En este post, vamos a realizar un programa muy simple que nos va a permitir medir un filtro y visualizarlo con el Serial Plotter. El principio de funcionamiento es bastante sencillo, Debemos realizar un Sweep de frecuencia, esto se hace generando una salida de frecuencia, básicamente un oscilador, que va variando la frecuencia desde un valor bajo a un valor alto, por ejemplo comenzamos con 1kHz y vamos subiendo la frecuencia de forma continua hasta llegar a los 100kHz, esto es a modo ejemplo podrían ser otros valores pero quiero demostrar solamente que lo que necesitamos es variar frecuencia de forma continua y ascendente.
Aquí se puede ver mejor la idea, donde al principio tenemos la frecuencia mas baja y al final (a la derecha) la frecuencia mas alta, pero es un aumento de frecuencia de forma continua. Una vez que logramos generar este Sweep o Tracking de Frecuencia, vamos a inyectar esto en el dispositivo bajo testeo (DUT) que queremos ensayar o medir, por ejemplo un filtro pasa bajos (LPF).
Donde dice Vin vamos a inyectar este Sweep de frecuencias, y donde dice Vout vamos a analizar el comportamiento.
Como podemos ver en la imagen del diagrama de respuesta en frecuencia del filtro, tenemos la mayor magnitud en frecuencias bajas, y a medida que aumenta la frecuencia comienza a bajar.
Si ponemos un voltimetro en la salida Vout, tendríamos que ver esta curva, primero con un valor de tensión máximo y luego a medida que la frecuencia aumenta podremos ver como desciende la tensión. En nuestro circuito utilizaremos un canal analógico para medir la tensión Vout. Entonces, con un canal digital generamos el Sweep de frecuencias y con un canal analógico leemos el valor de salida del filtro.
El programa:
unsignedlong previousMicros = 0;
volatileint interval = 500;
int i=500, j=0;
voidsetup(){
pinMode(7, OUTPUT);
Serial.begin(115200);
}
voidloop(){
while(i!=0){
for(j=0;j<10;j++){
digitalWrite(7, !digitalRead(7));
delayMicroseconds(interval);
}
interval=i;
Serial.println(analogRead(A0));
i--;
}
}
En este programa utilizamos el Pin 7 como salida de Sweep, y el pin A0 como entrada del ADC.
En este proyecto vamos a realizar un método para utilizar amplificadores operacionales con fuente simple, es decir entre +V y GND. Esta es una opción muy interesante cuando no se tiene una fuente simétrica o cuando queremos realizar algún circuito de dimensiones reducidas donde no queremos agregar mucha electrónica para compensar esta fuente. Si bien hay operacionales dedicados para trabajar con fuente simple como el viejo LM358, también podemos hacerlo con los demás operacionales. La manera mas sencilla de entender esto es en primer paso, saber que una señal alterna posee un semicilo positivo y uno negativo.
En donde el negativo ya sabemos que no lo vamos a poder reproducir si no tenemos una fuente simétrica. Entonces la forma mas sencilla para tratar esta señal sin omitir un semicilo es montando esta alterna en una continua.
Entonces cuando montamos la Alterna en la continua nos quedara de la siguiente manera.
Como se puede ver tenemos la Alterna montada sobre la continua. Supongamos una señal alterna de 1kHz y 1Vpp, entonces tendremos un semicilo de 500mV y el otro de -500mV. Ahora supongamos una continua en 2.5V (para que sea sencillo el calculo de Vcc/2 si alimentamos el amplificador con 5V). En el ultimo gráfico suponemos 2.5V de continua y 1Vpp de AC. Si medimos el mínimo y el máximo, tendremos Vmax: 2.5V+500mV=3V y Vmin: 2.5V-500mV=2V, entonces tenemos una señal que oscila entre 2 y 3V, como podemos ver es la mima señal que antes oscilaba entre -500 y 500mV, pero ahora la hemos desplazado hacia arriba en 2.5V. Al trabajar de esta manera mantenemos la misma señal senoidal, pero lo que antes era el semicilco negativo, ahora se mantiene por encima de los 0V y podemos trabajar con nuestro operacional con fuente simple. Ustedes estarán pensando que la señal original que tenían era de -500mV a 500mV, y que hay que montarla en DC, bueno en realidad la señal original no hay que tocarla, ya que esta sera acoplada mediante capacitores. Luego en el operacional fijaremos estos 2.5V y a la salida del operacional obtendremos esta alterna montada en continua, pero para obtener otra vez el ciclo negativo de la senoidal, debemos utilizar nuevamente el capacitor de salida, el capacitor recordemos que elimina la parte continua de la señal.
Si en lugar de poner R3 y R4, ponemos un potenciometro de 50k, podremos ir variando esta tensión continua, este offset, y podremos ver como llevamos la alterna de una punta a la otra del eje de tensión. Hay que tener en cuenta que el LM358 no es Rail To Rail, lo cual la tensión de salida es menor a la tensión de alimentación. Si necesitamos que la tensión de salida se encuentre cercana a la de salida tendremos que utilizar el LMV358, u otro Rail To Rail como el MCP6002.
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En este proyecto vamos a realizar de forma improvisada (sin realizar cálculos) ya que después quiero hacer una versión bien sintonizada y analizar las diferencias entre una y otra. El principio de funcionamiento es relativamente simple Tenemos un circuito RLC resonante, donde podríamos analizarlo como un transformador de relación elevadora, donde tenemos una relación de transformación muy grande. Por ejemplo de 1:300, ya que por ejemplo tendremos unas 3 o 4 espiras de primario y unas 1000 de secundario. Usualmente uno imagina que va a utilizar un transformador elevador cuando posee una tensión baja y se requiere elevar a un nivel mayor. Pero en este caso, el primario (de pocas espiras) lo alimentaremos con alta tensión. Es decir, vamos a utilizar una fuente generadora de alta tensión (por ejemplo unos 10kV) y con ese nivel de tensión vamos a alimentar el primario, Pero no podemos alimentar el primario asi nada mas, debemos ingresar estos 10kV en un circuito RLC o LC, en este caso vamos a eliminar la R (existe en los cables, conexiones, componentes, etc, pero vamos a eliminarlo para que sea mas sencillo). Entonces, vamos a cargar el capacitor con alta tensión (estos capacitores deben soportar esta tensión y mas), una vez que los capacitores realicen su carga debemos descargarlo, entonces para ello vamos a usar un SparkGap o Explosor (esto es dos terminales a una determinada distancia para que se produzca la descarga eléctrica). Una vez que la tensión en el capacitor alcanza un valor de tensión determinado, se descargara mediante este SparkGap, en el momento en donde se descarga, es el momento en donde se produce la FCEM en el primario Tesla, y se genera inducción en el secundario. Los valores de inductancia y capacitancia para que el circuito entre en resonancia, es función tanto de estos compoenentes pasivos como también de la descarga eléctrica de los capacitores en el sparkgap, ya que si le dejamos una distancia corta el capacitor descargara mas rápido. Hay mucho que calcular, pero en resumen este es el funcionamiento de base. No nos olvidemos que el secundario Tesla también tiene un capacitor en paralelo, este capacitor es el mismo dieléctrico del aire (aunque parezca algo despreciable, hay que calcularlo para que sea un circuito resonante).
En el diagrama podemos ver la fuente de Alta Tensión, el SparkGap que debemos ajustar su distancia para ajustar la descarga de los capacitores (usualmente varios capacitores en serie de alta tensión).
La bobina primaria Lp y la bobina secundaria Ls, también podemos ver el Descargador de alta tensión, si dejamos el extremo del alambre de la bobina obtendremos la salida de alta tensión y alta frecuencia Tesla, pero si agregamos una bola (que sea una esfera sin puntas o lados rectos) realizaremos un capacitor electrostático que aumentara aun mas la tensión de salida.
Hasta aquí son solo bobinas y capacitores, pero tal vez algo complicado de obtener sea la fuente de alta tensión, en las bobinas tesla mas populares se suele emplear un transformador para lamparas de neon (esto proporcionan entre 10kV y 20kV, también entre una corriente de 10mA y 200mA) estos son bastante letales... hay que tener cuidado al utilizarlo.
Pero en mi caso no lo tengo, por lo que utilice un transformador estandar de 220V a 12V 300mA, que esta utilizado de forma invertida, es decir ingreso 12V y obtengo los 220V (esto es si utilizamos senoidal en la entrada de 12V).
En mi caso he utilizado un 555 con un transistor de potencia para hacer oscilar el primario de este transformador de 12 a 220V, entonces aqui no tenemos senoidal, tenemos una continua pulsante, entonces la tensión de salida ya son mas de 220V sino entre 1kV y 3kV aproximadamente.
Con esto ya podemos alimentar el circuito LC del primario Tesla.
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