SENSORES Y ACONDICIONADORES TEMA 15 (1) CIRCUITOS ACONDICIONADORES DE SENSORES ANALÓGICOS CIRCUITOS ADAPTADORES Y AMPLIFICADORES

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1 SENSOES Y ACONDICIONADOES TEMA 15 (1) CICUITOS ACONDICIONADOES DE SENSOES ANALÓGICOS CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES Profesores: Enrique Mandado Pérez Antonio Murillo oldan Tema 15 1

2 DEFINICIÓN Se denominan acondicionadores los circuitos que convierten una característica del elemento sensor en una señal eléctrica analógica, digital o temporal. Se puede considerar también que forman parte del circuito acondicionador los circuitos convertidores que proporcionan variables que pueden ser memorizadas en un procesador digital. Algunos autores los denominan circuitos electrónicos de interfaz (Interface electronic circuits) porque están situados entre uno o mas sensores y un procesador digital. Los circuitos acondicionadores están formados por uno o más de los siguientes tipos de circuitos: Circuitos adaptadores Circuitos amplificadores Circuitos de excitación Circuitos convertidores de parámetro y formato Tema 15 2

3 TIPOS DE CICUITOS ACONDICIONADOES Circuitos adaptadores Circuitos amplificadores Circuitos de excitación Circuitos convertidores de parámetro y formato Tema 15 3

4 CICUITOS ADAPTADOES DEFINICIÓN Se denominan adaptadores a los circuitos que convierten el cambio de una resistencia, una capacidad o una inductancia en una tensión eléctrica. El conjunto formado por el elemento sensor y el circuito adaptador constituye un sensor modulador o pasivo. Principales circuitos adaptadores: Divisor de tensión Puente de medida Tema 15 4

5 CICUITOS ADAPTADOES DIVISO DE TENSIÓN CA / CC V Z 1 Z 2 V O = Z 2 V o Z + 1 Z 2 V El método de medida basado en un divisor de tensión se denomina medida por deflexión. Tema 15 5

6 CICUITOS ADAPTADOES DIVISO ESISTIVO DE TENSIÓN Se basan en la medida de la caída de tensión en bornes de una resistencia, la corriente a su través o ambos valores. El divisor resistivo es adecuado cuando la variación x de resistencia por unidad de variación de la variable de entrada es elevada. Por el contrario, no es apropiado en sensores en los que las variaciones de la resistencia son pequeñas, porque exigen que se midan cambios muy pequeños de variables que poseen un valor medio muy elevado. V Sensor resistivo r = 0 (1+x) Vo = V + r V O r V Vo = Vo Tema 15 6

7 CICUITOS ADAPTADOES DIVISO ESISTIVO DE TENSIÓN Se utiliza fundamentalmente en potenciómetros (sin resistencia de referencia), LD y termistores. En los termistores se puede linealizar la relación entre V o y T si se elige un valor adecuado de. L = 0 L 0 L α L NTC B( ) tº T T0 V i V i T = 0 e 1 1 V o V o v o ( L) = V i + L v o ( T ) = V i + T Tema 15 7

8 CICUITOS ADAPTADOES DIVISO DE TENSIÓN DE ALTENA El montaje diferencial cancela el efecto de las impedancias parásitas que pueden existir en paralelo con el sensor. Además la relación entre la tensión de entrada y la de salida es lineal, aunque existe un término fijo en la expresión de la tensión de salida. Circuito diferencial ~V Z 0 ~V Z0(1 x) Z 0(1 + x) V s Z 0(1 + x) V s Vs V 1+ = 2 + x x La relación Vs/V no es lineal Vs 1+ x = V 2 La relación Vs/V es lineal Tema 15 8

9 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE Esta formado por dos divisores de tensión en paralelo y la tensión de salida es la diferencia entre las tensiones de salida de ambos divisores. Las TD y las galgas extensiométricas son los sensores resistivos típicos que utilizan el puente de Wheatstone. El método de medida basado en un puente de Wheatstone se denomina medida por comparación. r = 0 (1 + x) Puente de Wheatstone alimentado en tensión Tema 15 9

10 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE 1 2 Ve Vs = V1 V2 4 V1 3 V2 Condición de equilibrio del puente: Vs = 0 V1 = V2 Operando 1 3 = 2 4 En puentes resistivos V e puede ser continua o alterna Tema 15 10

11 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE ESISTIVO DE UN SOLO SENSO Vs/V Salida ideal Ve (1+x) V1 V2 Vs 1 0,5 0,25 0, 5 1 Salida real 0,25 Vs = Ve 4 x x 0,5 La sensibilidad del puente es: Para valores pequeños de x : Ve Vs = x 4 dvs S = = dve x 4 Tema 15 11

12 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE ESISTIVO DE UN SOLO SENSO Ejemplo: Medida de temperatura mediante una TD +V V O = V b V a = V 0 0 (1 + αt) (1 + αt) + 2 V a V s b Cuando V O es nula 0 = 3 y Tª = 0ºC T t TD linealizada t = 0 (1 + αt) Se suele hacer 1 = 2 = = r 0 y 3 = 0 V O r αt = V ( r + 1) ( r + 1+ αt) V O V r αt ( r +1) 2 r=/ 0 Tema 15 12

13 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE ESISTIVO DE UN SOLO SENSO Ejemplo: Medida de fuerzas mediante una galga extensométrica E B 1 G A v AB = E G 1 2 G 2 = + / = Kε 3 V AB K: factor de galga ε: deformación unitaria ( L/L) Se suele hacer 1 = 2 = 3 = 1 v AB = v AB = Kε 4 1 Kε 1+ 2 E E Kε 4 E Tema 15 13

14 CICUITOS ADAPTADOES LINEALIZACIÓN ANALÓGICA Para obtener una tensión directamente proporcional a las variaciones de una de las resistencias se puede utilizar el circuito de la figura. Ve (1+X) Vs Vs = Ve 2 x + Tema 15 14

15 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE DOS SENSOES GALGAS EXTENSIOMÉTICAS Ve V1 (1+x) V2 Vs F F (1+x) 1 3 Vs = Ve x x Para valores de x pequeños La sensibilidad del puente es: Vs = Ve 2 x En este caso la tensión Vs es: F S dvs = = dve x 2 Vs= K ε Ve 2 Tema 15 15

16 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE CON DOS GALGAS EXTENSIOMÉTICAS QUE COMPENSAN LAS VAIACIONES DE LA TEMPEATUA (t) (1X) (1+X) V I1 Vs I2 (1X) (t) (1+X) (t)(1+x) (t) V I1 Vs I2 (t) (t) (1+X) Tema 15 16

17 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE CUATO SENSOES Galgas extensiométricas (1x) (1+x) (1+X) Ve V1 V2 Vs = V 1 V 2 (1X) (1+x) (1x) En este caso la tensión Vs es: (1 + x) (1 x) Vs = Ve = 2 2 x Ve Vs = K ε Ve La sensibilidad del puente es: dvs S = = dve x Tema 15 17

18 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE ESISTIVO ACTIVO 1 2 V = Vs + (Ve Vs) Ve 3 + Vs + V = Ve Vs = (3 + 4) Ve Tema 15 18

19 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE ESISTIVO ACTIVO Ve Elemento sensor en 2 (1+x) + Vs Propiedades: Proporciona una salida lineal. Invierte el sentido de la variación de la señal x. Su impedancia de salida es baja Vs = Ve (1 + x) 2 Vs = x 2 Ve S = x 2 Tema 15 19

20 CICUITOS ADAPTADOES DIFEENTES COMBINACIONES DE ESISTENCIAS EN LOS DIVISOES DEL PUENTE o o o(1+x) o Vs cte x V 2(2+x) I cte I o x/(x+4) 1 2 o(1+x) o o(1+x) o x V 2+x I o x/2 Ve 4 3 Vs o o o o(1x) o(1+x) o(1+x) o(1x) o 2x V 4 x 2 V x 2 I o x/2 I o x/2 o(1+x) o o(1x) o V x2 4 x 2 I o x 2 /2 o(1x) o(1+x) o(1x) o(1+x) V x I o x Tema 15 20

21 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE WHEATSTONE CON AJUSTE DEL CEO Para ajustar el nivel de la variable medida que produce una tensión de salida nula se puede utilizar un potenciómetro. + Tema 15 21

22 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE ALTENA CAPACITIVO Se utiliza para eliminar la tensión fija que existe a la salida de un divisor de tensión, incluso cuando se basa en un sensor diferencial. Si se utilizan brazos resistivos, sus capacidades parásitas introducen errores. Por ello se utilizan puentes de alterna con transformador (ramas inductivas) en los que la toma central se conecta a tierra, para que las capacidades parásitas no influyan en el desequilibrio del puente. La estructura en puente hace que cualquier cambio de las ramas adyacentes se cancele. V V o C 1 V o V C C = 2 C + C Condensador diferencial N=1 C 2 V o = V εa x (lineal) Tema 15 22

23 CICUITOS ADAPTADOES PUENTE DE ALTENA INDUCTIVO El circuito en puente es el más adecuado cuando se utilizan topologías diferenciales. La salida es lineal en función de la variación de inductancia si la distribución es la de la figura. Si se sitúan las resistencias en las dos ramas inferiores se obtiene un puente de alterna no lineal, pero se logra una sensibilidad doble para variaciones de L pequeñas. L o L=L 1 V(t) = V m sen( ωt) i L B A V B V A = L 2L 0 V m sen(ω t) L o + L=L 2 L 1 +L 2 =2L o Tema 15 23

24 TIPOS DE CICUITOS ACONDICIONADOES Circuitos adaptadores Circuitos amplificadores Circuitos de excitación Circuitos convertidores de parámetro y formato Tema 15 24

25 CICUITOS AMPLIFICADOES Son circuitos que amplifican la señal proporcionada por un circuito adaptador o por un elemento sensor generador. En función de las características de las señales que se deben amplificar se pueden utilizar amplificadores operacionales de aplicación general, amplificadores operacionales de características mejoradas o amplificadores especiales, que se describen en los temas 13 y 14. Tema 15 25

26 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES MODULADOES SENSOES ESISTIVOS DE GAN SENSIBILIDAD. EJEMPLO: TD TD con amplificador inversor TD con amplificador diferencial t t +V 1 +T +V 1 +T 1 + V s + V s o o = to (a) (b) Vs V o = [1 + α (tto)] 1 V s = V α (tto) Tema 15 26

27 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES (PASIVOS) MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES SENSOES ESISTIVOS DE PEQUEÑA SENSIBILIDAD Se suelen realizar mediante un puente de Wheatstone y un amplificador de instrumentación. Ejemplo: Galga extensométrica (Strain gage) Amplificador de instrumentación E Tema 15 27

28 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES MODULADOES (PASIVOS) AMPLIFICADO DE INSTUMENTACIÓN La mayoría de los sensores suministran una señal muy pequeña (algunos mv). En este caso la señal que generan se debe amplificar mediante un amplificador de instrumentación que, tal como se indica en el tema 14, posee unas características que lo asemejan a un amplificador ideal: Impedancia de entrada muy alta (infinita) e impedancia de salida muy baja (nula). Tensión de salida proporcional a la diferencia de tensiones de entrada (e 2 e 1 ) Ganancia constante y muy precisa (no hay no linealidades). Ancho de banda muy elevado". e1 G + E 0 = G(e 2 e 1 ) e2 + Tema 15 28

29 V i V i+ E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES MODULADOES (PASIVOS) AMPLIFICADO DE INSTUMENTACIÓN (AI) + C 2 3 Vc 1 G D + Vs 3 Vc Configuración típica de un AI Los terminales de entrada son las entradas no inversoras de los AO lo que proporciona una elevada i m p e d a n c i a d e e n t r a d a. El tercer AO es un amplificador de modo diferencial y la ganancia global del conjunto se ajusta mediante la r e s i s t e n c i a e x t e r n a G. La tensión de salida V 0 en función de la tensión entre los dos terminales de entrada es: = 3 = v o vdc 1 i+ i 2 2 G ( v v ) Tema 15 29

30 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES SENSOES OPTOELECTÓNICOS FOTODIODO Los circuitos de acondicionamiento más adecuados para medir intensidad luminosa con un fotodiodo se basan en la medida de la corriente que circula por el mismo cuando la tensión entre su ánodo y su cátodo es nula (a) o cuando se le aplica una determinada tensión inversa (b). En a) basta con invertir la polaridad del fotodiodo para tener una tensión de salida positiva. En b) la inversión de los terminales del fotodiodo obliga a aplicar una tensión inversa negativa. r r i f i f + v o = r i f V i + v o = r i f (a) (b) Tema 15 30

31 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES SENSOES OPTOELECTÓNICOS FOTODIODO Para obtener una tensión de salida proporcional a la corriente i f se utilizan amplificadores corrientetensión denominados amplificadores de transimpedancia. Como i f es muy pequeña, se necesitan valores elevados de r. Por ello se necesita un amplificador operacional que tenga corrientes de polarización muy pequeñas (Low Input Bias) que suelen estar realizados con transistores de efecto de campo (FET). r r i f i f + v o = r i f V i + v o = r i f (a) (b) Tema 15 31

32 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES FOTODIODO SENSOES OPTOELECTÓNICOS Para disminuir el error debido a las corrientes de polarización se puede colocar una resistencia de compensación en la entrada no inversora del amplificador operacional del mismo valor que la resistencia de realimentación. De esta forma el error se debe únicamente a la corriente de asimetría. La resistencia de compensación es una fuente de ruido cuyo efecto se puede minimizar mediante un condensador que limita el ancho de banda del ruido aplicado a la entrada no inversora. i f r C c + r v o = r i f Tema 15 32

33 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES SENSOES OPTOELECTÓNICOS 1 2 FOTODIODO 3 El valor de r puede ser demasiado elevado para los valores comerciales de las resistencias, por lo que se utiliza una red en T, si bien se aumenta el ruido interno y la amplificación de la tensión de asimetría. i f v o = v o 2 i f Tema 15 33

34 CICUITOS DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSOES MODULADOES MEDIANTE CICUITOS ADAPTADOES Y AMPLIFICADOES SENSOES OPTOELECTÓNICOS FOTOTANSISTO Los inconvenientes del fototransistor (mayor dependencia de la temperatura, menor linealidad, escasa reproducibilidad, mayor tiempo de respuesta) comparado con el fotodiodo reducen su uso a la detección de nivel de luz en sensores todo/nada. En estas aplicaciones el circuito de acondicionamiento es muy sencillo y consiste en un divisor de tensión seguido de un comparador o un disparador de Schmitt. Según el tiempo de respuesta que se desee el fototransistor puede trabajar entre corte y saturación o en la zona activa. +V cc +V cc v o v o Tema 15 34

35 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES Los sensores generadores necesitan simplemente un amplificador que eleve el nivel de las señales generadas por ellos. Algunos tipos de sensores generan señales que exigen características especiales a los amplificadores de instrumentación y por ello se definen dos tipos de circuitos amplificadores que se denominan: Amplificador electrométrico Amplificador de carga Tema 15 35

36 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES AMPLIFICADO ELECTOMÉTICO Se denomina amplificador electrométrico a un circuito amplificador que posee una resistencia de entrada superior a 1 TΩ (10 9 Ω) y una corriente de entrada inferior a 1 pa. Se utiliza para amplificar las señales procedentes de sensores de impedancia de salida elevada que generan corrientes de bajo nivel. I B < 1pA i > 1TΩ Tema 15 36

37 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES AMPLIFICADO ELECTOMÉTICO La medida de la corriente se puede realizar midiendo directamente la caída de tensión en una resistencia de valor elevado (Figura a) o realizando una conversión corrientetensión mediante un amplificador de transimpedancia (Figura b). Los primeros presentan problemas de respuesta cuando el valor de la resistencia es muy elevado, por lo que en general se utilizan convertidores corrientetensión. Tema 15 37

38 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES APLICACIÓN DEL AMPLIFICADO ELECTOMÉTICO CON SENSOES PIOELÉCTICOS Los sensores piroeléctricos poseen una elevada impedancia de salida y proporcionan una corriente muy pequeña, lo que hace necesario amplificar la señal generada por ellos mediante un amplificador de alta impedancia de entrada (amplificador electrométrico). El modo tensión se implementa con un seguidor de tensión y el modo corriente mediante un convertidor corrientetensión. En el modo corriente la constante de tiempo puede ser menor y se obtienen mejores tiempos de respuesta. C fb fb C P v o i P G i P C P Vo Modo tensión Modo corriente Tema 15 38

39 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES AMPLIFICADO DE CAGA Es un circuito amplificador que se utiliza para suministrar una tensión proporcional a la carga de un condensador (convertidor cargatensión). Su impedancia de entrada es un condensador lo que hace que tenga una elevada impedancia de entrada a baja frecuencia. Se implementa mediante un amplificador de continua de características electrométricas, es decir, que tiene unas corrientes de polarización prácticamente nulas. Tema 15 39

40 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES APLICACIÓN DEL AMPLIFICADO DE CAGA CON SENSOES PIEZOELÉCTICOS En los sensores piezoeléctricos la utilización de los amplificadores electrométricos o de carga es imprescindible para realizar medidas estáticas porque en ellas el sensor genera una energía que se disipa sin utilizar un condensador externo. Esto hace que la señal de salida se anule (hasta que se produce un nuevo cambio en la señal de entrada). En general, los amplificadores de carga son la mejor opción ya que para obtener buenos resultados mediante amplificadores electrométricos es necesario que estén situados próximos al sensor. Tema 15 40

41 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES APLICACIÓN DEL AMPLIFICADO DE CAGA CON SENSOES PIEZOELÉCTICOS Mediante un amplificador de carga se consigue que la carga eléctrica Q, producida por una fuerza constante F aplicada al sensor, se acumule en forma de tensión en el condensador C A. Esta tensión aparece directamente en la salida del amplificador con signo contrario, y se mantiene aunque la fuerza aplicada sobre el sensor permanezca constante. La capacidad del sensor desaparece porque se cortocircuita virtualmente a masa a través del amplificador. V = Q C A Q V O = = C kf A C A Tema 15 41

42 CICUITOS AMPLIFICADOES PAA SENSOES GENEADOES APLICACIÓN DEL AMPLIFICADO DE CAGA CON SENSOES PIEZOELÉCTICOS Las tensiones de asimetría y las corrientes de polarización del amplificador ocasionan una rápida disminución de la tensión en bornes del condensador debida a la integración de los errores hasta llevar el amplificador a saturación. Debido a ello el circuito deja de amplificar la carga y la señal de salida no sigue a la de entrada. Para resolver este problema hay que garantizar que el condensador C A está descargado antes de iniciar la medida. Para ello se utiliza un interruptor que cortocircuita el condensador de forma permanente excepto durante el tiempo de medida. CONTOL F C A F + V o V o Intervalo de medida t t Para limitar los picos negativos de la tensión de salida se suele colocar una en serie con la entrada aunque introduce retardos adicionales en la medida. (a) (b) Tema 15 42