Trabajo:

Practica #03Asignatura:

Instrumentación

Profesor:

Julio Cesar Ramírez Patlan

Alumnos:

José Alfredo Macario Castillo Mendoza

Carrera:

Ing. en Mecatrónica

Fecha:

21/03/2015

CIRCUITO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Introducción:

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial, cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a sus propias especificaciones aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona.

Estos circuitos amplifican la diferencia entre dos señales de entrada y rechazan cualquier señal que sea común a ambas señales. Estos circuitos se utilizan principalmente para amplificar señales diferenciales muy pequeñas en muchos procesos industriales, medición, adquisición de datos y aplicaciones médicas.

Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, estos circuitos deben cumplir unos requisitos generales:

Ganancia: seleccionable, estable y lineal.

Entrada diferencial: con CMMR alto.

Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset.

Impedancia de entrada alta.

Impedancia de salida baja.

La tensión de salida del circuito amplificador de instrumentación se define mediante la siguiente expresión:

Objetivo:

Que el alumno aplique los conocimientos adquiridos en la carrera para el desarrollo de un amplificador operacional en la configuración de amplificador de instrumentación para la medición de señales de entrada relativamente bajas dentro de un sistema.

Funcionamiento y Cálculos: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:

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:

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:

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. Aun así, hay que tener en cuenta que el ajuste no es lineal, ya que RG está en el denominador.

Resultados:

Material: TL084 Lm4558 Cables dupont 6 resistencias de 10 KΩ 1 resistencia de 1 KΩ 2 resistencias de 160 KΩ 1 resistencia de 80 KΩ

1 capacitor de 1 nf 1 sensor de temperatura LM035 Multímetro Plantilla de Experimentos Protoboard Fuente de voltaje

Primero en una protoboard empezamos a armar el circuito.

Una vez armado el circuito del amplificador de instrumentación lo conectamos a una señal de entrada y a la salida checamos que la amplificación de la señal sea de relación 1-10.

Con un multímetro pasamos a tomar las mediciones a la salida del amplificador.

Etapa del sensor:Para la etapa del sensor solo tenemos que agregar a nuestro circuito del amplificador la señal de salida de sensor de temperatura lm35 el cual se conectara a la entrada del amplificador de instrumentación tomando en cuenta que la configuración de conexión de este sensor es la siguiente.

Etapa del Filtro:En la etapa del filtro solo se implementara un amplificador operacional con la siguiente configuración para lograr así un filtro pasa bajas activo no inversor.

Diagrama interno del segundo amplificador a usar para el filtro (AK4558).

Resultados del filtro:Resultados de medición

Señal de voltaje de entrada

0.18 1.80.17 1.70.16 1.60.15 1.50.14 1.40.13 1.30.12 1.20.11 1.10.10 1.00.09 0.90.08 0.8

Conclusiones:

Durante el proceso de desarrollo de la práctica del amplificador de instrumentación se logró con éxito la amplificación a 10 de la señal de entrada con esta configuración para amplificador, así como se estuvieron tomando señales de muestreo para checar que la amplificación fuera variante a la salida respecto a la entrada, durante el desarrollo de este amplificador se tuvieron problemas en cuanto a que voltaje alimentar el circuito integrado y al alimentar la señal de entrada del amplificador para la amplificación de la misma lo cual se logró conectándolo a dos fuentes distintas para mayor comodidad y evitar posibles fallas.

En la segunda etapa de este proyecto se logró con éxito la conexión del sensor de temperatura lm35 así como el tomar las lecturas en este caso a temperaturas no medidas pero variantes las lecturas de voltaje de salida se tomaron respecto a temperatura ascendente.

En la tercera etama de este proyecto se logró con éxito la conexión de la salida del amplificador de instrumentación a un filtro pasabajas pasivo no inversor de primer orden y se tomaron las lecturas de manera correcta a la salida obtenendo así con éxito el filtrado de la señales de entrada a medir.

Fuentes:

http://daqcircuitos.net/index.php/circuitos-tipicos-con-amplificadores-operacionales/circuito-amplificador-de-instrumentacion/70-circuito-amplificador-de-instrumentacion

http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_3.pdf

http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/M/3/5/LM35.shtml

http://www.proyectoelectronico.com/amplificadores-audio/imagenes/jrc4558-lm358.png