Integrador

En aplicaciones de medición y control, un integrador es un elemento cuya señal de salida es la integral temporal de su señal de entrada. Acumula la magnitud de entrada durante un tiempo definido para producir una salida representativa.

La integración es una parte importante de muchas aplicaciones científicas y de ingeniería . Los integradores mecánicos son el tipo más antiguo ^{[ 1 ]} y todavía se utilizan para medir el caudal de agua o la potencia eléctrica. Los integradores analógicos electrónicos, que generalmente han reemplazado a los integradores mecánicos ^{[ 1 ],} son la base de las computadoras analógicas y los amplificadores de carga. La integración también puede realizarse mediante algoritmos en computadoras digitales.

Un tipo sencillo de integrador mecánico es el integrador de disco y rueda. ^{[ 1 ]} Este funciona colocando una rueda sobre un disco giratorio, perpendicular a él, y manteniéndola allí mediante un eje que gira libremente y paralelo al disco. ^{[ 1 ]} Dado que la velocidad a la que gira una parte del disco es proporcional a su distancia del centro, la velocidad a la que gira la rueda es proporcional a su distancia del centro del disco. ^{[ 1 ]} Por lo tanto, el número de vueltas que da la rueda integradora es igual a la integral definida de la distancia de la rueda integradora al centro, ^{[ 1 ]} que a su vez está controlada por el movimiento del eje con respecto al disco.

Un integrador de corriente es un dispositivo electrónico que realiza una integración temporal de una corriente eléctrica , ^{[ 2 ]} midiendo así una carga eléctrica total . En combinación con el tiempo, puede utilizarse para determinar la corriente promedio durante un experimento. ^{[ 2 ]} La alimentación de corriente a un condensador (inicializado a cero voltios) y el monitoreo de su voltaje se ha utilizado en experimentos de física nuclear antes de 1953 para medir la cantidad de iones recibidos. ^{[ 3 ]} Este circuito simple funciona porque la relación corriente-voltaje del condensador, cuando se escribe en forma integral, establece matemáticamente que el voltaje final de un condensador es igual a su voltaje inicial más la integral temporal de su corriente dividida por su capacitancia:

$${\displaystyle V(t)=V(t_{0})+{\frac {1}{C}}\int _{t_{0}}^{t}I(\tau )\,\mathrm {d} \tau }$$

Circuitos integradores de corriente más sofisticados se basan en esta relación, como el amplificador de carga . Un integrador de corriente también se utiliza para medir la carga eléctrica en una copa de Faraday en un analizador de gases residuales para medir las presiones parciales de gases en el vacío. Otra aplicación de la integración de corriente se encuentra en la deposición por haz de iones , donde la carga medida corresponde directamente al número de iones depositados en un sustrato, suponiendo que se conoce el estado de carga de los iones . Los dos conductores eléctricos que transportan corriente deben conectarse a la fuente de iones y al sustrato, cerrando así el circuito eléctrico , que en parte viene determinado por el haz de iones.

Un integrador de voltaje es un dispositivo electrónico que realiza una integración temporal de un voltaje eléctrico, midiendo así el producto total voltio-segundo. Un filtro paso bajo de primer orden, como un circuito de resistencia - condensador, actúa como un integrador de voltaje a altas frecuencias, muy por encima de la frecuencia de corte del filtro .

Integrador de amplificador operacional

Véase también Integrador en aplicaciones de amplificadores operacionales e integrador de amplificadores operacionales.

Un integrador de amplificador operacional ideal (por ejemplo, la Figura 1) es un integrador de voltaje que funciona en todas las frecuencias (limitado por el producto ganancia-ancho de banda del amplificador operacional ) y proporciona ganancia.

Desventajas del integrador de amplificador operacional ideal

• Para una entrada de CC ( f = 0), la reactancia capacitiva Xc es infinita. Por ello, el amplificador operacional opera en lazo abierto, lo que resulta en una ganancia de lazo abierto infinita ₍ para un amplificador operacional ideal, o muy grande para amplificadores operacionales reales). En consecuencia, cualquier pequeña tensión de offset de entrada se amplifica y aparece en la salida como un error significativo. Esto se conoce como disparo falso y debe evitarse.

Por lo tanto, un integrador ideal necesita ser modificado con componentes adicionales para reducir el efecto de una tensión de error en la práctica. Este integrador modificado se denomina integrador práctico.

Integrador de amplificador operacional práctico

Descripción principal en: Integrador de amplificador operacional §  Circuito práctico

La ganancia de un integrador a baja frecuencia puede limitarse para evitar la saturación, conectando una resistencia de retroalimentación al condensador de retroalimentación. Este integrador práctico actúa como un filtro paso bajo con ganancia constante en su banda de paso de baja frecuencia. Solo realiza la integración en altas frecuencias, no en bajas, por lo que el ancho de banda para la integración es limitado.

• Los circuitos integradores se utilizan con mayor frecuencia en convertidores analógico-digitales , generadores de rampa y también en aplicaciones de conformación de ondas.
• Los amplificadores integradores operacionales se utilizan para realizar operaciones de cálculo en ordenadores analógicos .
• En el sector de la instrumentación industrial, un totalizador integra una señal que representa el flujo de agua, produciendo una señal que representa la cantidad total de agua que ha pasado por el caudalímetro.

• Los integradores también pueden ser componentes de software.
• En algunas simulaciones informáticas de física computacional , como la predicción numérica del tiempo , la dinámica molecular , los simuladores de vuelo , la simulación de embalses , el diseño de barreras acústicas , la acústica arquitectónica y la simulación de circuitos electrónicos , un integrador es un método numérico para integrar trayectorias a partir de fuerzas (y, por lo tanto, aceleraciones) que solo se calculan en pasos de tiempo discretos.

Los integradores mecánicos eran elementos clave en el analizador diferencial mecánico , utilizado para resolver problemas físicos prácticos. Los mecanismos de integración mecánica también se empleaban en sistemas de control, como la regulación de flujos o temperatura en procesos industriales. Mecanismos como el integrador de bolas y discos se utilizaban tanto para cálculos en analizadores diferenciales como componentes de instrumentos como directores de tiro navales , totalizadores de flujo y otros. Un planímetro es un dispositivo mecánico que se utiliza para calcular la integral definida de una curva dada en forma gráfica, o, más generalmente, para hallar el área de una curva cerrada. Un integrafo se utiliza para representar gráficamente la integral indefinida de una función dada en forma gráfica.

• Diferenciador
• analizador diferencial digital
• Integrador de orden fraccional
• Integración de ADC
• Filtro de paso bajo
• Amplificador operacional
• Procesamiento de señales

• Integrador en línea de Wolfram
• Calc.Matthen Integrador en línea, puede realizar integrales definidas.

• Keng C. Wu (2002). Circuitos de transistores para sistemas de alimentación de naves espaciales . Springer. págs. 85–87 . ISBN  978-1-4020-7261-1.