Explicación del tema 6 Instrumentación Tema 6. Acondicionamiento electrónico 6.1 Acondicionamiento electrónico lineal Dentro del acondicionamiento lineal de señales análogas se tiene la función del op-amp como convertidor de voltaje a corriente y de corriente a voltaje. Los convertidores convertidores de corriente corriente a voltaje voltaje convierten una corriente de entrada variable en un voltaje de salida proporcional; pueden presentar tres tipos de conexiones: inversora, no inversora y seguidora.
En el convertidor I-V inversor el voltaje de la terminal positiva (no inversora) está conectado a tierra, por lo que es igual a cero. Como la corriente de entrada fluye únicamente a través de R, el voltaje de salida debe ser negativo y proporcional a ésta, es decir:
La magnitud de R determina la constante de proporcionalidad entre corriente y voltaje.
En el convertidor I-V no inversor se provee una ganancia adicional
para que el voltaje de salida del amplificador se ajuste adecuadamente. Debido a su alt a impedancia este dispositivo funciona como aislante de carga.
En la configuración de seguidor de voltaje se conecta una resistencia a la entrada para tomar un muestreo del valor de la corriente y el amplificador es conectado como seguidor de voltaje.
Los convertidores de voltaje a corriente se utilizan cuando se requiere una corriente de salida controlada por un voltaje de entrada; tienen dos tipos de configuraciones: c arga flotada y carga aterrizada. En la configuración de carga flotada la terminal positiva del amplificador operacional está conectada al voltaje de alimentación de la fuente de poder y la corriente IL es la que pasa a través de R1; es decir, no depende de la resistencia RL (ver figura).
Las ecuaciones que modelan el comportamiento de este convertidor se muestran a continuación:
V(+) = Vi Voltaje en la terminal positiva . V(-) = IL * R1 Voltaje en la terminal negativa . Si V(+) = V(-) entonces: En el convertidor V-I con carga aterrizada la carga se conecta a la terminal no inversora y a tierra, la corriente IL depende de la diferencia entre los voltajes Vin y Vref y la ecuación que determina la constante de proporcionalidad entre voltaje y corriente es:
Un ejemplo de la aplicación de estos dispositivos se encuentra en las celdas fotovoltaicas que se utilizan en varias aplicaciones como protección catódica (utilizada para proteger el metal de la corrosión), cercas eléctricas y sistemas de iluminación, las cuales convierten la energía de la luz en energía eléctrica. Ejemplo Para el siguiente convertidor V-I
Calcular la corriente IL, VL y el voltaje de salida V o Solución: Utilizando las fórmulas ya estudiadas se tiene:
6.2 Convertidores voltaje/ frecuencia – frecuencia/voltaje
Estos dispositivos permiten atenuar el ruido característico de las líneas de transmisión de los sistemas de instrumentación a través de un tren de pulsos. Cuando una señal se contamina se transmite en frecuencia permitiendo ruido a la señal y su frecuencia indica el valor real de la medición. Este tipo de convertidores se aplican en funciones como los enlaces ópticos, el control de velocidad de un motor, modulación de FM, etc. En el convertidor voltaje – frecuencia la información digital se obtiene convirtiendo un voltaje de entrada en un tren de pulsos con una frecuencia que es proporcional al voltaje de entrada.
Existen convertidores de diversos proveedores como lo son el LM331 de National Semiconductor o el AD650 de Analog Devices. Cuando se utiliza un comparador funciona de la siguiente manera (Dieck, 2000): 1. Un voltaje (V1) entre a la terminal del comparador. 2. El capacitor C1 se descarga hasta igualarse a V1. 3. El comparador envía una señal de transición positiva al circuito one shot que aumenta el pulso invertido en el voltaje de salida (Vo). 4. Se act iva la fuente de corriente con el interruptor para cargar C1 hasta un voltaje superior al de entrada. 5. Se desactiva el comparador y se prepara el cic lo de entrada para el siguiente ciclo de operación con V1 const ante.
Cuando se utiliza el circuito integrado LM 131 se conecta de la siguiente manera:
Imagen obtenida de http://w ww. itson.mx/die/jjpadilla/cia/PRAC11.doc . Sólo para fines educativos.
Antes del LM331 se conecta un filtro paso, representado por la resistencia R IN y el capacitor CIN. Los elementos Ct y Rt determinan la amplitud en el circuito one shot en su pulso negativo de salida. La resistencia RS se encarga de limitar la cantidad de corriente. La resistencia RL determina la frecuencia de la señal de salida. Con un voltaje de entrada de 10V, la frecuencia a la salida se obtiene por:
En el caso del convertidor de frecuencia a voltaje se utiliza un comparador, el circuito one shot y una fuente de corriente. El proceso es el siguiente: 1. Mediante un diferenciador se sensan las transiciones del tren de pulsos de la entrada. 2. Se act iva la fuente de corriente que alimenta a la carga a través de un pulso restirado a la salida del one shot . 3. A mayor cantidad de pulsos por unidad de tiempo que entren en el sis tema el voltaje de salida será mayor, y a que las cargas y descargas producidas en RL serán más rápidas. 4. Se coloca un filtro RC en la resistencia RL para controlar el rizado que se produce en la señal de nivel a la salida del sistema. En el siguiente gráfico se muestra el circuito de un convertidor f-V utilizando un comparador:
Imagen obtenida de http://www.all datasheet.com/datasheet-pdf/pdf/8639/NSC/LM131.html . Sólo para fines educativos.
Mientras tanto, si se desea utilizar el circuito integrado LM 131 se debe configurar de la siguiente manera:
Imagen obtenida de http://www.all datasheet.com/datasheet-pdf/pdf/8639/NSC/LM131.html . Sólo para fines educativos.
El funcionamiento y el papel de cada componente es el mismo que se describió en la conexión para convertidores V-f. Las ecuaciones que modelan este convertidor:
Ejemplo (Coughlin, 1999): Se conecta a la salida de un horno industrial un sensor de temperatura que mide un rango de 0 a 40°C. Sus salidas son:
Se requiere mantenerlo en dicho rango de temperaturas, cortando el suministro de energía al sobrepasarla, para esto es necesario producir un conteo cada 20 mseg. La cuenta que se produce a 40°C debe ser 200 veces mayor que la producida a 0°C. a) ¿Cuál es el rango de frecuencias requerido? b) ¿Cuál es la frecuencia de salida para el límite inferior y para el límite superior? c) Si se utiliza un contador de 8 bits, ¿con qué valor de preset debe ser inicializado para que realice el conteo de 0 a 40°C? Solución: a) Se necesita que el cambio en pulsos sea de 200 con una frecuencia de muestreo de 20 mseg, es decir:
El rango de frecuencia es de los 0 a los 10,000 Hz. b) El rango de voltajes es de 1 a 10 V:
Para obtener los Hz por Volt:
Por lo tanto: A 0°C el voltaje de entrada es de 1 V y la frecuencia mínima será 1,111 Hz. A 40°C el voltaje de entrada es 10 V y la frecuencia máxima será 1,111 Hz/V * 10 V = 11,110 Hz. c) Para el valor de preset del contador binario de 8 bits debemos calcular la cantidad de pulsos que debemos compensar para obtener la respuesta de cero cuando el sensor mida 0°C, por lo tanto:
El contador binario de 8 bits cuenta hasta 2 8 = 256, por lo que el valor de preset debe ser: 256 – 22 = 234. Glosario Circuito one shot . Circuito con una entrada y dos salidas. Al aplicarle una señal a la entrada el circuito cambia de estado, permaneciendo en él durante un intervalo de tiempo para regresar posteriormente al estado original, es por ello que se le denomina circuito monoestable. (Electrónica 2000, s.f.). Nomenclatura de las ecuaciones. Vo Ii R Rf IL f o RL Rs Ct Rt T Referencias bibliográficas ITSON. (s.f.). Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos ITSON. Práctica 11: Convertidores analógico digital . Recuperado el 21 de septiembre de 2009, de http://www.itson.mx/die/jjpadilla/cia/PRAC11.doc Dieck, G. (2000) Instrumentación, acondicionamiento y adquisición de datos . México: Editorial Trillas. Coughlin, R. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. México: Prentice-Hall. Electrónica 2000. (s.f.). Circuitos lógicos secuenciales. Recuperado el 12 de octubre de 2009, de http://www.electronica2000.com/digital/cirlogse1.htm [ cerrar ventana ]
D.R. © Universidad TecMilenio.
Imprimir
