Facultad
de Ingeniería Eléctrica
Laboratorio
de Electrónica “Ing. Luis García Reyes”
Laboratorio
de Instrumentación
Practica
4:
El amplificador de
instrumentación básico y de circuito integrado
Objetivo:
Diseño y prueba de un
amplificador de instrumentación para acondicionar una señal voltaje.
Introducción:
Los siguientes
son algunos de los procesos en los que se pueden presentar el acondicionamiento
de una señal.
Convertir las variaciones de una variable
física a un tipo de señal adecuado.
Podemos mencionar
el caso que hemos realizado al convertir variaciones de resistencia, en
variaciones de voltaje, para ello hemos utilizado un puente un simple divisor
de voltaje del cual aprovechamos dos características.
-
La conversión de resistencia a voltaje
-
La linealización de la
respuesta del termistor
Obtención del nivel adecuado de la señal.
Como segundo
caso podemos considerarla señal de un termopar. Donde el voltaje de salida es
de unos cuantos milivolts. Si esta señal se pretende
utilizar en ambientes “con ruido eléctrico”, generalmente este ruido tiene una
mayor amplitud que la respuesta del propio termopar, así que se debe de
amplificar de manera “diferencial” este tipo de señal con el objetivo de
reducir los posibles errores al momento de amplificar la señal. Así
generalmente la señal se amplifica para pasar de algunos milivolts
a otra de volts.
En la etapa de
amplificación es muy común utilizar amplificadores operacionales o de
instrumentación.
Eliminación o reducción de ruido.
En esta etapa
del proceso de acondicionamiento de
señal generalmente se utilizan filtros, los cuales se verán más adelante..
Manipulación de la señal
Un ejemplo
clásico de la manipulación de la señal, es convertir una señal no lineal en una
función lineal. Como hemos visto algunos de los sensores producen señales que
nos son lineales. En estos casos debemos de utilizar circuitos acondicionadores
de señal capaces de convertir esta variable en una función lineal o casi lineal
de la variable física a medir.
A continuación
se presenta la etapa de amplificación de la señal, en esta práctica se
utilizará el amplificador de instrumentación básico construido en el
laboratorio, y un amplificador de instrumentación de circuito integrado.
El amplificador de instrumentación básico
El
amplificador de instrumentación es uno de los circuitos más útiles, precisos y
versátiles disponibles en la actualidad. En cada unidad de adquisición de datos
se encuentra al menos uno de ellos. Esta hecho de 3 amplificadores
operacionales y 7 resistencias como se observa en la Figura 3. 1, si se observa a detalle, se puede ver que este
amplificador esta basado en un amplificador aislador y un amplificador
diferencial básico.
El
amplificador diferencial y sus 4 resistencias iguales, forman un amplificador
diferencial con ganancia unitaria.
En un
amplificador de instrumentación una sola resistencia define la ganancia del
amplificador de acuerdo a la ecuación:
Donde
y
De aquí se
observa que para cambiar la ganancia del amplificador, solo tiene que ajustarse
la resistencia R y el voltaje de salida del circuito es proporcional
a la diferencia entre los voltajes de entrada.
En un
amplificador de instrumentación típico se utilizan 3 amplificadores
operacionales dispuestos de acuerdo a la Figura
3. 1
a diferencia del amplificador diferencial que solo utiliza 1 amplificador
operacional, este tipo de circuitos cuentan con características muy
sobresalientes como:
Impedancia de
entrada de 300 MΩ
La ganancia de
voltaje desde la entrada diferencial a la salida de extremo único, se establece
con una resistencia.
La resistencia
de entrada de ambas entradas es muy alta y no cambia al variar la resistencia
El voltaje de
salida Vout no depende del voltaje común a Vin1 y
Vin2, solo a su diferencia
Excelente RRMC
de más de 100 decibeles
El Amplificador de instrumentación AD620
Al implementar
un amplificador de instrumentación con componentes discretos, es muy difícil
encontrar componentes que sean “del mismo valor” como es el caso de las
resistencias, o bien que el voltaje de offset sea muy
cercano a cero en el caso de los amplificadores operacionales.
El amplificador de
instrumentación de circuito integrado es un circuito que esta construido
internamente de manera muy similar al circuito de la figura 3.1, sin embargo en
la fabricación de este circuito los componentes fueron diseñados para tener
solo pequeñas variaciones, las cuales hacen que el circuito funcione de manera
adecuada en amplios rangos de ganancia y voltajes de operación. Adicionalmente
muchos de los amplificadores de instrumentación durante su producción cuentan
con un control de calidad donde se prueban las características de operación de
los amplificadores de instrumentación.
Un
amplificador de alta relación costo/desempeño, es el amplificador AD620 del
cual podemos mencionar las siguientes características generales:
-
La ganancia de voltaje es de 1 a 10,000
-
La ganancia se
coloca utilizando una sola resistencia
-
Opera con voltajes BIPOLARES de +- 2.3 a +- 18 volts
-
Disponible en empaquetado de 8 pines
-
Consumo de 1.3 mA
-
El desempeño en DC es excelente ya que solo tiene un máximo
de 50 uV de offset
-
Desvío máximo de 0.6 uV/°C
-
En AC tiene un ancho de banda de 120 Khz. con una
ganancia de 100
Dentro de las aplicaciones donde
se utiliza se encuentran:
-
Instrumentación médica
-
Basculas electrónicas
-
Amplificación de transductores
-
Etc.
El diagrama de terminales se
presenta a continuación:
El diagrama
de terminales corresponde a un amplificador de INSTRUMENTACIÓN donde la salida
esta dada por la ecuación:
Donde:
-
El voltaje de entrada es el voltaje diferencial entre
las terminales –IN y +IN
-
La ganancia AV esta dada por la ecuación
El Termopar tipo J
Consiste de
un convertidor térmico de temperatura a voltaje o corriente por disimilitud de 2
metales distintos unidos en la juntura. Este fenómeno se conoce como efecto Seebeck. Cuando el circuito esta abierto se genera voltaje
y cuando las terminales están cerradas se
genera una corriente. Existen varios tipos de uniones, de metales diferentes,
que presentan diferentes rangos de temperatura, así como sensibilidad. Dentro del tipos de los diferentes tipos de termopar encontramos
los tipo J, K, R y T.
Los diferentes tipos de
termopares tienen diferentes tipos de características.
|
Tipo
|
Sensibilidad para
0.1°C (en uVolts)
|
Coeficiente Seebeck (uV/C)
a temperatura
ambiente
|
|
E
|
6.2
|
62
|
|
J
|
5.1
|
51
|
|
K
|
4.0
|
40
|
|
R
|
0.7
|
7
|
|
S
|
0.7
|
7
|
|
T
|
4.0
|
40
|
Grafica de respuesta de algunos
de los termopares comunes
De la gráfica
se puede apreciar que dependiendo del material con que se encuentra construido
el termopar, sus características tanto de sensibilidad como de máxima
temperatura de medición son alteradas.
En nuestro
caso utilizaremos el termopar tipo “J” con el objetivo de medir la temperatura
de agua.
De la gráfica
anterior se puede considerar que la respuesta del termopar es lineal, podemos elaborar
un medidor de temperatura utilizando un termopar, la principal ventaja de
utilizar un termopar y no un termistor, es el rango
de medición de temperatura, ya que al utilizar un termistor
la máxima temperatura a medir es de 110 °C y con el
termopar tipo J es de alrededor de 700 °C.
Requisitos:
Obtener la
hoja de datos característica de un termopar tipo “J”
Hoja de
datos del circuito integrado AD620
Hoja de
datos del LM324
Desarrollo:
A partir de
la gráfica del termopar obtener el voltaje de salida la temperatura a 0 °C (hielo) y la temperatura a 100 °C
Se calcula la ganancia de ambos
amplificadores de instrumentación para obtener a la salida 0 volts a 0°C y 1.00 volts a 100°C
Se implementan ambos
amplificadores de Instrumentación:
Notas:
En ambos casos el termopar se conecta a
referencia (tierra) en una de las entradas del amplificador de instrumentación.
En el amplificador de instrumentación
implementado con el amplificador operacional LM324, se conecta la entrada VIN1
a tierra junto con la entrada NEGRA del termopar.
En el amplificador de instrumentación AD620,
se conecta la Terminal –IN a tierra junto con la terminal
negra del termopar
Llenar la siguiente tabla
utilizando ambos amplificadores de instrumentación
|
Temperatura
|
Voltaje
de salida
LM324
|
Voltaje
de salida
AD620
|
|
Temperatura
|
Voltaje
de salida
LM324
|
Voltaje
de salida
AD620
|
|
20
|
|
|
|
60
|
|
|
|
22
|
|
|
|
62
|
|
|
|
24
|
|
|
|
64
|
|
|
|
26
|
|
|
|
66
|
|
|
|
26
|
|
|
|
68
|
|
|
|
30
|
|
|
|
70
|
|
|
|
32
|
|
|
|
72
|
|
|
|
34
|
|
|
|
74
|
|
|
|
36
|
|
|
|
76
|
|
|
|
38
|
|
|
|
78
|
|
|
|
40
|
|
|
|
80
|
|
|
|
42
|
|
|
|
82
|
|
|
|
44
|
|
|
|
84
|
|
|
|
46
|
|
|
|
86
|
|
|
|
48
|
|
|
|
88
|
|
|
|
50
|
|
|
|
90
|
|
|
|
52
|
|
|
|
92
|
|
|
|
54
|
|
|
|
93
|
|
|
|
56
|
|
|
|
94
|
|
|
|
58
|
|
|
|
|
|
|
Evaluación:
Esta
práctica se evalúa con su correcta implementación y funcionamiento.
Reportar:
La tabla de las mediciones
realizadas
La gráfica de respuesta del
voltaje de salida
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