Puente de Whetastone y amp operacional

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Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ingeniería. 

  Electrónica básica

  Grupo 8 

Práctica 8:  Amplificador operacional

Profesor:

Ing. Omar García González 

Alumnos:

• Vargas Vargas Raúl-114 (Ingeniería Industrial)
• Saldaña Ríos Paola - 114 (Ingeniería Industrial)
• Reyes González José Eduardo-114 (Ingeniería Industrial)

Equipo: Foquitos LED.

Fecha de entrega:  11 de enero del 2021

Práctica 8:  Amplificador operacional

OBJETIVO

1. Desarrollar un circuito, que mediante el uso de amplificadores operacionales de como salida 0[V] y 5 [V] cuando una termorresistencia PT100 este a 0°C y 50 °C respectivamente.
2. Introducción:

Como se ha visto a lo largo del curso, los resistores son elementos sumamente versátiles, según sea su configuración o alambrado proporcionar diversas aplicaciones, una de estas en el puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone fue aplicado por primera vez en 1832, sin embargo, gracias a Charles Wheatsonte en 1843 fue que se popularizó y se le dio el nombre que tiene actualmente.

Primero que nada, tenemos que comprender la configuración del puente, esto se puede ver en la imagen 1. Las resistencias que están conectadas en la terminal positiva a la fuente de polarización son R1 y R3. Las resistencias que están conectadas a tierra son R2 y R4. La resistencia R4 la podemos considerar como Rx, y puede ser un elemento cuya resistencia varié según una entrada (fotorresistencias, termorresistencia, etc.).

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Imagen 1: Arreglo de resistencias que forman un puente de Wheatstone

La importancia del puente de Wheatstone radica en que dada la configuración de las resistencias, el voltaje Vg, entre los nodos nD yn B se puede obtener mediante la relación:

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Formula 1: Calculo del voltaje diferencial en un puente Wheatstone

De esta manera, el puente de Wheatstone permite ajustar el valor de la resistencia R2 ( generalmente un potenciómetro) y así obtener un valor de voltaje Vg que se relacione con la medición de nuestro elemento Rx.

Por ejemplo, si se coloca una termorresistencia en Rx, podemos ajustar el valor de R2 de tal manera que cuando la resistencia se encuentre a una determinada temperatura el valor ge Vg de una salida específica, dicha salida podrá alimentar un led u otro circuito.

Otro elemento versátil dentro del mundo de la electrónica es el amplificador operacional, para el caso de esta práctica nos enfocaremos en su configuración de amplificador de instrumentación, esta configuración permite recibir una señal de entrada y amplificarla en una magnitud determinada:

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Imagen 2: Diagrama amplificador de instrumentación

Al igual que en el puente de Wheatstone, esta configuración de amplificador de instrumentación utiliza resistencias, todas las resistencias R que se muestran en el diagrama serán de igual magnitud, y su valor dependerá de las condiciones a las que se someterá nuestro circuito. Por otro lado, la resistencia Rp es un potenciómetro, dicho elemento nos permite variar el valor de la resistencia, variando así la magnitud de voltaje a la salida o Vo.

La relación que se cumple dentro de esta configuración esta dada por la expresión:

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Fórmula 2: Calculo del voltaje diferencial en un puente Wheatstone

Entraremos más a detalle en esta fórmula durante el desarrollo de la práctica.

Por último, hablaremos un poco acerca de los sensores de instrumentación.

Los sensores se encargan de transformar la variación de una determinada magnitud a medir en una señal eléctrica. Estos se  pueden dividir en:

• Pasivos: los que necesitan un aporte de energía externa para funcionar.

1. Resistivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de su resistencia eléctrica.
2. Capacitivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la capacidad de un condensador. .
3. Inductivos: son los que transforman la variación de la magnitud a medir en una variación de la inductancia de una bobina. 

• Activos: los que son capaces de generar su propia energía. A veces también se les llama sensores generadores. 

Algunos ejemplos de sensores utilizados en la electrónica son: fotorresistencia, termorresistencias, sensores de sonido, sensores de contacto y sensores magnéticos.

Una vez conocemos esta información, podemos proceder con el desarrollo de la práctica.

Desarrollo:

Parte 1: Verificación de la relación temperatura-resistencia

Como primera parte, verificaremos que nuestra termorresistencia PT100 entrega las resistencias que esperamos según la temperatura a la que esta se encuentre. Para esto verificamos en el datasheet y encontramos la siguiente tabla:

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Tabla 1: Valores de resistencia dados por la PT100                                                                                                         a determinadas temperaturas

Ahora seleccionamos un par de valores para comprobar que dicha relación temperatura-resistencia se cumpla, para este caso ocuparemos las temperaturas indicadas en el objetivo de la práctica, es decir, 0°C y 50°C.

Debemos tomar en cuenta que el simulador, en este caso Proteus, asigna un valor de resistencia a los cables o conexiones de la termorresistencia, dicho valor es ajustable, por lo que para fines de esta práctica lo consideraremos como 1[Ω], de esta manera deberíamos obtener 101 y 120.4 [Ω] para 0°C y 50°C respectivamente.

Teniendo conocimiento de esto, podemos proceder a la prueba de nuestra termorresistencia:

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Imagen 3 : Valores de resistencia dados por la PT100 a 0°C (imagen izquierda) y 50°C (imagen derecha)

Ahora que hemos verificado que se cumpla la relación temperatura-resistencia, podemos proceder al armado del puente de Wheatstone

Parte 2: Puente de Wheatstone

Como ya se vio en la introducción, el puente Wheatstone se conforma de 4 resistencias y una fuente de voltaje, esta distribución se puede apreciar en la imagen 1.

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