INSTITUTO TECNOLGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

MAESTRA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN AUTOMATIZACIN

INSTRUMENTACIN

Tema: Convertidor V-I e I-V y Lazos de Transmisin de Corriente

Nombre: Ismael Minchala vila A00808366

Perodo Lectivo: Enero Mayo 2010

Monterrey Mxico

Instrumentacin Electrnica / Prctica N# 5

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PRCTICA N# 5

CONVERTIDORES V-I e I-V Y LAZOS DE TRANSMISIN DE CORRIENTE

1. OBJETIVOS

Comprender el funcionamiento de los convertidores de voltaje a corriente y de corriente a voltaje.

Comprender las ventajas de transmisin de seales en un lazo de corriente, en lugar de hacerlo por una seal de voltaje.

Realizar un anlisis detallado de los resultados e incluir una seccin de conclusiones.

2. MARCO TERICO 2.1. CONVERSIN DE CORRIENTE A VOLTAJE En muchos sistemas existe la necesidad de escalar la salida de fuentes de corriente, como la de un diodo sensible a la luz. Un diodo sensible a la luz provee una corriente inversa de fuga proporcional a la intensidad de luz que incide en la unin pn [2]. Resistencias de alto valor son necesarias para establecer el factor de escalamiento en mediciones de corrientes pequeas. Desafortunadamente, las resistencias de altos valores hmicos tienden a ser poco estables por lo que este concepto toma un sentido estrictamente terico. Una solucin ms adecuada, sin embargo consiste en combinar las resistencias de formas diversas para alcanzar ganancias mucho mayores sin sacrificar la precisin del conversor I-V por el error de tolerancia de las resistencias. En la figura 1 se ilustra una configuracin de red T para un mejorar la ganancia de un convertidor inversor simple.

Figura 1. Red de resistencia tipo T para incrementar la sensibilidad sin utilizar resistencias con valores hmicos grandes.

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2.1.1. CONVERTIDOR DE CORRIENTE DIFERENCIAL A VOLTAJE Una medicin de corriente diferencial requiere el uso de dos Op-ams para compensar cadas de voltaje [2]. El circuito mostrado en la figura 2 combina la propiedad de suma de uno de los Op-amps y la inversin de corriente del otro. El amplificador A2, con valores de resistencias idnticos conectados entre su salida y sus ingresos, forza el flujo de corrientes idnticas hacia sus terminales para mantenerlas al mismo potencial. La corriente invertida I2 se obtiene del amplificador A1 que como se observa tiene la configuracin de un conversor I-V inversor sencillo.

Figura 2. Conversin de corriente diferencial a voltaje.

2.2. CONVERSIN DE VOLTAJE A CORRIENTE Algunas cargas requieren el manejo de corriente en lugar de voltaje. En estos casos, un Op-amp se puede configurar fcilmente para convertir seales de voltaje a corriente. El campo de aplicacin de las fuentes de corriente es variado, y puede aplicarse a la sencilla medicin de valores hmicos de resistencias, hasta el manejo de cargas magnticas para la produccin de campos magnticos controlados [2]. Estos circuitos se basan en que la corriente de salida tiene que ser funcin de la tensin de entrada pero independiente de la resistencia de carga. Existen varias formas en las cul un Op-amp puede ser configurado para producir una conversin voltaje a corriente, y depende bsicamente de los requerimientos operativos de la carga. Por ejemplo, si la carga tiene que estar aterrizada o no. 2.2.1. CONVERTIDORES DE VOLTAJE A CORRIENTE CON CARGA FLOTADA Los circuitos convertidores de voltaje a corriente ms sencillos son aquellos en los cules la carga puede funcionar sin referencia de tierra, flotada. En la figura 3 se ilustran dos circuitos bsicos para ste propsito.

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En todos los circuitos conversores V-I, es necesario asegurarse que el Op-amp ser capaz de entregar la corriente deseada mxima, as como el voltaje requerido para generar la mxima corriente de carga no debe exceder los niveles de saturacin del Op-amp.

Figura 3. Conversin de voltaje a corriente con carga flotada.

2.2.2. CONVERTIDORES DE VOLTAJE A CORRIENTE CON CARGA ATERRIZADA Circuitos sencillos pueden utilizarse para manejar corriente en cargas aterrizadas, ya sea controlando una seal de referencia , a travs de configuraciones de fuentes de poder. La figura 4 ilustra dos opciones para aplicaciones que demanden conversin V-I con cargas aterrizadas.

Figura 4. Conversin de voltaje a corriente con carga aterrizada.

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3. DESARROLLO 3.1. CAPTURA ESQUEMTICA Y ANLISIS DEL CIRCUITO

Figura 5. Captura Esquemtica del circuito conversor V-I e I-V y lazo de transmisin de corriente.

Identificando los bloques funcionales del circuito:

1. Op-amp 1. La configuracin de este amplificador es la de un conversor de voltaje a corriente con carga flotada, R2, la ecuacin que rige la salida de corriente de ste etapa est dada por el siguiente anlisis:

( ) ( )( ) ( )

VIVVIv

Vvv

Rin

R

in

4.04.0

2

2

=

+=

==+

1

4.02 R

VVI inR+

=

2. Op-amp 2. Resulta sencillo notar de la figura 5 que ste amplificador se

encuentra configurado como un seguidor de tensin para el voltaje de offset de -0.4V, que asegura una circulacin de corriente incluso ante la ausencia de voltaje en el terminal Vin.

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3. Op-amp 3. La configuracin de este amplificador es la de un convertidor de corriente a voltaje de alta sensitividad, cuyo voltaje a su salida est dado por:

65434

62 4.02 RRRRConVIR

RRV Ro ===

=

4. Op-amp 4. Resulta sencillo notar de la figura 5 que ste amplificador se

encuentra configurado como un seguidor de tensin para la correccin del voltaje de offset, cuyo valor es de -0.4V.

4.2. GENERANDO RESULTADOS Una vez configurado el circuito, y confirmado la ausencia de errores, se procede a crear un view point para entonces ingresar al modo de simulacin en la plataforma ELDO. Seguidamente se deben cargar los modelos de simulacin y configurar una simulacin transitoria con un tiempo de 3 ms, considerando que la frecuencia de la fuente de alimentacin es de 1 kHz.

Figura 6. Respuesta transitoria para una Vi = 0.4 [V] de amplitud, con Voffset = 0.4 [V]

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Considerando los valores hmicos de las resistencias y el valor de amplitud de la fuente de voltaje Vin ms el offset, la amplitud mxima de la seal de corriente en la carga R2, ser:

KVVIR 10

4.08.02

+=

AIR 1202 =

La medicin con marcadores de la seal de corriente IR2 de la figura 6 es de 119.57A, por lo que podemos dar validez a nuestro resultado terico tambin. El voltaje de salida Vo, por otro lado, aplicando la ecuacin (2) sera:

( ) VAKKKVo 4.0120200

20010

=

VVo 8.0=

El clculo del voltaje esperado coincide plenamente con el resultado prctico puesto que el voltaje Vin, tiene una amplitud de 0.4V con un offset de 0.4V. Adicionalmente en la figura 5 se puede observar segn el marcador de voltaje que el voltaje Vo tiene una amplitud mxima de 796.68mV. Es posible observar adems que la seal de salida Vo es idntica a la seal de ingreso Vin, por lo que confirmamos el buen funcionamiento del lazo de transmisin de corriente con la conversin I-V. 4.2.1. GRFICAS DE TRANSFERENCIA V-I E I-V

Figura 7. Grfica de transferencia Vin IR2

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La figura 7 ilustra la grfica de conversin de Vin - IR2 realizada por el Op-amp 1, cuya ecuacin de transferencia es: ( )

( )

KR

AVI

VmVmV

AAAI

VVGII

inR

inR

oinoR

1040101

00800

4012040

1

42

2

2

=

+=

=

=

1

4.02 R

VVI inR+

=

Resulta sencillo notar que la ecuacin (3) es idntica a la ecuacin (1), misma que obtuvimos luego del anlisis de operacin del Op-amp, lo cual valida nuestro resultado.

Figura 8. Grfica de transferencia IR2 Vin

En la figura 8, por otro lado se ilustra la grfica de conversin de IR2 Vo, operacin que realiza el Op-amp 3, y cuya ecuacin de transferencia es: ( )

( )( )

KR

AII

AIAA

VmVv

IIGVv

RR

Ro

oRoo

1040101

4040120

0800

2

422

2

2

=

=

=

=

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VIRv Ro 4.022 = Resulta sencillo notar, asimismo que la ecuacin (4) es idntica a la ecuacin (2), misma que obtuvimos luego del anlisis de operacin del Op-amp, lo cual valida nuestro resultado. 4. CONCLUSIONES

El campo de aplicacin de las fuentes de corriente es variado, y puede aplicarse a la sencilla medicin de valores hmicos de resistencias, hasta el manejo de cargas magnticas para la produccin de campos magnticos controlados.

Se recomienda utilizar convertidores de alta sensitividad en lugar de utilizar grandes valores hmicos de resistencias, puesto que stas son poco estables y causan ruido, adems de cambios de ganancia en los circuitos.

Transmitir seales en lazos de corriente permite que las seales viajen por conductores ms largos, hasta 1609 metros sin repetidor.

La transmisin de la informacin de un sensor en forma de voltaje tiene algunas desventajas: A menos que los dispositivos que actan como cargas tengan impedancias de entrada muy grandes, la transmisin por voltaje produce bajones de voltaje en el receptor debido al alambrado y resistencias conectadas. Sin embargo, los dispositivos de alta impedancia pueden ser muy sensibles a ruido provocado por interferencia sobre los cables de interconexin. Se puede usar alambres blindados, pero estos incrementan demasiado el costo, por lo que nuevamente es posible resaltar la importancia de la transmisin utilizando un lazo de corriente.

El diseo de circuitos analgicos utilizando simuladores como el Mentor Graphics, facilita el trabajo de ingeniera y a su vez permite realizar anlisis exhaustivos que en la prctica seran complejos y con instrumentos costosos.

La simulacin transitoria nos permite observar el comportamiento de nuestros sistemas en el tiempo, y a travs del uso de marcadores obtener datos de inters como tiempos de propagacin, fGBW, Mrgenes de fase, etc.

5. BIBLIOGRAFA LIBROS Y ARTCULOS

[1] DIECK Graciano, Instrumentacin, Acondicionamiento Electrnico y Adquisicin de Datos, Trillas, Mxico 2000.

[2] CLAYTON GEOGE, Operational Amplifiers, Fifth Edition, Newnes, Great Britain

2003. [3] DRAKE MOYANO, El Amplificador de Instrumentacin, Universidad de Cantabria,

Santander 2005. INTERNET

[3] http://www.unicrom.com/cir_convertidor_tension_corriente_carga_aterrizada.asp [4] http://ecee.colorado.edu/~ecen4827/lectures/2stageOA1.pdf

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