Tierra de alimentación y fuentes de alimentación en electrónica
Tierra de alimentación. Punto de retorno de la corriente eléctrica que entrega la fuente de alimentación de un sistema. Tierra de señal: Punto de referencia de las señales de un circuito (también retorno de corrientes). También se llama masa del circuito. Se suele conectar a la tierra de alimentación. Tierra de chasis Representa el chasis conductor del equipo y el blindaje de un equipo o cable. Tierra de alimentación AC. Toma de tierra de seguridad de una instalación AC (cable verde-amarillo). Conexiones Equipos electrónicos que se alimentan de la red eléctrica, el chasis metálico está conectado a la toma de tierra de la instalación. Por otro lado, la tierra de señal (masa o común) (signal ground) de la electrónica de un equipo se encuentra conectado también al chasis metálico. Esto último suele ser necesario para proteger la electrónica frente a descargas eléctricas (estáticas), oscilaciones, interferencias y evitar otros problemas en su funcionamiento. Diferencias de potenciales entre tomas de tierra. -En una instalación podemos tener la tierra de alimentación AC, cuya pica puede estar en el transformador de distribución y la masa cuya pica está a la entrada de nuestro edificio. La impedancia de la tierra junto con las corrientes que circulan por ella hacen que aparezcan diferencias de potencial. Idem con equipos remotos, picas alejadas, diferencia de potencial. T7
Fuente Flotante. Impedancia ideal infinita entre sus terminales y la tierra de la instalación. No tienen conexión física. Referenciada a tierra: Impedancia ideal muy baja entre uno de sus terminales y tierra. Tienen una conexión física. Single-ended: Uno de sus terminales es el común (referencia) del circuito. Diferencial. La señal de sus dos terminales respecto al común, varía en la misma cantidad pero con signo opuesto. Balanceada: Ambos terminales idealmente presentan la misma impedancia equivalente respecto al común del circuito. Referencia de tensión/corriente: Proporcionan un voltaje o corriente que sirva de patrón o estándar a otros circuitos (circuit. de instru y medida de transductores, A/D, D/A, V/F, F/V, generadores de masa virtual..). Tienen gran exactitud de su valor nominal y son estables con el tiempo, la temperatura, la carga y la alimentación. Regulación de línea (RL): Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a variaciones de la tensión de entrada (alimentación). Regulación de carga (RC): Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a variaciones de la corriente absorbida por la carga. Coeficiente de temperatura (CT): Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita frente a variaciones de temperatura. Estabilidad a largo plazo o deriva Temporal (Dt): Capacidad del circuito para mantener la tensión de salida prescrita con el tiempo. T14
Amplificador operacional real: rail to rail: se puede llegar a tensiones de entrada y7o salida que llegan a los límites de la alimentación. Tensión de offset VIO: tensión a la entrada para que la salida sea 0. Es función de la temperatura y la alimentación. Depende de que los transistores sean iguales y/o la corriente que los polariza. Puede ser positiva o negativa. CT(VIO) = uV/C.
Zener compensado en temperatura: Colocar un diodo en serie con el zener que presenta su mismo coeficiente de temperatura pero de signo opuesto. Tensión de referencia elevada (6-7V). Necesita alimentaciones altas, inconveniente. Referencia GAP: En lugar de zener se usa una red de tres transistores. Útiles cuando no se dispone de tensiones de alimentación elevadas y se desea un bajo consumo de potencia. – Se basan en compensar el coeficiente de temperatura negativo de la tensión B-E con el positivo del voltaje térmico VT =kT/q. Su equivalente sigue siendo un zener. Referencia Shunt: tensión de referencia de calidad, que se puede ajustar en un amplio rango de valores utilizando únicamente algunas resistencias exteriores. Internamente suelen estar basadas en una referencia Gap. Fija una Vref entre terminal de referencia y el ánodo. la corriente Iref es muy reducida pero muy inestable con la temperatura. T19
Puente de Wheatstone vs divisor resistivo para acondicionar sensor resistivo. -Desplazamiento al origen de la función de transferencia: se reduce el error en la medida y se puede amplificar la señal sin problemas de saturación. -La tensión de salida es una fuente de tensión balanceada, lo que es bueno para reducir el efecto del acoplamiento de interferencias de tipo capacitivo. Objetivo Wheatstone: 1. Medidas diferenciales: Diferencia entre dos variables. 2. Aumento de sensibilidad en la medida de una variable utilizando más de un sensor. 3. Compensación de errores: eliminar el efecto de variables interferentes que afectan a Ro. 4. Compensación de los efectos de la temperatura en la sensibilidad del sensor. Compensación de interferencia en un puente mediante sensor pasivo: situar un sensor pasivo idéntico al utilizado para realizar la medida, pero no expuesto a las variaciones de la variable que se desea medir y sí a la interferente. T37
27. ^De qué depende el uso de las diferentes configuraciones de un puente en alterna? -Del tipo de componente a caracterizar (L o C); del modelo equivalente que queremos obtener (// o serie); del orden de magnitud de R, L, C y Q; de la frecuencia a la que se quiere caracterizar.
Amplificador diferencial -Amplificar señales diferenciales en presencia de señales comunes indeseadas (habitualmente ruido). El CMR mide la relación entre la amplificación diferencial y la común. 31. Determine, para el amplificador diferencial de la figura, la expresión del CMR en función del valor de sus resistencias. Supuesto que se cumple la condición de CMR ideal, determine la expresión de la ganancia diferencial. 32. Para el circuito anterior, determine el valor del CMR del diferencial en función del CMR del amplificador operacional. -1/CMR = 1/CMR red pasiva + 1/CMR amp 33. Ejercicio transparencia 66. Amplificador de instrumentación. -Ganancia diferencial estable y ajustable mediante una única resistencia; CMRR muy elevado y poco dependiente de la fuente de señal; impedancia de entrada muy elevada; impedancia de salida muy baja; tensión de offset y corrientes de entrada pequeñas y estables.
35. Dibuje el esquema del AI típico basado en 3 operacionales y determine: a)La ganancia diferencial y en modo común de la etapa de entrada. b)La ganancia diferencial y el CMR total del AI como una función del CMR de la etapa diferencial. 36. Analice el efecto de la impedancia de entrada diferencial de un AI. Impedancia de entrada en modo común de un AI. -Impedancia entre las entradas y la referencia. Si no es igual en ambas entradas produce una tensión diferencial debida a Vcm que se suma a la que se desea amplificar, empeorando el CMR total. CMR con cable apantallado para enviar una señal diferencial a la entrada de un AI. -Equivalente a poner un condensador entre ambas entradas. Esto reduce el CMR (lo empeora). Para evitarlo el apantallamiento se conecta al potencial común.
39. Obtenga la expresión de la tensión de Offset total a la entrada de un AI de 3 AO’s en función de la tensión de Offset de cada uno de los AO’s. 40. Obtenga la expresión de la Vo del circuito de la transparencia 81. Ii = 20k ;12=RL;vo=30k-( I!+12) +1 !-20k +30k-( I 1 +12 );Vo= v^4 +60 / Rg) 41. Para el circuito de acondicionamiento de un termopar de la transparencia 83, justifique la función de la resistencia de 1MQ. -Se están referenciando las dos entradas a masa. Se evita que el AI se sature. 42. Analice el conversor I/V de la transparencia 84. 43. Si en una aplicación la Vo de un AI se puede encontrar en el margen ±5V y para este margen presenta una no linealidad de ±100ppm de FE, exprese la no linealidad en n° de escalones de cuantificación de un convertidor A/D de 14 bits que presenta un FE de ±10V cuando digitaliza la señal proporcionada por el AI.
Amplificador de aislamiento– Dispositivo capaz de asegurar el paso fiel de una señal analógica entre dos sistemas manteniendo un aislamiento galvánico entre ambos. Se usa por seguridad o para realizar cierto tipo de medidas.
3 puertos -La alimentación está completamente aislada tanto del circuito de entrada como del de salida. Hay por tanto tres referencias independientes: alimentación, entrada y salida.
Aplicaciones -Protección de equipos: amplificar tensiones diferenciales superpuestas a tensiones en modo común elevadas ; idem si la capacidad de rechazo en modo aislamiento (IMR) es superior al CMR de los amplificadores de instrumentación; para la ruptura de bucles de masa con el fin de evitar problemas de interferencias electromagnéticas. Controlar el camino de retorno de corrientes problemáticas.
Características ampli d aislamiento. Tensión en modo aislamiento V_ISO. Tensión entre las referencias de entrada y salida. La determina el circuito exterior. El máximo lo determina el fabricante y nunca se debe superar. El mínimo lo determinará la aplicación. Rechazo al modo aislamiento. Capacidad de rechazar las variaciones de la tensión soportada en la barrera de aislamiento. Cuantifica la magnitud del acoplamiento que se produce desde la tensión aislada hacia el circuito de señal. El rechazo suele ser elevado en la frecuencia típica de 50Hz. En aplicaciones cuyo objetivo es hacer caer una V_CM en la barrera de aislamiento para que sea fuertemente rechazada, este IMR haría las veces del CMR de un amplificador de instrumentación. Corriente de fugas en la barrera de aislamiento. Corriente entre los terminales de referencia de entrada y salida a través de la barrera de aislamiento. Se debe a la capacidad (1pF) y resistencia (10^12ohm) de fugas. En el total se incluye el efecto del DC/DC que genera la alimentación. Ojo suma corrientes (solo continuas). T91-92
Interferencias de la telemedida en tensión vs corriente. -La telemedida en corriente es mejor que en tensión frente a Interferencias Electromagnéticas. Las interferencias que se acoplan en los cables suelen variar la tensión, no la corriente.
Telemedida en frecuencia. -Alta inmunidad a interferencias electromagnéticas: la señal transmitida es digital en amplitud por lo que presenta margen intrínseco de tolerancia al ruido; Se puede aislar galvánicamente con bajo coste: un opto-acoplador (IRED) -Posibilidad de conversión de la información analógica a información digital con bajo coste.
Integración: contador de pulsos de n bits durante un periodo de CLK, resultando un código binario proporcional a la señal. Frecuencia de muestreo baja. [D] = T_CLK· f_V/F = T_CLK · K·x Medida de frecuencia: contador de pulsos de CLK, durante un periodo de la señal. [D] = f_CLK· T_V/F = f_CLK / K·x. Presenta una respuesta en frecuencia como la de un A/D, pudiendo rechazar frecuencias múltiplo de 1/T_CLK. Fuentes de EMI según su origen. -Naturales: tormentas eléctricas, descargas electroestáticas (ESD). -artificiales intencionadas: radio, wifi, bluetooth. no intencionadas: cualquier otro equipo eléctrico o electrónico y la red de suministro eléctrico. Tipos de acoplamiento-Conducido. Fuente y receptor comparten un conductor eléctrico. Variaciones de corriente por la impedancia de la línea producen variaciones de tensión, principalmente en la red eléctrica y líneas de alimentación de circuitos. Radiado: La interferencia llega a través del aire. (Radiación electromagnética) Pueden producirse ambas a la vez (radiado + conducido).
Frecuencia y Espectro de las señales. Cuanto mayor es la frecuencia de las señales, mayor es su capacidad para producir problemas de acoplamiento de interferencias: En acoplamiento conducido, debido a la mayor impedancia de las líneas. El equivalente de una línea es aproximadamente una inductancia. En acoplamiento radiado, como consecuencia de que los conductores son antenas más eficientes radiando y captando energía electromagnética (relación frecuencia-tamaño antena). La forma trapezoidal de una señal («cuadrada» con tiempo de subida tr) , ayuda a un mayor rechazo de los armónicos (múltiplos impares de la frec. fundamental). -6dB/octava hasta 1/pi·tr que pasa a -12dB/octava.
Modelo eléctrico de un conductor. Resistencia: Función de dimensiones, resistividad y frecuencia (efecto pelicular: en alta frecuencia la corriente circula por la superficie del conductor). Inductancia: Función de las dimensiones.
Acoplamiento conducido o por impedancia común -En circuitos digitales o circuitos con conmutaciones (de potencia. A la salida/entrada de las puertas hay capacidades. Durante las conmutaciones hay variaciones bruscas de corriente por ellas. Estas provocan grandes variaciones de tensión con su conexión a masa (inductancia de línea y del C). Sumamos ruido por la masa.
capacidades de desacoplo Al poner un C en paralelo a la alimentación del circuito, la energía de alta frecuencia se extrae principalmente de él, evitando que pase por la impedancia común de otros circuitos. Se debe colocar cerca del circuito para reducir la inductancia de las pistas, tipo dieléctrico y encapsulado para que tenga baja inductancia (ceramicos multicapa y SMD). valor suficientemente alto para dar los picos de corriente demandados sin provocar caída de tensión, pero no demasiado grande ya que aumenta la inductancia. Al reducir las corrientes de alta frecuencia que circulan por las líneas de alimentación, se reducen también las interferencias radiadas.
acoplo en la red electrica: -La corriente consumida por los equipos circula por la impedancia de la red, produce variaciones de tension vistas por los demas equipos conectados. Para reducir: Buen diseno de sistemas, usar filtros de red.
Acoplo por radiacion: Impedancia característica de una onda: Cociente entre la intensidad de campo electrico (E) y de campo magnético (H). Depende de la fuente que la genera (antena), distancia de observacion (d), frecuencia y medio de propagación. campo cercano (dcampo lejano u ondas planas. la impedancia la marca casi exclusivamente el medio. corriente alta = campo magnético (antena de bucle), tensión alta = campo eléctrico (conductor circuito abierto). Tiempos de subida/bajada altos reducen problemas de interferencias. (ver antes de Modelo eléctrico de un conductor ) Acoplo por campo eléctrico = capacitivo = en modo común. Modelo: C12 entre conductores. Circuito: V1 serie C12 serie (paralelo C2g con R2). R2 = Rs2//RL2 = aprox = Rs2 (idealmente 0). C1g y RL1 en paralelo con V1 no afectan. Filtro paso alto. Para reducir acoplo, transmisión en baja impedancia equivalente, C12 baja (separación entre líneas, blindaje, lineas cortas). transmision diferencial con puente equilibrado (conductores de la transmision interferida próximos y transmisión diferencial balanceada en impedancias), si se cumple, el ruido es visto en modo comun.
Acoplo por campo magnético = inductivo = en modo diferencial. aumenta con la corriente, el area encerrada por esta y su frecuencia. Tambien depende del angulo de las lineas de campo respecto a la normal del area (cos). Para reducir: disminuir area de la transmision interferida, disminuir corriente si es posible, orientar para cos = 0, utilizar blindaje en fuente y/o receptor.
Blindajes barrera al paso de la energía electromagnética realizado con material conductor electrico. efectividad: relacion en dB entre el campo incidente y el que atraviesa, que depende de las caracteristicas del campo y el material dl blindaje. Se puede calcular como S= A+R+B (en dB). A= perdidas por absorción (>0): energia que se transforma en calor. R=perdidas en reflexión (>0). B= correccíón por multi-reflexiones (10dB. Un buen diseño del sistema electrónico evita, en muchos casos, el uso de blindaje. Normalmente se utiliza en ciertos subsistemas problemáticos y en cables de señal. Las perdidas por absorción no dependen de las caracteristicas del campo (excepto frecuencia). Aumenta con espesor, con la f y con el producto conductividad permeabilidad. En baja frecuencia es necesario esto ultimo, pero son caros y problematicos. Reflexion dependen de la impedancia del campo. Cuanto mayor diferencia de impedancias de onda en el aire y en el blindaje, mayor reflexion. Aumentan con conductividad/permeabilidad = buenos conductores. Los campos magnéticos de BF son mu dificiles de apantallar. Por otra parte a baja frecuencia las interferencias que se inducen son pequeñas.
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