192081964 Informe Fuente de Corriente

I. OBJETIVO

Diseñar un fuente de corriente la cual suministre una corriente de salida específica a una determinada carga

II. DISEÑO

a) Especificaciones deseadas
Se requiere entregar a un carga de 200 [Ω], una corriente de 100 [mA], a una frecuencia de 2 [KHz]

b) Criterios de diseño
Para la realización de este diseño se usó la topología del circuito de Howland, el cual puede ser implementadopara el desarrollo de una fuente de corriente, debido a su configuración sencilla de resistencias, y así mismo el uso de un amplificador operacional, el cual deberá soportar una corriente de salida alta.

Selección del amplificador operacional
Especiaciones
LM324
LM675
OPA547
OPA549
Ancho de banda [MHz]
1.2
0.7
1
0.9
Slew Rate
[V/μs]
0.5
8
6
9
Voltaje de Alimentacion
[ V ]
0-32
16-60
0-60
0-60Corriente de salida
[mA]
20
3000
750
800
CMRR
[dB]

90
95
95
Tabla 1

Como primer criterio de selección se tomó la corriente de salida que pueda soportar el amplificador, por consiguiente se descarta el LM324. Como segunda medida se podría tomar cualquiera de los demás 3 amplificadores, ya que el ancho de banda de trabajo que se especifica, está dentro de los rangos de los amplificadores,igualmente el Slew Rate, y el CMRR.

Como la corriente que se especifica de salida es de 100 [mA], se opta por utilizar el OPA547, pues se ajusta en mayor medida a los valores objetivo, ya que no se necesita suministrar tanta corriente como la que pueda ofrecer el LM675 o el OPA549.


Calculo de los valores de resistencias

La configuración elemental de circuito de Howland es la que se observa en laFigura 1.


Figura 1. Configuración básica del circuito de Howland.


Por análisis nodal se tiene la

(1)
Y la ganancia no inversora del amplificador
(2)
Remplazando la ecuación (2) en (1), obtenemos

(3)
Siendo


Cuando en este circuito se presenta un equilibrio en el arreglo conformado por las cuatro resistencias , , de la siguiente manera:

Se observa que la impedancia de salida delcircuito , que se ve desde la carga, se hace infinita, y en efecto la corriente de salida en la carga se hace independiente de esta, reescribiendo la ecuación (3) se tiene:

Lo que muestra que la salida del circuito se está́ comportando como una fuente de corriente, cuyo valor nominal depende de la tensión de entrada.
Tomando como base el desarrollo de la Fuente de Howland, se investigó que alaumentar la tensión de carga, el amplificador proporciona un nivel de corriente que supera considerablemente la corriente que alimenta la carga, para reducir este fenómeno se buscó la fuente Howland optimizada para solucionar este problema, llegando a la siguiente configuración:


Figura 2. Configuración mejorada de Fuente de Howland

Para obtener los valores de la resistencia se toma en cuenta lasiguiente equivalencia, que se obtuvo mediante un análisis nodal, y así mismo es equivalente al método usado para los cálculos de la fuente sencilla:

(4)

Así miso para verlo más fácil, podemos reescribir el arreglo de las resistencias de la siguiente manera:




De al anterior expresión podemos afirmar que al agregar la resistencia presenta una ventaja ya que permite ajustar la sensibilidadde la fuente con solo disminuir la resistencia , mientras que se pueden mantener altas las otras resistencias del circuito, y con ello se reduce la corriente que debe ser suministrada por el amplificador. Así, mantenemos constante la corriente de salida sin importar que valor de carga seste conectada, se comporte como una carga variable.

Ahora sabemos que la fuente Howland tiene básicamente laconfiguración de un amplificador inversor cuya ganancia es conocida, podemos asumir resistencias de igual valor para que la fuente no genere ganancia de tensión, En la ecuación (6), se supieron los dos valores de las resistencias con el fin de facilitar los cálculos del diseño:

(6)

De los valores que se tomaron en la expresión (6), se remplazaron en la ecuación (4), con el fin de obtener el...