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Unidad Acreditable Sección: 1

Trayecto III Trimestre I Prosecución Electrónica

FUENTE DE CORRIENTE CONTROLADA POR VOLTAJE (4-20)mA Coronado Reggie C.I.: 16.314.465 León, Hernán C.I.: 15.575.754 Limpio, Samuel C.I.: 13.835.908 Dpto. de Electricidad. UPTOS “Dr. Clodosbaldo Russian” Resumen: en el presente informe se describe el funcionamiento de un circuito que mantiene una corriente de salida directamente proporcional al voltaje de entrada, independientemente del valor de la carga. Palabras claves: amplificador, corriente, voltaje, BJT.

operacional,

Se plantea el diagrama de bloques del diseño electrónico:

Amplificador No inversor

fuente,

1. INTRODUCCIÓN Los amplificadores operacionales son dispositivos de muy amplia utilización en el diseño de circuitos electrónicos de variada aplicación desde hace mucho tiempo. Este elemento, desde su creación, ha enriquecido la evolución de la electrónica analógica al incorporar sus características de versatilidad, uniformidad de polarización, propiedades notables y su disposición en circuitos integrados, lo que lo convierten en un elemento electrónico capaz de intervenir en la conformación de circuitos analógicos de gran complejidad.

Además se plantea el circuito base:

En el presente informe se presentan en detalle los resultados del estudio de un circuito de aplicación del amplificador operacional, como lo es una fuente de corriente que no depende de la carga conectada en su salida. Se muestran los análisis matemáticos y electrónicos que condujo al diseño y exitosa simulación de este sistema, así como las distintas señales de los puntos críticos del circuito, necesarias para comprender su funcionamiento. Este tipo de circuitos es usado en ciertas aplicaciones como la del recubrimiento electrolítico de piezas metálicas, en la cual se desea alimentar el sistema con una corriente constante de valor específico. 2. PLANTEAMIENTO DEL CIRCUITO Diseñar una fuente de corriente cuyo cero se encuentre a 4mA y el máximo a 20mA, la variación de salida se produce linealmente con función de la tensión de entrada que va de 0 a 10V, la carga posible de salida puede ser máximo 3k.

2.1 Funcionamiento del circuito: Inicialmente se puede observar un amplificador no inversor el cual sensa el voltaje de entrada Vi y lo amplifica de acuerdo a la relación de las resistencias. La salida de este amplificador forma un divisor de voltaje junto a la alimentación de 5VDC; el voltaje resultante es aplicado a la entrada no inversora del segundo amplificador (U2A) a la vez que es comparado con el voltaje en la entrada inversora. La salida de U2A excita al transistor Q1 que, a su vez, excita al transistor Q2; esto provoca una caída de voltaje en R7 y es esta misma corriente en R7 la que se encontrará en la salida (Io) La corriente de salida provoca un voltaje en la resistencia de feedback y este voltaje es amplificado y aplicado a la

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entrada inversora de U2A, por lo cual éste estará siendo continuamente controlado para que mantenga el nivel de salida adecuado. 3. CÁLCULOS MATEMÁTICOS DEL CIRCUITO

Sabiendo que Vb=Vb1+Vb2 Se obtiene que

Nota: Para mantener un consumo bajo se eligió que R3+R4=20KΩ

Primeramente se divide el circuito según lo planteado por el diagrama de bloques, esto es: 1) Bloque conformador o adaptador. 2) Bloque de control amplificador (amplificador no inversor retroalimentado). 3) Conversor de voltaje a corriente. Tomando en cuenta la división se procede a calcular los valores adecuados en cada etapa.

Para Vi=0V, Vc=0V, y Vb=2VDC por tanto:

Y

Etapa 1: Bloque conformador. Como su nombre lo indica, este bloque se encarga de conformar o amoldar el voltaje de entrada de manera que, dependiendo de éste último, el bloque provea el voltaje adecuado al bloque amplificador. Es necesario que siempre haya voltaje positivo en la entrada del bloque amplificador pero la salida del primer operacional (Vc) es cero voltios cuando la entrada controladora (Vi) es cero voltios, por tanto se agrega, mediante dos resistencias, un divisor de tensión entre Vc y una fuente de voltaje directo, la cual será fijada en 5VDC arbitrariamente. De manera que el circuito quedaría así:

Para hallar el valor de R1 primero hay que saber el valor de Vc cuando Vi=10VDC. A partir de:

Con

Se obtiene que:

Teniendo el valor máximo de Vc y sabiendo que la ganancia de voltaje del amplificador no inversor es:

El circuito conformador quedaría de la siguiente manera:

Para hallar R4 y R3 hay que determinar el voltaje Vb, para este caso se considerará que Vb será 6VDC con Vi=10VDC y Vb será 1,2VDC con Vi=0VDC. El voltaje Vb se determina superposición: Haciendo V+5=0V se obtiene que

Haciendo Vc=0V se obtiene que

por

el

método

de

Teniendo todos los valores necesarios del bloque conformador se continúa con las siguientes etapas, sin embargo, ya que el amplificador no inversor está retroalimentado por la resistencia de feedback se estudiará primero la tercera etapa.

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Etapa 3: Conversor de voltaje a corriente.

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La corriente de salida IR4 es la misma que circula por la resistencia de feedback R6, con esto se logra tomar una muestra de la salida y retroalimentar la etapa 2, esto es la etapa de control y amplificación de voltaje. Etapa 2: Control y amplificación de voltaje. El circuito para esta etapa es el siguiente:

Los valores de R1 y R3 se fijaron al mismo valor para facilitar los cálculos, no se calculan para polarizar el transistor porque la corriente no dependerá de la polarización y estabilidad del transistor sino de la retroalimentación de la etapa 2, esto significa que Va estará controlado por Vf. Cálculos de la corriente de salida:

Sustituyendo,

Como ya se comentó, el voltaje VR6 es el voltaje de retroalimentación Vf que es recibido por la entrada no inversora del amplificador operacional (U3A) y amplificada para alimentar al amplificador de control (U2A), el cual toma la diferencia de potencial entre sus entradas y la amplifica. Los cálculos de R6, R10 y R11 dependen del valor máximo de Vb y de la corriente máxima que circulará por R6 (IR4 o corriente de salida) ya que el voltaje máximo emitido por U3A (VR, cuando IR4 es 20mA) debe ser igual al valor máximo de Vb. R6 se elige con un valor bajo (100Ω) para minimizar la potencia disipada por la misma. Así que el voltaje máximo en R6 (Vf) es igual a:

Entonces

Teniendo que

R4 se estableció arbitrariamente en 4KΩ:

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La etapa con estos valores quedaría así:

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4. SIMULACIONES DEL CIRCUITO EN PSPICE Para Vi=0V 1.0V

0V SEL>> -1.0V V(Vi:+) 0V

-0.5mV

-1.0mV

Y el circuito completo, con los puntos a ser medidos, quedaría así:

V(U1A:OUT) 6.0mA

4.0mA

2.0mA 0s

5ms

10ms

-I(R8)

4.0V

Time

2.0V SEL>> 0V V(R4:1) 4.0V

2.0V

0V V(U3A:OUT) 1.80V 1.79V 1.78V 1.77V 1.76V 1.75V 0s

5ms

10ms

V(U2A:OUT) 1.80V

Time

1.79V 1.78V 1.77V 1.76V 1.75V 0s

5ms V(Q1:b) Time

Figura 1. (En orden descendente) Señal de Vi, Vc, Io, Vb, Vr, Vz y Va

10ms

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Para Vi=5VDC

Para Vi=10VDC

10V

20V

5V

10V

0V

0V

V(Vi:+)

V(Vi:+) 10.0V

15.0V

7.5V

12.5V

SEL>> 5.0V

SEL>> 10.0V V(U1A:OUT)

V(U1A:OUT) 14mA 21.25mA 20.00mA

12mA

18.75mA

10mA 0s

5ms

0s

10ms

10ms -I(R8)

-I(R8)

7.0V

20V

Time

6.0V

Time

10V

5.0V

0V V(R4:1)

V(R4:1)

7.0V

20V

6.0V

10V

5.0V

SEL>> 0V V(U3A:OUT)

V(U3A:OUT)

2.7V

4.0V

2.6V

3.5V

SEL>> 2.5V 0s

3.0V 5ms

10ms

0s

V(U2A:OUT) 2.7V

4.0V

Time

2.6V

5ms

10ms

V(U2A:OUT) Time

3.5V

2.5V

3.0V 0s

2ms V(Q1:b)

4ms

6ms Time

Figura 2. (En orden descendente) Señal de Vi, Vc, Io, Vb, Vr, Vz y Va

8ms

10ms

0s

2ms V(Q1:b)

4ms

6ms Time

Figura 3. (En orden descendente) Señal de Vi, Vc, Io, Vb, Vr, Vz y Va

8ms

10ms

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5. CONCLUSIONES

6. REFERENCIAS CONSULTADAS

 Al realizar la simulación del circuito, se comprobó su correcto funcionamiento en cada una de las etapas que lo conforman, así como los valores de voltaje y corriente que se esperaban, los cuales se pueden apreciar en las distintas gráficas mostradas.

 Amplificadores Operacionales [Web On-line] Disponible en: http://-www.areatecnologia.com/amplificadoresoperacionales/

 Para Vi = 0 V, se pudo observar que en el punto de prueba Vc existía un voltaje de -0,4 mV, cuando en realidad se esperaba que dicho valor fuera 0 V. La causa de esto no ha sido analizada, sin embargo este valor no afectó el comportamiento general del circuito, ni la relación requerida entre Vi e Io.

 COUGHLIN, R. Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales. Editorial PEARSON. México (1998).

 Se comprobó a través de las gráficas que la corriente de salida es aproximadamente igual a (10Va – 14)mA, como se había determinado teóricamente. La pequeña diferencia puede deberse al consumo de las uniones base-emisor de los transistores.  Las resistencias R3 y R4 forman un divisor de tensión en dos resistencias que suman 20KΩ con una derivación central, por tanto puede ser cambiado por un potenciómetro de 20KΩ.  La caída de tensión máxima en la salida será de 60V cuando la corriente de salida sea de 20mA y la carga sea de 3KΩ, razón por la cual es necesario usar una fuente de alimentación para los transistores superior a dicho voltaje máximo. En este caso se eligió una fuente de 70VDC. Además se hicieron simulaciones con voltajes aun mayores, obteniéndose los mismos resultados en el comportamiento del sistema.  Con el amplificador operacional LM324 no es conveniente trabajar con valores de tensión mayores a 30V, lo que obliga a tener que usar un elemento activo adicional para manejar voltajes mayores, que en este caso es la etapa conformada por los transistores BJT.  Mediante las diversas pruebas y simulaciones realizadas con distintos valores de resistencia de carga, se comprobó que la corriente de salida no depende del valor de dicha resistencia.  Si se desea colocar cargas mayores a 3KΩ, es imprescindible aumentar el voltaje de alimentación de la etapa de transistores debido a que el voltaje de salida aumentará proporcionalmente al valor de la carga. De esta forma el circuito funcionará según los parámetros de diseño.