UNIVERSIDAD ICEL• INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

• DEFINICIONES

• PROFESOR : ROBERTO BADILLO TRISTAN

• ALUMNO: JORGE GIRIDHARI AVILA RUIZ

• ASIGNATURA : ELECTRONICA

TRANSDUCTORES

• Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida.

• El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen cierta cantidad de energía por lo que la señal medida resulta atenuada.

• Un transductor electroacústico es aquel dispositivo que transforma la electricidad en sonido, o viceversa.

• Son ejemplos de este tipo de artefactos son los micrófonos: estos son transductores electroacústicos que convierten la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje), un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario: un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.

• La transducción o transformación de energía, se hace en dos fases. El modelo teórico de un transductor electroacústico, se basa en un transductor electromecánico y un transductor mecánico-acústico. Esto significa, que se estudia por un lado la transformación de la energía eléctrica en mecánica, ya que se genera un movimiento, y por otro lado se estudia la transformación de la energía mecánica en acústica, ya que el movimiento genera energía acústica.

• Un transductor electromagnético es un transductor que transforma electricidad en energía magnética o viceversa. Por ejemplo, un electroimán es un dispositivo que convierte la electricidad en magnetismo o viceversa (flujo magnético en electricidad).

• A veces este término es empleado erróneamente como sensor electromagnético, como los sensores de distancia de los taxímetros.

• El transductor electromecánico es un tipo de transductor que transforma electricidad en energía mecánica, o viceversa.

• Un ejemplo puede ser cuando una bocina captora recoge las ondas sonoras y las convierte en energía, o cuando la cápsula fonocaptora de un tocadiscos produce corrientesoscilantes producto de las vibraciones recogidas por la púa, también cuando un generador de energía es movido por una fuerza motriz (generalmente natural como las corrientes de agua o vientos), este entonces transforma esa energía mecánica en energía eléctrica.

• Estas variaciones resultantes (ya sean eléctricas o magnéticas, dependiendo de la naturaleza del transductor), proporcionan (mediante un nuevo proceso de transducción) energía mecánica necesaria como para hacer girar un motor eléctrico o producir el movimiento de la aguja encargada de trazar el surco sobre el disco o cilindro durante el proceso degrabación mecánica analógica.

• Algunos llaman transductor a los sensores de distancia de los taxímetros, también utilizados en los vehículos nuevos para medir la velocidad. Este nombre es incorrecto por dos motivos:

• La finalidad no es la conversión de la energía, sino la recepción de las señales, por eso se le llama sensor.

• Realmente no transforman la energía mecánica, sino que captan el movimiento por medio de otros métodos.

• Un transductor electrostático consiste en una membrana, normalmente mylar metalizado, cargada eléctricamente que hace la función de diafragma y que se mueve por la fuerza electrostàtica que se produce al variar la carga de dos placas entre las que se encuentra.

• El transductor fotoeléctrico es un tipo de transductor que transforma luz en energía eléctrica o viceversa, por ejemplo es una cámara fotográfica digital. Estas vibraciones resultantes (ya sean eléctricas o lumínicas, dependiendo de la naturaleza del transductor), son importantes en los sistemas.

• Los transductores magnetoestrictivos son todos aquellos que basan su funcionamiento en el fenómeno de la magnetoestricción. Éste es un fenómeno reversible que se basa en el acoplamiento de fuerzas mecánicas y magnéticas, de manera que un material de este tipo ante la presencia de un campo magnético sufre ciertas modificaciones en su estructura interna, lo que produce pequeños cambios en sus dimensiones físicas. También una deformación de dicho material produce una variación de la inducción magnética.

• Su campo de aplicación es en emisores y receptores acústicos submarinos e industriales:

• Sonar.• Hidrófonos.• Proyectores de ultrasonidos de alta potencia.• Son transductores piezoelétricos aquellos que basan su funcionamiento

en el fenómeno de la piezoelectricidad. Para su fabricación se utilizan materiales cerámicos como el Titano de Bario, aunque en un principio se usaban el Cuarzo o la Sal de Rochelle.

• Mediante el efecto piezoelétrico directo a través de una fuerza externa se logra un desplazamiento de cargas lo que induce una corriente de desplazamiento y ésta un campo eléctrico. Éste es el fundamento de, por ejemplo, los micrófonos piezoeléctricos. Mientras que los altavoces piezoeléctricos aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso, mediante el cual a través de un campo eléctrico (DDP externo) se produce una deformación mecánica, que convenientemente aprovechada, puede llegar a emitir sonidos.

• Los aparatos que deben su funcionamiento al proceso de transducción piezoeléctrica, como los acelerómetros, mandos a distancia por ultrasonidos, ciertos sistemas sonar y muchos más aparte de los mencionados anteriormente.

GALGAS

• ¿Qué es una galga extensiométrica?

• Una galga extensiométrica es un sensor cuya resistencia varía con la fuerza aplicada; convierte la fuerza, presión, tensión, peso, etc, en un cambio de la resistencia eléctrica el cual puede ser medido.

• Principios de las galgas extensiométricas

• Cuando se aplica una fuerza externa a un objeto estacionario, se produce tensión y estrés sobre él. El estrés se define como las fuerzas internas de resistencia del objeto, y la tensión se define como el desplazamiento y la deformación que se producen.

La galga extensiométrica es una de las herramientas más importantes en la técnica aplicada de medición eléctrica de magnitudes mecánicas. Como su nombre indica, se utiliza para la medición de tensiones. "Tensión" como término técnico consiste en la deformación por tracción y compresión, que se distingue por un signo positivo o negativo. Por lo tanto, las galgas extensiométricas se puede utilizar para medir la expansión y la contracción.

• La tensión de un cuerpo siempre es causada por una influencia externa o un efecto interno. La tensión puede ser causada por fuerzas, presiones, momentos, calor, cambios estructurales del material o efectos similares. Si se cumplen determinadas condiciones, la cantidad o el valor de la cantidad se puede calcular con el valor de tensión medido. En el análisis experimental de la tensión, esta característica es usada ampliamente. El análisis experimental de la tensión utiliza los valores de tensión medidos en la superficie o en alguna parte estructural del cuerpo, para indicar la tensión en el material y también para predecir su seguridad y la resistencia. Se pueden diseñar transductores especiales para la medición de las fuerzas o de otras magnitudes derivadas, por ejemplo, momentos, presiones, aceleraciones y desplazamientos, vibraciones y otros. El transductor contiene generalmente un diafragma sensible a la presión, con galgas extensiométricas unidos a la misma.

• Galgas extensiométricas confinadas en papel metálico (bonded foil)

• La primera galga con cables metálicos fue desarrollada en 1938. La galga extensiométrica confinada en papel metálico consiste en una red de filamento de alambre (una resistencia) de espesor de aproximadamente 0,025 mm, unido directamente a la superficie de la galga por una fina capa de resina epoxy. Cuando se aplica una carga a la superficie, el cambio resultante en la longitud de esta, se refleja en la resistencia. La deformación correspondiente se mide en términos de la resistencia eléctrica del alambre de aluminio, que varía linealmente con la tensión. La lámina y el agente de adhesivo deben trabajar juntos en la transmisión de la presión.

• El adhesivo sirve, de igual modo, como un aislante eléctrico entre la rejilla y la superficie de la lámina. Cuando se selecciona una galga extensiométrica, se debe considerar no sólo la capacidad de medir la presión que tiene el sensor, sino también su estabilidad y sensibilidad a la temperatura. Desafortunadamente, los materiales ideales para medir la presión, son también los mas sensibles a las variaciones de temperatura y tienden a cambiar la resistencia a medida que envejecen.

• Para pruebas de corta duración, esto puede no ser una preocupación seria, pero para la medición industrial continua, se debe considerar la compensación de la temperatura.

• Circuitos de medida

• Con el fin de medir la deformación con una galga extensiométrica resistiva, esta debe estar conectada a un circuito eléctrico que sea capaz de medir los cambios en la resistencia correspondientes a la tensión. Los transductores de galgas extensiométricas, normalmente, emplean 4 galgas conectadas eléctricamente en lo que se conoce como circuito de puente de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito utilizado para la medición de la resistencia eléctrica estática o dinámica. La tensión de salida del puente de Wheatstone se expresa en milivoltios de salida por voltaje de entrada. El circuito de Wheatstone es también muy adecuado para la compensación de temperatura. El número de medidores de deformación activos que deben ser conectados al puente depende de la aplicación. Por ejemplo, puede ser útil para conectar galgas que están en lados opuestos de una viga, una en compresión y la otra en tensión. En esta disposición, se puede doblar el valor de la salida para una misma presión. En instalaciones en las que todos los brazos están conectados a las galgas extensiométricas, la compensación de temperatura es automática, ya que los cambios de resistencia debido a variaciones de temperatura será la misma para todos los brazos del puente.

MEDIDORES DE TEMPERATURA• Medir la temperatura es relativamente un concepto nuevo.

Los primeros científicos entendían la diferencia entre 'frío' y 'caliente', pero no tenían un método para cuantificar los diferentes grados de calor hasta el siglo XVII.La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto. Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia.

• INSTRUMENTO DE MEDICIONUn instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión.Dos características importantes de un instrumento de medida son la precisión y la sensibilidad.Instrumentos para medir temperatura:* termómetro* termopar* pirómetro

Termómetro.- Actualmente existen los siguientes tipos de termómetros para la medición de temperatura

• La radiación luminosa• La luz es un tipo de energía llamada energía radiante, que se

desplaza en el espacio en forma de onda electromagnética, igual que las ondas que se producen en un estanque cuando se tira una piedra al agua. Las ondas se mueven en todas direcciones a partir del punto de origen.

• Las diversas fuentes de radiación electromagnética (ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X, etc) se diferencian por su frecuencia y su longitud de onda.

• La luz es producida por la emisión de energía que realiza el átomo de un material cuando se le excita suministrándole energía térmica, química u otro tipo de energía. Las partículas emitidas reciben el nombre de fotones, y la luz consiste en un flujo de estos fotones.

• Cuando la energía interacciona con algún material, tiene lugar un proceso de conversión de energía. Cuando un material convierte una fracción de energía en luz, se tiene una "fuente luminosa". Analizaremos solo las fuentes de luz a semiconductores.

• De ellas el elemento que más se utiliza es el diodo semiconductor LED (diodo de emisión de luz).

Diodos Fotoemisores (LED)

Electricamente, es un dispositivo de dos terminales que conduce, como todos los diodos, en una sola dirección. La mayoría de las junturas PN emiten una cierta cantidad de radiación en condiciones de polarización directa.

Sin embargo, el rendimiento de la salida de radiación frente a la potencia eléctrica de entrada es normalmente baja, siendo difícil detectar la radiación.

• Un diodo fotoemisor es un dispositivo con una juntura PN que se ha diseñado específicamente para emitir radiación en una cierta porción del espectro cuando se le aplica tensión de polarización directa. El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado.El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

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Principio de Funcionamiento:

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente).

Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

• La radiación se produce como resultado de la recombinación de electrones y huecos dentro de la pequeña región de carga espacial alrededor de la juntura. Esta recombinación es similar a lo que sucede cuando un electrón de nivel energético alto pasa a un nivel energético inferior.La longitud de onda de la radiación emitida depende del salto de energía del material sustrato y de los niveles de energía de los materiales de impurezas.

• Existen diodos que emiten radiación en la zona infrarroja del espectro, mientras que otros cubren la zona del espectro visible (LED’s).

• Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

• Las aplicaciones de los LED’s van desde dispositivos electroluminiscentes, indicadors de encendido, de potencia de salida, lecturas de tarjetas, conmutación electro-óptica, iluminción, comunicaciones, alarmas, circuitos de control, etc.

Cristales Líquidos

Es importante considerar que se puede cnotrolar no sólo la fuente y el detector de energía luminosa, sino también el medio por el que ésta se transmite.

• Los cristales líquidos (LCD), más que fuentes de luz, son filtros de luz, no emite ningún tipo de radiación. Simplemente controla el medio a traves del cual se propaga la luz. Esto se obtiene utilizando dos placas polarizantes entre las que hay un estato de cristal líquido. Cuando se aplica una tensión entre las placas polarizantes, la dirección de polarización del cristal líquido varía de tal forma que la luz puede ser reflejada por el cristal o pasar a través de él.

• Cuando no se aplica ninguna tensión, las moléculas del cristal líquido, representadas en forma ovalada en la figura siguiente, se orientan de tal forma que la luz atraviesa el material. Cuando se aplica una tensión, los cristales entre los planos conductores se desorientan de tal forma que la luz se refracta, como se ve en la figura (b). El resultado es que la región del display a la que se aplica la polarización aparece opaca.

• Si uno de los planos se pone detras del display, absorbe la luz que lo atraviesa y, por eso, el área sin polarización le parece negra al observador. Se puede notar un contraste producido por la diferente reflectividad de la zona de la derecha y de la izquierda.

• Estructurando de forma adecuada los planos de polarización, se pueden obtener números, letras o símbolos especiales, según la disposición de los electrodos, dirigidos por circuitos de control.

• La mayor ventaja de estos displays LCD es que la potencia que consumen es muy pequeña (pocos microvatios), ya que no producen luz y las tensiones de funcionamiento son bajísimas. Por lo tanto, pueden ser controlados directamente por cualquier circuito lógico de baja tensión, popr circuitos integrados multifunción o por microprocesadores.

• El mayor inconveniente es que tiene que haber luz ambiente para poder determinar el contraste. Además, los resultados empeoran con la temperatura. Las bajas temperaturas hacen más lento el tiempo de respuesta y las altas temperaturas pueden causar pérdidas en la difusión que produce la polarización.

• Los displays de cristal líquido se utilizan en calculadoras de mesa y en relojes, porque absorben muy poca potencia eléctrica.

• Láser• Los láser se incluyen en el grupo de fuentes de luz de

semiconductores, porque también emplean materiales monocristalinos.

• La principal característica de la luz que produce un laser es que los rayos luminosos están en fase (coherentes), viajan en el espacio en la misma dirección y son esencialmente de la misma longitud de onda o color (monocromáticos). Como consecuencia, un rayo láser no diverge de modo significativo durante su propagación, e incluso, en el aire, mantiene una elevada densidad de energía.

• En síntesis, el láser produce una luz coherente a una sola frecuencia, con un haz muy fino, y tiene muchas aplicaciones en las comunicaciones, en los procesos industriales, en las técnicas médicas y quirúrgicas y en la investigación.

• Ultimamente se han introducido en el mercado videodiscos que se pueden leer solamente con el láser. Como no existen contactos entre el disco y el aparato láser, el disco se puede escuchar muchas veces sin que se produzcan las distorsiones que a la larga causa la utilización de la aguja en los surcos de los discos tradicionales.

Celdas Fotoconductivas

Son diodos en los cuales la resistencia disminuye a medida que aumenta la cantidad de luz incidente sobre la superficie del material.

El material fotosensible, sulfuro de cadmio o sulfoseleniuro de cadmio, se deposita normalmente en forma de serpentina sobre un sustrato cerámico, conectándose en cada extremo a un electrodo. Se protege el área fotosensible, de la humedad mediante una ventana de vidrio y una caja metálica.

• En funcionamiento normal la celda fotoconductiva se conecta en serie con la fuente de alimentación.

• Si el flujo luminoso incidente aumenta, entonces aumentará la corriente en el circuito.

• Una de las características más importantes de una fotocelda es su resistencia en función del flujo lumínico.