ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES USANDO AMPLIFICADORES OPERACIONALES PARA MEDIR TEMPERATURA PROMEDIO

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES USANDO AMPLIFICADORES OPERACIONALES PARA MEDIR TEMPERATURA PROMEDIO

Juan David Areiza Pérez, Marllyn Castaño Patiño.

Pregrado en Ingeniería Mecatrónica. ITM 2014, Medellín.

Resumen. En este trabajo se presenta el uso de amplificadores operacionales utilizando diferentes configuraciones para el acondicionamiento de señales analógicas, las cuales provienen de tres sensores de temperatura y función de transferencia diferentes. En primer lugar se acondicionan las señales para que cada una entregue la misma cantidad de voltaje y de ganancia por grado °C (Celsius), posteriormente son promediadas para así poder obtener una función de transferencia de 50 mV/°C. Lo anterior se puede observar mediante el software de simulación Proteus 8 y un montaje físico del circuito.

Palabras clave: Amplificadores operacionales, Función de transferencia, acondicionamiento de señales, sensores de temperatura, ganancia.

Abstract. This paper presents the use of operational amplifiers using different configurations for the conditioning of analogue signals, which come from of three sensors of temperature with different transfer function. First the signals are conditioned so that each one give the same amount of voltage and gain per degree ° C (Celsius), then are averaged to obtain a transfer function of 50 mV / ° C. This can be observed by Proteus 8 simulation software and a physical Assembly of the circuit.

Keywords: Operational amplifiers, Transfer function, signal conditioning, temperature sensors, gain.

1. INTRODUCCIÓN

Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos que permiten amplificar señales y obtener grandes ganancias de voltaje, su nombre proviene del concepto de un amplificador DC (amplificador acoplado en continua). Dependiendo de las configuraciones que se realizan en ellos se pueden realizar operaciones como sumas, diferencias, multiplicaciones, diferenciaciones e integraciones. Este trabajo muestra una de las aplicaciones que se le pueden dar a estos como lo es convertir temperaturas en voltajes deseados.

Se han realizado diversos trabajos con amplificadores operacionales para la conversión de una señal física a una digital o viceversa (Franco, s, 2005), también para elaborar etapas de un control de temperatura (Flores, 2003), y para acondicionamiento de señales entregadas por sensores de temperatura como el  LM 335 (Coughlin & Driscoll, 1999).

Este trabajo pretende reforzar los conocimientos obtenidos en clase, mediante el montaje físico del circuito y su análisis matemático además, se espera que dicho montaje cumpla con la función de transferencia necesitada. El artículo está organizado de la siguiente manera: en la sección [2] se presentan los objetivos, en [3] el marco teórico, en [4] se presentan los análisis del sistema, en [5] se muestra el esquema del circuito, en [6] se muestran las posibles causas de error y en [7] se hacen las correspondientes referencias.

1. OBJETIVOS

1. Objetivo general

Diseñar un circuito utilizando amplificadores operacionales para para obtener la temperatura promedio en grado °C (Celsius) de tres sensores diferentes.

2.2  Objetivos específicos

• Entender el funcionamiento de los amplificadores operacionales mediante la implementación del circuito que promedia la temperatura de los tres sensores.
• Demostrar por medio de una simulación con el software Proteus 8 que el circuito diseñado concuerda con los cálculos realizados.
• Revisar que todos los componentes del circuito estén bien conectados para garantizar el buen funcionamiento del mismo.

1. MARCO TEORICO

3.1 Amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos que permiten amplificar señales, obtener grandes ganancias de voltaje y pueden generar cambios en la polaridad. Estos poseen alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida y a pesar de que las computadoras digitales son usadas debido a su gran precisión a la hora de realizar operaciones como sumas, restas y hasta para resolver ecuaciones diferenciales, no obligaron a desechar  los amplificadores operacionales, que en un principio eran usados para realizar este tipo de operaciones en los circuitos.

Durante muchos años uno de los amplificadores operacionales más usados son los 741 debido a su resistencia y facilidad para ser adquirido. Su representación gráfica se puede observar en la Figura 1.

Fig. 1. Amplificador operacional de propósito general. (Tomada de Amplificadores  operacionales y circuitos integrados lineales, Robert F. Coughlin y Frederick Driscoll.)

[pic 1]

3.2 Amplificador inversor

El amplificador inversor como su nombre lo dice sirve para amplificar señales tanto en AC como en DC pero la señal que se obtiene de salida tiene polaridad inversa, es decir que la señal se desfasa en 180°. Su esquema grafico se puede observar en la Figura 2.

         Fig. 2. Esquema amplificador inversor.

[pic 2]

Para trabajar con el amplificador inversor hay que tener ciertas consideraciones:

• En la entrada inversora no circula corriente, es decir la corriente debe ser considerada cero, al igual en la entrada no inversora.
• El voltaje entre la entrada inversora y la no inversora se considera cero.
• Con la condición anterior se puede decir que la entrada inversa es una tierra virtual.

El voltaje de salida de un amplificador inversor está dado por la ecuación:

                       Ecuación 1.[pic 3]

La Ecuación 1. Se obtiene de los siguientes cálculos:

Como Vi y Ri se encuentran en paralelo se puede decir que VRi = Vi, por tanto la corriente en Ri será:  

                                                                 Ecuación 2.[pic 4]

Como la corriente Ri es la misma que pasa por Rf, entonces obtenemos:

...