En los procesos automatizados, el acondicionamiento de las
señales es de gran importancia, debido a que es la base de
los cálculos y del buen funcionamiento del proceso. Se
dice que a buenas medidas, buenos cálculos y buen
resultado del sistema de control. Los transductores, sensores y
trasmisores son los encargados de tomar las medidas primarias,
dentro de estos, el acondicionador contribuye a escalar las
señales medidas y presentarlas al sistema de control en
una forma adecuada y fiable para su procesamiento
Puentes de Wheatstone. Este elemento ofrece una medida de alta
precisión y confiabilidad. Existen modificaciones de estos
puentes para la medida de pequeñas y altas resistencias.
Hay una amplia variedad de puentes de corrientes alternas para
mediciones de inductancias y capacitancias. Los puentes de
Wheatstone comerciales tienen una precisión de 0.1%.En la
figura se muestra un circuito de un puente de Wheatstone para la
medida de resistencia, con Rx la resistencia a ser medida.
Condición de Equilibrio Voltaje de Salida: Corriente a
través del Voltímetro.
Puentes de Wheatstone Corriente Alterna El puente de corriente
alterna nace a partir del puente de corriente continua, en este
puente la fuente de alimentación es de corriente alterna a
un nivel y una frecuencia determinada. Es utilizado con
capacitores o inductores Condición de Equilibrio
Amplificadores Operacionales Son elementos de
amplificación de alta ganancias, utilizados para trabajar
con señales de poco voltaje. Son utilizados para
amplificar señales de corrientes continuas y para
señales de corrientes alternar pueden alcanzar hasta MHz.
Generalmente son utilizados con una red compuesta por elementos
electrónicos como resistencias y capacitores entre ellos,
con la finalidad de producir una salida estable.
Características Reales de un Amplificador
Operacional
Amplificadores Operacionales Diferencial a lazo abierto: Esta
configuración fue discutida con anterioridad, sin embargo
vale resaltar que el voltaje de salida esta dado por la
ecuación descrita a continuación, donde es el
producto de las diferencias de los voltajes de entrada por la
ganancia a lazo abierto del mismo. Idealmente Los amplificadores
operacionales poseen una ganancia de modo común KC, la
cual es función de los voltajes de entrada, genera una
salida no deseada. Los buenos amplificadores operacionales tienen
una CMRR >1000
Amplificadores Operacionales Seguidor de Tensión: Este se
comporta básicamente como el amplificador de
tensión ideal, tiene una impedancia de entrada muy grande,
una impedancia de salida pequeña y una ganancia de voltaje
estable. Para el análisis de la impedancia de entrada y
salida que presenta esta configuración, lo haremos en
función a la figura. Ganancia de lazo Cerrado Si se cumple
que:
Amplificadores Operacionales La fracción de
retroalimentación y viene dada por: ó La impedancia
de entrada a lazo cerrado La impedancia de salida a lazo
cerrado:
Amplificadores Operacionales Seguidor Inversor: Esta
configuración invierte el signo de la señal medida,
pero conservando fielmente la forma de onda de la entrada. Posee
una ganancia que viene determinada por la relación entre
la resistencia de salida y la resistencia de entrada del sistema.
Esto podemos notarlo en las siguientes ecuaciones. La ganancia a
lazo cerrado: Las impedancias de entrada y salida: y
Amplificadores Operacionales Diferenciador: Su función
consiste en tomar la derivada de la función de entrada. La
salida de este circuito es de forma inversa y la ecuación
que representa la salida es la siguiente: Integrador: Esta
configuración toma la integral de la señal de
entrada al circuito. La ecuación que describe este
comportamiento es la siguiente:
Amplificadores Operacionales Diferencial a Lazo Cerrado: Esta
configuración toma la diferencia de las dos señales
de entrada y en función al resultado, genera la salida. La
salida del sistema viene dada por la ecuación Si hacemos
R1 = R2 y además Rf = R3, tendremos que la salida
será
Amplificadores Operacionales Sumador Inversor: Esta
configuración es una modificación del seguidor
inversor, con la ventaja que puede amplificar más de una
señal a la vez, debido a la tierra virtual que se forma en
VX, donde fluyen todas las corrientes de entrada y pasan por la
única resistencia de salida, amplificando la suma de las
entradas. Si R1 = R2 = R3, la ecuación queda:
Amplificador de Instrumentación El mas usual de los tipos
de amplificadores de instrumentación se hace con tres
amplificadores operacionales y se obtiene un mejor
desempeño con respecto a un solo amplificador. Al ser tres
amplificadores estos presentan un rechazo de modo común al
menos diez veces mayor.
Amplificadores de Aislamiento Son una subclase de los
amplificadores de instrumentación y su función
primordial es la de aislar eléctricamente el circuito de
entrada con el circuito de salida. Estos amplificadores ofrecen
una protección contra voltajes muy alto, por el orden de
los 5000 Voltios, su aislamiento se logra por uso de
transformadores a la entrada o por medio de
optoacopladores.
Filtros Activos Butterworth. Los filtros activos, son circuitos
electrónicos ampliamente utilizados dentro de los equipos
y sistemas, estos se encuentran presentes desde los circuitos de
audio hasta los sistemas de procesamiento de señales
analógicas y digitales. Compuestos principalmente por
capacitores, resistores, amplificadores operacionales o
transistores. Básicamente existen cuatro tipos de filtros:
los filtros pasa bajas, filtros pasa altas, filtros pasa banda y
filtros de supresión o eliminación de banda.
Filtros Activos -20dB/Dec Filtro Básico Pasa Bajas Un
filtro activo pasa bajas en configuración básica,
esta compuesto por un amplificador operacional de ganancia
unitaria mas un circuito RC. El valor de R y Rf deben ser iguales
para asegurar la ganancia igual a uno. Para determinar el filtro
deseado, se debe definir la frecuencia de corte wc, esta
frecuencia se calcula a partir del circuito RC de entrada al
amplificador
Los filtros pasa bajas de -20 dB/década poseen una
pendiente de -45? en su frecuencia de corte, mientras que los
filtros Butterworth de -40 dB/década poseen una pendiente
de -90? en su frecuencia de corte (wc) Filtros Activos -40dB/Dec
Procedimiento para el diseño. Definir la frecuencia de
corte wc ó fc. Definir C1; se recomienda escoger un valor
entre 100 pF y 0.1µF. Definir C2=2C1. Definir Rf=2R
Calcule:
Filtros Activos -20 dB/Dec Los filtros pasa altas, son filtros
que atenúan una señal mientras su frecuencia esta
por debajo de la frecuencia critica wc, una vez superada esta
frecuencia, se permite el paso de la señal de entrada sin
ninguna restricción. Filtro Básico Pasa Altas
Procedimiento para el diseño de un filtro pasa alta de
20dB/década. Definir la frecuencia de corte, wc ó
fc. Definir un valor para C; se recomienda un valor entre 1mF y
0.1µF. Calcular R en función a los valores obtenidos
anteriormente. Hacer Rf = R.
Un filtro pasa altas con una atenuación de
40dB/década cuando la frecuencia w esta debajo de su
frecuencia de corte wc. por ser un filtro de Butterworth su
ganancia a lazo cerrado será de 0.707 cuando estamos en la
frecuencia de corte (wc) y de 0dB en la banda de paso (w>wc).
Filtros Activos -40 dB/Dec Procedimiento para el diseño de
un filtro pasa alta de 40dB/década. Definir la frecuencia
de corte, wc ó fc. Definir C1=C2=C, con un valor adecuado,
se recomienda un valor entre 1pF y 0.01µF. Hacer Rf = R,
para minimizar el desvió de corriente de dc.
Calcular
Filtros Activos Pasa Banda Los filtros pasa banda son filtros
selectores que permiten elegir la banda de frecuencia que se
desea dejar pasar, esta banda de frecuencia esta limitada por una
frecuencia mínima y una máxima. B = fh – fl
Filtro Pasa Banda
Filtros Activos Pasa Banda Para la construcción de un
filtro de banda ancha (Q=0.5), se deben conectar en cascada dos
filtros, recomendablemente con la misma ganancia en su frecuencia
de resonancia. Uno de los filtros es un pasa bajas y el otro un
pasa altas Filtro Pasa Banda de Banda Ancha Las
características definidas por estos filtros son las
siguientes: La frecuencia de corte inferior, f,l viene
determinada por el filtro pasa altas. La frecuencia de corte
superior, fh, viene determinada por el filtro pasa bajas. El
filtro tendrá su ganancia máxima en la frecuencia
de resonancia, fr, y sera la misma en ambos filtros.
Filtros Activos Pasa Banda La construcción de este se
logra con un solo amplificador operacional. La resistencia R,
define la resistencia de entrada al sistema, la resistencia de
retroalimentación debe tener un valor de 2R, para este
filtro, la ganancia en su frecuencia de resonancia será de
uno (1) ó 0 dB. La resistencia Rr permite el
desplazamiento de la frecuencia de resonancia, sin variar el
ancho de banda o la ganancia del filtro Filtro Pasa Banda de
Banda Angosta
Filtros Activos Rechaza Banda Para tener idea de este tipo de
filtro, tenemos que decir que los filtros rechaza banda son
totalmente opuestos a los pasa banda, donde las frecuencias no
deseadas se rechazan al máximo en su banda de rechazo y
toma su valor máximo de rechazo en la frecuencia de
resonancia fr. Filtro Rechaza Banda
Muestreo y Retención El amplificador de muestreo y
retención opera como un típico amplificador
operacional en el modo de muestreo, pero en el modo de retenedor,
su salida es idealmente constante, independiente de la entrada.
Es utilizado para proporcionar una salida estable al convertidor
analógico/digital durante la conversión.
Muestreo y Retención Características del
amplificador de muestreo y retención El tiempo de
Adquisición: El Retardo de Apertura: Respuesta a la
apertura: La Trasferencia de Carga: Tiempo de Establecimiento:
Caída: El offset de Muestreador – Retenedor: Algunos
Amplificadores de Muestreo y Retención Monoliticos
Amplificador de Poder Mientras que algunos dispositivos y
actuadores como motores y elementos de calefacción
requieren más amperaje, es necesario que a la salida de
los circuitos antes nombrados, existan amplificadores de poder.
Donde se pueden utilizar desde transistores comunes hasta triac y
SCR, de acuerdo a la aplicación donde vayan a estar
colocados.
Aliasing Es cuando aparece una señal con la misma forma de
onda de la muestreada originalmente, pero no es la onda real.
Esto sucede cuando la frecuencia de muestreo esta por debajo de
la frecuencia mínima. Muestreo 6 veces por ciclo Muestreo
3 veces por ciclo Muestreo 6/5 veces por ciclo
Bibliografía Antonio Creus. “Instrumentación
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Barcelona, España. 1993. Pág. 732 John Bentley.
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