informe fuente de corriente

7/18/2019 Informe Fuente de Corriente

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA , ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

I. OBJETIVO

Diseñar un fuente de corriente la cual suministreuna corriente de salida específica a unadeterminada carga

II. 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.

Selección del amplificador operacional

Especiaciones LM324 LM675 OPA547 OPA549

Ancho de banda[MHz]

1.2 0.7 1 0.9

Slew Rate[V/μs]

0.5 8 6 9

Voltaje deAlimentacion

[ V ]

0-32 16-60 0-60 0-60

Corriente desalida[mA]

20 3000 750 800

CMRR[dB]

90 95 95

Tabla 1

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 delos 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 CMRR.

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 suministrar tanta

corriente como la que pueda ofrecer el LM675 o el OPA549.

Calculo de los valores de resistencias

La configuración elemental de circuito de Howland es la que se

observa en la Figura 1.

Figura 1. Configuración básica del circuito de Howland.

Por análisis nodal se tiene la

(1)

FUENTE DE CORRIENTEPresentado por:





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 arregloconformado 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 comportandocomo 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:

Figura 2. Configuración mejorada de Fuente de Howland

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 laresistencia 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 de

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 facilitarlos 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)

.





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,

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) seobserva el esquema mencionado, dado por el fabricante.

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 4. OPA547 conectado para limitar su corriente de salida

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

La Figura 5 muestra un esquema simplificado de los circuitos

internos utilizado para fijar el límite de corriente. Dejando e

terminal de

abierto, se logra que la corriente de salida sea

cero, mientras que si se conecta el terminal directamente aterminal se lograra el máximo límite de corriente de salida

normalmente seria de 750 [mA].

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, la anterior información, se hizo una pequeñasimulación para corroborar la tabla de la Figura 5, a

continuación se muestra se simulación para una Rcl de , para el terminal abierto,y para el termina conectada a terminal :





Figura 6. Rcl de

Figura 7. Terminal

conectada a terminal

Figura 8. Terminal 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.

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:

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 as

demostrar, que sin importar que valor de carga se leconecte a la salida, la fuente de corriente suministra . Para ello se hará un barrido paramétrico, a la

variable , para los siguientes valores

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

Figura 9. Tensión

para una carga de

U1

OPA547/BB+1

-2 ILim

3V-

4

V+5

Vo6

E/S7R1

R

R2

R

Rx

Rx

R3

R

R4

R

ZL

200

Vss

Vcc

Vin

FREQ = 2K

VAMPL = 2

VOFF = 0

PARAMETERS:

R = 10kRx = 20

ZL = 200

V+

25

V-

25

Vcc

Vss

Rcl

205k

V I

Time

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 1.00m

V(R3:2)

-10V

-5V

0V

5V

10V





Ahora se mostrara una grafica para una carga de

Figura 10. Tensión para una carga de Ahora se mostrata uan grafica general para los valores de carga

mencionados anteriormente:

Figura 11. Tensión para distintos valores de carga en 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]

Figura 12. Frecuencia de la onda de Tensión

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 estecaso, según la Tabla 1, el máximo valor de tensión de

polarización es de ±30[V]

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:

Figura 13. Tensiones de carga, para valores mayores a los de las

especificaciones de diseño

Se aumenta la región de la gráfica que más interesa

Figura 14. Tensiones de carga para valores de prueba

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

Time

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)

-20V

-10V

0V

10V

20V

Time


V(R3:2)

-20V

-10V

0V

10V

20V

Frequency

1.00KHz 2.00KHz 3.00KHz 4.00KHz 5.00KHz 6.00KHz 7.00KHz 8.00KHz 9.00KHz 10.00KHz 11.00KHz 12.00KHz0.07KHz

V(Rx:1)

0V

4V

8V

12V

16V

20V

Time


V(R3:2)

-30V

-20V

-10V

0V

10V

20V

30V





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:

Figura 15. Tensiones de carga para valores de prueba

Se podría decir, que la fuente operaria para un rango de valores

de carga desde los hasta apropiadamente , LM675

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:

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:

* +

La siguiente figura es el esquemático de la fuente de corriente

con la tensión de entrada calculada y los valores de resistencias

recomendados

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, oal menos encontrar un rango de operación. Los valores de carga

serán los mismos que para el del modelo del OPA547:

Pudiendo comparar mejor los resultados entre ambos

amplificadores operacionales

Time

310us 320us 330us 340us 350us 360us 370us 380us 390us 400us 410us 420us 430us 440us 450us

V(R3:2)

16.0V

20.0V

24.0V

13.0V

27.5V

R1

1k

R2

100

Rx4

R3

R

R4

1k

ZL

100

Vss

Vcc

Vin

FREQ = 2K

VAMPL = 40m

VOFF = 0

V+

25

V-

25

Vcc

Vss

U1

LM675

+1

-2

V+

5

V-3

OUT4

R5

10k

R6

10k

R71

C10.22u

PARAMETERS:

R = 20

V





Figura 18. Tensión para distintos valores de carga en 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

Figura 19. Tensión para distintos valores de carga en 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.

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

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

EspecificacionesOPA547 LM675

1 1.0195

Frecuencia [KHz] 2 2

Corriente de salida [mA] 100.020 101.953 4.98 5.5054


Corriente de salida [mA] 99.820 110.107

Carga ]

9.772 12.029


Corriente de salida [mA] 97.721 120.292 14.699 19.892


Corriente de salida [mA] 94.995 132.115 19.388 26.392Frecuencia [KHz] 2 2

Corriente de salida [mA] 96.942 131.959

Tabla 2. Comparación de resultados simulados entre ambosamplificadores operacionales

Conclusiones

El OPA547, resulto ser en el óptimo para el diseño

de esta fuente de corriente, pues por su

especificaciones internas se ajustan más a e

modelo de diseño pedido.

La sensibilidad de la fuente de corriente esta dada

en gran medida, a la diferencia que existe entre lo

Time


V(R6:2)

-30V

-20V

-10V

0V

10V

20V

30V

Time


V(R6:2)

-30V

-20V

-10V

0V

10V

20V

30V





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

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