instrumentaciÓn electrÓnicaprofesores.sanvalero.net/~w0028/textos/apuntes%20pdf/... · 2012. 9....

INSTRUMENTACIÓN

ELECTRÓNICA

Sensores, transductores y circuitos acondicionadores de señal

Ciclo de Grado Superior: Desarrollo de Productos Electrónicos Módulo: Mto. Equipos Electrónicos

Curso 2010/2011

Instrumentación Electrónica

I. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1. INTRODUCCIÓN Cuando se requiere conocer la evolución o el estado de variables no eléctricas, para utilizarlo como información a procesar en algún tipo de circuito electrónico, la primera necesidad con la que nos vamos a encontrar es la de traducir esa variable a lenguaje “eléctrico”. Aquí es donde van a entrar en juego los sensores y transductores. Aunque en muchas ocasiones las palabras sensor y transductor se utilizan como sinónimas, en realidad hacen referencia a dos fenómenos distintos. Por un lado el sensor sería el elemento que se encuentra en contacto directo con el proceso a medir, proceso que provoca una reacción en él, la cual se encargará el transductor de transformar en una señal eléctrica susceptible de ser procesada. Cuando el sensor considerado en sí mismo proporciona ya una señal eléctrica susceptible de ser procesada, podemos decir que sensor y transductor forman o convergen en un mismo elemento. Nosotros nos vamos a centrar en estos últimos.

Temperatura, Presión, Radiación, ...

Magnitud física o química

TRANSDUCTORSENSORSeñal eléctrica

Magnitud física o química Señal

eléctrica TRANSDUCTOR

Temperatura, Presión, Radiación, ...

SENSOR

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011 2


1.2. TIPOS DE TRANSDUCTORES Teniendo en cuenta la magnitud física a medir, los transductores más importantes son los transductores más importantes son los siguientes:

⇒ De temperatura. ⇒ De velocidad. ⇒ De posición o deslizamiento. ⇒ De fuerza o deformación. ⇒ De corriente (efecto Hall). ⇒ ...

1.3. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA Recordemos en primer lugar las principales escalas de medida de temperaturas:

Escala

Temperatura de congelación y

ebullición del agua

Unidades

Relación entre escalas

Centesimal (C) 0ºC – 100ºC Grados Centígrados o Celsius

tC = (tF-32)·5/9 tC = tK-273,15

Fahrenheit (F) 32ºF – 212ºF Grados Fahrenheit tF = 9/5·tC+32 tF = 9/5·(tK-273,15)+32

Absoluta (K) 273,15K – 373,15K Kelvin tK = tC+273,15 tK = 5/9·(tF-32)+273,15

Si comenzamos hablando de la temperatura es porque sin ninguna duda es la variable más medida a nivel industrial. Las escalas utilizadas normalmente para la medida de la temperatura son tres: la Centesimal (o Celsius), la Fahrenheit y la Kelvin (ver tabla superior). 1.3.1. Detección eléctrica de la temperatura Transductor por efecto termoeléctrico. El Termopar El termopar es un elemento con un amplio uso a nivel industrial. Su descubrimiento lo realizó el físico alemán Thomas Seebeck, cuando, en torno al año 1821, se apercibió de que al unir dos conductores de metales distintos, y calentar un extremo, se producía la circulación de una corriente eléctrica en el



circuito cerrado formado por los dos conductores de metales distintos unidos. Se trata de efecto Seebeck:

CalorCorriente eléctrica

Metal A Metal B Del mismo modo observó que si el circuito se interrumpía lo que aparecía era una diferencia de potencial entre los extremos. Y la magnitud de esta diferencia de potencial variaba en función de la temperatura en el extremo de la unión.

pos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011 4

El termopar es normalmente el transductor más sencillo, robusto y barato y con un rango de temperaturas de medida más amplio (entre –270ºC y 1800ºC). También tiene sus inconvenientes, como son el ser menos sensible y estable que otros sistemas, y sobre todo el necesitar un empalme de referencia a temperatura constante (tradicionalmente 0ºC porque antiguamente se utilizaba una baño de hielo para obtener esa temperatura de modo estable).

Metal A

Metal B

Calor

Metal A

Metal B

Calor

Temperatura de referencia

Tensióneléctrica

Tensión

eléctrica

M. Equi


Transductor mediante resistencia metálica. Detector de temperatura por resistencia (RTD) La resistencia de los metales varía en función de la temperatura. Y sabemos que esta variación para un elemento determinado de ese metal la podemos caracterizar en función del propio material (coeficiente de resistividad) de la longitud y de la sección:

SLR ⋅= ρ

Otro elemento importante del material empleado a tener en cuenta es el coeficiente de temperatura, que representa la variación de la resistencia del material conductor en función de la temperatura (α):

( )TRRT ⋅+⋅= α10

RT es la resistencia a la temperatura T R0 es la resistencia a 0ºC α es el coeficiente de temperatura de la resistencia

Las características que han de cumplir los materiales empleados en este tipo de resistencias han de ser:

o Un coeficiente de temperatura elevado. o Una resistividad elevada. o Ductilidad. o Estabilidad.

Los tres materiales más empleados son el platino, el cobre y el níquel.

De los tres el más idóneo por su estabilidad y precisión es el platino, pero también es el que tiene un coste más elevado.

PT100 es la denominación comercial de una resistencia de platino muy

utilizada que tiene una resistencia de 100Ω a 0ºC y de 138,5Ω a 100ºC, y que a efectos prácticos se puede considerar prácticamente lineal.



Transductor mediante semiconductor Basan su funcionamiento en el hecho de que los semiconductores experimentan una variación de resistencia en función de la temperatura. a) El termistor (thermal resistor) Son semiconductores especialmente desarrollados para trabajar a modo de resistencias con una alta sensibilidad a la temperatura (coeficiente de temperatura elevado) y un tiempo de respuesta relativamente bajo. Es importante mantener a través de ellos una corriente muy baja (típicamente de 100µA) para que su auto-calentamiento por efecto Joule sea despreciable. Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo) Son semiconductores con un coeficiente de temperatura negativo elevado.

– tº

Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo) Son semiconductores con un coeficiente de temperatura positivo elevado.

+ tº

Otros semiconductores Existen también otros tipos de semiconductores desarrollados como sensores de temperatura, tales como diodos y transistores. Los más utilizados son los circuitos integrados que generan ya a su salida una tensión proporcional a la temperatura, tales como el LM34 (+10mV/ºF), el LM35 (+10mV/ºC), el



LM135 (+10mV/K). O también aquellos que proporcionan una corriente directamente proporcional a la temperatura, como es el caso del AD590 (1µA/ºC). 1.4 TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD Los transductores de velocidad tienen la misión de permitirnos medir la velocidad de un móvil, tanto lineal como angular.

ω

v 1.4.1. Transductores de velocidad angular a Los transductores de velocidad analógicfondo no son sino generadores de energía electromotriz inducida en la máquina es propola misma. Según esta fuerza electromotriz tendremos dos tipos de transductor:

⇒ Dínamo tacométrica o tacodin⇒ Alternador tacométrico o taco

1.4.2. Transductores de velocidad angular d Los transductores de velocidad aproporcionan en su salida una señal digital número de vueltas. Si por cada vuelta comdeterminado número de impulsos, sabiendodeterminado tiempo sabremos la velocidad an Los transductores más empleados para y los inductivos. Los transductores fotoeléctricos constaemisor de luz (LED) y de un fototransistor. Putransparencia. Sobre este tipo de elementos vo

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010

nalógicos

os son tacogeneradores que en el eléctrica, en los cuales la fuerza rcional a la velocidad angular de inducida sea continua o alterna

amo: Corriente continua. alternador: Corriente alterna.

igitales

ngular digitales son los que tipo impulsos, en relación con el

pleta (360º) se proporciona un el número de impulsos en un gular del sistema bajo medida.

esta misión son los fotoeléctricos

n fundamentalmente de un diodo diendo actuar por reflexión o por lveremos más adelante.

/2011 7


Los transductores inductivos son especialmente indicados en entornos donde la suciedad sea inevitable. En estos se trata de crear unas variaciones en un campo magnético mediante el giro de una rueda dentada solidaria al eje de la máquina rotativa. 1.4.3. Transductores de velocidad lineal En realidad se trata de sistemas que transforman el movimiento lineal en angular para así ser medido por un transductor de velocidad angular. 1.5. TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO Aquí nos encontramos también con dos categorías por el tipo de movimiento: desplazamiento angular y desplazamiento lineal. Y en cuatro categorías por el tipo de transductor: Potenciométricos, Inductivos, Capacitivos y Digitales. 1.5.1. Potenciométricos Se trata de relacionar la posición física del cursor de un potenciómetro con la posición del objeto cuyo desplazamiento se quiere medir.

Sistema angular

Sistema lineal



1.5.2. Inductivos Los transductores de desplazamiento inductivos están basados en los efectos que tiene sobre el acoplamiento magnético de las bobinas la variación del núcleo. Existen dos tipos:

o Transductor de inductancia variable. o Transformador diferencial variable (LVDT).

Transformador de inductancia variable

o Tr mseunteha

M.

Movimient

Inductancia variable en función de la posición del núcleo (∆L)

ansformador diferencial variable (LVDT)

El transformador diferencial variable es el transductor de desplazamiento ás comúnmente utilizado. En esencia se trata de un transformador con dos cundarios, en el cual el núcleo es móvil. De este modo el LVDT proporciona a tensión de salida proporcional a la posición del núcleo. Los valores de la

nsión alterna que se utiliza para alimentar el primario son de una amplitud de sta 10V y una frecuencia entre 50Hz y 15KHz.

Movimiento

Secundario 2Secundario 1

Primario

Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2010/2011 9


1.5.3. Capacitivos En el fondo la idea es la misma que en los inductivos, sólo que en estos lo que se hace es modificar la posición del dieléctrico del condensador, con lo cual se modifica la capacidad. También se puede realizar esta variación por una variación de la distancia entre las placas o de la superficie enfrentada. 1.5.4. Digitales Proporcionan una salida de tipo digital y los hay tanto para desplazamientos lineales como angulares. Los más utilizados con diferencia son los fotoeléctricos. Los transductores fotoeléctricos tiene su base en un circuito constituido por un diodo emisor de luz (LED) y un semiconductor sensible a esa emisión, normalmente un fototransistor. Si son del tipo reflexión emisor y receptor están en línea, de tal modo que la emisión del LED ha de ser reflejada para incidir en el receptor. En los del tipo transparencia emisor y receptor están enfrentados y entre ellos se interpone el elemento que va a permitir o no la incidencia del emisor sobre el receptor.

Emisor

Por transparencia

Receptor

Por reflexión



1.6. TRANSDUCTORES DE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN 1.6.1. Las Galgas extensiométricas

Se basan en el efecto piezorresistivo, descubierto por Kelvin en 1856. Consiste en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. La galga extensiométrica permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.

La unidad de medida de la deformación se expresa mediante ε (épsilon). Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial.

ll∆

=ε

El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un

cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión.

La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está adherido.

El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada



Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección, pero de una forma más acusada, en la resistividad (ρ) del semiconductor. De esta forma:

SlR

∆∆

⋅∆=∆ ρ

Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado

que el constituido por hilo metálico. s

Existen por tanto dos tipos básicos de g

⇒ De hilo conductor o láminabásicamente por una base musobre la cual va adheridterminaciones del hilo acabconecta el transductor.

⇒ Semiconductor. Las galgas

anteriores. En este tipo de gamaterial semiconductor. La pgalgas respecto a las anteriorsemiconductoras tienen un tresistencia de un material dellamado efecto piezorresistivfabricar en silicio. Para lograo tipo P) en un pequeño volum

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – C

Terminale

algas:

conductora. El sensor está constituido y delgada no conductora y muy flexible, o un hilo metálico muy fino. Las an en dos terminales a los cuales se

semiconductoras son similares a las lgas se sustituye el hilo metálico por un rincipal diferencia constructiva de estas es se encuentra en el tamaño; las galgas amaño más reducido. El cambio en la bido a la aplicación de un esfuerzo es o. Los piezorresistores son fáciles de

rlo, sólo se introducen impurezas (tipo N en de silicio.

urso 2010/2011 12


1.6.2. Piezoeléctricos Algunos materiales cristalinos como el cuarzo, poseen la propiedad de producir cargas eléctricas cuando son sometidos a una fuerza aplicada en una determinada dirección. Tenemos así que una fuerza produce una diferencia de potencial eléctrico, la cual es proporcional a esa fuerza y puede así ser tratada en circuitos electrónicos. 1.6.3. Capacitivos Ya sabemos que cualquier variación en el dieléctrico provoca una variación en la capacidad del condensador. Si la fuerza a medir actúa sobre él deformándolo tenemos ya abierta la posibilidad de una medida de la fuerza aplicada en función de la capacidad del condensador. Fuerza aplicada Capacidad 1.7. TRANSDUCTORES DE PROXIMIDAD 1.7.1. De tipo resistivo (LDR)

La LDR (Light Dependent Resistor) está basada en la

variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él una radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1 mm y 10 mm). De este modo ese aporte extra de energía permite una

mayor creación de electrones libres que van a suponer una disminución de la



resistencia eléctrica del cristal semiconductor. Es muy utilizada en aquellas aplicaciones en las que el nivel de radiación luminosa sea un dato a manejar, pero también puede ser utilizado como detector de proximidad en tanto en cuanto perciba la interrupción de un cierto nivel de radiación luminosa, lo cual manifiesta la interposición de un objeto o persona.

1.7.2. Transductores de corriente de efecto Hall

Edward H. Hall descubrió en 1879 que, cuando por un conductor o semiconductor circula corriente y se le aplica un campo magnético en dirección perpendicular a ésta, aparece una diferencia de potencial transversal, denominada tensión Hall. Aunque Hall utilizó oro, actualmente se emplean semiconductores, los cuales producen tensiones de Hall más altas que cualquier otro material sólido. Los dispositivos de efecto Hall son típicamente dispositivos de cuatro terminales. Dos para la excitación y dos para la salida.

Campo

magnético

Corriente

Una gran cantidad de mediciones pueden ser realizadas usando sensores de efecto Hall. Consisten en un material conductor, usualmente semiconductor, y de una corriente eléctrica que se hace pasar entre dos electrodos, situados en lados opuestos del dispositivo. Dos contactos son colocados en los lados restantes del dispositivo (opuestos uno a otro y en dirección perpendicular al flujo de corriente). 1.7.2. Transductores Inductivos

Un detector inductivo consta esencialmente de un oscilador cuyos bobinados constituyen la cara sensible. En la parte frontal de esta última, se crea un campo magnético alterno generado por el núcleo de ferrita. Cuando se aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa; si un objeto conductor de electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, el oscilador se atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor, por lo



que encontramos dos estados: oscilación atenuada y oscilación sin atenuar. Nos tiene que quedar claro que los detectores inductivos sólo pueden

detectar materiales conductores de electricidad. En la práctica, las piezas a controlar son generalmente de acero, de dimensión equivalente a la cara sensible del aparato. Para tener una detección segura, hay que cerciorarse de que la pieza a detectar pasa a una distancia inferior o igual a los valores indicados en las fichas técnicas del aparato elegido. 1.7.3 Transductores Capacitivos Los sensores Capacitivos tienen en los detectores de proximidad su principal aplicación. Aplicándose en un amplio abanico de situaciones: control de nivel de líquidos, inspección de paquetes, detección de roturas, ... Están configurados por un par de electrodos que constituyen las placas de un condensador abierto. Este condensador actúa en un circuito oscilador que es el encargado de transformar sus variaciones de capacidad en una señal salida adecuada. Este tipo de detectores no están limitados, como los inductivos a objetos metálicos.

Material conductor Condensador

abierto

Material dieléctrico Condensador

abierto



1.8. TRANSDUCTORES ÓPTICOS. OPTOELECTRÓNICA Aunque ya han aparecido en el estudio de los transductores de velocidad y posición, insertamos aquí alguna otra aplicación. 1.8.1. Detección de color Se trata de aplicaciones en las que sea importante determinar el color. Por ejemplo para la selección de alimentos, o la selección de piezas previamente marcadas de un color. Normalmente se utiliza el sistema RGB (rojo, verde y azul), mediante tres diodos LED uno de cada uno de estos tres colores. Estos diodos emiten alternamente su radiación luminosa que es detectada por un mismo fotodiodo. Hemos de recordar que el color de un objeto es en realidad la longitud de onda de la zona visible que es reflejada por el mismo (las otras son por tanto absorbidas). De modo que un objeto verde absorberá la radiación de los diodos rojo y azul, pero reflejará la del verde.



1.8.2. Detección de humo y turbidímetros Una de las formas más comunes mediante la cual se detecta humo es mediante optoelectrónica. Para conseguirlo emisor y receptos se sitúan en un ángulo de 90º, de modo que sin humo la luz del emisor no pueda incidir en el receptor, sin embargo, cuando en el sistema se introduce humo, las partículas de humo dispersan la luz y esta alcanza el receptor.

Receptor

Emisor

Sin humo

Receptor

Con humo

Emisor

Un turbidímetro es en esencia el mismo sistema pero adaptado al agua, de modo que permita conocer la turbidez de la misma.



II. CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SEÑAL 1. EL PUENTE DE WHEASTONE En 1844 Charles Wheastone ideó un circuito que le permitiera medir una resistencia desconocida a partir de otras tres conocidas, además de una fuente de tensión o corriente y de un galvanómetro. Dando así lugar al circuito conocido como Puente de Wheastone:

R1

R2

+Vcc

V

R3 RX

B A El puente está balanceado, y por tanto en equilibrio, cuando VA = VB. Lo cual supone que el voltímetro estará indicando 0V. Como quiera que R1-R3 y R2-R4, forman dos ramas en paralelo, y que por tanto la tensión de ambas ramas es igual (=V), tenemos que:

313 RR

VRVA +⋅=

XXB RR

VRV+

⋅=2

Para que VA = VB:

( ) ( )

X

XXX

X

RR

RR

RRRRRRRR

VRRR

VR

2

3

1

233131

32

=⇒

⇒+⋅=+⋅⇒+

⋅=+

⋅



Cuando esta condición de equilibrio del puente se satisface la tensión entre A y B es cero.

Sin embargo en instrumentación de lo que se trata no es de determinar el valor de una resistencia variable, sino desde una resistencia cuyo valor esté en función de otra magnitud (LDR, NTC,...), traducir la variación de resistencia en variación de tensión. Por ejemplo:

REGULADOR DE LUZ EN FUNCIÓN DE LA LUZ AMBIENTAL

+ 15V

R7 100K R1

10K R6 100K

R9 10K

R10 1K

Ω

D1 1N414815V15V

15V

R4 4K7

R5 100K

15VR3 4K7

R8 100K

–15V +15V

R4 10K

R12 10K T1

BC547220V 18V T1

BC5471VA R13 10K F

– 15V R16 20K

Si en este circuito, qubloque de la LDR, encont

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electró

IC3 741

P1 1A-

15V
R15 100K
e ra

n

C1 100n

R2 LDR FW150

IC2 741

IC1 OP07

15V

vamos a realizar en prácticas, nmos enseguida su situación e

ica FSV – Curso 2010/2011

R11 180

IC4 MOC3021

os fijamn un p

TH1BT137

os en uente

220VAC

L1 220V/60W

el de

19


Wheastone, así como que la salida del puente se convierte en la entada diferencial de un amplificador diferencial (el amplificador de instrumentación básico):

+ 15V

0 R7

R1 10K

R3 4K7

–15V

De este modo las variacionradiación luminosa, se traducendiferencial del circuito acondicionadecuado a la salida para actuar so Una decisión habitual, aunqen cada caso cuál es la mejor opcien su situación de referencia (R0salida igual a cero, y a partir de ltraducidas en una tensión que un c 1.1. Alimentación por referencia

Hay dos elementos clave paWheastone: las resistencias del alimentación necesitaremos en acircuitos integrados que funcionAD581L,...), capaces de correginadecuada pudiera traer a nuestro

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FS

R2 LDR FW15

100K

R6 100K 15

1R5 100K

R8 100K

R4 4K7

es de resistencia en en variaciones dador de señal, quebre el siguiente cir

ue siempre habrá eón, es la de tomar ), la que está destina cual habrá que circuito electrónico

de tensión

ra la estabilidad y mismo y la alimenplicaciones de graan como referencir los problemas circuito.

V – Curso 2010/2011

V IC1 OP07

5V

la LDR, en función de la e tensión en la entrada a su vez prepara el nivel cuito.

l diseñador de considerar como valor de R3 el de RX ada a dar una tensión de

ontabilizar las variaciones será capaz de tratar.

precisión de un puente de tación. En el caso de la

n precisión recurrir a los ias de tensión (LM336, que una alimentación

20


2. EL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN 2.1. El amplificador operacional Símbolo

-VCC

+VCC

Entrada inversora

Entrada no inversora

_

+

VO Normalmente los terminales de alimentación se sobreentienden (al igual que la alimentación en un circuito de puertas lógicas) y no suele indicarse, salvo cuando sea realmente necesario. El circuito equivalente de un A.O. es el siguiente:

_

ZiZO

VO = A·ViVi

Donde idealmente: Zi = ∞ ZO= 0

+



2.2. Parámetros fundamentales Corriente offset de entrada Teóricamente los dos transistores son idénticos y para la misma tensión de entrada tendrían las mismas corrientes de base. Pero la realidad no es así. De modo que la corriente offset de entrada de un amplificador diferencial es la diferencia entre las dos corrientes de base para igual polarización. IIO = IB1 – IB2 Aunque estos valores sean normalmente muy pequeños, hay que tener en cuenta que con elevadas resistencias de base el resultado puede ser fuente de problemas para el circuito. Corriente de polarización de entrada Se llama corriente de polarización de entrada al valor medio de las intensidades de base de los dos transistores:

Ii (polarización) = (IB1 + IB2) / 2

Tensión de offset de salida Los efectos de la no simetría de los transistores provoca también resultados en la salida del amplificador. Este resultado es que con igual tensión en ambas entradas la salida no sea cero, como teóricamente hemos visto. A esa diferencia entre la tensión que debería haber a la salida y la realmente hay, se le llama tensión offset de salida. Para eliminarla hay que aplicar una tensión en la entrada que contrarreste la diferencia que se produce en la tensión base-emisor de los transistores. En alguno circuitos integrados de Amplificadores Operacionales, el fabricante ha preparado patillas de offset null, para que colocando un potenciómetro del modo que él nos indica, podamos anular el efecto de esa tensión. Esto resulta necesario cuando buscamos precisión en el trabajo con pequeñas señales.



Ganancia de tensión en modo diferencial A

VO = A · (V1 – V2) La ganancia en modo diferencial A es el resultado de dividir la tensión de salida entre la diferencia de las tensiones de entrada. Ganancia en modo común AMC La ganancia en modo común es la ganancia del amplificador sobre una señal que se aplica a las dos entradas simultáneamente. En el caso ideal esta ganancia sería cero, como ya hemos visto. Pero como en la realidad hay desviaciones si existe una pequeña ganancia en este modo. Lo cierto es que es tan pequeña que nos permite apreciar una de las grandes ventajas del amplificador diferencial: la inmunidad al ruido. Esto es así porque el ruido electromagnético afectará por igual a ambas entradas, y por tanto apenas tendrá efectos en la salida. Factor de rechazo al modo común. CMRR (Common mode rejection ratio) Un dato importante que reflejan las hojas de características de un amplificador operacional es el factor de rechazo al modo común. Lo que nos informa del rechazo a las señales en modo común normalmente no deseadas, esto es al ruido del que hablábamos antes. En el caso ideal sería infinito.

CMRR = A / AMC En las hojas de características suele ser habitual expresar este dato en decibelios, como ya sabemos, esto se calcula:

CMRRdB = 20 log (A / AMC) Velocidad de respuesta (Slew rate) La velocidad de respuesta nos está indicando la velocidad máxima a la cual puede variar la tensión de salida. Si la tensión de entrada variase más rápido la salida no podría seguirla y el funcionamiento sería defectuoso. Este valor nos indica el límite superior en frecuencia del amplificador. Este parámetro se indica en voltios por micro-segundo (V/µs).

dvsalida / dt = V/µs



2.3. El amplificador diferencial Todo amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial preparado para actuar con precisión especialmente en entornos hostiles, donde los factores ambientales (temperatura, ruido eléctrico, ...) pueden poner en peligro la validez de los datos del circuito. Por eso podemos abordar como el amplificador de instrumentación elemental el ya conocido amplificador diferencial en base a un único amplificador operacional:

U1 U2

Uo = K (U1-U2)

R2

R1

U1

Uo R3

U2

R4

Si R3 R2 = R4 R1 Uo = (R2/R1) (U2 – U1)

Aquí lo importante es la ganancia de tensión diferencial (A), la cual para ser de gran precisión requiere que el circuito se conforme con resistencia a su vez de gran precisión. Cuando en nuestro circuito las tensiones diferenciales de entrada que se van a manejar son de valores muy bajos, del orden de los milivoltios o incluso microvoltios, otro dato también muy importante a tener en cuenta va a ser el factor de rechazo al modo común (CMRR). Esto es así porque aunque lo ideal es que la AMC fuese cero, en realidad no lo es, y esto provoca que la tensión que



estamos aplicando a la vez a las dos entradas del amplificador diferencial, dado que la entrada diferencial es muy pequeña, va a tener una influencia excesiva en la salida. Lo que nos permite comparar este dato es el CMRR:

CMRR = A / AMC De modo que en instrumentación será necesario disponer de amplificadores capaces de amplificar tensiones diferenciales del orden de milivotios (incluso microvoltios) y de rechazar tensiones en modo común del orden de voltios. Por ejemplo, si en una aplicación tenemos una entrada diferencial que es 60dB inferior a la señal de entrada en modo común, no podríamos utilizar un 741C que tiene un CMRR mínima de 70dB a frecuencias bajas, ya que la diferencia entre la salida diferencial y la modo común será sólo de 10dB, esto es, la salida deseada sólo es 3,16 veces superior a la no deseada. Un OP-07A, con un CMRR mínimo de 110dB sería una solución mucho más adecuada. Aislamiento de las entradas Para que las resistencias de la fuente que excitan el amplificador diferencial no influyan en la precisión del circuito, una solución es aislar las entradas mediante adaptadores de impedancia:



2.4. El amplificador de instrumentación Se llama amplificador de instrumentación a un amplificador diferencial que ha sido optimizado para el funcionamiento en corriente continua. De modo que se caracterice por un alto CMRR, offsets de entrada reducidos, escasa deriva, y una alta impedancia en sus entradas. Un amplificador de instrumentación básico es el siguiente:

R R

Vin+ R2

R1

A VO

R1

R2

R R Vin-

Se puede observar en este circuito que la etapa de salida de este circuito es un amplificador diferencial de ganancia unidad. En esta etapa es muy importante que las resistencias sean de gran precisión, ya que a mayor igualdad entre ellas mayor simetría del circuito y por tanto mayor rechazo al modo común (CMRR). Estamos hablando de tolerancias de 0’1% e incluso 0’01%. Respecto a la primera etapa se trata de una etapa preamplificadora (recordar que la etapa final la ganancia es la unidad). Pero lo realmente



importante en esta etapa lo encontramos en el inteligente diseño del punto A (unión de las dos R1). Lo ingenioso del diseño es que permite reducir la ganancia al modo común a la unidad, mientras que ante la señal diferencial nos encontramos con dos amplificadores no inversores. Se puede observar claramente mediante la aplicación del principio de superposición:

a) Suponiendo la entrada diferencial igual a cero, nos queda la entrada en modo común. Precisamente, por ser común se aplica a las dos entradas la misma señal. Lo cual supone que en las salidas de ambos operacionales encontramos la misma tensión. Y si nos fijamos en la rama que forman las R1 y las R2, vemos que esta sometida a la misma tensión en sus extremos, y por lo tanto no hay diferencia de potencial. Así que el efecto real de ambos operacionales es el de una adaptación de impedancias (en ambos extremos de R2 existe la misma tensión, como en un conductor). Así en esta etapa: AMC = 1. Es interesante hacer notar que aquí la tolerancia de las resistencias no tiene la importancia que tiene en la segunda etapa, ya que como hemos visto estas no tienen efecto en la ganancia en modo común.

V VMC=V

R2

R1

R1

R2

d.d.p. = 0 AMC = 1

A

VMC=V V



b) Suponemos ahora la entrada en modo común igual a cero, y una señal de entrada en modo diferencial. Esta señal diferencial excita las dos entradas con tensiones iguales pero opuestas, de modo que la salida de un operacional es positiva y la otra negativa:

+V

R2

R1

Masa virtual

+ Vin -

A

R1

R2

-V

Esa masa virtual hace que podamos considerar que el circuito es equivalente a este:

Así la primera etapa tiene una ganancia de tensión diferencial:

11

2 +=RRA

R1

R2

AR1 R2



En estos casos lo típico es el uso de amplificadores de instrumentación integrados. Uno típico de bajo coste es el AD620. Otros más sofisticados son el AD524 o el AD624. 2.5. Acondicionadores de señal En el acondicionamiento de señal se trata muchas veces de preparar una señal originaria, procedente por ejemplo de un sensor, en otra proporcional a la originaria pero en un margen distinto de valores. Para esto los circuitos con operacionales que permiten realizar diferentes operaciones matemáticas son una solución ideal. Por ejemplo, supongamos que la salida de un convertidor digital analógico varía entre 0 y –5V, y tenemos que obtener desde ahí una variación de +10 a –10V. En este caso podemos utilizar un amplificador diferencial actuando como restador, que modifique el nivel de cero al restar una tensión fija de –5V y multiplicar el resultado por 2.

VS = 2 [Vi – (– 5)]

Problema de examen: Diseñar un ciconectar un sensor de temperatura Lun margen de temperatura entre 0 yentrada para el convertidor ha de serha de ser lineal (0º→0V, ..., 10º→1V

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV

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rcuito acondicionador de señal que permita M335 a un convertidor A/D. Se va a medir 50º, y el margen de tensión analógica de entre 0 y 5V. La salida del acondicionador , ..., 50º→5V).

– Curso 2010/2011 29


BIBLIOGRAFÍA

• Sistemas electrotécnicos de potencia. Electrónica de regulación y control de potencia. Velasco-Oriol-Otero. Paraninfo.

• Instrumentación electrónica. VV.AA.. Thomson. • Principios de Electrónica. Malvino. Mc Graw Hill. • Amplificadores Operacionales y circuitos integrados lineales.

Coughlin-Driscoll. Prentice-Hall, Pearson.


instrumentaciÓn electrÓnicaprofesores.sanvalero.net/~w0028/textos/apuntes%20pdf/... · 2012. 9....

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