgico vs DigitalDesventajas de los circuitos digitales respecto a los analgicos

Para la misma funcin y velocidad:- Los sistemas analgicos requieren menos componentes que los sistemas digitales- Los circuitos digitales emplean muchas ms seales - Los circuitos analgicos son ms rpidos- Los circuitos analgicos funcionan mejor a amplitudes bajas o frecuencias altas - La conversin A/D y D/A complica y ralentiza el procesamiento

21

1.4 Sensores

Los sistemas electrnicos interaccionan con el mundo exterior mediante los sensores y los actuadores.

- Actuadores y sensores son dos tipos de transductores

Transductor = Sistema que convierte una magnitud fsica en otra

Sensor = Transductor que transforma una magnitud fsica en una seal elctrica

22

1.4 SensoresError = Diferencia entre el valor medido y el valor real. Los hay aleatorios (efecto del azar) y sistemticos (se producen de igual modo en todas las mediciones). Caractersticas de los sensores

- Rango = Intervalo de los valores que puede medir.

- Resolucin = Menor cambio en la variable medida que es capaz de detectar.Se suele expresar como un porcentaje del rango (Ej. resolucin es 0,1% del rango)

23

1.4 SensoresCaractersticas de los sensores

- Exactitud (Accuracy) = Describe el mximo error esperado de la medida respecto al valor verdadero.

- Precisin = Mxima dispersin esperada para varias medidas del mismo valor de entrada. As, la precisin es una medida de la falta de errores aleatorios, y por tanto, aparatos con alta precisin producirn lecturas similares, con poca variacin.

24

1.4 Sensores

Exactitud vs precisin

Alta exactitudAlta precisin

Bajo error sistemtico y aleatorio

Baja exactitudAlta precisin

Elevado error sistemtico

Baja exactitudBaja precisin

Elevado error sistemtico y aleatorio

Alta exactitudBaja precisin

Elevado error aleatorio

25

1.4 SensoresCaractersticas de los sensores

- Linealidad = Indica en que medida la variacin de la salida es proporcional a la de entrada.

- Sensibilidad = Medida del cambio producido en la salida para un cambio en la entrada.

Ej. Un sensor de temperatura dado tiene una sensibilidad de 10 mV/C.

26

1.4 SensoresCasi cualquier propiedad fsica de un material que vari en respuesta a una excitacin puede ser usada para producir un sensor con la circuitera adecuada.

Sensores de temperatura: Existen 2 tiposi) Output binario para indicar que la temperatura est por encima o debajo de cierto umbral.

-Termostato: abre o cierra un circuito en funcin de la temperatura. Esta formado por una lamina bimetlica compuesta de materiales con diferentes expansin trmicas, de manera que al aumentar la temperatura se dobla y funciona como interruptor.

27

1.4 Sensoresii) Permiten medir directamente la temperatura

- PRT (platinum resistance thermometer). La resistencia elctrica de los metales depende de la temperatura. * Muy lineales

* Pobre sensibilidad 100 (0 C),140 (100 C) * Exactitud 0.1%

- Termistores. Se basan en la variacin de la resistencia con la temperatura de los semiconductores * No lineales

* Muy sensibles 5 k (0 C),100 (100 C)

28

1.4 SensoresSensores de temperatura: Ejemplos

PRTNTC

Termopar

28

29

1.4 SensoresSensores de luz: Existen 2 tipos

i) Fotovoltaicos: Generan electricidad al ser iluminados - Fotodiodos: Luz en una unin PN produce una corriente.

Se basa en el mismo principio que las clulas solares.*Poco lineales*Poco sensibles

ii) Fotoconductivos = Alguna de sus propiedades cambia bajo la influencia de la luz. - Fototransistor

* Muy sensible - LDR (light-dependent resistor) * No lineal

* Respuesta lenta

30

1.4 SensoresSensores de deformacin (fuerza)- Galga extensiomtrica: Conjunto de laminas de material resistivo. Al aplicar una fuerza la lamina se deforma, al cambiar sus dimensiones cambia su resistencia.

- Y otros muchos tipos de sensores : Desplazamiento (interruptor, potencimetro,...), Velocidad (tacogenerador).

Casi cualquier propiedad fsica de un material que vari en respuesta a una excitacin puede ser usada para producir un sensor con la circuitera adecuada.

31

1.4 Sensores

Fotodiodos Fototransistores

LDR Galga extensiomtrica

Sensores : Ejemplos

32

1.4 SensoresSensor interfacing : Algunos sensores producen una seal elctrica directamente relacionada con la magnitud fsica que miden, otros sin embargo, necesitan de circuitera adicional para generar dicha seal.

Por ejemplo, muchos sensores representan el cambio de una magnitud fsica cambiando su resistencia (ej. PRT, LDR)

Una manera de introducir un cambio de resistencia en voltaje es introduciendo el sensor en un divisor de tensin

33

1.4 SensoresEjemplo. Sensor de luz con una LDR. La cantidad de luz afecta el valor de la LDR que, para este ejemplo, oscila entre 400 (1000 lux) y 9 k (10 lux), esto hace que el voltaje de salida cambie de 6 V a 11.5 V.

Recordad, la LDR es muy poco lineal !!

34

1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores

Calor

Nombre Magnitud elctrica a controlar

Calefactor resistivo VRMS, IRMS

Luz

Nombre Magnitud elctrica a controlar

Lmparas convencionales

VRMS, IRMS

LED IAVG

LED: Light Emitting Diode

34

35

1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores

Calor

Nombre Magnitud elctrica a controlar

Calefactor resistivo VRMS, IRMS

Luz

Nombre Magnitud elctrica a controlar

Lmparas convencionales

VRMS, IRMS

LED IAVG

LED: Light Emitting Diode

36

1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadores

Calefactor resistivo LEDs

37

1.5 ActuadoresAlgunos tipos de actuadoresAlgunos tipos de actuadores

Fuerza, desplazamiento

Nombre Magnitud elctrica a controlarSolenoide IAVG

Motores AC VRMS, IRMS, f

Motores DC VAVG, IAVG

Motores paso a paso

I

38

1.5 ActuadoresInterfaz con los actuadores

Implican tpicamente el suministro de importantes cantidades de energa elctrica

Deben adaptar la forma de esa energa a los requisitos del actuador

Es muy importante en su funcionamiento el rendimiento energtico

Pgina 1Pgina 2Pgina 3Pgina 4Pgina 5Pgina 6Pgina 7Pgina 8Pgina 9Pgina 10Pgina 11Pgina 12Pgina 13Pgina 14Pgina 15Pgina 16Pgina 17Pgina 18Pgina 19Pgina 20Pgina 21Pgina 22Pgina 23Pgina 24Pgina 25Pgina 26Pgina 27Pgina 28Pgina 29Pgina 30Pgina 31Pgina 32Pgina 33Pgina 34Pgina 35Pgina 36Pgina 37Pgina 38