Métodos de transducción usados en biosensores: amperometría y fluorescencia

RESUMEN: Los biosensores tienen aplicación en una gran variedad de campos, incluyendo el análisis ambiental, biomedicina, biodefensa, alimentación y agricultura, entre otros. En este tipo de sensores, un material biológico (conocido como biomediador) reacciona con el analito y un sistema de transducción apropiado transforma dicha reacción en una señal eléctrica que puede ser procesada, almacenada o transmitida usando sistemas electrónicos. En este artículo, se describen dos métodos de transducción usados en aplicaciones bio-sensoriales: la amperometria que consiste en la medida del transferimento electrónico (corriente) del biomediador y fluorescencia que es basada en la medida de la luz re-emitida. Se enfatiza en el diseño electrónico (selección de componentes, topologia de los circuitos, problemas comunes y soluciones). Estos diseños han sido utilizados en el desarrollo de instrumentos comerciales para biosensores, caracterizados por bajos costes de producción y portabilidad.ABSTRACT: Biosensor devices have applications in a variety of fields as environmental analysis, biomedical, bio-defense, food and agriculture. On this kind of sensors, a biological material (known as biomediator) reacts with target analytes and an appropriated transduction system converts that reaction to an electrical signal that can be processed, saved and transmitted by using electronic systems. In this article, two transduction methods used for biosensing applications are described: amperometry that is based on the measurement of the electron transfer occurring inside the biomediator and fluorescence, that is based on the measurement of the re-emitted light. Emphasis has been done on the electronics design, including component selection, useful circuit topologies and common problems and solutions. Electronics has been validated for the development of biosensor-based instruments characterized by low production costs and portability

Modelling of hybrid Cuk converters using the methodology of voltage and current references

This paper presents a methodology for obtaining the voltage and current references that permits the modelling of Hybrid Cuk (HC) Converters. The passive sign convention when system elements absorb energy is used to derive the differential equations governing the behaviour of the converter. This allows the explanation of the operation principle of the converter that is performed through the switching states. The behavior of the converter is studied by means of an energy interchange analysis between inductors and capacitors. After the deduction of the references and operating principle, the differential equations (DEs) that allow the modelling of the converter are deduced. Finally, a comparison between the mathematical model and the circuital representation of the converter is performed in OpenModelica for validation purposes. The simulations’ results allow to conclude that the obtained references and differential equations are coherent with the circuital implementation.Este artículo presenta una metodología para la obtención de las referencias de tensión y corriente que permiten el modelado de convertidores híbridos Cuk (HC). Se utiliza la convención pasiva de signos cuando los elementos del sistema absorben energía para deducir las ecuaciones diferenciales que rijen el comportamiento del convertidor. Esto permite la explicación del principio de funcionamiento del convertidor que se realiza a través de los estados de conmutación. Se estudia el comportamiento del convertidor mediante un análisis de intercambio de energía entre bobinas y condensadores. Luego de la deducción de las referencias y principio de funcionamiento, se deducen las ecuaciones diferenciales que permiten el modelado del convertidor. Finalmente, se realiza una comparación entre el modelo matemático y la representación circuital del convertidor en OpenModelica con el objetivo de validar las ecuaciones. Los resultados de las simulaciones permiten concluir que las referencias y ecuaciones diferenciales obtenidas son coherentes con la implementación circuital

Control of step-up voltage converter AC/DC using balance of powers

RESUMEN: Este artículo propone el control de un convertidor AC/DC elevador con corrección de factor de potencia usando el balance de potencias entre la entrada y la salida. Se presenta la explicación del funcionamiento del convertidor AC/DC y se establece la secuencia de disparo del convertidor. Como principal contribución se presenta el balance de potencias para obtener la amplitud de la corriente de referencia en la entrada del convertidor que permite a su vez controlar el voltaje DC en su salida. Se utiliza un control de banda de histéresis para la corriente de entrada, permitiendo que la estrategia de control funcione con rapidez. El control en banda de histéresis propuesto funciona con rapidez y permite trabajar en un amplio rango de operación. Se presentan resultados experimentales que permiten validar el control propuesto.ABSTRACT: This paper proposes the control of an AC/DC boost converter with power factor correction using input and output power balance. The operation of the AC/DC converter is presented and the firing sequence of the converter is set is established. As a main contribution, the power balance is presented to obtain the amplitude of the input reference current that allows controlling the DC voltage output. Hysteresis band control for the input current is used, allowing the quick functioning of the control strategy. The proposed hysteresis band control works quickly and allows working in a wide operating range. Experimental results which validate the proposed control are presented

Teaching the operation of full bridge converters : power interchange analysis between inductors and capacitors

RESUMEN: Se realiza la descripción detallada del funcionamiento de los inversores puente H, explicando el intercambio de energía entre el condensador y las bobinas del sistema, para la enseñanza en ingeniería eléctrica. Para hacerlo se parte del control de corriente de banda de histéresis que permite observar los cambios de la corriente a controlar cuando conmutan los interruptores del inversor puente H. Se realiza el análisis energético para cada uno de los estados de los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y diodos del puente H, permitiendo entender el funcionamiento del inversor en cada uno de sus estados. El análisis detallado del intercambio de energía permitirá diseñar controladores más efectivos puesto que puede partirse del conocimiento del funcionamiento del sistema. Se presentan resultados simulación que corroboran la descripción presentada.ABSTRACT: A detailed description of the performance of H bridge inverters, explaining the energy exchange between the capacitor and coils of the system, for the teaching of electrical engineering is presented. To do so hysteresis band current control is done, allowing to observe changes in the controlled current when the switches of the H bridge inverter commute. Energy analysis is performed on each of the states of Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) and H bridge diodes, allowing to understand the performance of the inverter on each of the states. Detailed analysis of the energy exchange will allow designing more effective controllers since the process can begin from the knowledge of the system performance. Simulation results are presented to corroborate the given description

Deducción y aplicación de modelo promedio del interruptor en dispositivos de electrónica de potencia para reducción del tiempo de simulación

Context: Time is a crucial issue in the simulation of power electronics (PE) devices, even more when these elements are integrated into microgrids.Method: This paper deals with the deduction of the average switch model for PE devices with the purpose of reducing simulation times. For doing this, the average model is only applied over the power switches of PE devices, not being applied over the complete topology as traditionally done. The proposed average model switch permits eliminating the ripple of voltage and currents but keeping the transient of the signals. The average model switch is derived for Boost and Buck converter switches and then generalized to power inverter switches. The proposed approach is validated using OpenModelica software.Results: A system featuring a battery, a DC/DC converter, and an inverter connected to the power grid was simulated. A comparison was performed between a simulation that considers the power switches and a simulation that uses the proposed average model switch, the time simulation was reduced up to 99.788 %, which validates the proposed approach.Conclusions: The proposed average switch model significantly reduces simulation times. This method offers a promising way to streamline power electronics device simulations, particularly in the context of microgrids and other applications where time efficiency is critical.Contexto: El tiempo es un factor crucial en la simulación de dispositivos de electrónica potencia (EP), especialmente cuando estos elementos se integran en microredes. Método: Este artículo deduce el modelo de interruptor promedio para dispositivos de EP con el propósito de reducir los tiempos de simulación. Para lograr esto, el modelo promedio se aplica únicamente a los interruptores de potencia de los dispositivos de EP, sin aplicarse a toda la topología como se hace tradicionalmente. El modelo promedio propuesto permite eliminar la oscilación de voltaje y corriente, pero conserva el comportamiento transitorio de las señales. El modelo promedio del interruptor se deriva para interruptores convertidores Boost y Buck y luego se generaliza a interruptores de inversores de potencia. El enfoque propuesto se valida utilizando el software OpenModelica. Resultados: Se simuló un sistema que incluye una batería, un convertidor DC/DC y un inversor conectado a la red eléctrica. Se realizó una comparación entre una simulación que considera los interruptores de potencia y una simulación que utiliza el modelo promedio del interruptor propuesto, lo que redujo el tiempo de simulación hasta en un 99,788 %, validando así el modelo propuesto. Conclusiones: El modelo de interruptor promedio propuesto reduce significativamente los tiempos de simulación. Este método ofrece una forma prometedora de agilizar las simulaciones de dispositivos de electrónica de potencia, especialmente en el contexto de microredes y otras aplicaciones donde la eficiencia en el tiempo es fundamental

Implementation of a Distribution Static Compensator D-STATCOM: Hardware and Firmware Description

This paper describes the implementation of a distribution static power compensator (D-STATCOM) for reactive compensation in electric distribution networks. A three-phase inverter of six pulses with two levels was developed. Hardware implementation of different stages (sensors, power switching, passive elements, and processor) is fully described. Firmware that allows D-STATCOM operation was implemented on a TMS3202F DSP (Texas Instruments) using a modular approach. Correct operation of the D-STATCOM prototype is verified with experimental results

Red inalámbrica de biosensores enzimáticos para la detección de contaminantes en aguas

This article presents the development of an amperometric biosensor wireless network, which can be distributed in drinking water sources, in order to warn about toxic contaminants presence. This system will not replace traditional contaminants detection methods, but it has the advantage of being a low cost system, ideal for field applications and where the processing of a large number of samples is necessary. it can be concluded that the biosensors do not have a linear response to the analyte concentration, so their use is qualitative and not quantitative. The results of the development of the electronic circuits for the amperometric transduction, the circuits for data processing and wireless communication are presented.En este artículo se presenta el desarrollo de una red inalámbrica de biosensores amperimétricos, que podrá ser distribuida en las fuentes de agua potable, con el fin de alertar sobre la presencia de contaminantes tóxicos. Este sistema no reemplazará los métodos tradicionales para la detección de contaminantes, pero tiene la ventaja de ser un sistema de bajo costo, ideal para aplicaciones en campo y donde sea necesario el procesamiento de una gran cantidad de muestras. se pudo concluir que los biosensores no tienen una respuesta lineal a la concentración del analito, por lo que su uso es cualitativo y no cuantitativo. Se presentan resultados del desarrollo de los circuitos electrónicos necesarios para la transducción amperométrica, los circuitos para el procesamiento de datos y la comunicación inalámbrica.En este artículo se presenta el desarrollo de una red inalámbrica de biosensores amperimétricos, que podrá ser distribuida en las fuentes de agua potable, con el fin de alertar sobre la presencia de contaminantes tóxicos. Este sistema no reemplazará los métodos tradicionales para la detección de contaminantes, pero tiene la ventaja de ser un sistema de bajo costo, ideal para aplicaciones en campo y donde sea necesario el procesamiento de una gran cantidad de muestras. Se presentan resultados del desarrollo de los circuitos electrónicos necesarios para la transducción amperométrica, los circuitos para el procesamiento de datos y la comunicación inalámbrica.This article presents the development of an amperometric biosensor wireless network, which can be distributed in drinking water sources, in order to warn about toxic contaminants presence. This system will not replace traditional contaminants detection methods, but it has the advantage of being a low cost system, ideal for field applications and where the processing of a large number of samples is necessary. it can be concluded that the biosensors do not have a linear response to the analyte concentration, so their use is qualitative and not quantitative. The results of the development of the electronic circuits for the amperometric transduction, the circuits for data processing and wireless communication are presented

Implementation of a Distribution Static Compensator D-STATCOM: Hardware and Firmware Description

This paper describes the implementation of a distribution static power compensator (D-STATCOM) for reactive compensation in electric distribution networks. A three-phase inverter of six pulses with two levels was developed. Hardware implementation of different stages (sensors, power switching, passive elements, and processor) is fully described. Firmware that allows D-STATCOM operation was implemented on a TMS3202F DSP (Texas Instruments) using a modular approach. Correct operation of the D-STATCOM prototype is verified with experimental results

Implementation of a Distribution Static Compensator D-STATCOM: Hardware and Firmware Description

This paper describes the implementation of a distribution static power compensator (D-STATCOM) for reactive compensation in electric distribution networks. A three-phase inverter of six pulses with two levels was developed. Hardware implementation of different stages (sensors, power switching, passive elements, and processor) is fully described. Firmware that allows D-STATCOM operation was implemented on a TMS3202F DSP (Texas Instruments) using a modular approach. Correct operation of the D-STATCOM prototype is verified with experimental results