AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

En la realización de nuestra practica en la materia sistemas eléctricos re alisamos un amplificador de instrumentación en base a conocimientos adquiridos de prácticas pasadas, con el fin de entender y ampliar nuestros conocimientos acerca de los diversos circuitos y el propósito de esta práctica y del presente reporte es el de analizar el comportamiento y funcionamiento de los amplificadores para adquirir una idea de sus diversas aplicaciones y funcionamiento en la rama laboral de la ingeniería.

Un AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales (los cuales ya observamos en prácticas anteriores). Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error de medida.En la realización de la práctica armamos el amplificador de instrumentación en el protoboard con sus características específicas, las cuales consta de 7 resistencias en nuestro caso son de 330Ω y los 3 amplificadores LM555.

Fue armado como lo marca el diagrama y le aplicamos un voltaje de 5v en la entrada y en los extremos del amplificador le introducimos un voltaje de +11v en VDD (patita 7) y en VSS una de -11v (patita 4), y analizamos su funcionamiento y el incremento de voltaje que mostro a través de un multímetro, el cual variara dependiente la capacidad del circuito y de la cantidad de voltaje que pase a través del amplificador.

FUNCIONAMIENTO y CÁLCULOS

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La configuración más utilizada como amplificador de instrumentación, está constituida por tres amplificadores operacionales y se suele dividir en dos etapas principales: Etapa pre-amplificación y Etapa diferencial.

Para el análisis del Circuito de Instrumentación, se va a utilizar el siguiente circuito:

Etapa Pre-Amplificación

Aumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuración no-inversora, iguala la impedancia del circuito a la del A.O.

Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FET, para conseguir bajas corrientes de polarización.

A continuación, se va a proceder al análisis de esta parte del circuito.

Suponiendo que los amplificadores operacionales son ideales, se obtienen las siguientes expresiones:

Teniendo eso en cuenta, se obtienen las ecuaciones de las siguientes corrientes:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchoff para las corrientes:

De manera que:

Se resuelve esa ecuación para conseguir VA y VB en función de V1 y V2:

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Dicho de otra manera:

Restando ambas expresiones, se obtiene:

Observar que el paréntesis representa la ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora, y que, variando RG, se puede variar la ganancia.

Etapa Diferencial

Esta parte del circuito es un circuito diferencial.

A continuación, se va a proceder al análisis de esta parte del circuito.

Aplicando las leyes de Kirchoff, se obtienen las expresiones de las siguientes corrientes:

Suponiendo que el amplificador operacional es ideal, se obtiene la siguiente expresión:

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Sustituyendo V3- por V3+ en las ecuaciones anteriores:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchoff para las corrientes:

De manera que dichas ecuaciones se pueden escribir de la siguiente forma:

Se despeja Vout de la primera expresión y V3+ de la segunda:

Sustituyendo V3+ en la expresión de Vout:

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Por último, se sustituye la expresión (VB-VA) conseguida en la etapa pre-amplificadora en la ecuación anterior:

Observar que con RG se puede ajustar la ganancia. Aún así, hay que tener en cuenta que el ajuste no es lineal, ya que RG está en el denominador.

Aplicaciones

Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone. Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas). Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante. En fuentes de alimentación.

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GALGA

En la continuación de la práctica elaboramos una galga casera o mejor dicho un galga extensiométrica como sele conoce en el campo de la electrónica, para observar su funcionamiento y aplicación para ampliar nuestros conocimientos acerca de los sistemas eléctricos

Una Galga Extensiométrica o Extensómetro es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque, posición, entre otras cosas, que está basado en el efecto piezorresistivo1, el cual es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se le someten a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica, esta variación puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad. Inventado por los ingenieros Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938. La galga extensiométrica hace una lectura directa de deformaciones longitudinales en cierto punto del material que se está analizando. La unidad que lo representa es épsilon, esta unidad es adimensional y expresa el cambio de la longitud sobre la longitud inicial.En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica.

PracticaEn la elaboración de la práctica utilizamos:

1 tarjeta de plástico. 1 lija. 1 lápiz de dibujo. Pegamento. 2 Caimanes.

Armamos la galga pegando la lija con el pegamento en la tarjeta y a continuación dibujamos la característica de la galga (curvas) con el lápiz de dibujo, luego colocamos 2 caimanes en ambos extremos donde empieza la línea y donde termina.

Observaremos como la energía fluye a través de nuestra galga casera pues el carboncillo del lápiz es conductor, y al aplicarle la deformación veremos cómo varia la cantidad de

La PIEZORRESISTIVIDAD es la propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia eléctrica cambia cuando se los somete a un esfuerzo o estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma.1

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Esquema de medición de esfuerzo cortante en una viga.

voltaje que fluye alrededor de la galga con un multímetro, cuando a la galga se le comprime el voltaje es más alto pero cuando se le estira el voltaje es más bajo.

Con la continuación de la práctica designamos nuestra galga casera al amplificador de instrumentación para analizar las variaciones que nos proporcionara el circuito al analizar la deformación de la galga, el cual el voltaje que emplearemos será de 5v, y con ayuda del multímetro examinaremos las diversas cantidades que ampliaran y encogerán según la distorsión que le designaremos a la galga. La salida de la galga que incremento según la deformación, nos proporcionó un valor aproximado de 13.4v, la que disminuyo fue de 6.3v y cuando se encontraba estáticamente fue de 8.2v, la cantidad de los voltajes fue ampliada por la ayuda del amplificador pues las cantidades que observamos en la galga antes de adherirla al amplificador fue parecida pero con proporciones más pequeñas.

Fenómeno físicoLas galgas extensiométricas aprovechan la propiedad física de la resistencia eléctrica y su dependencia no sólo de la resistividad del conductor, la cual es una propiedad del propio material, sino también de la geometría del conductor. Cuando un conductor eléctrico es deformado dentro de su límite de elasticidad, de tal forma que no se produzca rotura o deformación permanente en el mismo, éste se volverá más estrecho y alargado. Este hecho incrementa su resistencia eléctrica. Análogamente, cuando el conductor es comprimido se acorta y ensancha, reduciendo así su resistencia al paso de corriente eléctrica. De esta manera, midiendo la resistencia eléctrica de la galga, puede deducirse la magnitud del esfuerzo aplicado sobre el objeto.

Uso realLas galgas se utilizan para la medición electrónica de diferentes magnitudes mecánicas tales como la presión, la carga, la deformación, el torque, entre otras. Estas mediciones pueden catalogarse en mixtas, dinámicas y estáticas. Las mixtas se usan para elementos sometidos a cargas que están variando, las dinámicas a elementos que vibran o son

impactados y las estáticas como su mismo nombre lo indica son elementos sometidos a cargas que no están en movimiento.

Antiguamente eran usadas las galgas metálicas y su estructura era hecha de metal, sin embargo en la actualidad es más común usar las galgas semiconductoras porque tienen la

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capacidad de soportar mayor resistencia, sobre todo porque este tipo de galga tiene una mejor sensibilidad a comparación de las metálicas, aunque las metálicas tienen menor sensibilidad térmica. Los precios varían según los materiales que se desean usar pues la obtención de algunos es muy complicada.Este sistema de medición es muy usado en construcción para ver los asentamientos que tiene el hormigón el siguiente mes de ser construido. También se utiliza para hacerle un seguimiento a la deformación que pueda sufrir un puente y así evitar que llegue al colapso sin notar el problema.

Para más información acerca de las galgas consultar aquí http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica

PUENTE DE WHEATSTONE

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En la continuación de la práctica elaboramos un puente de wheatstone para aumentar nuestros conocimientos en el campo de la electrónica, con el propósito de observar su funcionamiento y aplicación para desarrollar nuestros conocimientos acerca de los sistemas eléctricos.

Un PUENTE DE WHEATSTONE se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

Observamos la estructura del puente de wheatstone y lo elaboramos en la protoboard con 4 resistencias de 330Ω colocadas según su diagrama, y para analizar mejor su funcionamiento lo adherimos al amplificador de instrumentación junto con la galga, la cual fue conectada en el centro del puente y su salida a la entrada del amplificador, observamos con la ayuda del multímetro las diversas variaciones de voltaje que nos arrojaba el circuito armado.

Variantes

Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacitancias e inductanciasLa disposición en puente también es ampliamente

utilizada en instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias porsensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variación.

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