Recibido: Diciembre de 1999 Aprobado: Enero del 2000

Circuito electrónico de doble propósito

Centro de Investigaciones en Microelectrónica (CIME), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), Ciudad de La Habana, Cuba

H. Trujillo y M. E. Lorenzo

RESUMEN / ABSTRACTSe presenta el ejemplo de un circuito electrónico el cual con pequeñas modificaciones en sus componentes oselección de sus terminales de entrada-salida realiza funciones diferentes. En particular un circuito que puedeutilizarse como conversor V-I con carga flotante o amplificador diferencial. Se plantean los resultados de simulacióncon el simulador PSPICE corroborando el análisis teórico.Palabras claves: circuitos electrónicos, funciones adicionales

Examples of electronic circuits that whith small changes of the value of their components or input-output termi-nals can provide different electronic functions. In particular it is presented a V-I converter with floating load anddifferential amplifier. PSPICE simulation results are shown corroborating the theoretical analysis.Key words: electronic circuits, additional functions

Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, Vol. XXI, No.2, 2000AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA

INTRODUCCIÓNLa conversión voltaje-corriente (V-I) tiene diferentes

aplicaciones entre las que pueden mencionarse los trasmisoresde 4 a 20 mA muy utilizados en control automático, en lafabricación de fuentes de corriente requerida en multiplesaplicaciones, como bloques constructivos en circuitos integrados(CI) analógicos, etcétera. En esta última línea numerosos tiposde fuentes se han patentado en los últimos años.1,2

Si bien el nivel de integración cada vez mayor3 hace que elpeso relativo de los dispositivos semiconductores y circuitos debajo nivel de integración disminuya con el tiempo, no es menoscierto que sobre todo en la electrónica analógica todavía serequiera de soluciones particulares, las que deben ser

implementadas con componentes discretos y circuitos de bajonivel de integración. Por otra parte, los amplificadores diferencialesson muy útiles en diversas aplicaciones cuando se necesitaamplificar la diferencia de señales.

En este trabajo se presenta un circuito electrónico capaz defuncionar como conversor V-I y como amplificador diferencialcon cambios en los terminales de entrada y salida, y selección delos valores de las componentes.

CONVERSOR VOLTAJE-CORRIENTECuando se requiere alimentar un transformador lineal diferencial

(LVDT), puede emplearse con éxito el CI, NE5521,4 el cual brindauna señal de salida de voltaje diferencial. Sin embargo, hay otras

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aplicaciones en que se necesita utilizar una señal diferencial perode corriente y este CI estándar no la brinda, de ahí que surja lanecesidad de, a partir del mismo, usando un conversor V-Ialimentar una carga flotante, en particular, un sensor diferencialinductivo de corrientes parásitas (ver figura 1).

En la figura 1, si el inductor L1 se conecta a tierra, los voltajesinducidos en L2 y L3 resultan desbalanceados debido a lascapacidades parásitas respecto a tierra de los enrollados L2 y L3.Si por el contrario L1 se alimenta desde una salida diferencial(o sea como una carga flotante) los voltajes inducidos resultanmás simétricos.

Una fuente de corriente, o conversor voltaje corriente de usogeneral y que con pequeñas modificaciones aparece incluso enlos manuales de varios fabricantes5 y libros de texto6 se ilustraen la figura 2.

El valor máximo de ZL que puede conectarse para una iL dada esconsecuencia del valor finito de V0 alcanzable debido a losvoltajes de alimentación del amplificador operacional (AO). EstaZL máxima puede calcularse como se muestra a continuación:

De la figura 2 y con R' = R3 ; R1 = R2 , queda:

V+ = iL ZL = - (Vs / R2 ) ZL ...(3)

I1 = (Vs - V+)/ R2 = (Vs + Vs ZL / R2) / R2

como V0 = V+ - I1R3, sustituyendo y reagrupando resulta:

V0 = -Vs / R2 [ ZL + R3 (1 + ZL / R2)] ...(4)

El V0 mínimo (V0MIN) a la salida del AO viene dado por:

V0MIN = - (VCC - VSAT)

donde:VSAT: Voltaje de saturación de la etapa de salida del AO.

VCC - VSAT = Vs / R2 [ ZL + R3 (1 + ZL / R2 )] ...(5)

Despejando ZL de la expresión 5 resulta:

ZLMAX = [ R2(VCC - VSAT)/ Vs - R3 ] / (1 + R3 / R2) ...(6)

En el caso que ZL sea fija , se calcularía la máxima iL que podríasuministrarse a la misma, lo cual es de interés por ejemplo para laexcitación de una bobina cuyo campo magnético resultaproporcional a la corriente de excitación.

Como se observa esta fuente usa ZL a tierra, lo cual tiene ladesventaja anteriormente señalada. La carga se puede conectaren el lazo de realimentación negativa del AO, quedando de estamanera flotante,6 pero esta conexión no elimina el desbalance, osea, no se alimenta de forma diferencial.

CONVERSOR V-I DIFERENCIALA continuación se presenta la solución propuesta para

alimentar una carga flotante con corriente diferencial. Estasolución constituye un conversor VI novedoso siendo ademásposible su uso como amplificador diferencial como se trataráposteriormente.

Se construye la fuente para carga flotante acoplandoadecuadamente dos fuentes como las estudiadas previamente yalimentándolas con un voltaje diferencial como se ilustra en lafigura 3.

El esquema de la figura 3 se ha dibujado de forma que resultemás evidente el uso del teorema de la bisección, para lo cual ZL seha descompuesto en dos cargas de valor ZL/2. Al llevar el puntocentral de esas cargas a tierra de acuedo con este teorema, seobtiene que queda exactamente la fuente sencilla y por tanto:

iL = -Vs /R2

Su análisis circuital resulta:

iL = - (I1R´/ R3 + Vs / R2 - I1R1 / R2) ...(1)

para que iL dependa solo de VS se debe cumplir que :

R'/ R3 = R1 / R2 ⇒ iL = -Vs / R2 ...(2)

como caso particular más simple se tomará: R' = R3 y R1 = R2.

Figura 1Conversor V-I

Figura 2Conversor voltaje corriente.

CIRCUITOS...

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Como la impedancia que "ve" cada conversor es ZL/2, estoimplica que el valor de ZLMAX que tolera la fuente flotante es eldoble que el de la fuente sencilla dada por Millman.6

AMPLIFICADOR DIFERENCIALEl análisis del circuito mostrado en la figura 3 sugiere que este

puede emplearse también como un amplificador de voltajediferencial tomando las salidas por V01 y V02. Sin embargo, elanálisis detallado de esta conexión7 revela que la impedancia deentrada diferencial es muy baja, lo cual no es conveniente.

Si se conecta la señal por la rama no inversora, el circuitoqueda como en la figura 4.

De la figura 4 :

IX = V+/ R2 IX = iL - Ii ...(7)

Vs = Ii R2 + IXR2 ...(8)

sustituyendo IX :

Vs = iL R2 ⇒ iL = Vs/R2 ...(9)

V+ = iLZL = VsZL/R2

y por tanto, IX = Vs ZL/R22, el valor de V0 resulta:

V0 = (R3 + R2) IX = (1 + R3/R2) ZLVs/R2 ...(10)

Para la fuente doble con esta conexión queda:

V01 = (1 + R3/R2) ZLVs/2R2 ...(11)

V02 = -(1 + R3/R2) ZLVs/2R2 ...(12)

De donde:

∆V0 = V01 - V02 = (1 + R3/R2)( ZL/2R2)(2Vs)

y la ganancia diferencial:

Ad = ∆V0/2Vs = (1 + R3/R2)ZL/2R2 ...(13)

para obtener alta Ad se requiere R3 >> R2.La resistencia de entrada7 resulta:

RIN = Vs/Ii = R2 / (1 - ZL/2R2) ...(14)

por lo que, haciendo: ZL → 2R2 ⇒ RIN → ∞

Figura 3Esquema del conversor voltaje-corriente y a su vez amplificador diferencial.

Figura 4Conexión de la fuente de señal en la rama no inversora.

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RESULTADOSDe la fuente se realizó un montaje experimental8 para alimentar

un sensor de corrientes parásitas diferencial obteniéndosebuenos resultados.

Por otra parte se simuló la fuente de la figura 3 usando elprograma PSPICE, con el juego de valores y que se indican en lasfiguras 5 y 6. En la figura 5 se presenta la estabilidad de lacorriente de carga frente al valor de RL, resultando una resistenciade carga máxima RLMAX = 3,5 K.

En la figura 6 se presentan los resultados de IL contra frecuencia,los mismos se deben a la respuesta de frecuencia del operacional(TL082).

CONCLUSIONESEl circuito que se presenta puede realizar dos funciones

diferentes dependiendo de la selección de los terminales deentrada y de salida así como ajustando adecuadamente el valorde los componentes.

Los resultados experimentales y de simulación validan losplanteamientos teóricos presentados en este trabajo. La fuentepresentada constituye una fuente no reportada previamente lacual permite la excitación con fuente de corriente diferencial decargas flotantes.

REFERENCIAS1. Pat. USA No. 5598117: "Mos Differential Voltage to Current

Converter with Improved Linearity", 1996.2. Pat. USA No. 5151625: "High Frequency BIMOS Linear V-I

Converter, Voltage Multiplier Mixer", 1991.3. EMERALD, P. R.: "Merged Technologies: Present Capabilities

and Value for Applications in High Voltage and Smart-PowerCircuitry". IEEE Transaction on Industry Applications,Vol. 26, No. 6, pp. 1124,1990.

4. RAHIN, Z.: "Using the NE5521 Signal Conditioner in Multi-faceted Applications", Phillips Semiconductors, ApplicationNote AN1182, December, 1998.

5. Analog Devices: "Precision Current Source/Sink". LinearProduct Databook, 1990/91.

6. MILLMAN, J.: "Microelectronics". 197. TRUJILLO, H. & M.E. LORENZO: "Conversores V-I y

amplificador diferencial". Informe interno, CIME, 19998. CARMONA, P.: " Medición de parámetros de las vías ferreas".

Trabajo de Diploma, CIME, Ciudad de La Habana, 1996.

AUTORESHéctor Trujillo AlvaradoIngeniero Electricista, Doctor en Ciencias Técnicas, ProfesorAuxiliarCorreo electrónico: trujillo@electrica.ispjae.edu.cu

María Elena Lorenzo RodríguezIngeniera Electricista, AsistenteCorreo electrónico: mel@electrica.ispjae.edu.cu

Vol. XXI, No. 2, 2000

Figura 5Estabilidad de la corriente vs RL.

Figura 6Estabilidad de la corriente con la frecuencia.