Acondicionamiento de Señal. Unidad 3

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1 Acondicionamiento de Señal Unidad 3

2 Contenido Puentes de resistencias e impedancias Amplificadores Circuitos de salida Muestreadores Retentores Multiplexores Convertidores digital analógico Convertidores analógico digital

3 Puente de Wheatstone

4 Amplificadores Mejora la salida del transductor Algunas funciones son: Modificar la amplitud de una señal Aumentar la capacidad de corriente de una señal Convertir una señal de corriente a tensión Amplificar señales diferenciales para reducir ruido de modo común en el sistema Acople de impedancia

5 Características de los amplificadores Alta impedancia de entrada Baja impedancia de salida Baja corriente de polarización de entrada Bajo coeficiente térmico en el punto de polarización Bajo nivel de ruido relativo a la señal a amplificar Alta RRMC

6 Amplificador Operacional Parámetro Ideal Real Ganancia de lazo abierto Ancho de banda lazo abierto Impedancia de entrada Impedancia de salida Voltaje de corrimiento entrada Corriente de polarización Relación de rechazo de m. c. Velocidad de cambio Corriente máxima de salida Voltaje máximo de salida A VOL BW OL Z ent Z sal V os I os RRMC SR I sal(max) V sal(max) Hz mV 90nA V/ s 100mA 10v

7 Configuraciones

8 Configuraciones

9 Amplificador de Instrumentación

10 Tipos de salida Relé Transistor TRIAC FET MOSFET Analógicas Seriales

11 Relé Los relés son dispositivos electromecánicos que están formados por una bobina y juegos de contactos normalmente abierto (NA) y normalmente cerrados (NC). Cuando se energiza la bobina que se comporta como un electroimán, hace que los contactos eléctricos cambien de estado y cuando se le quita la alimentación a la bobina los contactos regresan a su posición inicial. Estos contactos son secos, es decir, es una lámina de cobre que se cierra o se abre al energizarse la bobina según sea el tipo de contacto, NA o NC respectivamente y permanecen así mientras la bobina siga energizada. El hecho de que los contactos sean secos posee la ventaja de tener una corriente igual a cero cuando la salida está abierta y presentar una impedancia muy baja cuando el contacto está cerrado; los dispositivos electrónicos tales como transistores, TRIAC y FET carecen de estas ventajas.

12 Relé. Características Voltaje de salida: hasta 240 V AC/DC. Corriente de salida: hasta 5 A máximo. Propósito general, bajo costo. Vida útil finita. SPDT (un polo dos contactos. 1 NA, 1 NC) o DPDT (dos polos dos contactos, 2 NA, 2 NC). Tiempo de respuesta largo (15 ms para abrir los contactos, 25 ms para cerrar los contactos). Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en serie o paralelo. Este tipo de conexiones es útil cuando se carece de algún tipo de equipo para control, y se tiene que implementara la lógica de control con sensores y elementos finales de control (como arrancadores, relés temporizados y otros).

13 Relé.

14 Transistor Los transistores son dispositivos electrónicos que se pueden comportar como interruptores. El transistor tienen un terminal de base que cuando está activo permite la circulación de corriente entre el emisor y el colector, este último generalmente se conecta al terminal de salida del detector. Hay dos tipos de salidas a transistores, NPN que permite la circulación de corriente desde el colector hacia el emisor y PNP que permite la circulación de corriente desde el emisor hacia el colector. El uso de un sensor con salida NPN o PNP depende de la carga que se vaya a conectar a este, por ejemplo si tenemos un PLC con una tarjeta de entrada digital DC de tipo sumidero (el terminal común de la tarjeta va a tierra y cada entrada se activa con un nivel de tensión positivo) los detectores que se van a conectar a esta tarjeta deben ser del tipo PNP.

15 Transistor. Características Voltaje de salida: 0-30 V DC. Corriente de salida: 100 ma máximo. Baja corriente de fuga. Tiempo de respuesta corto 1ms o menos. Propósito general en operación DC

16 Transistor

17 Transistor

18 Triac Los TRIAC son dispositivos semiconductores de tres terminales que permiten el paso de corriente entre dos de sus terminales cuando se suministra una señal de disparo por el tercer terminal denominado compuerta (G) y que está conectado al circuito control del detector, a través de un opto acoplador que aísla la carga del circuito de control. Se utilizan para señales AC y tienen un apagado natural cuando la señal alterna cruza por cero.

19 Triac. Características Voltaje de salida: 120 o 240 V AC. Corriente de salida: 0,75 A máximo. Tiempo de repuesta largo: hasta 8,3 ms para activar o para desactivar. 1 ma de corriente de fuga máxima. Propósito general en operación AC. Apropiado para cargas inductivas.

20 Triac

21 FET Los FETs son transistores de efecto de campo (field effect transistor) y las principales características de esta configuración se muestra a continuación: Voltaje de salida: V AC ó de V DC. Corriente de salida: 30 ma máximo. Tiempo de respuesta corto (1ms o menor). Baja corriente de fuga < 10 A. Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en serie y/o en paralelo. Este tipo de conexiones es útil cuando se carece de algún tipo de equipo para control, y se tiene que implementara la lógica de control con sensores y elementos finales de control (como arrancadores, relés temporizados y otros).

22 FET

23 MOSFET Los MOSFET (metal oxide semiconductor FET) tienen características similares a los FET pero con mayor capacidad de manejo de corriente Voltaje de salida: V AC ó de V DC. Corriente se salida: 300 ma de salida típico. Corriente de fuga moderadamente alta. Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en paralelo.

24 Conexión a dos hilos En la conexión a dos hilos la fuente, el sensor y la carga se conectan en serie. Esto trae como desventaja que cuando el sensor está activo permite que circule corriente pero la caída de voltaje en el sensor no es totalmente cero. De la misma forma cuando el sensor está desactivado hay una corriente de fuga debido a que el detector para poder funcionar necesita consumir cierta cantidad de potencia. La ventaja de esta configuración es el ahorro en cable en el momento de la instalación.

25 Conexión a dos hilos

26 Conexión a tres hilos En la conexión a tres hilos la fuente y el sensor están en paralelo y del sensor sale un tercer cable que se conecta en serie con la carga. La principal desventaja radica en el hecho de necesitar una cantidad mayor de cables y tubería a la hora de ser instalados..

27 Analógicas Transmisión de voltaje analógico Muy usado para distancia menores a 30 mts Típicamente de 0 a 5, 1 a 5 y 0 a 10 Vdc Para distancia mayores a 10 mts se tornan susceptibles a la resistencia del cable, problemas de tierra.

28 Analógicas Transmisión de corriente analógica Típicamente 4 a 20 ma Se verifica de forma natural fallas en el sistema Puede transmitir a distancias de unos 3 Km La carga puede ir desde o hasta 1000 Tiene mayor inmunidad al ruido que la transmisión de voltaje La señal no se degrada con la distancia

29 Analógicas

30 Seriales Los sensores con salidas seriales van conectados a una red para dispositivos de campo y transmiten información de forma serial (trama de bits) a través de esta red, enviando datos desde el detector hacia el dispositivo de control o de supervisión. Las redes seriales para dispositivos de campo permiten disminuir la utilización de entradas en los equipos controladores, ya que los dispositivos de campo van conectado al cable de la red y la información llega al controlador a través de una tarjeta de comunicación serial. Esta característica también trae un ahorro en cables para la conexión de los detectores al controlador. Los dispositivos seriales tienen la ventaja sobre los dispositivos con salidas digitales y analógicas que pueden enviar mayor información a los controladores, lo que permite dotarlos con algunas capacidades adicionales como lo son: diagnóstico y funciones lógicas (temporizado, conteo y detección de movimiento). Estas características permiten reducir los tiempos de mantenimiento de los sistemas en donde están instalados los detectores con salida serial y permiten que parte de la lógica de control resida en el detector inteligente. La información que el detector envía por la red es una trama de bits que es almacenada en la memoria de datos del controlador y contiene el estado del detector.

31 Seriales

32 Criterios de selección Cuando se instala un sistema es muy frecuente utilizar sensores con salidas AC, la mayoría de los casos con salidas a relé ya que son los más económicos. El uso de sensores AC evita tener que agregar fuentes de poder para la alimentación DC del sistema instalado. El rango del voltaje de control (entiéndase como voltaje de control el que usan los dispositivos de campo digitales, como por ejemplo los sensores digitales) en nuestro país, en la mayoría de los casos es de 120 V AC, esto es comprensible ya que esta es la tensión de alimentación suministrada por las compañías de servicio eléctrico y la mayoría de los equipos encontrados en el mercado nacional (como: computadoras, monitores, equipos de video y otros) trabajan con esta tensión de alimentación. Sin embargo se encuentran casos de plantas con voltajes de control de 220 V AC, sobre todo sus sistemas provienen de Europa. También es frecuente encontrar plantas que utilizan un voltaje de control de 24 V DC. Cuando se requiere aplicaciones donde la velocidad de detección es rápida se necesita usar detectores de salida DC. Los detectores de salida AC típicamente funcionan hasta unos 15 Hz mientras que los sensores DC de uso común pueden alcanzar decenas de KHz.

33 Criterios de selección La corriente de fuga es un factor importante a considerar, si no se tiene cuidado esta corriente puede ser suficiente para activar la carga y no habría ninguna diferencia, desde el punto de vista de la carga, si el detector está activado o desactivado. Cuando la cantidad de detectores a instalarse es grande puede llegar a ser más económico la instalación de dispositivos seriales. Esto se determina haciendo un análisis económico entre una instalación que use una red de campo y una que use dispositivos con salida discreta. Este análisis debe llevar, además del costo de los equipos, el costo de la instalación. En ocasiones, cuando se va a seleccionar un sensor para una aplicación en una planta, se llega a la conclusión de que se puede utilizar más de un tipo de detector, en este caso la inclinación debe hacerse por el de uso más frecuente en otras aplicaciones dentro de la misma planta, esto nos llevará a una estandarización de equipos que aminoran el costo del inventario de repuestos en almacén.

34 Multiplexado

35 Muestreadores y retentores Se usan en la entrada de los conversores analógicos a digital generalmente por una de dos razones La señal de entrada varia tan rápidamente que genera error en la conversión Compartir el uso del conversor A/D entre varias señales

36 Muestreadores y retentores

37 Muestreadores y retentores Cuando el interruptor está cerrado se dice que esta en modo de seguimiento y cuando esta abierto está en modo de rentención. En el modo de retención el circuito presenta algunos parámetros de interés:

38 Muestreadores y retentores Tiempo de adquisición Caída en modo retención Error en la transición muestra retención Retardo de apertura Incertidumbre en el tiempo de apertura

39 Convertidores digital analógico Resistencias ponderadas Red R 2R

40 Resistencias Ponderadas

41 Resistencias Ponderadas

42 Resistencias Ponderadas

43 Resistencias Ponderadas Está compuesta por una sumador con Amplificadores operacionales Las resistencia de la red sumadora van en múltiplos de 2 La exactitud depende de la precisión de las resistencias

44 R - 2R V0 = -VR/2 n (S n-1.2 n-1 + S n-2.2 n S S )

45 R - 2R V0 = -VR/2 n (S n-1.2 n-1 + S n-2.2 n S S )

46 R - 2R Fácil implementación Económico

47 Convertidores analógico digital Contador Continuo (servo convertidor) Rampa simple Doble rampa Aproximaciones sucesivas Paralelo Sigma-delta

48 Contador

49 Contador Los tiempos de conversión dependen del valor de la señal analógica a digitalizar, el número de bits del convertidor y la frecuencia del reloj En cada lectura, el contador se inicializa. El tiempo máximo de conversión viene dado por: t max = (2 n -1)T Donde t max es tiempo máximo de conversión, n es el número de bits y T el período del clock.

50 Continuo (servo convertidor)

51 Continuo (servo convertidor)

52 Continuo (servo convertidor) Es similar al anterior, con la diferencia de que el contador es en dos direcciones (up down) y la cuenta no va a cero. El contador comienza a contar desde el valor del último conteo. Los tiempos de conversión son variables y dependen de la diferencia entre el valor de la última conversión y el valor actual.

53 Aproximaciones sucesivas

54 Aproximaciones sucesivas

55 Aproximaciones sucesivas Se parece convertidor por contador, con la diferencia que el contador se reemplaza por un registro de aproximaciones sucesivas Es relativamente rápido por el orden de seg a decenas de seg. La velocidad de conversión depende el número de bits

56 Rampa simple

57 Rampa simple

58 Rampa simple No utilizan convertidores D/A. Se emplean en casos en los que no se requiere una gran velocidad, Son muy usados en los voltímetros digitales. Su exactitud depende la rampa (valores de RC)

59 Doble rampa

60 Doble rampa

61 Doble rampa V i = -V ref.t 2 /t 1 El tiempo de conversión es t 1 +t 2 y no depende de los valores de RC

62 Delta - Sigma

63 Delta - Sigma

64 Delta - Sigma Muy usados para aplicaciones de alta resolución y baja o media velocidades de conversión (10Hz a 100KHz, 16 a 21 bits).

65 Paralelo Es el más rápido de los convertidores, tiene tiempos de conversión el orden de nanosegundos (t de propagación). La comparación la realiza de forma simultánea y no secuencial. Requiere de un gran número de comparadores cuando aumenta el número de bits en la salida digital, por esta razón son muy costosos.

66 Paralelo

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