UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA , ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
FUENTE DE CORRIENTE Presentado por:
I.
OBJETIVO
Diseñar un fuente de corriente la cual suministre una corriente de salida específica a una determinada carga
II.
Como la corriente que se especifica de salida es de 100 [mA], se opta por utilizar el OPA547, pues se ajusta en mayor medida a los valores objetivo, ya que no se necesita necesita suministrar tanta corriente como la que pueda ofrecer el LM675 o el OPA549.
DISEÑO
a) Especificaciones deseadas Se requiere entregar a un carga de 200 [Ω], una corriente de 100 [mA], a una frecuencia de 2 [KHz]
b) Criterios de diseño Para la realización de este diseño se usó la topología del circuito de Howland, el cual puede ser implementado para el desarrollo de una fuente de corriente, debido a su configuración sencilla de resistencias, y así mismo el uso de un amplificador operacional, el cual deberá soportar una corriente de salida alta.
Como primer criterio de selección se tomó la corriente de salida que pueda soportar el amplificador, por consiguiente se descarta el LM324. Como segunda medida se podría tomar cualquiera de los demás 3 amplificadores, ya que el ancho de banda de trabajo que se especifica, está dentro de los rangos de los amplificadores, igualmente el Slew Rate, y el el CMRR.
Calculo de los valores de resistencias
La configuración elemental de circuito de Howland es la que se observa en la Figura 1.
Selección del amplificador amplificador operacional
Especiaciones
LM324
LM675
OPA547
OPA549
Ancho de banda [MHz] Slew Rate [V/μs] Voltaje de Alimentacion [V] Corriente de salida [mA] CMRR [dB]
1.2
0.7
1
0.9
0.5
8
6
9
0-32
16-60
0-60
0-60
20
3000
750
800
90
95
95
Tabla 1
Figura 1 . Configuración básica del circuito de Howland.
Por análisis nodal se tiene la
(1)
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Y la ganancia no inversora del amplificador
(2)
Remplazando la ecuación (2) en (1) , obtenemos
() (3)
Siendo
Cuando en este circuito se presenta un equilibrio en el arreglo conformado por las cuatro resistencias , , de la siguiente manera:
Se observa que la impedancia de salida del circuito , que se ve desde la carga, se hace infinita, y en efecto la corriente de salida en la carga se hace independiente de esta, reescribiendo la ecuación (3) se tiene:
Lo que muestra que la salida del circuito se est comportando como una fuente de corriente, cuyo valor nominal depende de la tensión de entrada. Tomando como base el desarrollo de la Fuente de Howland, se investigó que al aumentar la tensión de carga, el amplificador proporciona un nivel de corriente que supera considerablemente la corriente que alimenta la carga, para reducir este fenómeno se buscó la fuente Howland optimizada para solucionar este problema, llegando a la siguiente configuración:
Para obtener los valores de la resistencia se toma en cuenta la siguiente equivalencia, que se obtuvo mediante un análisis nodal, y así mismo es equivalente al método usado para los cálculos de la fuente sencilla:
* +
(4)
Así miso para verlo más fácil, podemos reescribir el arreglo de las resistencias de la siguiente manera:
De al anterior expresión podemos afirmar que al agregar la resistencia presenta una ventaja ya que permite ajustar la sensibilidad de la fuente con solo disminuir la resistencia , mientras que se pueden mantener altas las otras resistencias del circuito, y con ello se reduce la corriente que debe ser suministrada por el amplificador. Así, mantenemos constante la corriente de salida sin importar que valor de carga seste conectada, se comporte como una carga variable.
Ahora sabemos que la fuente Howland tiene básicamente la configuración de un amplificador inversor cuya ganancia es conocida, podemos asumir resistencias de igual valor para que la fuente no genere ganancia de tensión, En la ecuación (6), se supieron los dos valores de las resistencias con el fin de facilitar los cálculos del diseño:
(6)
De los valores que se tomaron en la expresión (6), se remplazaron en la ecuación (4), con el fin de obtener el valor de la resistencia , al igual que se supusieron se toman valores iguales para las resistencias . Entonces , al igual que la fuente sencilla de Howland, el valor de la corriente de salida quedara solamente en función de la tensión de entrada:
Sabemos que Suponiendo que
( )
Podemos remplazar estos valores en la nueva ecuación (7)
Figura 2. Configuración mejorada de Fuente de Howland
.
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III.
SIMULACION
Se procede hacer dos simulaciones, una con el amplificador que se decidió usar ósea el OPA547, y el LM625, ese último se escoge para cambiar de familia de amplificador (OPA), y por qué el LM324 como se pudo observar en la Tabla 1, no cumple con las especificaciones de diseño deseadas,
La siguiente información se toma de la hoja del datasheet, y es la que me indica como calcular el valor de la resistencia que me limitara a corriente de salida del amplificador, se extrajo lo más significativo para la conveniencia de la practica Con el OPA547, el método más sencillo para ajustar la límite de corriente utiliza una resistencia o potenciómetro conectado entre el terminal y de acuerdo con la siguiente ecuación
OPA547
Tomando como fuente el datasheet del amplificador operacional obtenido de la misma página del fabricante [1], se pudo observar que este amplificador puede tener un arreglo de resistencias y capacitores en uno o algunos de sus terminales, con un fin específico, ya sea para limitar su corriente de salida, o para reducir el ruido envolvente, en la siguiente figura ( Figura 3) se observa el esquema mencionado, dado por el fabricante.
La Figura 5 muestra un esquema simplificado de los circuitos internos utilizado para fijar el límite de corriente. Dejando el terminal de abierto, se logra que la corriente de salida sea cero, mientras que si se conecta el terminal directamente al terminal se lograra el máximo límite de corriente de salida, normalmente seria de 750 [mA].
Figura 3 . OPA547 con arreglo de resistencias y capacitores Para el caso específico, de esta práctica, se procede a utilizar el arreglo de resistencias y capacitores recomendados por el fabricante, para limitar la salida corriente y así poder mejorar o controlar en mayor medida la fuente de corriente como muestra la siguiente figura.
Figura 5 Se aclara en la hoja que las resistencias utilizadas para limitar la corriente de salida deben tener una variación máxima de su valor del 1%. Para comprobar, simulación para continuación se , para
la anterior información, se hizo una pequeña corroborar la tabla de la Figura 5, a muestra se simulación para una Rcl de el terminal abierto,y para el terminal conectada a terminal :
Figura 4. OPA547 conectado para limitar su corriente de salida
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R2 Vcc
{R}
Vss
V+
PARAMETERS:
R = 10k Rx = 20
25
ZL = 200
Rcl 205k R1
Vin
2
{R} Vo
VAMPL = 2
1
VOFF = 0
V-
U17 4 3 E/S V- ILim -
+ 5
25 6 Vss
OPA547/BB V+
Rx {Rx}
FREQ = 2K Vcc R3
Figura 6. Rcl de
ZL
{R}
V
200
I
R4 {R}
Figura 8 . Fuente de Howland conectada como fuente de corriente En la Figura 8, se puede apreciar que la resistencia de carga
tiene un valor no definido, y se establece como un parámetro, con el fin de ir variando su valor, y asi demostrar, que sin importar que valor de carga se le conecte a la salida, la fuente de corriente suministra . Para ello se hará un barrido paramétrico, a la variable , para los siguientes valores
Figura 7. Terminal
conectada a terminal
{
Si por ejemplo el valor de la impedancia de carga es de la tensión en la impedancia de carga deberá ser de:
A continuación se muestra la simulación para este valor 10V
Figura 8. Terminal
5V
conectada a tierra
Se observa que anqué la corriente de salida, no es exactamente la esperada, si se acerca en gran medida al valor de limitación, esto corrobora en parte, que se puede limitar la corriente de salida del amplificador, con un arreglo de resistencias.
0V
-5V
Una vez simulada ciertas especificaciones del amplificador operacional, se hará el montaje de la fuente de corriente con los valores previamente calculados en el diseño. En la siguiente figura se muestra el esquemático:
-10V 0s
0.05ms
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
0.40ms
V(R3:2)
Figura 9 . Tensión
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
Time
para una carga de
0.75ms
0.80ms
0.85ms
0.90ms
0.95ms
1.00ms
,
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Ahora se mostrara una grafica para una carga de 20V
Se buscara ahora encontrar, hasta que valor de carga, la fuente de corriente, opera óptimamente. Como primera medida se debe tener en cuenta, el máximo valor de tensión de alimentación que soporta el amplificador operacional, pues este es el que me limita la región de operación o de trabajo del amplificador, para este caso, según la Tabla 1, el máximo valor de tensión de polarización es de ±30[V]
10V
0V
En seguida, se procede a dar ciertos valores de carga superiores a los de las especificaciones de diseño. Se opta por tomar 225 y mirar que sucede con la tensión de salida, ya que se esperaría que esta, este saturada, ósea se encuentre achata o cortada en sus picos. En la siguiente figura se presenta lo anterior:
-10V
-20V 0s
0.05ms
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
0.40ms
V(R3:2)
Figura 10. Tensión
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
Time
para una carga de
0.75ms
0.80ms
0.85ms
0.90ms
0.95ms
1.00ms
30V
Ahora se mostrata uan grafica general para los valores de carga mencionados anteriormente:
20V
10V 20V
0V
10V
-10V
0V
-20V
-30V 0s
0.05ms
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
0.40ms
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
0.75ms
0.80ms
0.85ms
0.90ms
0.95ms 1.00ms
V(R3:2) -10V
Time
Figura 13 . Tensiones de carga, para valores mayores a los de las especificaciones de diseño -20V 0s
0.05ms
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
V(R3:2)
Figura 11 . Tensión
0.40ms
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
0.75ms
0.80ms
0.85ms
Time
para distintos valores de carga en
0.90ms
0.95ms 1.00ms
Se aumenta la región de la gráfica que más interesa
Se mira ahora el análisis en frecuencia, con el fin de mirar, si la onda de tensión de salida, tiene la frecuencia fundamental impuesta por la fuente de tensión de entrada, para este caso, son 2 [KHz] 20V
16V
12V
8V
Figura 14. Tensiones de carga para valores de prueba
4V
0V 0.07KHz
1.00KHz
2.00KHz
3.00KHz
4.00KHz
5.00KHz
6.00KHz
7.00KHz
8.00KHz
9.00KHz
10.00KHz
V(Rx:1) Frequency
Figura 12 . Frecuencia de la onda de Tensión
11.00KHz
12.00KHz
En la anterior grafica [ Figura 14], se observa que la onda de la señal de tensión correspondiente al valor de carga de y , se encuentra achatada o cortada en su pico, lo que indica y confirma, que para algún valor de la impedancia de
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carga, la tensión de salida se satura, debido a la tensión de polarización, que se explicó previamente.
Se hace un nuevo barrido, para valores entre , como la onda de la señal de tensión para el valor de carga de presenta un comportamiento casi normal, se tomara valor más cercanos a este, como , , y así mirar hasta que valor, o hasta que rango la fuente opera óptimamente:
27.5V
Figura 16. Fuente de corriente recomendada por el fabricante Para el anterior diseño, dado por el datasheet, solo se le debe ajustar la tensión de entrada, no alterando los valores, de las resistencias o capacitores, cumpliendo la siguiente ecuación
Siendo esta ecuación la que me modela el nivel de corriente de saldia, se es fácil calcular la tensión de entrada necesaria:
* +
24.0V
20.0V
La siguiente figura es el esquemático de la fuente de corriente con la tensión de entrada calculada y los valores de resistencias recomendados
16.0V
13.0V 310us
320us
330us
340us
350us
360us
370us
380us
390us
400us
410us
420us
430us
440us
450us
V(R3:2)
Vcc
Time
Figura 15. Tensiones de carga para valores de prueba
PARAMETERS:
LM675
25 10k Vss R1
Vin VAMPL = 40m
3 2
OUT 1
V-
LM675 V-
25
-
1k
VOFF = 0
Se presentara con mayor brevedad el funcionamiento de la fuente de corriente utilizando el LM675. Como primera medida, se mira el datasheet, en busca de una configuración recomendada para el uso de amplificador como fuente de corriente. A continuación se mostrara la configuración recomendada por le fabricante:
V+
R5
100
Se podría decir, que la fuente operaria para un rango de valores de carga desde los hasta apropiadamente ,
R2
R = 20
+ 5 U1
4 R7 1
V+ C1 0.22u
FREQ = 2K
Vss Rx 4
Vcc R3
R6 10k
{R}
ZL
V
100
R4 1k
Figura 17 . Fuente de corriente con un LM675 Al igual que para el OPA547. Se hará un barrido en la para los valores de carga y así, comprobar el óptimo funcionamiento y también para poder mirar el máximo valor de carga permitido, o al menos encontrar un rango de operación. Los valores de carga serán los mismos que para el del modelo del OPA547:
{
Pudiendo comparar mejor amplificadores operacionales
los
resultados
entre
ambos
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30V
20V
OPA547
LM675
Frecuencia [KHz] Corriente de salida [mA]
1 2 100.020
1.0195 2 101.953
Frecuencia [KHz] Corriente de salida [mA]
4.98 2 99.820
5.5054 2 110.107
Frecuencia [KHz] Corriente de salida [mA]
9.772 2 97.721
12.029 2 120.292
Frecuencia [KHz] Corriente de salida [mA]
14.699 2 94.995
19.892 2 132.115
Frecuencia [KHz] Corriente de salida [mA]
19.388 2 96.942
26.392 2 131.959
Especificaciones
10V
0V
-10V
-20V
-30V 0s
0.05ms V(R6:2)
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
Figura 18. Tensión
0.40ms
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
0.75ms
0.80ms
0.85ms
0.90ms
Time
para distintos valores de carga en
0.95ms
1.00ms
Se observa que para el valor de 200, la onda de tensión esta saturada, como en el caso del OPA547, se debe al nivel de alimentación, para poder corregir se aumenta su valor al máximo, que es de 30[v] y mirar si es suficiente 30V
20V
10V
0V
-10V
-20V
-30V 0s
0.05ms V(R6:2)
0.10ms
0.15ms
0.20ms
0.25ms
0.30ms
0.35ms
Figura 19 . Tensión
0.40ms
0.45ms
0.50ms
0.55ms
0.60ms
0.65ms
0.70ms
0.75ms
0.80ms
0.85ms
0.90ms
Time
para distintos valores de carga en
0.95ms
Carga
]
1.00ms
Se puede observar que sigue siendo en menor medida saturada, pero igualmente no cumple las especificaciones de diseño. Para poder ajustarla, se debería variar la tensión de entrada, para que la corriente generada sea mayor, ósea necesitare suministrar mayor corriente para poder alimentar la carga, con una onda no saturada.
Tabla 2 . Comparación de resultados simulados entre ambos amplificadores operacionales
Partiendo de este hecho, no se hacen más simulaciones o pruebas con este amplificador, debido a que se tendría que variar un poco las especificaciones que se piden. No obstante no significa que este amplificador, no me sea útil para con e hacer una fuente de corriente, para este caso específico es más óptimo el OPA547, por sus especificaciones internas Conclusiones Más sim embargo en la siguiente tabla se presenta, los resultados de ambas simulaciones comparando sus funcionamiento, para el valor de carga de , se tomaran los valores arroajdos por el simulador de la onda saturada
El OPA547, resulto ser en el óptimo para el diseño de esta fuente de corriente, pues por sus especificaciones internas se ajustan más a el modelo de diseño pedido.
La sensibilidad de la fuente de corriente esta dada en gran medida, a la diferencia que existe entre los
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valores de las resistencias y las resistencias debido a que la sensibilidad de la fuente esta determinada por esta última resistencia, con base al modelo utilizado. Siendo así, al tomar la muy pequeña en relación con las demás resistencias del circuito, se puede garantizar una sensibilidad más pequeña, y mejorar notablemente la precisión. Ya que inicialmente los cálculos de diseño con resistencias , durante el desarrollo de las simulaciones, se pudo llegar a esta conclusión.
Un aspecto importante para el funcionamiento es la tensión de polarización, como se sabe, entre mayor sea la tensión de polarización mayor podrá ser el rango de excursión a la salida, el amplificador operacional que se seleccionó hace optimo esto, gracias a su capacidad de soportar un tensión de polarización alta.
Se pudo calcular por simulación el valor máximo de la resistencia de carga que soporta la fuente de corriente, antes de se sature la onda de salida, se aclara que esto va determinado por la tensión de entrada, y las tensiones de polarización, para el caso de este amplificador operacional, tiene un máximo de 32 [V], como se menciona inicialmente.
Para poder trabajar con un carga mucho mayor no podría utilizar el mismo amplificador operacional, debido a su tensión de polarización, ya que con este diseño, no soporta mayor tensión de polarización, entonces, tendríamos que buscar uno con mayor trabajo de tensión de polarización, u otras especificaciones
Observaciones En el desarrollo del diseño, se confirmó que es mejor el uso del OPA547 que el LM675, ya que para este ultimo, la tensión de entrada es muy pequeña, y nos complica el montaje debido a que le valor pedido para este diseño es mucho menor, que el que ofrece el generador de señales
