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7/18/2019 Informe Fuente de Corriente
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA , ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES
Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
I. OBJETIVO
Diseñar un fuente de corriente la cual suministreuna corriente de salida específica a unadeterminada 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 implementado para 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 deAlimentacion
[ V ]
0-32 16-60 0-60 0-60
Corriente desalida[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 delos 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 la Figura 1.
Figura 1. Configuración básica del circuito de Howland.
Por análisis nodal se tiene la
(1)
FUENTE DE CORRIENTEPresentado por:
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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 arregloconformado por las cuatro resistencias , , de la
siguiente manera: Se observa que la impedancia de salida del circuito , 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 est comportandocomo 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 al aumentar 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 la
siguiente 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 laresistencia presenta una ventaja ya que permite ajustar la
sensibilidad de la fuente con solo disminuir la resistencia mientras que se pueden mantener altas las otras resistencias de
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 la
configuración 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 facilitarlos 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 valor de
la resistencia , al igual que se supusieron se toman valores
iguales para las resistencias . Entonces, al igual que la
fuente sencilla de Howland, el valor de la corriente de salida
quedara solamente en función de la tensión de entrada:
( )
Sabemos que Suponiendo que Podemos remplazar estos valores en la nueva ecuación (7)
.
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III. SIMULACION
Se procede hacer dos simulaciones, una con el amplificador que
se decidió usar ósea el OPA547, y el LM625, ese último se
escoge para cambiar de familia de amplificador (OPA), y por qué
el LM324 como se pudo observar en la Tabla 1, no cumple con
las especificaciones de diseño deseadas,
OPA547
Tomando como fuente el datasheet del amplificador operacional
obtenido de la misma página del fabricante [1], se pudo observar
que este amplificador puede tener un arreglo de resistencias y
capacitores en uno o algunos de sus terminales, con un fin
específico, ya sea para limitar su corriente de salida, o para
reducir el ruido envolvente, en la siguiente figura (Figura 3) seobserva el esquema mencionado, dado por el fabricante.
Figura 3. OPA547 con arreglo de resistencias y capacitores
Para el caso específico, de esta práctica, se procede a utilizar el
arreglo de resistencias y capacitores recomendados por el
fabricante, para limitar la salida corriente y así poder mejorar o
controlar en mayor medida la fuente de corriente como muestra
la siguiente figura.
Figura 4. OPA547 conectado para limitar su corriente de salida
La siguiente información se toma de la hoja del datasheet, y es la
que me indica como calcular el valor de la resistencia que me
limitara a corriente de salida del amplificador, se extrajo lo más
significativo para la conveniencia de la practica
Con el OPA547, el método más sencillo para ajustar la límite de
corriente utiliza una resistencia o potenciómetro conectado entre
el terminal y de acuerdo con la siguiente ecuación
La Figura 5 muestra un esquema simplificado de los circuitos
internos utilizado para fijar el límite de corriente. Dejando e
terminal de
abierto, se logra que la corriente de salida sea
cero, mientras que si se conecta el terminal directamente aterminal se lograra el máximo límite de corriente de salida
normalmente seria de 750 [mA].
Figura 5
Se aclara en la hoja que las resistencias utilizadas para limitar la
corriente de salida deben tener una variación máxima de su valor
del 1%.
Para comprobar, la anterior información, se hizo una pequeñasimulación para corroborar la tabla de la Figura 5, a
continuación se muestra se simulación para una Rcl de , para el terminal abierto,y para el termina conectada a terminal :
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Figura 6. Rcl de
Figura 7. Terminal
conectada a terminal
Figura 8. Terminal conectada a tierra
Se observa que anqué la corriente de salida, no es exactamente la
esperada, si se acerca en gran medida al valor de limitación, esto
corrobora en parte, que se puede limitar la corriente de salida del
amplificador, con un arreglo de resistencias.
Una vez simulada ciertas especificaciones del amplificador
operacional, se hará el montaje de la fuente de corriente con los
valores previamente calculados en el diseño. En la siguiente
figura se muestra el esquemático:
Figura 8. Fuente de Howland conectada como fuente de corriente
En la Figura 8, se puede apreciar que la resistencia de carga tiene un valor no definido, y se establece como un
parámetro, con el fin de ir variando su valor, y as
demostrar, que sin importar que valor de carga se leconecte a la salida, la fuente de corriente suministra . Para ello se hará un barrido paramétrico, a la
variable , para los siguientes valores
Si por ejemplo el valor de la impedancia de carga es de la tensión en la impedancia de carga deberá ser de:
A continuación se muestra la simulación para este valor
Figura 9. Tensión
para una carga de
U1
OPA547/BB+1
-2 ILim
3V-
4
V+5
Vo6
E/S7R1
R
R2
R
Rx
Rx
R3
R
R4
R
ZL
200
Vss
Vcc
Vin
FREQ = 2K
VAMPL = 2
VOFF = 0
PARAMETERS:
R = 10kRx = 20
ZL = 200
V+
25
V-
25
Vcc
Vss
Rcl
205k
V I
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00m
V(R3:2)
-10V
-5V
0V
5V
10V
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Ahora se mostrara una grafica para una carga de
Figura 10. Tensión para una carga de Ahora se mostrata uan grafica general para los valores de carga
mencionados anteriormente:
Figura 11. Tensión para distintos valores de carga en Se mira ahora el análisis en frecuencia, con el fin de mirar, si la
onda de tensión de salida, tiene la frecuencia fundamental
impuesta por la fuente de tensión de entrada, para este caso, son
2 [KHz]
Figura 12. Frecuencia de la onda de Tensión
Se buscara ahora encontrar, hasta que valor de carga, la fuente de
corriente, opera óptimamente. Como primera medida se debe
tener en cuenta, el máximo valor de tensión de alimentación que
soporta el amplificador operacional, pues este es el que me limita
la región de operación o de trabajo del amplificador, para estecaso, según la Tabla 1, el máximo valor de tensión de
polarización es de ±30[V]
En seguida, se procede a dar ciertos valores de carga superiores a
los de las especificaciones de diseño. Se opta por tomar 225 y mirar que sucede con la tensión de
salida, ya que se esperaría que esta, este saturada, ósea se
encuentre achata o cortada en sus picos. En la siguiente figura se
presenta lo anterior:
Figura 13. Tensiones de carga, para valores mayores a los de las
especificaciones de diseño
Se aumenta la región de la gráfica que más interesa
Figura 14. Tensiones de carga para valores de prueba
En la anterior grafica [Figura 14], se observa que la onda de la
señal de tensión correspondiente al valor de carga de y , se encuentra achatada o cortada en su pico, lo que
indica y confirma, que para algún valor de la impedancia de
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00ms
V(R3:2)
-20V
-10V
0V
10V
20V
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00ms
V(R3:2)
-20V
-10V
0V
10V
20V
Frequency
1.00KHz 2.00KHz 3.00KHz 4.00KHz 5.00KHz 6.00KHz 7.00KHz 8.00KHz 9.00KHz 10.00KHz 11.00KHz 12.00KHz0.07KHz
V(Rx:1)
0V
4V
8V
12V
16V
20V
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00ms
V(R3:2)
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
30V
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carga, la tensión de salida se satura, debido a la tensión de
polarización, que se explicó previamente.
Se hace un nuevo barrido, para valores entre
,
como la onda de la señal de tensión para el valor de carga de presenta un comportamiento casi normal, se tomara
valor más cercanos a este, como , , y
así mirar hasta que valor, o hasta que rango la fuente opera
óptimamente:
Figura 15. Tensiones de carga para valores de prueba
Se podría decir, que la fuente operaria para un rango de valores
de carga desde los hasta apropiadamente , LM675
Se presentara con mayor brevedad el funcionamiento de la
fuente de corriente utilizando el LM675. Como primera medida,
se mira el datasheet, en busca de una configuración recomendada
para el uso de amplificador como fuente de corriente. A
continuación se mostrara la configuración recomendada por le
fabricante:
Figura 16. Fuente de corriente recomendada por el fabricante
Para el anterior diseño, dado por el datasheet, solo se le debe
ajustar la tensión de entrada, no alterando los valores, de las
resistencias o capacitores, cumpliendo la siguiente ecuación
Siendo esta ecuación la que me modela el nivel de corriente de
saldia, se es fácil calcular la tensión de entrada necesaria:
* +
La siguiente figura es el esquemático de la fuente de corriente
con la tensión de entrada calculada y los valores de resistencias
recomendados
Figura 17. Fuente de corriente con un LM675
Al igual que para el OPA547. Se hará un barrido en la para los
valores de carga y así, comprobar el óptimo funcionamiento y
también para poder mirar el máximo valor de carga permitido, oal menos encontrar un rango de operación. Los valores de carga
serán los mismos que para el del modelo del OPA547:
Pudiendo comparar mejor los resultados entre ambos
amplificadores operacionales
Time
310us 320us 330us 340us 350us 360us 370us 380us 390us 400us 410us 420us 430us 440us 450us
V(R3:2)
16.0V
20.0V
24.0V
13.0V
27.5V
R1
1k
R2
100
Rx4
R3
R
R4
1k
ZL
100
Vss
Vcc
Vin
FREQ = 2K
VAMPL = 40m
VOFF = 0
V+
25
V-
25
Vcc
Vss
U1
LM675
+1
-2
V+
5
V-3
OUT4
R5
10k
R6
10k
R71
C10.22u
PARAMETERS:
R = 20
V
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Figura 18. Tensión para distintos valores de carga en Se observa que para el valor de 200, la onda de tensión esta
saturada, como en el caso del OPA547, se debe al nivel de
alimentación, para poder corregir se aumenta su valor al máximo,que es de 30[v] y mirar si es suficiente
Figura 19. Tensión para distintos valores de carga en Se puede observar que sigue siendo en menor medida saturada,
pero igualmente no cumple las especificaciones de diseño. Para
poder ajustarla, se debería variar la tensión de entrada, para que
la corriente generada sea mayor, ósea necesitare suministrar
mayor corriente para poder alimentar la carga, con una onda no
saturada.
Partiendo de este hecho, no se hacen más simulaciones o pruebas
con este amplificador, debido a que se tendría que variar un poco
las especificaciones que se piden. No obstante no significa que
este amplificador, no me sea útil para con e hacer una fuente de
corriente, para este caso específico es más óptimo el OPA547,
por sus especificaciones internas
Más sim embargo en la siguiente tabla se presenta, los resultados
de ambas simulaciones comparando sus funcionamiento, para el
valor de carga de , se tomaran los valores arroajdos por el
simulador de la onda saturada
EspecificacionesOPA547 LM675
1 1.0195
Frecuencia [KHz] 2 2
Corriente de salida [mA] 100.020 101.953 4.98 5.5054
Frecuencia [KHz] 2 2
Corriente de salida [mA] 99.820 110.107
Carga ]
9.772 12.029
Frecuencia [KHz] 2 2
Corriente de salida [mA] 97.721 120.292 14.699 19.892
Frecuencia [KHz] 2 2
Corriente de salida [mA] 94.995 132.115 19.388 26.392Frecuencia [KHz] 2 2
Corriente de salida [mA] 96.942 131.959
Tabla 2. Comparación de resultados simulados entre ambosamplificadores operacionales
Conclusiones
El OPA547, resulto ser en el óptimo para el diseño
de esta fuente de corriente, pues por su
especificaciones internas se ajustan más a e
modelo de diseño pedido.
La sensibilidad de la fuente de corriente esta dada
en gran medida, a la diferencia que existe entre lo
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00ms
V(R6:2)
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
30V
Time
0s 0.05ms 0.10ms 0.15ms 0.20ms 0.25ms 0.30ms 0.35ms 0.40ms 0.45ms 0.50ms 0.55ms 0.60ms 0.65ms 0.70ms 0.75ms 0.80ms 0.85ms 0.90ms 0.95ms 1.00ms
V(R6:2)
-30V
-20V
-10V
0V
10V
20V
30V
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valores de las resistencias y las
resistencias debido a que la sensibilidad de la
fuente esta determinada por esta última resistencia,
con base al modelo utilizado. Siendo así, al tomar la muy pequeña en relación con las demás
resistencias del circuito, se puede garantizar una
sensibilidad más pequeña, y mejorar notablemente
la precisión. Ya que inicialmente los cálculos de
diseño con resistencias , durante el desarrollo de las simulaciones,
se pudo llegar a esta conclusión.
Un aspecto importante para el funcionamiento es la
tensión de polarización, como se sabe, entre mayor
sea la tensión de polarización mayor podrá ser el
rango de excursión a la salida, el amplificador
operacional que se seleccionó hace optimo esto,
gracias a su capacidad de soportar un tensión de
polarización alta.
Se pudo calcular por simulación el valor máximo de
la resistencia de carga que soporta la fuente de
corriente, antes de se sature la onda de salida, se
aclara que esto va determinado por la tensión de
entrada, y las tensiones de polarización, para el caso
de este amplificador operacional, tiene un máximo
de 32 [V], como se menciona inicialmente.
Para poder trabajar con un carga mucho mayor no
podría utilizar el mismo amplificador operacional,
debido a su tensión de polarización, ya que con este
diseño, no soporta mayor tensión de polarización,
entonces, tendríamos que buscar uno con mayor
trabajo de tensión de polarización, u otras
especificaciones
Observaciones
En el desarrollo del diseño, se confirmó que es mejor el uso del
OPA547 que el LM675, ya que para este ultimo, la tensión de
entrada es muy pequeña, y nos complica el montaje debido a que
le valor pedido para este diseño es mucho menor, que el que
ofrece el generador de señales