Circuitos Integrados Frecuentemente Utilizados en Instrumentacion

TEMA 9: CIRCUITOS INTEGRADOS FRECUENTEMENTE UTILIZADOS EN INSTRUMENTACIN

Bibliografa: Sensores y acondicionadores de seal Palls Areny, R. Marcombo, 1994 Instrumentacin electrnica moderna y tcnicas de medicin Cooper, W.D. y otro Prentice-Hall, 1990 Componentes electrnicos Siemens Marcombo,1987 Hojas de caractersticas de los fabricantes Juan Enrique Garca Snchez, Marzo 2003 Dpto. de Ing. Elctrica, Electrnica y Automtica. Universidad de Castilla La Mancha

Circuitos integrados frecuentemente utilizados en instrumentacin

Juan Enrique Garca Snchez, Marzo 2003

INTRODUCCINEn el mercado existen numerosos circuitos integrados monolticos con multitud de aplicaciones en instrumentacin electrnica. El uso de estos circuitos facilita enormemente las tareas de diseo de muchos circuitos de medida y transmisin de seales. Algunos de ellos han sido introducidos en captulos anteriores; es el caso de los amplificadores de instrumentacin integrados. En este captulo estudiaremos, desde un punto de vista fundamentalmente aplicado, algunos circuitos muy utilizados en instrumentacin que genricamente se pueden denominar: Amplificadores de aislamiento. Transmisores de seal en forma de corriente. Convertidores tensin corriente Receptores de lazo de corriente. Convertidores RMS DC. Se trata en todos los casos de circuitos integrados con amplias posibilidades de configuracin, muy verstiles en cuanto a sus aplicaciones y buenas caractersticas de precisin y estabilidad. Adems, los fabricantes proporcionan, en las hojas de caractersticas de estos productos, una informacin muy detallada sobre su estructura interna, prestaciones y limitaciones, posibles configuraciones, ajustes y ejemplos de aplicacin muy tiles e ilustrativos de las posibilidades de los circuitos. En este captulo se describirn, a modo de ejemplo, algunos componentes de este tipo de la firma BurrBrown al considerar que son unos de los ms utilizados en este mbito.

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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTOSon muchas las ocasiones en las que es preciso medir una tensin en modo diferencial con una componente en modo comn muy elevada. En la figura se muestra un ejemplo. Se trata de medir la corriente de alimentacin de un motor de alterna. Aunque existen otras soluciones (sensor de efecto Hall, por ejemplo), es muy frecuente optar por introducir una resistencia calibrada (shunt) de pequeo valor en la lnea y medir la tensin en sus bornes. Los amplificadores diferenciales, utilizados hasta el momento, no soportan tensiones en modo comn superiores a unos 10V. Adems, es preferible que el circuito de potencia y el que procesa la seal estn lo ms aislados posible. Es una forma de proteger la integridad del circuito electrnico frente a defectos en el circuito de potencia que se podran propagar, a ste y otros circuitos de acondicionamiento con masas comunes, provocando efectos devastadores. +VCC1 En un amplificador de aislamiento (AA) existe una separacin hmica entre la etapa de entrada y la de salida. Este aislamiento debe tener alta tensin de ruptura y pocas fugas, es decir, alta resistencia y baja capacidad (1012 o ms y 10 pF como mximo). Por tanto, el terminal de referencia de la etapa de entrada (masa de entrada) est separado hmicamente del terminal de referencia de la etapa de salida (masa de salida).-VCC1 +VCC2 -VCC2 VAC 100mV RSHUNT VD VCM +ACOPLAMIENTO

VO

VISO

El acoplo entre las dos etapas puede ser ptico, capacitivo, VCM V inductivo o basado en tcnicas de modulacin/demodulacin. Los VO = Ganancia VD + + ISO CMRR IMRR AA con acoplo ptico son los que presentan mejores caractersticas y, adems, son inmunes a las interferencias electromagnticas (que tampoco generan). En los AA, la funcin de transferencia tiene la expresin genrica que se muestra al pie de la figura. El IMRR (Isolation Mode Rejection Ratio) expresa la capacidad del AA para atenuar la tensin que pueda aparecer entre las dos etapas aisladas. Se define forma similar al CMRR.3



AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO. 3650-BB.Uno de los amplificadores de aislamiento con mejores caractersticas es el 3650 de Burr-Brown. En la figura de la derecha se muestra su modelo funcional simplificado. Funcionalmente, la salida se puede considerar una fuente de tensin dependiente de la corriente de entrada. Por tanto, se trata de un amplificador de transconductancia con una ganancia de un voltio por microamperio. Se aprecia cmo las etapas de entrada y salida tienen alimentaciones y referencias (C) independientes. RIN es la resistencia de entrada diferencial que tiene un valor de unos 25. En la figura inferior se muestra un esquema simplificado del 3650 que permite explicar su principio de funcionamiento. En aras de la simplicidad se ha considerado que la corriente de entrada es unipolar aunque en realidad puede ser bipolar.

VD = IIN

1V A

El amplificador A1 presenta una realimentacin negativa establecida pticamente por medio del diodo LED CR1 y el fotodiodo CR3, por tanto, se cumple que IIN=I1=VIN/RG, donde RG es una resistencia externa que fija la ganancia. Los dos fotodiodos (CR2 y CR3) estn apareados, de modo que cuando reciben la misma luz (de CR1) conducen la misma corriente. Por tanto I1=I2, con lo que la tensin en la salida de A2 es:VOUT = VIN RK = (RK = 1M ) = IIN 106 RG4



AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO. 3650-BB.Con el fin de minimizar el desequilibrio en las corrientes de polarizacin (IOS=I+-I-), la resistencia RG, que fija la ganancia, se debe obtener con dos resistores (RG1 y RG2) de valores similares. Adems, segn se muestra en la grfica, esto es beneficioso desde el punto de vista del IMRR y CMRR, que son mximos cuando RG1=RG2. Detalle del ajuste de offset opcional y de la alimentacin independiente utilizando el convertidor DC-DC 722, cuya estructura interna simplificada se muestra en la figura inferior.

VOUT =

10 6 RG1 + R G2 + RIN

VCM VISO VD + CMRR + IMRR

RG1 (RG1 + R G2 )5



AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO. 3650-BB. Ejemplo de aplicacin.En la figura se muestra un circuito, basado en el 3650, para la medida de la tensin y la corriente de alimentacin de un motor elctrico. Para leer la tensin se utiliza un divisor de tensin ajustable, de modo que a la entrada del 3650 la tensin de alimentacin del motor ha quedado dividida por un factor de 100. La ganancia del AA se fija en uno.VOUT = VA 100

IA

La corriente es convertida en tensin por medio del shunt calibrado (RS). El AA aplica una ganancia de 100 y suministra a la salida una rplica en tensin de la corriente del motor.VOUT = 100 R S IA

El sistema de adquisicin de datos que lee estas dos seales queda aislado del circuito de potencia del motor.6



AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO. 3652-BB. Ejemplo de aplicacin.El 3652 es una variante del 3650 al que se le han incluido dos buffers de entrada (A1 y A2) con el fin de aumentar la impedancia de entrada con respecto al 3650. En todo lo dems es igual. 3650 3652 Impedancia de entrada diferencial Impedancia de entrada en modo comn 25 109 1011 1011

El campo de aplicacin del 3652 es la medida de seales que precisen una alta impedancia de entrada y aislamiento galvnico. Un posible uso podra ser la medida de potenciales del cuerpo humano en aplicaciones de electromedicina. En la figura se muestra la obtencin de la ECG (Grfica del ElectroCardiograma).

VOUT

10 6 = eS = 20 eS 50k7



TRANSMISORES DE SEAL EN FORMA DE CORRIENTEEn las medidas a distancia con transmisin en corriente (telemedida por corriente), la magnitud a medir se convierte en una corriente unipolar proporcional, que se enva por la lnea y es detectada en el extremo receptor midiendo la cada de tensin en una resistencia de valor conocido y estable.VCC Sensor Transmisor en corriente

Par trenzado IO IO es funcin de la magnitud a medir IO+

+

Sistema receptor

RL

El valor de corriente habitual es 4-20mA. Fue adoptado como norma en 1975 y existen numerosos transmisores comerciales que se ajustan a esta norma. El hecho de emplear 4mA para transmitir el valor cero permite distinguir las situaciones anmalas como por ejemplo el circuito abierto (0 mA). La resistencia de entrada del receptor RL=250 permite obtener tensiones en el rango 1-5V. Normalmente, la transmisin se puede realizar slo con dos cables, ya que, segn se muestra en la figura, en los transmisores comerciales la alimentacin se realiza con el mismo bucle de corriente. Esto tiene una repercusin econmica considerable en la mayora de los casos. Con el fin de evitar acoplamientos inductivos, que haran circular corrientes interferentes, se emplea un par de hilos trenzados. Las interferencias capaciticas son despreciables porque la impedancia equivalente del circuito (RL) es pequea. Los termopares parsitos y las caidas de tensin en los hilos tampoco afectan, siempre que el transmisor sea capaz de imponer el valor de corriente deseado en el circuito. Normalmente el mismo circuito transmisor alimenta y acondiciona una gran variedad de sensores, tales como termopares, RTDs, termistores y clulas de carga en puente, lo que supone una gran simplicidad y ahorro de tiempo y dinero en el diseo de estos sistemas de telemedida por corriente.8



TRANSMISORES DE CORRIENTE. XTR101-BB.El XTR101 es un transmisor de precisin en bucle de corriente de 4-20mA con bajas derivas. Se trata de un circuito integrado de 14 patillas que funcionalmente se puede representar segn se muestra en la figura. La etapa de entrada est formada por un amplificador de instrumentacin con ganancia ajustable con una resistencia externa (RSpan). La etapa de salida es una fuente de corriente controlada por la tensin de salida del AI. De modo que la corriente de salida (IO) es funcin de la tensin de entrada. Concretamente: IO = 4mA + (0.016 1 + 40 RSpan ) (e2 e1 )QEXT

En el funcionamiento normal, la corriente de salida vara entre 4 y 20mA, por tanto, e2-e1 puede ser como mucho 1V cuando RSpan=. El circuito est dotado de dos fuentes de corriente apareadas (IREF1, IREF2) de 1mA cada una. Segn veremos posteriormente, son muy tiles en el acondicionamiento de algunos sensores. La alimentacin es unipolar en un amplio margen (de 11.6V a 40V) y, adems, se realiza por medio del bucle de corriente. Dispone de ajuste de offset opcional con un potencimetro externo. El transistor externo opcional, cuando se usa, queda conectado en paralelo con un transistor interno. De esta forma, gran parte de la corriente de salida procede directamente de Vcc a travs de QEXT, reduciendo el autocalentamiento del XTR101 y aumentando su precisin al disminuir las derivas trmicas. Vease la grfica. El fabricante recomienda una serie de transistores que pueden ser utilizados.9



TRANSMISORES DE CORRIENTE. XTR101-BB. Ejemplo de aplicacin.En la figura se muestra, como ejemplo, la medida de una temperatura utilizando como sensor una Pt100. El potencimetro Raj se utiliza para ajustar el cero y su valor debe ser igual al de la Pt100 a la temperatura mnima que se pretende medir, de modo que a esta temperatura la salida sea IO=4mA. Por ejemplo si se pretende medir la temperatura ambiente en el rango [-30C, +50C] utilizando una Pt100. La salida debe estar en el rango [4mA, 20mA].Raj = R T ( 30 C ) = 88.22 eINmx = 1mA (R T ( +50 C ) Raj) = 1mA (119.4 88.22) = 31.18mVIO = 4mA + (0.016 1 + 40 RS )eIN

VCC VCABLES + VCC _ XTR101 + VD1 + VRL y 11.6 V VCC _ XTR101 40 V

RS =

40 40 = = 80.5 ( IO eINmx ) 0.016 (16mA 31.18mV ) 0.016

Al estar alimentado el XTR101 con una tensin unipolar, para eIN = 1mA (RT Raj) asegurar una respuesta lineal, es preciso que las entradas e1 y e2 se encuentren a una tensin comprendida entre 4 y 6 voltios por encima de la patilla 7. Esto se consigue, segn se muestra en la figura, aadiendo en el camino de retorno de las fuentes de corriente una resistencia de 2.5k, de modo que al pasar los 2mA caen 5V hasta la patilla 7.

El ajuste de offset debido a las entradas del amplificador, debe hacerse cortocircuitando RT y Raj y ajustando el potencimetro que se muestra en la figura hasta obtener 4mA en la salida. El circuito se alimenta utilizando los cables del bucle de corriente. Normalmente el XTR101 se coloca en las inmediaciones del sensor, de esta forma, al ser los cables de conexin muy cortos, se reducen los errores derivados de su resistencia y de su coeficiente de temperatura. El diodo D1 se incluye para proteger al circuito ante errores en la conexin de la fuente. Los condensadores filtran el ruido de alta frecuencia.10



TRANSMISORES DE CORRIENTE. XTR101-BB. Ejemplo de aplicacin.En la figura se muestra el acondicionamiento de un termopar tipo J con una Pt100 para compensar la unin fra. Es preciso obtener una tensin que presente una deriva trmica igual al coeficiente de Seebeck en los alrededores de la temperatura de la unin fra (TR), esto se consigue aadiendo una resistencia (RP) del valor adecuado en paralelo con la Pt100. Supongamos que TR= 20C10C. El coeficiente de Seebeck a esta temperatura es 52V/C. Se debe cumplir que: dVR = 52V / C dT donde VR = RP 100(1 + 0.00385 T ) 1mA RP + 100(1 + 0.00385 T )

Esta ecuacin se puede resolver utilizando la grfica adjunta que representa la derivada de VR respecto de T en funcin de RP. La compensacin concluye con el potencimetro que permite ajustar el cero. Para cualquier temperatura se cumple que VIN=VR+VTERMOPAR-VAJUSTE es igual a la tensin del termopar con la unin fra a 0C. Las variaciones de la temperatura de la unin fra son compensadas por las variaciones de VR. Aunque dVR/dT no es constante con la temperatura, en un margen de 10C, las variaciones son tan pequeas que no introducen un error significativo en la medida.dVR/dT Para T=20C

+ +

52 V/C

_ _ 62.6

RP11



TRANSMISORES DE CORRIENTE. XTR101-BB. Ejemplo de aplicacin.En este ejemplo se muestra la compensacin de la de la unin fra con un diodo que conduce una corriente constante (1mA). A 25C y para ID=1mA, VD=0.6V y dVD/dT=-2mV/C. e1 = VD R6 ; R5 + R 6 de1 dVD R6 = dT dT R5 + R 6R6 R5 + R 6 VD

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