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16/09/2008 #1


Reto para aventureros: Descubrir x analisis de ctos el pq de este comportamiento
Hola a todos, me gustaría que me echarais un cable para poder entender analizando los dos circuitos el por qué de su comportamiento, os comento:

- Se trata de una configuración en Colpitts utilizando un AO (opa357)

El archivo cto1.jpg muestra la configuración diseñada

EL archivo cto2.jpg muestra la modificación realizada

Pues bien, realizando numerosas pruebas con un medidor de LCR y jugando con la bobina L he realizado una serie de experimentos para ver como se comportaba el oscilador variando la inductancia y posteriormente fijando ciertas inductancias (del orden de 6 a 20 uH) e ir aumentando una resistencia en serie (de 1 hasta 10 ohm).

Mi sorpresa es la siguiente:
En el cto1 a poco que aumente la resistencia (como máx 5 ohm) el oscilador deja de arrancar, ya que la señal se va atenuando progresivamente

Y misteriosamente en el cto2 por mucho que aumente la resistencia solo se ve afectada la frecuencia (a mayor resistencia menor frecuencia para una L constante).


El caso es que llevo dándole vueltas al asunto y no comprendo la diferencia, porque si se supone el principio de cortocircuito virtual, tendria masa en ambas patas, la inversora y la no inversora... y no termino de explicar el por que de esta situación.

También he probado quitando la resistencia en serie con el potenciómetro para el cto2y sigue funcionando (la frecuencia se afecta un poco y la señal sale en el osciloscopio mas "bonita").

El objetivo de la resistencia en serie con el potenciómrtro es para ajuste de ganancia en función de la relación R1 y R2.

Os agradecería un montón si me podeis echar un cable, porque llevo tiempo dándole vueltas y no lo entiendo, y la verdad es que me gustaría verle el sentido aplicando la teoría por análisis de circuitos.


Un saludo. Si necesitaís más información para poder calcularlo decírmelo, pero analizando el circuito con impedancias, tanto de L como de C sin sustituir valores es suficiente y ver si el resultado final se corresponde con los experimentos descritos
07/10/2008 #2
Moderador general

Avatar de Fogonazo

En el segundo esquema ¿ Para que sirve P2 ?

¿ Se te ocurrió que el simulador podría estar haciendo algo extraño y la simulación no tenga nada que ver con la realidad ?
07/10/2008 #3

Avatar de Eduardo

Re: Reto para aventureros: Descubrir x analisis de ctos el pq de este comportami
mizzard dijo:
...Mi sorpresa es la siguiente:
En el cto1 a poco que aumente la resistencia (como máx 5 ohm) el oscilador deja de arrancar, ya que la señal se va atenuando progresivamente
No tiene nada de raro. En todo oscilador necesitas una ganancia minima para que mantenga la oscilacion y con esos valores es un milagro que lo haga.

Con una inductancia de 20uH la frecuencia natural de oscilacion es del orden de los 100kHz, la reactancia inductiva a esa frecuencia es de ~10 ohms --> poniendo una resistencia de 240 ohms en serie queda de adorno la inductancia.

El criterio 'de facto' en diseño de este tipo osciladores es que a frecuencia de resonancia las reactancias sean entre 100 - 200 ohms. Salvo logicamente casos como tratarse de un oscilador de potencia.

Tambien, si queres que el oscilador sea decente --> tenes que cuidar el Q. Son recomendables valores de 10 para arriba. En tu caso es de ~ 0.04

Y misteriosamente en el cto2 por mucho que aumente la resistencia solo se ve afectada la frecuencia (a mayor resistencia menor frecuencia para una L constante).
El caso es que llevo dándole vueltas al asunto y no comprendo la diferencia, porque si se supone el principio de cortocircuito virtual, tendria masa en ambas patas, la inversora y la no inversora... y no termino de explicar el por que de esta situación.
Mandando a masa ese punto ,lo que te quedo formado es un comparador --> ahora te quedo un oscilador no-lineal (la inductancia casi no influye porque es demasiado baja).
07/10/2008 #4


No comprendo
Hola a todos, el objetivo principal del circuito es detectar las variaciones de una cinta, para ello se me ocurrio utilizar un oscilador colpitts y jugando con los valores de L, conseguir una oscilacion variable a la salida.

Repito que ambos montajes fueron realizados en la práctica, en ningún caso en simulación.

No tiene nada de raro. En todo oscilador necesitas una ganancia minima para que mantenga la oscilacion y con esos valores es un milagro que lo haga.

Con una inductancia de 20uH la frecuencia natural de oscilacion es del orden de los 100kHz, la reactancia inductiva a esa frecuencia es de ~10 ohms --> poniendo una resistencia de 240 ohms en serie queda de adorno la inductancia.

El criterio 'de facto' en diseño de este tipo osciladores es que a frecuencia de resonancia las reactancias sean entre 100 - 200 ohms. Salvo logicamente casos como tratarse de un oscilador de potencia.

Tambien, si queres que el oscilador sea decente --> tenes que cuidar el Q. Son recomendables valores de 10 para arriba. En tu caso es de ~ 0.04
No entiendo a qué te refieres, mi cinta fabricada a mano tiene una inductancia a proximada de 10 uH y al estirarla modifico las espiras variando asi su propia inductancia, por lo que la frecuencia del oscilador varía (y es exactamente lo que pasa). Lo que necesito saber es el por qué de este comportamiento analíticamente y ver si ese diseño aunque funcione, saber si es incorrecto en mi aplicación y cómo podría solucionarlo.


Cita:
Y misteriosamente en el cto2 por mucho que aumente la resistencia solo se ve afectada la frecuencia (a mayor resistencia menor frecuencia para una L constante).
El caso es que llevo dándole vueltas al asunto y no comprendo la diferencia, porque si se supone el principio de cortocircuito virtual, tendria masa en ambas patas, la inversora y la no inversora... y no termino de explicar el por que de esta situación.

Mandando a masa ese punto ,lo que te quedo formado es un comparador --> ahora te quedo un oscilador no-lineal (la inductancia casi no influye porque es demasiado baja).
La idea fundamental es detectar esas minúsculas variaciones de inductancia transformadorrmándolas en variaciones de frecuencia. Con este integrado me he dado cuenta que si quiero hacer el diseño con baterías tengo un problema a la hora de poder extraer -3.3V, y eso requiere de electrónica añadida. Aunque por el momento no es que sea un gran problema si que me gustaría en un futuro trabajar con un AO que pueda funcionar con 3.3V y masa, alguna recomendacion?

Muchisimas gracias por vuestra colaboración, si necesitais más información, estaré encantado de proporcionarla.

Espero vuestra respuesta impacientemente, , un saludo!
07/10/2008 #5


Pido disculpas, tengo que revisar los esquemas porque me parece que con el nerviosismo me he equivocado, en seguida los cuelgo bien,
07/10/2008 #6


Esquemas buenos
Hola, de nuevo mis disculpas por colgar unos esquemas que eran erróneos..., el problema es que encontré el esquema teórico (teoria.jpg) y al pasar mi esquema de esa forma me equivoque.


Cuelgo los nuevos esquemas, las dudas siguen siendo las mismas:

- Diferencias entre el montaje 1 y montaje 2 si estoy llevando a masa el pto del potenciometro
- Por qué el montaje 2 funciona mejor para mis necesidades.
- Realmente el montaje es correcto? o debería tener en cuenta algunas consideraciones (explicado con fórmulas paso a paso que lo demuestre).

- Alguna solución para el problema de la alimentación negativa (-3.3 V)?, resolver mismo problema planteado pero con otro integrado que no maneje tension negativa.


Muchisimas gracias, cualquier duda me lo comentais y os paso la información que necesiteis
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07/10/2008 #7

Avatar de Eduardo

Re: Esquemas buenos
mizzard dijo:
Hola, de nuevo mis disculpas por colgar unos esquemas que eran erróneos..., el problema es que encontré el esquema teórico (teoria.jpg) y al pasar mi esquema de esa forma me equivoque.

Cuelgo los nuevos esquemas, las dudas siguen siendo las mismas:...
Aun asi, las conclusiones son las mismas: En el primer caso la oscilacion se te extingue por falta de ganancia y en el segundo oscila porque te quedo un oscildor no-lineal, ya no es un Colpitts.
Y ademas el Q de esa bobina sigue siendo un asco. 10 ohm de resistencia para 20uH es muchisimo --> usa algo mas grueso miserable! ;-)


Para lo que queres hacer te conviene usar directamente un oscilador no-lineal con compuertas. Resultan menos componentes y tenes mayor rango de variacion.

Ejemplo:
El esquema es oscila en el orden de los 200kHz.
Los 74HC14 en paralelo estan para tener mayor capacidad de corriente debido al bajo valor de inductancia. Igualmente, conviene que le des a la bobina la mayor cantidad de vueltas que puedas (20uH es muy poco, salvo que trabajes a frecuencias de 10MHz para arriba)
El 74HC14 extra esta para que no molesten las capacidades parasitas debidas al circuito de medicion. Si es algo fijo, puede sacarse y sumarse a los otros.
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07/10/2008 #8


No me sirve
Hola, muchas gracias por la respuesta, pero lo acabo de probar y efectivamente oscila, pero no detecto las variaciones de 1uH que tengo en la cinta.

No puedo utilizar otro material conductor demasiado mas grueso porque es para implementar en un tejido (camiseta con la electrónica incorporada y las espiras iran rodeando el pecho, por lo que la inductancia obtenida será muy pequeña.


NOTA: He usado el cd40106bcm, un C 100 nF cerámico y observo la salida en abierto, la f de oscilacion es de 10.91 KHz


Un saludo!
07/10/2008 #9

Avatar de Eduardo

Re: No me sirve
mizzard dijo:
....NOTA: He usado el cd40106bcm, un C 100 nF cerámico y observo la salida en abierto, la f de oscilacion es de 10.91 KHz
El 40106 te serviria si la inductancia fuera de superior a 2mH.
20uH significa una reactancia demasiado baja a esa frecuencia --> necesitas el 74HC14.

Por otro lado, como sabes que la inductancia ronda ese valor?
Que dimensiones y vueltas tiene la bobina?
Con que estas midiendo la frecuencia de oscilacion?
07/10/2008 #10


Frecuencia con un osciloscopio digital de la marca tektronix y la inductancia con un medidor LCR de Hameg (material de la universidad),

La cinta tiene las siguientes características (PDF).

La cinta se abrocha por los puntos negros (remaches metalicos) y con un par de cables los uno al cto.

La cinta es élástica de mercería.

Te agradezco enormemente todo el apoyo mostrado, pero me gustaría, si no es mucha molestia, que me explicases el funcionamiento del cto que me mandaste (el del 74HC14) y en qué te basas mirando las hojas de características para que así aprenda a observar los parámetros que me interesan y saber descartar cuando tengo que utilizar un componente o no.

Muchas gracias (en cuanto pueda me haré con ese integrado y seguiré expirementado, ya te comento si quieres)
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Tipo de Archivo: jpg dibujo_485.jpg (83,2 KB (Kilobytes), 13 visitas)
07/10/2008 #11


Sería este el integrado que me recomiendas?, lo digo para hacer el pedido y probarlo cuanto antes.

Me podrías indicar en este PDF en donde se destaca el parámetro que busco para hacer que el integrado sea sensible a mis varaciones de inductancia y el otro no?

Que ganas de aprender!, jeje

Un saludo!
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Tipo de Archivo: pdf 74hc_hct14_3_190.pdf (120,6 KB (Kilobytes), 7 visitas)
07/10/2008 #12

Avatar de Eduardo

La cinta tiene las siguientes características (PDF).
La cinta se abrocha por los puntos negros (remaches metalicos) y con un par de cables los uno al cto.
La cinta es élástica de mercería.
? ? ? Para que es esto?

... que me explicases el funcionamiento del cto que me mandaste (el del 74HC14)
Ese tipo de oscilador con schmitt trigger no tiene mucha ciencia, una descripcion la tenes aca: http://r-luis.xbot.es/edigital/ed08.html
Es algo que oscila "hasta bajo el agua", reemplazando la resistencia por una inductancia el principioo de funcionamiento es el mismo, solamente que ahora (debido a la inductancia) la tension en la entrada del inversor tomara valores mas alla de los limites VT+ y VT-.

y en qué te basas mirando las hojas de características para que así aprenda a observar los parámetros que me interesan y saber descartar cuando tengo que utilizar un componente o no.
Si en ese oscilador (74HC14) pusieras un inversor 'ideal', te encontrarias que por la bobina circularian 'unos cuantos' miliamperes. Y quien los aporta?... pues el inversor.
Por lo tanto si usaras un 40106 estarias bastante corto porque la capacidad de cada salida es ~1-2 mA por compuerta (Output sink/source current) mientras que un 74HC14 son 25mA.



Pero tu problema no se soluciona eligiendo osciladores, porque estas usando una bobina con un Q bajisimo (Q = wL/Rbobina), eso significa que un oscilador lineal hecho con esa 'cosa' sera un milagro que oscile (es puro amortiguamiento). Y un oscilador no lineal sera bastante malo porque la frecuencia de oscilacion dependera mucho mas de la resistencia de la bobina que de su inductancia.


Haciendo una analogia mecanica con esa bobina de bajo Q. Es lo mismo que si quisieras hacer un reloj de pendulo y al pendulo en lugar de dejarlo en el aire lo sumergis en aceite.



Si no mejoras esa bobina te va a convenir usar un puente de Maxwell y medir la diferencia de fase ante un desequilibrio.
08/10/2008 #13


Cita:
La cinta tiene las siguientes características (PDF).
La cinta se abrocha por los puntos negros (remaches metalicos) y con un par de cables los uno al cto.
La cinta es élástica de mercería.


? ? ? Para que es esto?

Se trata de un prototipo casero para poder detectar con un microcontrolador las variaciones a la hora de estirar la cinta, con el objetivo, por ejemplo, de ver cuando una persona inspira o espira.


Obviamente estoy de acuerdo contigo que la "bobina" de la cinta no es de mucha calidad, pero teniendo en cuenta que es para incorporarla en un tejido y que eso lo llevará una persona puesta, pues obviamente estoy bastante limitado. También había pensado diferentes tipos de bobinado o con varias bobinas con el objetivo de aumentar esa inductancia y poder detectar las vaciaciones lo mejor posible.

Hoy por hoy lo tengo todo montado y funcionando, la duda original del punto llevado a masa del potenciómetro del oscilador que comentaba al principio del foro surgió tras una mala soldadura intentando realizar el montaje 1, y hasta que no me di cuenta creía que todo funcionaba correctamente. Al realizar posteriores placas fue cuando me di cuenta de eso y realize los experimentos para ver por que con ese punto llevado a masa si que funciona y sin conectar ese punto a masa no.

De ahí en que insista en saber si con el punto a masa sería un montaje correcto o el oscilador sufriria a largo plazo.

La opción que me planteas utilizando las puertas de trigger smitch 74hc14d es una opción muy interesante puesto que con el oscilador que tengo ahora mismo funcionando necesito obtener una tensión negativa y estoy interesado en probarlo para ver si el resultado es similar al que obtengo con mi montaje y si encima me ahorro la electronica adicional para obtener esa tensión negativa a partir de una positiva pues mucho mejor

Voy a hacer el pedido de ese integrado para ver si la semana que viene puedo seguir haciendo pruebas. Mientras tanto intentare depurar el diseño, darme cabezazos a ver si explico el funcionamiento del oscilador o si conviene cambiar la parte de oscilador (cuanta menor sea la electrónica total mucho mejor) y ya comentaré los avances.

Lo que sí que me gustaria si no es mucho pedir es recalcar lo que marcado con letras en negrita.
Saber si lo que llevo diseñado hasta ahora es garantizable su funcionamiento a medio plazo y corroborandolo matemáticamente el por qué un diseño si (montaje 2) y por qué el otro no (montaje 1)


Muchisimas gracias y un abrazo!, Enrique
08/10/2008 #14

Avatar de Eduardo

Se trata de un prototipo casero para poder detectar con un microcontrolador las variaciones a la hora de estirar la cinta, con el objetivo, por ejemplo, de ver cuando una persona inspira o espira.
Es lo que se utiliza o es un invento tuyo?

De ahí en que insista en saber si con el punto a masa sería un montaje correcto o el oscilador sufriria a largo plazo.
Sufrir no sufre nada.
Eso lo que tiene de incorrecto es que se quiso hacer un Colpitts y no quedo un Colpitts, ademas al circuito resultante le sobran resistencias.


puesto que con el oscilador que tengo ahora mismo funcionando necesito obtener una tensión negativa y estoy interesado en probarlo para ver si el resultado es similar al que obtengo con mi montaje y si encima me ahorro la electronica adicional para obtener esa tensión negativa a partir de una positiva
? A ese circuito lo podes alimentar con fuente simple, solamente tenes que meter en entrada no inversora del operacional Vcc/2.
Si se le pone un divisor de tension y sacas lo que sobra te queda esto.
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08/10/2008 #15


Cita:
Se trata de un prototipo casero para poder detectar con un microcontrolador las variaciones a la hora de estirar la cinta, con el objetivo, por ejemplo, de ver cuando una persona inspira o espira.


Es lo que se utiliza o es un invento tuyo?
Invento mio,

? A ese circuito lo podes alimentar con fuente simple, solamente tenes que meter en entrada no inversora del operacional Vcc/2.
Si se le pone un divisor de tension y sacas lo que sobra te queda esto.
Yo trabajo con una tensión de 3.3V (todos los elementos funcionan a esa tensión), por lo que no me conviene utilizar tensiones superiores.

Seguro que no necesita tensiones negativas?, creo recordar que hace tiempo probé a alimentarlo a 2.5V y a masa y no funcionaba, lo puse a 2.5 y -2.5 y ya iba.

Entonces, como quedaría el circuito?

Un saludo!
08/10/2008 #16


Por si lo necesitas
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08/10/2008 #17

Avatar de Eduardo

Seguro que no necesita tensiones negativas?, creo recordar que hace tiempo probé a alimentarlo a 2.5V y a masa y no funcionaba, lo puse a 2.5 y -2.5 y ya iba.
My God Claro que con 2.5V no va a funcionar!. Si usas +2.5V y -2.5V en realidad lo estas alimentando con 5V.

Lo que le interesa a la alimentacion del operacional es la diferencia que tengas entre +Vcc y -Vcc. El hecho que algunos sean para fuente simple o doble es porque la salida no recorre todo ese rango y las entradas deben tener un margen de tension respecto a la alimentacion. Mientras respetes esos limites la masa la pones donde te resulte comodo.

Ahora, si por el resto de la circuiteria se debe trabajar con 3.3V es mejor hacer cualquier oscilador no lineal pero con compuertas logicas.
El mas simple es con un schmitt trigger, pero se puede implementar de montones de formas con inversores comunes.
Por ejemplo, eso es con un 4049 o un 4069, la segunda opcion es porque como la inductancia es muy baja, puede que no tengas ganancia suficiente como para oscilar.
Tambien le podrias sacar la resistencia y el condensador de 10n, pero como la salida esta corta en corriente no estoy seguro que funcione.
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08/10/2008 #18


Bueno hare los pedidos y la semana que viene experimentare y ya te comento.

Muchas gracias
17/11/2008 #19


Hola, gracias de nuevo por todo el interés mostrado.

Por el momento, no he podido realizar ninguna de las pruebas que me comentaste por problemas en los pedidos y en la máquina que utilizamos, así que de momento me he centrado en aspectos de documentación.

El caso, es que aunque suene muy repetitivo, sigo sin comprender como saber la diferencia entre estos 2 circuitos, en cuanto a condiciones de arranque y el criterio de Barkhausen.

Según este criterio dice:
– Si |AB| < 1, el circuito es estable sea cual sea el valor de Fase AB;.
– Si a una frecuencia determinada AB; = 1, es decir |AB|= 1 y Fase AB; = 0, cualquier oscilación presente en la entrada a esa frecuencia se mantiene indefinidamente, a la misma amplitud.
– Si a una frecuencia determinada AB > 1, es decir |AB| > 1 y Fase AB = 0, cualquier oscilación presente en la entrada a esa frecuencia se amplifica indefinidamente hasta que la saturación del amplificador lo devuelve a la condición anterior. Como la saturación es un fenómeno no lineal, al mismo provoca la aparición de armónicos.

Mi duda es como ver la red AB en estos dos circuitos y cómo analizar el diferente comportamiento entre ambos, es decir, demostrar analíticamente todo lo explicado con anterioridad, (mejor respuesta con el montaje 2).

-------
NOTA= A: Ganancia, B: Red de realimentación
-------

Yo he probado haciéndolo por análisis de Kirchhoff y me sale un churro y no saco nada en clave ....

Espero algo de ayudilla, muchas gracias!
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