Unidad 3

Acondicionamiento de Señal
Unidad 3
Contenido
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Puentes de resistencias e impedancias
Amplificadores
Circuitos de salida
Muestreadores
Retentores
Multiplexores
Convertidores digital analógico
Convertidores analógico digital
Puente de Wheatstone
Amplificadores
• Mejora la salida del transductor
• Algunas funciones son:
– Modificar la amplitud de una señal
– Aumentar la capacidad de corriente de una
señal
– Convertir una señal de corriente a tensión
– Amplificar señales diferenciales para reducir
ruido de modo común en el sistema
– Acople de impedancia
Características de los
amplificadores
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Alta impedancia de entrada
Baja impedancia de salida
Baja corriente de polarización de entrada
Bajo coeficiente térmico en el punto de
polarización
• Bajo nivel de ruido relativo a la señal a
amplificar
• Alta RRMC
Amplificador Operacional
Parámetro Ideal
Ganancia de lazo abierto
Ancho de banda lazo abierto
Impedancia de entrada
Impedancia de salida
Voltaje de corrimiento entrada
Corriente de polarización
Relación de rechazo de m. c.
Velocidad de cambio
Corriente máxima de salida
Voltaje máximo de salida
AVOL
BWOL
Zent
Zsal
Vos
Ios
RRMC
SR
Isal(max)
Vsal(max)



0
0
0




Real
105
10Hz
108
50
2mV
90nA
105
1V/s
100mA
10v
Configuraciones
Configuraciones
Amplificador de Instrumentación
Tipos de salida
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Relé
Transistor
TRIAC
FET
MOSFET
Analógicas
Seriales
Relé
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Los relés son dispositivos electromecánicos que están formados por
una bobina y juegos de contactos normalmente abierto (NA) y
normalmente cerrados (NC).
Cuando se energiza la bobina que se comporta como un
electroimán, hace que los contactos eléctricos cambien de estado y
cuando se le quita la alimentación a la bobina los contactos
regresan a su posición inicial.
Estos contactos son “secos”, es decir, es una lámina de cobre que
se cierra o se abre al energizarse la bobina según sea el tipo de
contacto, NA o NC respectivamente y permanecen así mientras la
bobina siga energizada.
El hecho de que los contactos sean “secos” posee la ventaja de
tener una corriente igual a cero cuando la salida está abierta y
presentar una impedancia muy baja cuando el contacto está
cerrado; los dispositivos electrónicos tales como transistores,
TRIAC y FET carecen de estas ventajas.
Relé. Características
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Voltaje de salida: hasta 240 V AC/DC.
Corriente de salida: hasta 5 A máximo.
Propósito general, bajo costo.
Vida útil finita.
SPDT (un polo dos contactos. 1 NA, 1 NC) o DPDT (dos polos dos
contactos, 2 NA, 2 NC).
Tiempo de respuesta largo (15 ms para abrir los contactos, 25 ms
para cerrar los contactos).
Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas en serie o
paralelo. Este tipo de conexiones es útil cuando se carece de algún
tipo de equipo para control, y se tiene que implementara la lógica de
control con sensores y elementos finales de control (como
arrancadores, relés temporizados y otros).
Relé.
Transistor
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Los transistores son dispositivos electrónicos que se pueden
comportar como interruptores.
El transistor tienen un terminal de base que cuando está activo
permite la circulación de corriente entre el emisor y el colector, este
último generalmente se conecta al terminal de salida del detector.
Hay dos tipos de salidas a transistores, NPN que permite la
circulación de corriente desde el colector hacia el emisor y PNP que
permite la circulación de corriente desde el emisor hacia el colector.
El uso de un sensor con salida NPN o PNP depende de la carga
que se vaya a conectar a este, por ejemplo si tenemos un PLC con
una tarjeta de entrada digital DC de tipo sumidero (el terminal
común de la tarjeta va a tierra y cada entrada se activa con un nivel
de tensión positivo) los detectores que se van a conectar a esta
tarjeta deben ser del tipo PNP.
Transistor. Características
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Voltaje de salida: 0-30 V DC.
Corriente de salida: 100 mA máximo.
Baja corriente de fuga.
Tiempo de respuesta corto – 1ms o
menos.
• Propósito general en operación DC
Transistor
Transistor
Triac
• Los TRIAC son dispositivos semiconductores de
tres terminales que permiten el paso de
corriente entre dos de sus terminales cuando se
suministra una señal de disparo por el tercer
terminal denominado compuerta (G) y que está
conectado al circuito control del detector, a
través de un opto acoplador que aísla la carga
del circuito de control.
• Se utilizan para señales AC y tienen un
apagado natural cuando la señal alterna cruza
por cero.
Triac. Características
• Voltaje de salida: 120 o 240 V AC.
• Corriente de salida: 0,75 A máximo.
• Tiempo de repuesta largo: hasta 8,3 ms
para activar o para desactivar.
• 1 mA de corriente de fuga máxima.
• Propósito general en operación AC.
• Apropiado para cargas inductivas.
Triac
FET
• Los FETs son transistores de efecto de campo (field
effect transistor) y las principales características de esta
configuración se muestra a continuación:
• Voltaje de salida: 0-120 V AC ó de 10-200 V DC.
• Corriente de salida: 30 mA máximo.
• Tiempo de respuesta corto (1ms o menor).
• Baja corriente de fuga < 10 A.
• Las salidas de múltiples sensores pueden ser cableadas
en serie y/o en paralelo. Este tipo de conexiones es útil
cuando se carece de algún tipo de equipo para control, y
se tiene que implementara la lógica de control con
sensores y elementos finales de control (como
arrancadores, relés temporizados y otros).
FET
MOSFET
• Los MOSFET (metal oxide semiconductor FET)
tienen características similares a los FET pero
con mayor capacidad de manejo de corriente
• Voltaje de salida: 0-120 V AC ó de 10-200 V DC.
• Corriente se salida: 300 mA de salida típico.
• Corriente de fuga moderadamente alta.
• Las salidas de múltiples sensores pueden ser
cableadas en paralelo.
Conexión a dos hilos
• En la conexión a dos hilos la fuente, el sensor y
la carga se conectan en serie.
• Esto trae como desventaja que cuando el
sensor está activo permite que circule corriente
pero la caída de voltaje en el sensor no es
totalmente cero. De la misma forma cuando el
sensor está desactivado hay una corriente de
fuga debido a que el detector para poder
funcionar necesita consumir cierta cantidad de
potencia.
• La ventaja de esta configuración es el ahorro en
cable en el momento de la instalación.
Conexión a dos hilos
Conexión a tres hilos
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En la conexión a tres hilos la fuente y el sensor están en paralelo y
del sensor sale un tercer cable que se conecta en serie con la carga.
La principal desventaja radica en el hecho de necesitar una cantidad
mayor de cables y tubería a la hora de ser instalados..
Analógicas
• Transmisión de voltaje analógico
– Muy usado para distancia menores a 30 mts
– Típicamente de 0 a 5, 1 a 5 y 0 a 10 Vdc
– Para distancia mayores a 10 mts se tornan
susceptibles a la resistencia del cable,
problemas de tierra.
Analógicas
• Transmisión de corriente analógica
– Típicamente 4 a 20 mA
– Se verifica de forma natural fallas en el
sistema
– Puede transmitir a distancias de unos 3 Km
– La carga puede ir desde o hasta 1000 
– Tiene mayor inmunidad al ruido que la
transmisión de voltaje
– La señal no se degrada con la distancia
Analógicas
Seriales
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Los sensores con salidas seriales van conectados a una red para dispositivos
de campo y transmiten información de forma serial (trama de bits) a través de
esta red, enviando datos desde el detector hacia el dispositivo de control o de
supervisión.
Las redes seriales para dispositivos de campo permiten disminuir la utilización
de entradas en los equipos controladores, ya que los dispositivos de campo van
conectado al cable de la red y la información llega al controlador a través de
una tarjeta de comunicación serial.
Esta característica también trae un ahorro en cables para la conexión de los
detectores al controlador.
Los dispositivos seriales tienen la ventaja sobre los dispositivos con salidas
digitales y analógicas que pueden enviar mayor información a los
controladores, lo que permite dotarlos con algunas capacidades adicionales
como lo son: diagnóstico y funciones lógicas (temporizado, conteo y detección
de movimiento). Estas características permiten reducir los tiempos de
mantenimiento de los sistemas en donde están instalados los detectores con
salida serial y permiten que parte de la lógica de control resida en el detector
inteligente.
La información que el detector envía por la red es una trama de bits que es
almacenada en la memoria de datos del controlador y contiene el estado del
detector.
Seriales
Criterios de selección
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Cuando se instala un sistema es muy frecuente utilizar sensores con
salidas AC, la mayoría de los casos con salidas a relé ya que son los más
económicos. El uso de sensores AC evita tener que agregar fuentes de
poder para la alimentación DC del sistema instalado. El rango del voltaje de
control (entiéndase como voltaje de control el que usan los dispositivos de
campo digitales, como por ejemplo los sensores digitales) en nuestro país,
en la mayoría de los casos es de 120 V AC, esto es comprensible ya que
esta es la tensión de alimentación suministrada por las compañías de
servicio eléctrico y la mayoría de los equipos encontrados en el mercado
nacional (como: computadoras, monitores, equipos de video y otros)
trabajan con esta tensión de alimentación. Sin embargo se encuentran
casos de plantas con voltajes de control de 220 V AC, sobre todo sus
sistemas provienen de Europa. También es frecuente encontrar plantas que
utilizan un voltaje de control de 24 V DC.
Cuando se requiere aplicaciones donde la velocidad de detección es rápida
se necesita usar detectores de salida DC. Los detectores de salida AC
típicamente funcionan hasta unos 15 Hz mientras que los sensores DC de
uso común pueden alcanzar decenas de KHz.
Criterios de selección
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La corriente de fuga es un factor importante a considerar, si no se
tiene cuidado esta corriente puede ser suficiente para activar la
carga y no habría ninguna diferencia, desde el punto de vista de la
carga, si el detector está activado o desactivado.
Cuando la cantidad de detectores a instalarse es grande puede
llegar a ser más económico la instalación de dispositivos seriales.
Esto se determina haciendo un análisis económico entre una
instalación que use una red de campo y una que use dispositivos
con salida discreta. Este análisis debe llevar, además del costo de
los equipos, el costo de la instalación.
En ocasiones, cuando se va a seleccionar un sensor para una
aplicación en una planta, se llega a la conclusión de que se puede
utilizar más de un tipo de detector, en este caso la inclinación debe
hacerse por el de uso más frecuente en otras aplicaciones dentro
de la misma planta, esto nos llevará a una estandarización de
equipos que aminoran el costo del inventario de repuestos en
almacén.
Multiplexado
Muestreadores y retentores
• Se usan en la entrada de los conversores
analógicos a digital generalmente por una
de dos razones
– La señal de entrada varia tan rápidamente
que genera error en la conversión
– Compartir el uso del conversor A/D entre
varias señales
Muestreadores y retentores
Muestreadores y retentores
• Cuando el interruptor está cerrado se dice
que esta en modo de seguimiento y
cuando esta abierto está en modo de
rentención. En el modo de retención el
circuito presenta algunos parámetros de
interés:
Muestreadores y retentores
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Tiempo de adquisición
Caída en modo retención
Error en la transición muestra retención
Retardo de apertura
Incertidumbre en el tiempo de apertura
Convertidores digital analógico
• Resistencias ponderadas
• Red R – 2R
Resistencias Ponderadas
Resistencias Ponderadas
Resistencias Ponderadas
Resistencias Ponderadas
• Está compuesta por una sumador con
Amplificadores operacionales
• Las resistencia de la red sumadora van en
múltiplos de 2
• La exactitud depende de la precisión de
las resistencias
R - 2R
V0 = -VR/2n (Sn-1.2n-1 + Sn-2.2n-2 +..+ S1.21 + S0.20)
R - 2R
V0 = -VR/2n (Sn-1.2n-1 + Sn-2.2n-2 +..+ S1.21 + S0.20)
R - 2R
• Fácil implementación
• Económico
Convertidores analógico digital
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Contador
Continuo (servo convertidor)
Rampa simple
Doble rampa
Aproximaciones sucesivas
Paralelo
Sigma-delta
Contador
Contador
• Los tiempos de conversión dependen del valor
de la señal analógica a digitalizar, el número de
bits del convertidor y la frecuencia del reloj
• En cada lectura, el contador se inicializa.
• El tiempo máximo de conversión viene dado
por:
tmax = (2n-1)T
• Donde tmax es tiempo máximo de conversión,
n es el número de bits y T el período del clock.
Continuo (servo convertidor)
Continuo (servo convertidor)
Continuo (servo convertidor)
• Es similar al anterior, con la diferencia de
que el contador es en dos direcciones (up
down) y la cuenta no va a cero.
• El contador comienza a contar desde el
valor del último conteo.
• Los tiempos de conversión son variables y
dependen de la diferencia entre el valor de
la última conversión y el valor actual.
Aproximaciones sucesivas
Aproximaciones sucesivas
Aproximaciones sucesivas
• Se parece convertidor por contador, con la
diferencia que el contador se reemplaza
por un registro de aproximaciones
sucesivas
• Es relativamente rápido por el orden de
seg a decenas de seg.
• La velocidad de conversión depende el
número de bits
Rampa simple
Rampa simple
Rampa simple
• No utilizan convertidores D/A.
• Se emplean en casos en los que no se
requiere una gran velocidad,
• Son muy usados en los voltímetros
digitales.
• Su exactitud depende la rampa (valores
de RC)
Doble rampa
Doble rampa
Doble rampa
Vi = -Vref.t2/t1
• El tiempo de conversión es t1+t2 y no
depende de los valores de RC
Delta - Sigma
Delta - Sigma
Delta - Sigma
• Muy usados para aplicaciones de alta
resolución y baja o media velocidades de
conversión (10Hz a 100KHz, 16 a 21 bits).
Paralelo
• Es el más rápido de los convertidores,
tiene tiempos de conversión el orden de
nanosegundos (t de propagación).
• La comparación la realiza de forma
simultánea y no secuencial.
• Requiere de un gran número de
comparadores cuando aumenta el número
de bits en la salida digital, por esta razón
son muy costosos.
Paralelo