Instrumentacion Industrial

CIRCUITO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial, cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a sus propias especificaciones aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece característicasfuncionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona.
Estos circuitos amplifican la diferencia entre dos señales de entrada y rechazan cualquier señal que sea común a ambas señales. Estos circuitos se utilizan principalmente para amplificar señales diferenciales muy pequeñas en muchos procesos industriales, medición, adquisición de datos y aplicacionesmédicas.
Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, estos circuitos deben cumplir unos requisitos generales:
• Ganancia: seleccionable, estable y lineal.
• Entrada diferencial: con CMMR alto.
• Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset.
• Impedancia de entrada alta.
• Impedancia de salida baja.
FUNCIONAMIENTO y CÁLCULOS

La configuración más utilizada comoamplificador de instrumentación, está constituida por tres amplificadores operacionales y se suele dividir en dos etapas principales: Etapa pre-amplificación y Etapa diferencial.
Para el análisis del Circuito de Instrumentación, se va a utilizar el siguiente circuito:

Etapa Pre-Amplificación
• Aumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuración no-inversora, iguala laimpedancia del circuito a la del A.O.
• Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FET, para conseguir bajas corrientes de polarización.
A continuación, se va a proceder al análisis de esta parte del circuito.
Suponiendo que los amplificadores operacionales son ideales, se obtienen las siguientes expresiones:

Teniendo eso en cuenta, se obtienen las ecuaciones de las siguientescorrientes:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchhoff para las corrientes:

De manera que:

Se resuelve esa ecuación para conseguir VA y VB en función de V1 y V2:

Dicho de otra manera:

Restando ambas expresiones, se obtiene:

Observar que el paréntesis representa la ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora, yque, variando RG, se puede variar la ganancia.
Etapa Diferencial
Esta parte del circuito es un circuito diferencial.
A continuación, se va a proceder al análisis de esta parte del circuito.
Aplicando las leyes de Kirchhoff, se obtienen las expresiones de las siguientes corrientes:

Suponiendo que el amplificador operacional es ideal, se obtiene la siguiente expresión:

Sustituyendo V3-por V3+ en las ecuaciones anteriores:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchhoff para las corrientes:

De manera que dichas ecuaciones se pueden escribir de la siguiente forma:

Se despeja Vout de la primera expresión y V3+ de la segunda:

Sustituyendo V3+ en la expresión de Vout:

Por último, se sustituye la expresión(VB-VA) conseguida en la etapa pre-amplificadora en la ecuación anterior:

Observar que con RG se puede ajustar la ganancia. Aun así, hay que tener en cuenta que el ajuste no es lineal, ya que RG está en el denominador.
CIRCUITO INTEGRADOR
El Circuito Integrador es un circuito con un amplificador operacional que realiza la operación matemática de integración. El circuito actúa como un elemento dealmacenamiento, que produce una salida de tensión que es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada. En otras palabras, la magnitud de la señal de salida se determina por la longitud de tiempo que una tensión está presente en su entrada mientras la corriente fluye por el lazo de realimentación, cargando o descargando el condensador, hasta que la realimentación negativa...