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Ciclo de Grado Superior: Desarrollo de Productos Electrónicos Módulo: Mto. Equipos Electrónicos

Curso 2012/2013

INSTRUMENTACIÓN

ELECTRÓNICA

Sensores, transductores y circuitos acondicionadores de señal

Instrumentación Electrónica

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2011/2012 2

I. SENSORES Y TRANSDUCTORES

1. INTRODUCCIÓN

Cuando se requiere conocer la evolución o el estado de variables no

eléctricas, para utilizarlo como información a procesar en algún tipo de circuito

electrónico, la primera necesidad con la que nos vamos a encontrar es la de

traducir esa variable a lenguaje “eléctrico”. Aquí es donde van a entrar en

juego los sensores y transductores. Aunque en muchas ocasiones las palabras

sensor y transductor se utilizan como sinónimas, en realidad hacen referencia a

dos fenómenos distintos. Por un lado el sensor sería el elemento que se

encuentra en contacto directo con el proceso a medir, proceso que provoca una

reacción en él, la cual se encargará el transductor de transformar en una señal

eléctrica susceptible de ser procesada. Cuando el sensor considerado en sí

mismo proporciona ya una señal eléctrica susceptible de ser procesada,

podemos decir que sensor y transductor forman o convergen en un mismo

elemento. Nosotros nos vamos a centrar en estos últimos.

Señal

eléctrica SENSOR TRANSDUCTOR

Magnitud

física o

química

Temperatura,

Presión,

Radiación,

...

Señal

eléctrica

SENSOR

TRANSDUCTOR

Magnitud

física o

química

Temperatura,

Presión,

Radiación,

...



1.2. TIPOS DE TRANSDUCTORES

Teniendo en cuenta la magnitud física a medir, los transductores más

importantes son los transductores más importantes son los siguientes:

⇒ De temperatura.

⇒ De velocidad.

⇒ De posición o deslizamiento.

⇒ De fuerza o deformación.

⇒ De corriente (efecto Hall).

⇒ ...

1.3. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

Recordemos en primer lugar las principales escalas de medida de

temperaturas:

Escala Temperatura de congelación y

ebullición del agua

Unidades

Relación entre escalas

Centesimal (C) 0ºC – 100ºC Grados Centígrados o

Celsius

tC = (tF-32)·5/9

tC = tK-273,15

Fahrenheit (F) 32ºF – 212ºF Grados Fahrenheit tF = 9/5·tC+32

tF = 9/5·(tK-273,15)+32

Absoluta (K) 273,15K – 373,15K Kelvin tK = tC+273,15

tK = 5/9·(tF-32)+273,15

Si comenzamos hablando de la temperatura es porque sin ninguna duda

es la variable más medida a nivel industrial. Las escalas utilizadas

normalmente para la medida de la temperatura son tres: la Centesimal (o

Celsius), la Fahrenheit y la Kelvin (ver tabla superior).

1.3.1. Detección eléctrica de la temperatura

Transductor por efecto termoeléctrico. El Termopar

El termopar es un elemento con un amplio uso a nivel industrial. Su

descubrimiento lo realizó el físico alemán Thomas Seebeck, cuando, en torno

al año 1821, se apercibió de que al unir dos conductores de metales distintos, y

calentar un extremo, se producía la circulación de una corriente eléctrica en el



circuito cerrado formado por los dos conductores de metales distintos unidos.

Se trata de efecto Seebeck:

Del mismo modo observó que si el circuito se interrumpía lo que

aparecía era una diferencia de potencial entre los extremos. Y la magnitud de

esta diferencia de potencial variaba en función de la temperatura en el extremo

de la unión.

El termopar es normalmente el transductor más sencillo, robusto y barato

y con un rango de temperaturas de medida más amplio (entre –270ºC y

1800ºC). También tiene sus inconvenientes, como son el ser menos sensible y

estable que otros sistemas, y sobre todo el necesitar un empalme de referencia

a temperatura constante (tradicionalmente 0ºC porque antiguamente se

utilizaba una baño de hielo para obtener esa temperatura de modo estable).

Metal A

Metal B

Corriente

eléctrica

Calor

Metal A

Metal B

Tensión

eléctrica

Calor

Metal A

Metal B

Tensión

eléctrica

Calor

Temperatura de

referencia



Transductor mediante resistencia metálica. Detector de temperatura por

resistencia (RTD)

La resistencia de los metales varía en función de la temperatura. Y

sabemos que esta variación para un elemento determinado de ese metal la

podemos caracterizar en función del propio material (coeficiente de

resistividad) de la longitud y de la sección:

S

LR ⋅= ρ

Otro elemento importante del material empleado a tener en cuenta es el

coeficiente de temperatura, que representa la variación de la resistencia del

material conductor en función de la temperatura (α):

( )TRRT ⋅+⋅= α10

Las características que han de cumplir los materiales empleados en este

tipo de resistencias han de ser:

o Un coeficiente de temperatura elevado.

o Una resistividad elevada.

o Ductilidad.

o Estabilidad.

Los tres materiales más empleados son el platino, el cobre y el níquel.

De los tres el más idóneo por su estabilidad y precisión es el platino, pero

también es el que tiene un coste más elevado.

PT100 es la denominación comercial de una resistencia de platino muy

utilizada que tiene una resistencia de 100Ω a 0ºC y de 138,5Ω a 100ºC, y que a

efectos prácticos se puede considerar prácticamente lineal.

RT es la resistencia a la temperatura T

R0 es la resistencia a 0ºC

α es el coeficiente de temperatura de la resistencia



Transductor mediante semiconductor

Basan su funcionamiento en el hecho de que los semiconductores

experimentan una variación de resistencia en función de la temperatura.

a) El termistor (thermal resistor)

Son semiconductores especialmente desarrollados para trabajar a modo

de resistencias con una alta sensibilidad a la temperatura (coeficiente de

temperatura elevado) y un tiempo de respuesta relativamente bajo. Es

importante mantener a través de ellos una corriente muy baja (típicamente de

100µA) para que su auto-calentamiento por efecto Joule sea despreciable.

Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo)

Son semiconductores con un coeficiente de temperatura negativo

elevado.

Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo)

Son semiconductores con un coeficiente de temperatura positivo

elevado.

Otros semiconductores

Existen también otros tipos de semiconductores desarrollados como

sensores de temperatura, tales como diodos y transistores. Los más utilizados

son los circuitos integrados que generan ya a su salida una tensión proporcional

a la temperatura, tales como el LM34 (+10mV/ºF), el LM35 (+10mV/ºC), el

– tº

+ tº



LM135 (+10mV/K). O también aquellos que proporcionan una corriente

directamente proporcional a la temperatura, como es el caso del AD590

(1µA/ºC).

1.4 TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

Los transductores de velocidad tienen la misión de permitirnos medir la

velocidad de un móvil, tanto lineal como angular.

1.4.1. Transductores de velocidad angular analógicos

Los transductores de velocidad analógicos son tacogeneradores que en el

fondo no son sino generadores de energía eléctrica, en los cuales la fuerza

electromotriz inducida en la máquina es proporcional a la velocidad angular de

la misma. Según esta fuerza electromotriz inducida sea continua o alterna

tendremos dos tipos de transductor:

⇒ Dínamo tacométrica o tacodinamo: Corriente continua.

⇒ Alternador tacométrico o tacoalternador: Corriente alterna.

1.4.2. Transductores de velocidad angular digitales

Los transductores de velocidad angular digitales son los que

proporcionan en su salida una señal digital tipo impulsos, en relación con el

número de vueltas. Si por cada vuelta completa (360º) se proporciona un

determinado número de impulsos, sabiendo el número de impulsos en un

determinado tiempo sabremos la velocidad angular del sistema bajo medida.

Los transductores más empleados para esta misión son los fotoeléctricos

y los inductivos.

Los transductores fotoeléctricos constan fundamentalmente de un diodo

emisor de luz (LED) y de un fototransistor. Pudiendo actuar por reflexión o por

transparencia. Sobre este tipo de elementos volveremos más adelante.

ω v



Los transductores inductivos son especialmente indicados en entornos

donde la suciedad sea inevitable. En estos se trata de crear unas variaciones en

un campo magnético mediante el giro de una rueda dentada solidaria al eje de

la máquina rotativa.

1.4.3. Transductores de velocidad lineal

En realidad se trata de sistemas que transforman el movimiento lineal en

angular para así ser medido por un transductor de velocidad angular.

1.5. TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO Aquí nos encontramos también con dos categorías por el tipo de

movimiento: desplazamiento angular y desplazamiento lineal. Y en cuatro

categorías por el tipo de transductor: Potenciométricos, Inductivos, Capacitivos

y Digitales.

1.5.1. Potenciométricos

Se trata de relacionar la posición física del cursor de un potenciómetro

con la posición del objeto cuyo desplazamiento se quiere medir.

Sistema angular Sistema lineal



1.5.2. Inductivos

Los transductores de desplazamiento inductivos están basados en los

efectos que tiene sobre el acoplamiento magnético de las bobinas la variación

del núcleo. Existen dos tipos:

o Transductor de inductancia variable.

o Transformador diferencial variable (LVDT).

Transformador de inductancia variable

Transformador diferencial variable (LVDT)

El transformador diferencial variable es el transductor de desplazamiento

más comúnmente utilizado. En esencia se trata de un transformador con dos

secundarios, en el cual el núcleo es móvil. De este modo el LVDT proporciona

una tensión de salida proporcional a la posición del núcleo. Los valores de la

tensión alterna que se utiliza para alimentar el primario son de una amplitud de

hasta 10V y una frecuencia entre 50Hz y 15KHz.

Movimiento

Inductancia variable en

función de la posición del

núcleo (∆L)

Primario

Secundario 1 Secundario 2

Movimiento



1.5.3. Capacitivos

En el fondo la idea es la misma que en los inductivos, sólo que en estos

lo que se hace es modificar la posición del dieléctrico del condensador, con lo

cual se modifica la capacidad. También se puede realizar esta variación por una

variación de la distancia entre las placas o de la superficie enfrentada.

1.5.4. Digitales

Proporcionan una salida de tipo digital y los hay tanto para

desplazamientos lineales como angulares. Los más utilizados con diferencia

son los fotoeléctricos.

Los transductores fotoeléctricos tiene su base en un circuito constituido

por un diodo emisor de luz (LED) y un semiconductor sensible a esa emisión,

normalmente un fototransistor. Si son del tipo reflexión emisor y receptor están

en línea, de tal modo que la emisión del LED ha de ser reflejada para incidir en

el receptor. En los del tipo transparencia emisor y receptor están enfrentados y

entre ellos se interpone el elemento que va a permitir o no la incidencia del

emisor sobre el receptor.

Por reflexión

Emisor

Receptor

Por transparencia



1.6. TRANSDUCTORES DE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN 1.6.1. Las Galgas extensiométricas

Se basan en el efecto piezorresistivo, descubierto por Kelvin en 1856.

Consiste en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor

cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. La galga extensiométrica permite

obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una

lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la

superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.

La unidad de medida de la deformación se expresa mediante ε (épsilon).

Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el

incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial.

l

l∆=ε

El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un

cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea

compresión, tracción, torsión o flexión.

La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El

parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta

variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte

de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones

que la superficie sobre la cual está adherido.

El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no

conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que

la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección

determinada



Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la

deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una

variación, tanto en la longitud como en la sección, pero de una forma más

acusada, en la resistividad (ρ) del semiconductor. De esta forma:

S

lR

∆

∆⋅∆=∆ ρ

Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado

que el constituido por hilo metálico.

Existen por tanto dos tipos básicos de galgas:

⇒ De hilo conductor o lámina conductora. El sensor está constituido

básicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible,

sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las

terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se

conecta el transductor.

⇒ Semiconductor. Las galgas semiconductoras son similares a las

anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un

material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas

galgas respecto a las anteriores se encuentra en el tamaño; las galgas

semiconductoras tienen un tamaño más reducido. El cambio en la

resistencia de un material debido a la aplicación de un esfuerzo es

llamado efecto piezorresistivo. Los piezorresistores son fáciles de

fabricar en silicio. Para lograrlo, sólo se introducen impurezas (tipo N

o tipo P) en un pequeño volumen de silicio.

Terminales



1.6.2. Piezoeléctricos

Algunos materiales cristalinos como el cuarzo, poseen la propiedad de

producir cargas eléctricas cuando son sometidos a una fuerza aplicada en una

determinada dirección. Tenemos así que una fuerza produce una diferencia de

potencial eléctrico, la cual es proporcional a esa fuerza y puede así ser tratada

en circuitos electrónicos.

1.6.3. Capacitivos

Ya sabemos que cualquier variación en el dieléctrico provoca una

variación en la capacidad del condensador. Si la fuerza a medir actúa sobre él

deformándolo tenemos ya abierta la posibilidad de una medida de la fuerza

aplicada en función de la capacidad del condensador.

1.7. TRANSDUCTORES DE PROXIMIDAD

1.7.1. De tipo resistivo (LDR)

La LDR (Light Dependent Resistor) está basada en la

variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al

incidir en él una radiación óptica (radiación

electromagnética con longitud de onda entre 1 mm y 10

mm). De este modo ese aporte extra de energía permite una

mayor creación de electrones libres que van a suponer una disminución de la

Capacidad

Fuerza aplicada



resistencia eléctrica del cristal semiconductor. Es muy utilizada en aquellas

aplicaciones en las que el nivel de radiación luminosa sea un dato a manejar,

pero también puede ser utilizado como detector de proximidad en tanto en

cuanto perciba la interrupción de un cierto nivel de radiación luminosa, lo cual

manifiesta la interposición de un objeto o persona.

1.7.2. Transductores de corriente de efecto Hall

Edward H. Hall descubrió en 1879 que, cuando por un conductor o

semiconductor circula corriente y se le aplica un campo magnético en dirección

perpendicular a ésta, aparece una diferencia de potencial transversal,

denominada tensión Hall. Aunque Hall utilizó oro, actualmente se emplean

semiconductores, los cuales producen tensiones de Hall más altas que cualquier

otro material sólido. Los dispositivos de efecto Hall son típicamente

dispositivos de cuatro terminales. Dos para la excitación y dos para la salida.

Una gran cantidad de mediciones pueden ser realizadas usando sensores

de efecto Hall. Consisten en un material conductor, usualmente semiconductor,

y de una corriente eléctrica que se hace pasar entre dos electrodos, situados en

lados opuestos del dispositivo. Dos contactos son colocados en los lados

restantes del dispositivo (opuestos uno a otro y en dirección perpendicular al

flujo de corriente).

1.7.2. Transductores Inductivos

Un detector inductivo consta esencialmente de un oscilador cuyos

bobinados constituyen la cara sensible. En la parte frontal de esta última, se

crea un campo magnético alterno generado por el núcleo de ferrita. Cuando se

aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa; si un objeto conductor de

electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, el oscilador se

atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor, por lo

Corriente

Campo

magnético



que encontramos dos estados: oscilación atenuada y oscilación sin atenuar.

Nos tiene que quedar claro que los detectores inductivos sólo pueden

detectar materiales conductores de electricidad. En la práctica, las piezas a

controlar son generalmente de acero, de dimensión equivalente a la cara

sensible del aparato. Para tener una detección segura, hay que cerciorarse de

que la pieza a detectar pasa a una distancia inferior o igual a los valores

indicados en las fichas técnicas del aparato elegido.

1.7.3 Transductores Capacitivos

Los sensores Capacitivos tienen en los detectores de proximidad su

principal aplicación. Aplicándose en un amplio abanico de situaciones: control

de nivel de líquidos, inspección de paquetes, detección de roturas, ...

Están configurados por un par de electrodos que constituyen las placas

de un condensador abierto. Este condensador actúa en un circuito oscilador que

es el encargado de transformar sus variaciones de capacidad en una señal salida

adecuada. Este tipo de detectores no están limitados, como los inductivos a

objetos metálicos.

Material conductor

Condensador

abierto

Condensador

abierto

Material dieléctrico



1.8. TRANSDUCTORES ÓPTICOS. OPTOELECTRÓNICA

Aunque ya han aparecido en el estudio de los transductores de velocidad

y posición, insertamos aquí alguna otra aplicación.

1.8.1. Detección de color

Se trata de aplicaciones en las que sea importante determinar el color.

Por ejemplo para la selección de alimentos, o la selección de piezas

previamente marcadas de un color. Normalmente se utiliza el sistema RGB

(rojo, verde y azul), mediante tres diodos LED uno de cada uno de estos tres

colores. Estos diodos emiten alternamente su radiación luminosa que es

detectada por un mismo fotodiodo. Hemos de recordar que el color de un

objeto es en realidad la longitud de onda de la zona visible que es reflejada por

el mismo (las otras son por tanto absorbidas). De modo que un objeto verde

absorberá la radiación de los diodos rojo y azul, pero reflejará la del verde.



1.8.2. Detección de humo y turbidímetros

Una de las formas más comunes mediante la cual se detecta humo es

mediante optoelectrónica. Para conseguirlo emisor y receptos se sitúan en un

ángulo de 90º, de modo que sin humo la luz del emisor no pueda incidir en el

receptor, sin embargo, cuando en el sistema se introduce humo, las partículas

de humo dispersan la luz y esta alcanza el receptor.

Un turbidímetro es en esencia el mismo sistema pero adaptado al agua,

de modo que permita conocer la turbidez de la misma.

Emisor

Receptor

Sin humo

Emisor

Receptor

Con humo



II. CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SEÑAL

1. EL PUENTE DE WHEASTONE

En 1844 Charles Wheastone ideó un circuito que le permitiera medir una

resistencia desconocida a partir de otras tres conocidas, además de una fuente

de tensión o corriente y de un galvanómetro. Dando así lugar al circuito

conocido como Puente de Wheastone:

El puente está balanceado, y por tanto en equilibrio, cuando VA = VB. Lo

cual supone que el voltímetro estará indicando 0V. Como quiera que R1-R3 y

R2-R4, forman dos ramas en paralelo, y que por tanto la tensión de ambas

ramas es igual (=V), tenemos que:

31

3RR

VRVA

+⋅=

X

XBRR

VRV

+⋅=

2

Para que VA = VB:

( ) ( )

X

XX

X

X

R

R

R

R

RRRRRRRR

VR

RR

VR

2

3

1

2331

31

3

2

=⇒

⇒+⋅=+⋅⇒+

⋅=+

⋅

A V

+Vcc

R2

R3 RX

R1

B



Cuando esta condición de equilibrio del puente se satisface la tensión

entre A y B es cero.

Sin embargo en instrumentación de lo que se trata no es de determinar el

valor de una resistencia variable, sino desde una resistencia cuyo valor esté en

función de otra magnitud (LDR, NTC,...), traducir la variación de resistencia

en variación de tensión. Por ejemplo:

REGULADOR DE LUZ EN FUNCIÓN DE LA LUZ AMBIENTAL

Si en este circuito, que vamos a realizar en prácticas, nos fijamos en el

bloque de la LDR, encontramos enseguida su situación en un puente de

15V

IC3

741

15V

18V

P1

1A-

100V R12

10K

R15

100K

R4

10K

R16

20K

C1 100nF

– 15V

T1

BC547

+15V

220V

1VA R13

10K

T1

BC547

R1

10K

R2

LDR

FW150

R4

4K7 R3

4K7

R5

100K R8

100K

R7

100K

R6

100K 15V

IC2

741

15V

15V

IC1

OP07

15V R9

10K

R10

1K

R11

180

Ω

IC4

MOC3021

TH1

BT13

7

220V

AC

L1

220V/

60W

+ 15V

–15V

D1

1N4148



Wheastone, así como que la salida del puente se convierte en la entada

diferencial de un amplificador diferencial (el amplificador de instrumentación

básico):

De este modo las variaciones de resistencia en la LDR, en función de la

radiación luminosa, se traducen en variaciones de tensión en la entrada

diferencial del circuito acondicionador de señal, que a su vez prepara el nivel

adecuado a la salida para actuar sobre el siguiente circuito.

Una decisión habitual, aunque siempre habrá el diseñador de considerar

en cada caso cuál es la mejor opción, es la de tomar como valor de R3 el de RX

en su situación de referencia (R0), la que está destinada a dar una tensión de

salida igual a cero, y a partir de la cual habrá que contabilizar las variaciones

traducidas en una tensión que un circuito electrónico será capaz de tratar.

1.1. Alimentación por referencia de tensión

Hay dos elementos clave para la estabilidad y precisión de un puente de

Wheastone: las resistencias del mismo y la alimentación. En el caso de la

alimentación necesitaremos en aplicaciones de gran precisión recurrir a los

circuitos integrados que funcionan como referencias de tensión (LM336,

AD581L,...), capaces de corregir los problemas que una alimentación

inadecuada pudiera traer a nuestro circuito.

R1

10K

R2

LDR

FW150

R4

4K7

R3

4K7

R5

100K R8

100K

R7

100K

R6

100K 15V IC1

OP07

15V

+ 15V

–15V



2. EL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

2.1. El amplificador operacional

Símbolo

Normalmente los terminales de alimentación se sobreentienden (al igual

que la alimentación en un circuito de puertas lógicas) y no suele indicarse,

salvo cuando sea realmente necesario.

El circuito equivalente de un A.O. es el siguiente:

+

_

Entrada no inversora

Entrada inversora

VO

+VCC

-VCC

+

_

Zi ZO

VO = A·Vi Vi

Donde idealmente:

Zi = ∞

ZO= 0



2.2. Parámetros fundamentales

Corriente offset de entrada

Teóricamente los dos transistores son idénticos y para la misma tensión

de entrada tendrían las mismas corrientes de base. Pero la realidad no es así.

De modo que la corriente offset de entrada de un amplificador diferencial es la

diferencia entre las dos corrientes de base para igual polarización.

IIO = IB1 – IB2

Aunque estos valores sean normalmente muy pequeños, hay que tener en

cuenta que con elevadas resistencias de base el resultado puede ser fuente de

problemas para el circuito.

Corriente de polarización de entrada

Se llama corriente de polarización de entrada al valor medio de las

intensidades de base de los dos transistores:

Ii (polarización) = (IB1 + IB2) / 2

Tensión de offset de salida

Los efectos de la no simetría de los transistores provoca también

resultados en la salida del amplificador. Este resultado es que con igual tensión

en ambas entradas la salida no sea cero, como teóricamente hemos visto. A esa

diferencia entre la tensión que debería haber a la salida y la realmente hay, se

le llama tensión offset de salida. Para eliminarla hay que aplicar una tensión en

la entrada que contrarreste la diferencia que se produce en la tensión base-

emisor de los transistores. En alguno circuitos integrados de Amplificadores

Operacionales, el fabricante ha preparado patillas de offset null, para que

colocando un potenciómetro del modo que él nos indica, podamos anular el

efecto de esa tensión. Esto resulta necesario cuando buscamos precisión en el

trabajo con pequeñas señales.



Ganancia de tensión en modo diferencial A

VO = A · (V1 – V2)

La ganancia en modo diferencial A es el resultado de dividir la tensión

de salida entre la diferencia de las tensiones de entrada.

Ganancia en modo común AMC

La ganancia en modo común es la ganancia del amplificador sobre una

señal que se aplica a las dos entradas simultáneamente. En el caso ideal esta

ganancia sería cero, como ya hemos visto. Pero como en la realidad hay

desviaciones si existe una pequeña ganancia en este modo. Lo cierto es que es

tan pequeña que nos permite apreciar una de las grandes ventajas del

amplificador diferencial: la inmunidad al ruido. Esto es así porque el ruido

electromagnético afectará por igual a ambas entradas, y por tanto apenas tendrá

efectos en la salida.

Factor de rechazo al modo común. CMRR (Common mode rejection ratio)

Un dato importante que reflejan las hojas de características de un

amplificador operacional es el factor de rechazo al modo común. Lo que nos

informa del rechazo a las señales en modo común normalmente no deseadas,

esto es al ruido del que hablábamos antes. En el caso ideal sería infinito.

CMRR = A / AMC

En las hojas de características suele ser habitual expresar este dato en

decibelios, como ya sabemos, esto se calcula:

CMRRdB = 20 log (A / AMC)

Velocidad de respuesta (Slew rate)

La velocidad de respuesta nos está indicando la velocidad máxima a la

cual puede variar la tensión de salida. Si la tensión de entrada variase más

rápido la salida no podría seguirla y el funcionamiento sería defectuoso. Este

valor nos indica el límite superior en frecuencia del amplificador. Este

parámetro se indica en voltios por micro-segundo (V/µs).

dvsalida / dt = V/µs



2.3. El amplificador diferencial

Todo amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial

preparado para actuar con precisión especialmente en entornos hostiles, donde

los factores ambientales (temperatura, ruido eléctrico, ...) pueden poner en

peligro la validez de los datos del circuito. Por eso podemos abordar como el

amplificador de instrumentación elemental el ya conocido amplificador

diferencial en base a un único amplificador operacional:

Aquí lo importante es la ganancia de tensión diferencial (A), la cual para

ser de gran precisión requiere que el circuito se conforme con resistencia a su

vez de gran precisión.

Cuando en nuestro circuito las tensiones diferenciales de entrada que se

van a manejar son de valores muy bajos, del orden de los milivoltios o incluso

microvoltios, otro dato también muy importante a tener en cuenta va a ser el

factor de rechazo al modo común (CMRR). Esto es así porque aunque lo ideal

es que la AMC fuese cero, en realidad no lo es, y esto provoca que la tensión que

U1

U2

Uo = K (U1-U2)

U1

U2

R2

R1

R3

R4

Uo

Si R3 R2 = R4 R1 Uo = (R2/R1) (U2 – U1)



estamos aplicando a la vez a las dos entradas del amplificador diferencial, dado

que la entrada diferencial es muy pequeña, va a tener una influencia excesiva

en la salida. Lo que nos permite comparar este dato es el CMRR:

CMRR = A / AMC

De modo que en instrumentación será necesario disponer de

amplificadores capaces de amplificar tensiones diferenciales del orden de

milivotios (incluso microvoltios) y de rechazar tensiones en modo común del

orden de voltios.

Por ejemplo, si en una aplicación tenemos una entrada diferencial que es

60dB inferior a la señal de entrada en modo común, no podríamos utilizar un

741C que tiene un CMRR mínima de 70dB a frecuencias bajas, ya que la

diferencia entre la salida diferencial y la modo común será sólo de 10dB, esto

es, la salida deseada sólo es 3,16 veces superior a la no deseada. Un OP-07A,

con un CMRR mínimo de 110dB sería una solución mucho más adecuada.

Aislamiento de las entradas

Para que las resistencias de la fuente que excitan el amplificador

diferencial no influyan en la precisión del circuito, una solución es aislar las

entradas mediante adaptadores de impedancia:



2.4. El amplificador de instrumentación

Se llama amplificador de instrumentación a un amplificador diferencial

que ha sido optimizado para el funcionamiento en corriente continua. De modo

que se caracterice por un alto CMRR, offsets de entrada reducidos, escasa

deriva, y una alta impedancia en sus entradas.

Un amplificador de instrumentación básico es el siguiente:

Se puede observar en este circuito que la etapa de salida de este circuito

es un amplificador diferencial de ganancia unidad. En esta etapa es muy

importante que las resistencias sean de gran precisión, ya que a mayor igualdad

entre ellas mayor simetría del circuito y por tanto mayor rechazo al modo

común (CMRR). Estamos hablando de tolerancias de 0’1% e incluso 0’01%.

Respecto a la primera etapa se trata de una etapa preamplificadora

(recordar que la etapa final la ganancia es la unidad). Pero lo realmente

R

R R

R

R2

R1

R1

R2

Vin+

Vin-

VO A



importante en esta etapa lo encontramos en el inteligente diseño del punto A

(unión de las dos R1). Lo ingenioso del diseño es que permite reducir la

ganancia al modo común a la unidad, mientras que ante la señal diferencial nos

encontramos con dos amplificadores no inversores. Se puede observar

claramente mediante la aplicación del principio de superposición:

a) Suponiendo la entrada diferencial igual a cero, nos queda la entrada en

modo común. Precisamente, por ser común se aplica a las dos entradas la

misma señal. Lo cual supone que en las salidas de ambos operacionales

encontramos la misma tensión. Y si nos fijamos en la rama que forman las R1

y las R2, vemos que esta sometida a la misma tensión en sus extremos, y por lo

tanto no hay diferencia de potencial. Así que el efecto real de ambos

operacionales es el de una adaptación de impedancias (en ambos extremos de

R2 existe la misma tensión, como en un conductor). Así en esta etapa: AMC = 1.

Es interesante hacer notar que aquí la tolerancia de las resistencias no tiene la

importancia que tiene en la segunda etapa, ya que como hemos visto estas no

tienen efecto en la ganancia en modo común.

V

V

R2

R1

R1

R2

A

VMC=V

VMC=V

d.d.p. = 0

AMC = 1



b) Suponemos ahora la entrada en modo común igual a cero, y una señal

de entrada en modo diferencial. Esta señal diferencial excita las dos entradas

con tensiones iguales pero opuestas, de modo que la salida de un operacional

es positiva y la otra negativa:

Esa masa virtual hace que podamos considerar que el circuito es

equivalente a este:

+V

-V

R2

R1

R1

R2

A +

Vin

-

Masa

virtual

R2

R1

R1 R2

A

Así la primera

etapa tiene una

ganancia de

tensión

diferencial:

11

2 +=R

RA



En estos casos lo típico es el uso de amplificadores de instrumentación

integrados. Uno típico de bajo coste es el AD620. Otros más sofisticados son el

AD524 o el AD624.

2.5. Acondicionadores de señal

En el acondicionamiento de señal se trata muchas veces de preparar una

señal originaria, procedente por ejemplo de un sensor, en otra proporcional a la

originaria pero en un margen distinto de valores. Para esto los circuitos con

operacionales que permiten realizar diferentes operaciones matemáticas son

una solución ideal. Por ejemplo, supongamos que la salida de un convertidor

digital analógico varía entre 0 y –5V, y tenemos que obtener desde ahí una

variación de +10 a –10V. En este caso podemos utilizar un amplificador

diferencial actuando como restador, que modifique el nivel de cero al restar

una tensión fija de –5V y multiplicar el resultado por 2.

VS = 2 [Vi – (– 5)]

Problema de examen: Diseñar un circuito acondicionador de señal que permita

conectar un sensor de temperatura LM335 a un convertidor A/D. Se va a medir

un margen de temperatura entre 0 y 50º, y el margen de tensión analógica de

entrada para el convertidor ha de ser entre 0 y 5V. La salida del acondicionador

ha de ser lineal (0º→0V, ..., 10º→1V, ..., 50º→5V).

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