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Curso de Instrumentación Industrial yElectrónica

Sesión 2

Circuitos de Acondicionamiento

Luis Ismael Minchala Avila

Maestría en Control y Automatización Industriales

Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

[email protected]

Ismael Minchala A. Instrumentación Industrial y Electrónica Mar 14, 2015 1 / 51

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Agenda

1 Introducción

2 El Amplificador Operacional

3 Circuitos amplificadores de uso en instrumentación

4 Filtros analógicos

5 Resumen y preguntas


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Introducción

Amplificación de una señal


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Introducción

El ruido y su amplificación


d

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Introducción

No idealidad de los amplificadores


I d ió

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Introducción

Acondicionamiento de señales


El A lifi d O i l

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El Amplificador Operacional

El AO ideal

Las condiciones ideales que definen un AO son:Resistencia de entrada infinita

Resistencia de salida nula

Ganancia infinita



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El AO ideal



Ganancia infinita



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El AO ideal

Condición adicional → Voltaje de salida siempre estará en el rango dela tensión de alimentación, −V ee ≤ v o ≤ V cc

Las condiciones de idealidad permiten un estudio simplicado del AO yde los circuitos construidos en torno a él.

Los efectos secundarios en los AO debido a su no-idealidad conducen ala aparición de términos adicionales no deseados que constituyen un

error permanente en la salida del circuito, o en la introducción dedistorsión armónica o de fase no deseada de la señal.



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El AO ideal







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p p

El AO ideal







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Circuitos analógicos con AO



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Circuitos de comparación con AO



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El AO realimentado en tensión

Se realimenta por tensión y actúa como amplificador de tensión:

Elevada resistencia de entrada

Baja resistencia de salidaGanancia de tensión muy alta

Es importante caracterizar estas especificaciones no ideales en los AO



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Parámetros reales de los operacionales

LM741, clásico AO de propósito general que no tiene prestacionesexcepcionales pero permite ilustrar los parámetros reales que definen elfuncionamiento de otros AOs;

Etapa de entrada de tipo diferencial que aporta una buena parte de la

ganancia total del circuito;

Etapa intermedia que se encarga de la adaptación de los niveles;

Etapa de salida que proporciona la potencia necesaria para pequeñas

cargas y que incorpora protecciones;

La caracterización de un sistema se realiza mediante la determinaciónde sus comportamientos estático y dinámico.



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l d l l

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P l d l i l

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P á l d l i l

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LM741, clásico AO de propósito general que no tiene prestaciones

excepcionales pero permite ilustrar los parámetros reales que definen elfuncionamiento de otros AOs;









P á t l d l i l

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P á ti Z d S Ci it

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Práctica: Zero and Spam Circuit

Utilizando el Multisim, desarrollar la práctica No. 1, circuito de ajuste decero y span.



C t í ti táti d l AO

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Características estáticas de los AOs

Ganancia diferencial : No es infinita. Son frecuentes gananciasdiferenciales cercanas a los 100 dB.

Resistencia de entrada: Valor elevado entre los terminales de + y –.Van desde varias centenas de k Ω para operacionales con entradas

bipolares sencillas hasta 106

M Ω para operacionales con entrada FET.La Figura presenta el modelo completo de resistencias de entrada deun AO.




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Ganancia diferencial : No es infinita. Son frecuentes ganancias

diferenciales cercanas a los 100 dB.

Resistencia de entrada: Valor elevado entre los terminales de + y –.Van desde varias centenas de k Ω para operacionales con entradas

bipolares sencillas hasta 106

M Ω para operacionales con entrada FET.La Figura presenta el modelo completo de resistencias de entrada deun AO.




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Resistencia de salida: En general presenta valores bajos debido a laconfiguración de colector común. Oscila entre 40 y 100 Ω. El efectosobre el error tiene menos importancia cuantitativa que el debido a laresistencia de entrada para un AO de tecnología bipolar.

Tensión de desviación de entrada (input offset voltage): Los valoreshabituales de desviación de entrada son muy variables de unosamplificadores a otros dependiendo mucho de la tecnología defabricación. En general, los de entrada FET suelen tener tensiones dedesviación altas (entre 1 y 20 mV), mientras que los de entrada

bipolar presentan valores más bajos (entre 0.1 y 2 mV).Ismael Minchala A. Instrumentación Industrial y Electrónica Mar 14, 2015 17 / 51



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Resistencia de salida: En general presenta valores bajos debido a laconfiguración de colector común. Oscila entre 40 y 100 Ω. El efectosobre el error tiene menos importancia cuantitativa que el debido a laresistencia de entrada para un AO de tecnología bipolar.

Tensión de desviación de entrada (input offset voltage): Los valoreshabituales de desviación de entrada son muy variables de unosamplificadores a otros dependiendo mucho de la tecnología defabricación. En general, los de entrada FET suelen tener tensiones dedesviación altas (entre 1 y 20 mV), mientras que los de entrada

bipolar presentan valores más bajos (entre 0.1 y 2 mV).Ismael Minchala A. Instrumentación Industrial y Electrónica Mar 14, 2015 17 / 51


Ejercicio

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Ejercicio

Se pretende amplificar una tensión senoidal de 10 mV de amplitud y una

frecuencia de 100 Hz para obtener una salida de 10 V de amplitud usandoAOs, cuya tensión de desviación en la entrada (+) es de 5 mV. Laalimentación es simétrica de 12 V.




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Corrientes de polarización (input bias currents): Las corrientes depolarización del operacional causan una tensión de offset de entradaadicional. Es posible solucionar este problema colocando unaresistencia de compensación.




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Razón de rechazo del modo común (Common mode rejection ratio):

v c = v − + v +2 ≈ v i

El AO también amplifica este valor por un factor conocido comoganancia de modo común Ac , por lo que la tensión de salida será lasuma de la ganancia diferencial y la de modo común, es decir:

v o = Ad v d + Ac v c

En general la ganancia de modo común es baja en un AO y suele venirdefinida por el parámetro conocido como razón de rechazo de modo

común (CMRR), que se define como el cociente entre la gananciadiferencial y la ganancia de modo común y se expresa en dB:

CMRR = 20log Ad

Ac




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Razón de rechazo de la alimentación (Power Supply Rejection Ratio):Afecta la etapa intermedia y la salida:

PSRR = 20log ∆V alim∆v o

V alim = V cc − V ee



Características dinámicas de los AOs

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El amplificador operacional real no es un componente muy rápido porlo que presenta limitaciones cuando deba producir cambios rápidos ensu salida.

Ancho de banda: Es el conjunto de frecuencias en el que la variación

de ganancia es menor que ±3dB :

B = B 0 (1 + Ad β )

G = Ad

1 + β Ad ≈

1

β




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El margen de fase se define como la diferencia de fase hasta llegar a

-180o de la curva Ad β y determina lo lejos que está el sistema de laoscilación. El margen de ganancia establece cuánto se podría subir laganancia en el punto en que la fase es -180o sin que se llegue aalcanzar el valor Ad β = −1 que provocaría oscilación.




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Slew-rate : Máxima velocidad de variación de la salida (V /µs ); máximapendiente que la tensión de salida puede presentar. El slew-rate vienedeterminado por los mismos factores que el ancho de banda.

2πfV < SR → f max = SR

2πV



Ruido interno

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Ruido electrónico (ruido blanco):

V 2t =

f i

4kRTdf

Ruido de parpadeo, ruido flicker : Ruido de banda limitada, ruido 1f

o

ruido rosa, aparece en todos los componentes activos y en resistenciasde carbón.

Ruido de golpeteo (shot noise): Se presenta por el movimientoaleatorio de los electrones al atravesar cualquier barrera de potencial y

presenta una distribución espectral plana.

Burst noise : se origina por impurezas en las uniones p-n a bajasfrecuencias.



Ruido interno

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V 2t =

f i

4kRTdf


o







Ruido interno

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Ruido de transición: se produce cuando los portadores de carga tienenvarios caminos para avanzar como en el caso de los transistoresbipolares.

Ruido de avalancha: se origina en las uniones que trabajan cerca de lazona de avalancha.

El ruido en un AO se modela mediante una fuente de tensión en laentrada y dos fuentes de corriente –una en cada una de las entradas-

que incluyen la participación de ruido de origen térmico, de golpeteo yde flicker.



Ruido interno

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Ruido interno

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Circuitos amplificadores de uso en instrumentación

Amplificadores de instrumentación

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Un amplificador de instrumentación (AI) es un amplificador diferencialde tensión de precisión con un circuito optimizado para su trabajo enambientes hostiles, caracterizados por grandes fluctuaciones detemperatura e intenso ruido eléctrico.

Son capaces de trabajar con sensores de resistencia interna apreciabley no simétrica, sobre los que el ruido eléctrico tiene una importanteinfluencia, y que ofrecen señales eléctricas muy débiles.

Para ser efectivo, el AI debe amplificar señales del orden de mV yrechazar tensiones de modo común del orden de voltios. (CMRR ≥ 80dB).




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Amplificador diferencial

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v o = R 2

R 1 + R 2

R 3 + R 4

R 3v 2 −

R 4

R 3v 1

Si hacemos que R 2 = R 4 y R 1 = R 3, entonces:

v o = R 4R 3

(v 2 − v 1)



Amplificador de instrumentación de dos operacionales

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Presenta resistencias de entrada altas e iguales, lo que permite que lafuente de señal pueda tener una impedancia interna alta y/o desequilibrada,

mejorando su desempeño con relación al amplificador diferencial.




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Para R 2/R 1 = R 4/R 3, tenemos:

v o =

1 + R 2R 1

+ 2 R 2R G

(v i +v i −)

La ganancia diferencial puede seleccionarse variando sólo R G .

La CMRR aún depende de la paridad entre resistencias. El

potencióhmetro R 5 sirve para ajuste del rechazo al modo común encontinua, mientras que C ajusta éste en alterna.

La principal desventaja de esta configuración es que su margen deentrada para la tensión de modo común es una función de la ganancia.Se limita su uso para aplicaciones de pequeñas tensiones de modo

común y, en general, que cumplan:

R 3 + R 4 + R 5R 4 + R 5

≤ 4




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v o =

1 + R 2R 1

+ 2 R 2R G

(v i +v i −)






R 3 + R 4 + R 5R 4 + R 5

≤ 4




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v o =

1 + R 2R 1

+ 2 R 2R G

(v i +v i −)






R 3 + R 4 + R 5R 4 + R 5

≤ 4



Amplificador de instrumentación de tres operacionales

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Esta configuración integra las ventajas de las configuracionesanteriores y reduce en buena medida sus desventajas.




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Se advierten dos etapas: la de entrada y la diferencial. La primera

etapa cumple la función de presentar impedancias de entrada altas eidénticas y entregar salidas de impedancia pequeña e iguales, conindependencia de que la fuente de señal externa del circuito tenga suresistencia R S equilibrada o no con respecto a masa.

v o = R 3

R 2

1 +

2R 1R G

(v i + − v i −) (1)

Ganancia del AD620 (según hojas de especificación):

G = 49,4k Ω

G − 1




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Se advierten dos etapas: la de entrada y la diferencial. La primera

etapa cumple la función de presentar impedancias de entrada altas eidénticas y entregar salidas de impedancia pequeña e iguales, conindependencia de que la fuente de señal externa del circuito tenga suresistencia R S equilibrada o no con respecto a masa.

v o = R 3

R 2

1 +

2R 1R G

(v i + − v i −) (1)

Ganancia del AD620 (según hojas de especificación):

G = 49,4k Ω

G − 1



Ejercicio

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Utilizando el amplificador de instrumentación AD620 calcule los valores de

R G necesarios para lograr ganancias de 1, 2, 5, 20 y 200.



Práctica

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Practica No. 2. El amplificador de instrumentación.



Práctica

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Práctica No. 3. Circuitos de conversión V-I e I-V



Otros amplificadores utilizados en instrumentación

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Amplificadores aislados : La función esencial de éstos amplificadores eslograr aislamiento galvánico entre sus circuitos de entrada y de salidamediante una barrera de aislamiento.Su empleo resulta imprescindible en las siguientes situaciones:

Cuando los niveles de tensión de modo común a la entrada del

amplificador son muy altos ó se requiere amplificar señales provenientesde sensores en los que no exista aislamiento galvánico con tierra físicaen el punto de medición.Para evitar que los circuitos electrónicos del sistema de medidatransfieran sus potenciales eléctricos a los sensores en contacto con el

cuerpo humano (aplicaciones biomédicas).En otras aplicaciones en que se requiera un aislamiento entre loscircuitos de entrada y los de salida del amplificador.




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Amplificadores de transimpedancia y transconductancia: Enaplicaciones en las que no se requiera un amplificador de tensión sino

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aplicaciones en las que no se requiera un amplificador de tensión, sinouno de corriente



Criterios de selección de AI para instrumentación

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Filtros analógicos

Introducción

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Un filtro eléctrico puede definirse como un cuadripolo capaz deatenuar determinadas frecuencias del espectro de señal y permitir elpaso sin atenuar las demás.


Filtros analógicos

Clasificación

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Según el tipo de señal procesada:Filtros analógicos

Filtros pasivos: generalmente utilizado en frecuencias altas.

Filtros activos: preciso, pero de bajo BW

Filtros de capacidad conmutada: interruptores MOS en lugar de

resistencias y condensadores integrados en el encapsulado

Filtros digitales


Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros digitales


Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros digitales


Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros digitales


Filtros analógicos

Clasificación

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Según la función que lleve a cabo:

Filtros paso bajo

Filtros paso alto

Filtros paso banda

Filtros de rechazo de banda


Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros paso bajo

Filtros paso alto

Filtros paso banda



Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros paso bajo

Filtros paso alto

Filtros paso banda



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Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros Butterworth: Ganancia plana en la banda de paso.

Filtros Chebyshev: Maximiza la pendiente de la característica deganancia en la región de transición.

Filtros de Bessel: Respuesta de fase lineal en la banda de paso.


Filtros analógicos

Clasificación

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Ismael Minchala A Instrumentación Industrial y Electrónica Mar 14 2015 45 / 51

Filtros analógicos

Clasificación

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Filtros analógicos

Especificaciones de un filtro

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Filtros analógicos

Filtros pasivos RC

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Emplean únicamente componentes pasivos (resistencias, bobinas ycondensadores).

Buena linealidad, no requieren alimentación y ofrecen un amplio

margen de tensiones y corrientes.

Poca flexibilidad en el diseño, cada etapa posee impedancia de salida yuna de entrada lo que dificulta su acoplamiento con otras etapas.


Filtros analógicos

Filtros pasivos RC

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Filtros analógicos

Filtros pasivos RC

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Filtros analógicos

Filtros activos

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Los filtros activos son soluciones válidas para aplicaciones de baja

frecuencia y de pequeña señal.Las ventajas son:

Se utilizan únicamente resistencias, condensadores y AO.Facilitan la interconexión de etapas debido a las características deimpedancias de los AOs.Flexibilidad en el diseño.

Las desventajas son:

Ancho de banda limitadoNecesidad de más de una fuente de alimentaciónValores exactos de los componentes RC para evitar cambios en elcomportamiento del operacionalRuido adicional generado por el propio AO.


Filtros analógicos

Filtros activos

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Se utilizan únicamente resistencias, condensadores y AO.Facilitan la interconexión de etapas debido a las características deimpedancias de los AOs.Flexibilidad en el diseño.




Filtros analógicos

Filtros activos

L fil l l d l d b

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Se utilizan únicamente resistencias, condensadores y AO.Facilitan la interconexión de etapas debido a las características deimpedancias de los AOs.

Flexibilidad en el diseño.




Filtros analógicos

Filtros activos

L fil i l i álid li i d b j

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Filtros analógicos

Filtros activos

L filt ti l i álid li i d b j

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Ismael Minchala A Instr mentación Ind strial Electrónica Mar 14 2015 49 / 51

Filtros analógicos

Filtros activos


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I l Mi h l A I t t ió I d t i l El t ó i M 14 2015 49 / 51

Filtros analógicos

Filtros activos


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Filtros analógicos

Filtros activos


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Ancho de banda limitadoNecesidad de más de una fuente de alimentaciónValores exactos de los componentes RC para evitar cambios en el

comportamiento del operacionalRuido adicional generado por el propio AO.


Filtros analógicos

Filtros activos


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Ancho de banda limitadoNecesidad de más de una fuente de alimentaciónValores exactos de los componentes RC para evitar cambios en el

comportamiento del operacionalRuido adicional generado por el propio AO.


Resumen y preguntas

Resumen

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En ésta sesión estudiamos:

Conceptos y definiciones básicas amplificadores operacionales;

El amplificador de instrumentación;

Filtros pasivos;Filtros activos;

Ejemplos y programación de algoritmos en MATLAB;

Ejemplos y programación de algoritmos en LabVIEW.


Resumen y preguntas

Resumen

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Filtros pasivos;

Filtros activos;




Resumen y preguntas

Resumen

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Filtros pasivos;

Filtros activos;




Apéndice Questions

Preguntas

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