Amplificador de Instrumentación.

En este post hablaremos de forma detallada acerca de un dispositivo muy versátil en el mundo de la electrónica, la instrumentación industrial y es básicamente del AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN. 
Es común que las configuraciones de amplificadores operacionales tratados en esta página tengan muchísimas aplicaciones.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que existen unas ciertas desventajas dentro de las cuales se destacan: La resistencia de entrada y la ganancia.
Los problemas mencionados anteriormente se contrarrestan al emplear circuitos seguidores de voltaje en conjunto con un amplificador diferencial básico o restador.
Si se emplean seguidores de voltaje en ambos terminales de entrada de un amplificador diferencial, estos operarán como separadores de entradas.
A este tipo de configuraciones se les conoce como amplificador de instrumentación y básicamente la componen tres pastillas amplificadoras operacionales.
En la siguiente figura se puede observar dos seguidores de voltaje del amplificador de instrumentación.
Si se aplican cero voltios a la entrada de ambos seguidores de tensión, la salida de ambos seguidores será de cero voltios y la caída de voltaje en la resistencia será de cero voltios.
Cuando se aplican dos voltajes iguales a los seguidores de tensión, la salida producida por la resistencia siempre será de cero voltios.
Si por ejemplo aplicamos 2 voltios a los seguidores lo que ocurrirá es que no habrá diferencia de potencial entre un seguidor y otro. 
Si lo mencionado anteriormente ocurre, no existirá un flujo de corriente en R1.
Seguidores de tensión
Figura 1. Seguidores de tensión

 

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EN UN AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.
No necesariamente la salida será de cero voltios si usted aplica dos voltajes a los seguidores de tensión.
Si usted en uno de ellos aplica 4 voltios y en el otro 1 voltio, la salida será de 3 voltios.
Para una adecuada selección de resistencias para el circuito, estas deberán ser altas.
La ventaja de esta configuración es la alta precisión al momento de obtener voltajes diferenciales.
Usted puede emplear un potenciómetro que busque compensar la ganancia de voltaje de los circuitos seguidores de tensión.
Idealmente se requiere que requiere que sea un solo potenciómetro.
Como los seguidores de voltaje tienen ganancia de 1, este circuito tendrá una ganancia de 1.
Si se le añaden componentes, será posible que este circuito tenga una ganancia variable.
Las funciones de las resistencias seguidoras es de retroalimentación para los dispositivos mencionados.
seguidor de voltaje modificado
Figura 2. seguidor de voltaje modificado
Se puede partir para realizar un sencillo análisis de que el potenciómetro tiene ajustada una ganancia de 5 y que se le aplica un voltaje diferencial de 1 voltio.
Supongamos dos tensiones: en un extremo 2 voltios y en el otro 1 voltio.
Ganancias de voltaje
Figura 3. Voltaje diferencial y ganancias.

ECUACIÓN PARA CALCULAR VOLTAJE DE SALIDA.

análisis ecuación amplificador de instrumentación
Donde,
Vout: Voltaje de salida.
Vin:  Voltaje de entrada.
AV:   Ganancia de voltaje.

Procediendo con los análisis matemáticos en lo que respecta a los voltajes de entrada de cada amplificador, se hace uso de esta sencilla ecuación para determinar la salida de cada uno de los seguidores.

 

análisis ecuación amplificador de instrumentación

 

Finalmente se han obtenido dos voltajes de los cuales si los restamos a través de la resistencia de 1 k conectada en paralelo, el voltaje que caerá será de aproximadamente 5 voltios.

La mejora de este circuito se realiza con un amplificador conectado como restador de tensión.

 

Amplificador de instrumentación
Figura 4. Amplificador de instrumentación

 

El análisis mostrado para el circuito de la figura 4 es el siguiente:
La salida V1 y V2 son las entradas para el circuito restador que hace parte del amplificador de instrumentación.
Se tiene para el restador, una resistencia de entrada y otra de realimentación así como un reóstato o potenciómetro que forma un divisor de tensión con la entrada no inversora de la etapa mencionada.
Lo que se busca con la configuración del amplificador restador es la precisión en los voltajes de salida.
Para la mayoría de aplicaciones, supone una desventaja que el restador solo disponga de una salida diferencial y que solo se pueda usar dicha terminal.
Para el circuito anterior, se tienen unos voltajes de entrada de 2 y 3 voltios, se asume una ganancia de 5 con lo cual aplicando la ecuación del voltaje de salida se obtiene lo siguiente.

análisis ecuación amplificador de instrumentación

 

ANÁLISIS MATEMÁTICO DE UN AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

Para el análisis de este circuito, se empleará el ANÁLISIS DE NODOS de CIRCUITOS ELÉCTRICOS.     

Este post no tiene como objetivo explicar sistemas de ecuaciones o matemáticas operativas, por lo cual se obviarán procedimientos matemáticos tales como: factorización, suma de fracciones y otras cosas que ya se deben conocer.

Lo primero que se debe hacer es definir los voltajes de nodo y las corrientes tal y como se muestra en la figura 5.

NOTA: R1 Y R2 pueden denominarse como RF y RV1 puede llamarse simplemente R

Análisis de un amplificador de instrumentación
Figura 5. Análisis de un amplificador de instrumentación

Análisis 1

análisis ecuación amplificador de instrumentación

Análisis 2.
análisis ecuación amplificador de instrumentación
Nota:
R1= R3,R4 
R2= R5,R6

Análisis 3

Análisis 4
Teniendo en cuenta esta nota.
Nota:
R1= R3,R4 
R2= R5,R6
Se reemplazan estos valores en la ecuación obtenida en 3 y 4. Nos queda de la siguiente forma:
El término (R1+R2)*Vc es igual para ambas ecuaciones y por lo tanto es posible cancelarlo.
Despejando Vo de dicha ecuación una vez aplicado el método de igualación, nos queda de la siguiente forma:
Finalmente y despejando Vb y Va, la ecuación nos queda de la siguiente forma:
APLICACIÓN DE AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN CON TERMOCUPLA.
Teniendo en cuenta la teoría mencionada anteriormente, el voltaje generado entre las terminales del termopar puede ser ajustado de tal forma que a la salida de este circuito se obtenga un valor el cual pueda ser apreciado y tenido en cuenta por la ganancia ajustada en la resistencia R2 la cual es de 10k.
Pueden probar este circuito y analizar el funcionamiento de la salida de voltaje respecto a la temperatura que ofrece el termopar.

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