Fabricantes e ingenieros: Conozca su amplificador de instrumentación para una captura precisa de datos de IoT

La detección es el punto de inicio del internet de las cosas (IoT) y un hogar inteligente; y es donde los aficionados, los fabricantes e incluso los diseñadores profesionales se encuentran con su primer problema. Muchos transductores de bajo costo, como los acelerómetros, los sensores de fuerza, los medidores de tensión y los transductores de presión, están diseñados sobre la base de los puentes resistivos de Wheatstone, por lo que sus salidas son voltajes diferenciales en la región de los milivoltios (mV).

Sin embargo, antes de continuar, estas señales de bajo nivel deben ser capturadas y amplificadas con precisión para llevarlas a niveles compatibles con convertidores analógicos a digitales (ADC) de microprocesadores sin introducir desplazamientos de CC y ruido. De manera similar, la detección de corriente que usa derivaciones de corriente de lado alto requiere amplificadores que no tengan entradas con referencia a tierra y puedan tolerar grandes voltajes de modo común.

Para garantizar que los datos que se capturan son precisos, los fabricantes y los expertos en bricolaje deben familiarizarse con el amplificador de instrumentación (INA). Este es un amplificador diferencial equilibrado con una ganancia fácilmente controlable, baja derivación de desplazamiento y propiedades de cancelación de ruido. Es un complemento natural de los transductores de bajo costo en las aplicaciones de control del hogar. Además, al tener dos entradas de alta impedancia no referenciadas a tierra, también es ideal para todo tipo de mediciones diferenciales flotantes.

Este artículo describirá la cadena de señal del sensor al procesador y la necesidad de rechazo al modo común, precisión y estabilidad en la etapa del amplificador. Presentará los sensores y los INA adecuados e indicará su uso.

Transductores piezorresistivos

Una de las familias de transductores más populares es la que utiliza elementos piezorresistivos. Estos se utilizan para medir la tensión, la fuerza, la aceleración y la presión, entre otros.

Pequeños elementos piezorresistivos se unen a los elementos mecánicos del transductor. Estos elementos pueden estar en forma de barras, placas, resortes o diafragmas. El parámetro deseado que se detecta hace que la estructura mecánica se deforme. Los elementos piezorresistivos sufren una tensión proporcional al parámetro detectado, lo que cambia la resistencia eléctrica de los elementos.

La resistencia del elemento piezorresistivo forma típicamente parte de una configuración de circuito del puente de Wheatstone (Figura 1). Si el voltaje de entrada al puente es fija y las cuatro resistencias tienen el mismo valor, se dice que el puente está equilibrado y que el voltaje de salida, V_OUT, es cero.

Figura 1: En un puente de Wheatstone, el transductor es típicamente uno de los cuatro elementos resistivos. A medida que su resistencia cambia debido a la presión u otras fuerzas, el voltaje de salida cambia proporcionalmente. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la Figura 1, R4 representa el transductor. Los cambios en la presión u otro parámetro que se está midiendo hacen que la estructura mecánica y las resistencias sufran tensión, lo que cambia la resistencia eléctrica de los elementos piezorresistivos. Esto hace que la resistencia del transductor cambie de su valor nominal en proporción a la presión aplicada. A su vez, la salida del puente, V_OUT, es un voltaje proporcional al cambio en la resistencia y, por lo tanto, a la presión del elemento sensor.

Es importante tener en cuenta que V_{OUT se} encuentra a un potencial de la mitad de V_IN nominalmente. Este es el voltaje de señal en modo común. Para un transductor con un rango de voltaje de escala completa de 50 mV, un incremento de voltaje del 1 % significa 0.5 mV. Si se encuentra en un nivel de modo común de 2 voltios, la relación de rechazo en modo común (CMRR) debe ser de 72 dB para resolver el cambio de voltaje.

El modelo MPX2050DP de NXP Semiconductors es un transductor de presión de doble puerto de 50 kPascal (7.5 psi) que proporciona un nivel de señal de salida de rango completo de 40 mV (Figura 2). La configuración de doble puerto permite la medición de presión diferencial o manométrica (referida a la atmosférica).

Figura 2: El modelo MPX2050DP de NXP Semiconductors es un transductor de presión de doble puerto piezorresistivo de 7.5 psi con una señal de salida de rango de escala total de 40 mV. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

Los transductores comerciales incorporan redes de compensación de temperatura para asegurar que el transductor responda únicamente al parámetro deseado y no a los cambios en el entorno de los transductores.

El modelo FX1901-0001-0050-L de TE Connectivity es un sensor de fuerza compresiva piezorresistiva con un rango de 22.68 kgf (50 lbf). Este sensor mide la fuerza en lugar de la presión, pero utiliza una topología de medición del puente de Wheatstone similar a la del transductor de presión. Tiene una sensibilidad de 20 mV/V, por lo que para una fuente de alimentación de 5 voltios, la sensibilidad de carga a gran escala será de 100 mV.

La característica común entre estos transductores es que sus niveles de salida diferencial están en el rango del milivoltio, lo que requiere una amplificación para que se utilicen con los ADC. Esta es la función del amplificador de instrumentación (INA).

Amplificador de instrumentación

Un INA es un amplificador diferencial basado en la tecnología del amplificador operacional (op amp). Tiene entradas diferenciales y una salida de un solo extremo. Debido a que es un amplificador diferencial, tiene la capacidad de atenuar las señales de modo común. El grado en que lo logra es la especificación conocida como su CMRR, mencionada anteriormente. Esto lo hace ideal para amplificar pequeñas señales en presencia de grandes señales o desplazamientos en modo común. Además, los INA se caracterizan por una ganancia estable y precisa que se puede ajustar fácilmente, una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.

Hay dos topologías de circuitos comunes que se utilizan para los INA. El más frecuente es el diseño de tres amplificadores operacionales que se muestra en la Figura 3. En esta configuración de circuito, los amplificadores U1 y U2 son búferes de entrada sin inversión. Alimentan a U3, que es un amplificador diferencial. La ganancia del INA se establece principalmente con la resistencia R_G. La entrada de referencia, que generalmente está conectada a tierra cuando no está en uso, controla el nivel de voltaje de desplazamiento de salida. La entrada de detección se puede usar para variar la ganancia del amplificador diferencial de salida. Cuando no está en uso, está vinculado a la salida de la etapa de diferencia.

Figura 3: La configuración de tres amplificadores operacionales de un INA generalmente tiene una CMRR de CA más alta que una versión de dos amplificadores operacionales. La ganancia está determinada por R_G. (Fuente de la imagen: DigiKey)

También es posible reducir el número de amplificadores operacionales requeridos utilizando la topología de dos amplificadores operacionales (Figura 4).

Figura 4: La configuración de dos amplificadores operacionales de un INA ahorra costos y consumo de energía. (Fuente de la imagen de DigiKey)

Esta topología de circuito utiliza solo dos amplificadores operacionales y proporciona un ahorro en costos y consumo de energía. La configuración no simétrica del circuito de dos amplificadores operacionales puede causar varios problemas que limitan la utilidad del circuito. En particular, puede reducir la CMRR de CA en comparación con el diseño de tres amplificadores operacionales.

INA integrados

El modelo INA333AIDRGT de Texas Instruments es un ejemplo de un INA basado en la configuración de tres amplificadores operacionales. Ofrece circuitos de derivación cero para especificaciones de CC sobresalientes. La ganancia se puede establecer de 1 a 10,000 utilizando una única resistencia externa. Su CMRR es de 100 dB para ganancias superiores a 100. Está diseñado para aplicaciones industriales de 3.3 voltios a 5 voltios. El ancho de banda depende de la ganancia, con un ancho de banda máximo de 150 kHz con ganancia unitaria.

En contraste, el modelo INA332AIDGKR de Texas Instruments es un INA de banda ancha basado en un modelo modificado de dos amplificadores operacionales con una etapa de ganancia adicional. La ganancia se puede ajustar de 5 a 1000, según el valor de una sola resistencia externa. La CMRR es típicamente de 73 dB. Cuenta con un ancho de banda significativamente mayor de 2 MHz.

La integración del INA en un IC monolítico permite un ajuste preciso de los componentes activos y pasivos, lo que garantiza un mejor control de la ganancia y la CMRR (Figura 5).

Figura 5: Comparación de los esquemas simplificados de los amplificadores de instrumentación INA333 e INA332 de Texas Instruments que muestra la implementación comercial de las topologías INA dos y tres de amplificadores operacionales. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un diseño de referencia de Texas Instruments para el INA333 en la Figura 6 muestra lo sencillo que es usar el amplificador de instrumentación para soportar un transductor de puente de Wheatstone. Este diseño explora el uso de un medidor de tensión de 120 Ω como el elemento transductor activo. Este circuito se puede aplicar a cualquier tipo de sensor de puente de Wheatstone o transductor, y se simula en el simulador SPICE de TINA TI.

Figura 6: Una simulación en TINA TI de un amplificador para medición de tensión con un INA333 de Texas Instruments muestra una medición de tensión (R_sg) con una resistencia nominal de 120 Ω y un rango de lectura de 4.47 voltios para una oscilación de 10 Ω en R_sg. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El medidor de tensión, R_sg en la figura, tiene una resistencia nominal de 120 Ω con una posible variación entre 115 Ω y 125 Ω. El objetivo es usar esto con un ADC que tenga un rango de entrada de 0 a 5 voltios.

Para este fin, la ganancia del amplificador se establece en 1,001 con un voltaje de referencia de 2.5 voltios. La característica de transferencia de CC traza la tensión de salida del INA en función del cambio en la resistencia del medidor de tensión. Las lecturas del cursor en la simulación muestran el rango de salida de 4.47 voltios para una oscilación de 10 Ω en la resistencia del medidor de tensión.

Detección de corriente de lado alto

Una de las técnicas más comunes para medir la corriente eléctrica es usar una resistencia de bajo valor como una derivación de corriente. Para mediciones de la fuente de alimentación del orden de unos pocos amperios, una resistencia de aproximadamente 10 miliohmios (mΩ) producirá una caída de voltaje de 10 mV por amperio (Figura 7).

Figura 7: Aplicación de un INA para detección de corriente de lado alto con una resistencia de derivación (R_SENSE) entre la fuente de voltaje del INA y la carga. (Fuente de la imagen de DigiKey)

Si la derivación de resistencia se coloca entre la carga y la tierra, se denomina detección de corriente de lado bajo. Tener la resistencia de detección entre la fuente de alimentación y la carga se denomina detección de corriente de lado alto. La detección del lado alto tiene la ventaja de eliminar la interferencia a tierra. También permite la detección de fallas a tierra de carga.

La detección de corriente de lado alto requiere un estudio cuidadoso de los voltajes de modo común aplicados al amplificador de instrumentación, como se explicará más adelante.

Si R_SENSE es de 10 mΩ, entonces un cambio de corriente de 5 amperios dará como resultado 50 milivoltios a través de la resistencia. El ajuste de la ganancia del INA a 100 dará como resultado un giro de salida de 5 voltios.

Evitar problemas comunes de INA

Como se mencionó anteriormente, es importante pensar en el rango de voltaje de modo común del INA. Considere la medida de tensión en la Figura 6. El INA se opera con una sola fuente de 5 voltios que simplifica la distribución de energía. Si la entrada de referencia está conectada a tierra, como es común con la operación de suministro dual, entonces la oscilación de salida se centra en 0 voltios. Como las entradas del INA están cerca de 2.3 voltios, su salida estará cerca de 0 voltios y no podrá oscilar por debajo de la referencia de 0 voltios. Al aumentar la entrada de detección a 2.5 voltios, el voltaje de salida se acerca a los 2.5 voltios, lo que le permite la oscilación por encima y por debajo.

También es importante asegurarse de que los amplificadores de búfer internos no se saturen cuando se operen con ganancia alta. Considere lo que sucede si la entrada al INA es de 5 mV y la ganancia es de 1000. En esta situación hay una diferencia de 5 voltios entre las salidas de los búferes de entrada. Si el INA se opera desde un suministro de 5 voltios, entonces uno de los búferes estará saturado. Afortunadamente, los proveedores de INA, como Texas Instruments, ofrecen programas de aplicación ('V_CM frente a V_OUT para amplificadores de instrumentación') para verificar el rango de modo común de sus amplificadores de instrumentación.

La precaución final cubre el suministro de un retorno a tierra para las entradas de INA. Si las entradas están acopladas en CA o conectadas a un dispositivo flotante como un termopar, entonces se debe conectar una resistencia de alto valor desde la entrada a tierra para drenar la corriente de polarización de entrada del amplificador.

Conclusión

Como pronto descubrirán tanto los aficionados como los ingenieros profesionales, conectar los sensores al IoT primero requiere una buena comprensión de cómo adquirir y amplificar una señal de bajo nivel desde un puente de Wheatstone antes de convertirlo en el dominio digital mediante el uso de ADC.

Los INA son ideales para amplificar señales diferenciales. Ofrecen una alta ganancia, un alto rechazo al modo común y una alta impedancia de entrada. Dado que vienen en varias configuraciones, es importante comprender cómo funcionan, sus especificaciones clave y qué debe tener en cuenta al usarlas.