Puente transductor de amplificador de instrumentación diferencial:
La Figura 14.25 muestra un circuito simplificado de un puente transductor de amplificador de instrumentación diferencial.
En este circuito, un transductor resistivo (cuya resistencia cambia en función de cierta energía física) está conectado a un brazo del puente.
Sea RT la resistencia del transductor y ΔR el cambio en la resistencia del transductor resistivo. Por lo tanto, la resistencia total del transductor es (RT ± ΔR).
La condición para el equilibrio del puente es VB = VA, es decir, el puente se equilibra cuando vb = VA, o cuando
Por lo tanto,
El puente está equilibrado en una condición de referencia deseada, que depende del valor específico de la cantidad física a medir. Bajo esta condición, las resistencias RA, RB y RC están tan seleccionados que son iguales en valor a la resistencia del transductor RT.
(El valor de la cantidad física normalmente depende de las características de los transductores, el tipo de cantidad física a medir y las aplicaciones deseadas).
Inicialmente, el puente está equilibrado en una condición de referencia deseada. A medida que la cantidad física a medir cambia, la resistencia del transductor también cambia, lo que hace que el puente se desequilibre (VB ≠ VA).
Por lo tanto, el voltaje de salida del puente es una función del cambio en la resistencia del transductor. La expresión para el voltaje de salida VO, en términos del cambio en la resistencia del transductor, se calcula de la siguiente manera.
Deje que el cambio en la resistencia del transductor sea Δr. Dado que RB y RC son resistencias fijas, el voltaje VB es constante, sin embargo, el voltaje VA cambia en función del cambio en la resistencia de los transductores.
Por lo tanto, aplicar la regla de divisor de voltaje que tenemos
El voltaje de salida a través del terminal del puente es VAB dado por VAB = VA – VB.
Por lo tanto,
Sin embargo, si
El voltaje de voltaje de salida del puente se aplica al puente transductor del amplificador de instrumentación diferencial a través de los seguidores de voltaje para eliminar el efecto de carga del circuito del puente.
La ganancia del amplificador básico es (RF/R1) y, por lo tanto, el voltaje de salida VO del circuito está dada por
Se puede ver desde la ecuación. (14.16) que VO es una función del cambio en la resistencia ΔR del transductor. Dado que el cambio es causado por el cambio en una cantidad física, un medidor conectado a la salida puede calibrarse en términos de las unidades de la cantidad física.
Aplicaciones del puente transductor de amplificador de instrumentación:
Ahora consideraremos algunas aplicaciones importantes de los amplificadores de instrumentación utilizando transductores de tipos de resistencia. En estos transductores, la resistencia del transductor cambia en función de cierta cantidad física. Los transductores de resistencia de uso común son los termisistores, las células fotoconductoras y los medidores de tensión.
Indicadores de temperatura usando termistor:
El termistor es un tipo pasivo relativo de transductor de resistencia a la temperatura. Son básicamente semiconductores.
En muchos aspectos, un termistor se asemeja a una resistencia convencional. Por lo general, es un dispositivo de dos terminales. Tiene resistencia como propiedad fundamental. Generalmente se instala y funciona a la manera de una resistencia ordinaria.
Pero su gran diferencia es que tiene un coeficiente de temperatura negativo (NTC) o tipo de coeficiente de temperatura positiva (PTC). La mayoría de los termistores exhiben una característica de NTC. Un tipo NTC es aquel en el que su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. El coeficiente de temperatura se expresa en ohmios/° C.
Dado que es una resistencia térmicamente sensible, tiene un coeficiente de resistencia de alta temperatura y, por lo tanto, es muy adecuado para la medición y el control de la temperatura.
Si en el circuito del puente de la Fig. 14.25 el transductor utilizado es un termistor, el circuito puede usarse como un indicador de temperatura. El medidor de salida se calibra en ° C o ° F. El puente está equilibrado inicialmente en una condición de referencia deseada.
A medida que la temperatura varía, la resistencia del termistor también cambia, desequilibrando el puente, lo que a su vez produce una desviación del medidor en la salida.
Al seleccionar la ganancia apropiada para el puente transductor del amplificador de instrumentación diferencial, el medidor se puede calibrar para leer la temperatura deseada.
En este circuito, el movimiento del medidor (deflexión) depende de la cantidad de desequilibrio en el puente, que es causada por un cambio en el valor de la resistencia del termistor ΔR. El cambio ΔR para el termistor se puede determinar de la siguiente manera.
Si el medidor en este circuito se reemplaza por un relé, y si la salida del puente del transductor del amplificador de instrumentación diferencial impulsa el relé que controla la corriente en el circuito de generación de calor, se puede formar un controlador de temperatura.
Un circuito diseñado adecuadamente debe energizar un relé cuando la temperatura del termistor cae por debajo de un valor deseado, lo que hace que la unidad del calentador se encienda.
Medidor de intensidad de luz:
Si en el circuito del puente de la Fig. 14.25, el transductor es una fotocélula, este circuito puede usarse como un medidor de intensidad de luz.
Inicialmente, el puente está equilibrado para la condición oscura, por lo tanto, cuando se expone a la luz, el puente se ve desequilibrado, en cierto grado dependiendo de la intensidad de la luz. Este desequilibrio hace que el medidor se desvíe. Para medir el cambio en la intensidad de la luz, el medidor se calibra en términos de lux o luz.
El medidor de intensidad de luz también se puede diseñar utilizando un OPAMP de inversión o no inversión de entrada única, pero el medidor de intensidad de luz que usa un amplificador de instrumentación es más preciso y estable, porque los voltajes del modo común (ruido) se cancelan efectivamente por el modo diferencial.
Escala de peso analógico:
La Figura 14.25 se puede convertir en una escala de peso analógico simple conectando medidores de deformación en el circuito del puente. Estos medidores de tensión están conectados en los cuatro brazos del puente, como se muestra en la figura 14.26.
Los elementos de calibre de deformación están montados en una base de la plataforma de peso especialmente hecha, en la que se coloca una fuerza o peso externo. Se alarga un par de elementos de calibre de tensión en los brazos opuestos (es decir,
RT1 y RT3 aumentan en resistencia) mientras que el otro par comprime (RT2 y RT4 disminuye en resistencia) y viceversa.
El puente se equilibra cuando no se aplica fuerza o peso externo, es decir, rti = rt2 = rt3 = rt4 = r, y el voltaje de salida de la escala de peso es cero.
Supongamos que se coloca un peso en la plataforma de escala y RT1 y RT3 aumentan en la resistencia. Luego, RT2 y RT4 disminuyen en la resistencia por el mismo valor AR y el puente está desequilibrado, dando así un voltaje de salida desequilibrado. Este voltaje de voltaje desequilibrado viene dado por
dónde
- E – Voltaje de excitación del puente.
- R = rt1 = rt2 = rt3 = rt4 = resistencia al calibre no tensado
- ΔR – Cambio en la resistencia al calibre.
El puente transductor del amplificador de instrumentación diferencial amplifica la vabia de voltaje, dando una deflexión en el movimiento del medidor. Como la ganancia del amplificador es (+ RF/R1), el voltaje de salida VO está dada por
La ganancia del amplificador se selecciona dependiendo de la sensibilidad del medidor de deformación y de los requisitos de deflexión de escala completa del medidor. El medidor se puede calibrar en gramos o kilogramos.
Para una mejor precisión y resolución, se puede construir una escala de peso digital basada en micro. Sin embargo, dicha escala es mucho más compleja y costosa que la escala analógica.