Tema 68 – Amplificación y adaptación de señales en los circuitos de control

1.- INTRODUCCIÓ.

2.- AMPLIFICACIÓ I FILTRATGE.

2.1.- AMPLIFICACIÓ.

2.2.- FILTRATGE.

3.- SUPRESSIÓ D’INTERFERÈNCIES.

4.- NORMALITZACIÓ I CONVERSIÓ DE SENYALS.

5.- TRANSMISIÓ DE SENYALS.

6.- CONVERsIÓ A/D I D/A. en CIRCUITS DE MOSTREIG I RETENCIÓ.

1.- introducció.

Un sistema de control és un conjunt de components que actuen conjuntament i que persegueixen un objectiu determinat (manteniment d’una temperatura, pressió…).

Els sistemes de control tenen unes entrades i unes sortides. Les entrades són els estímuls o les excitacions que s’apliquen externament al sistema amb la finalitat d’obtenir d’aquest una resposta especifica. Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control.

Un sistema es representa simplificadament:

clip_image002

L’estudi d’un sistema consisteix en obtenir la relació entre les sortides i les entrades.

O sigui: Si(t)=fi(e1(t), e2(t),…,em(t))

Malgrat tot, en la pràctica estudiem una sola de les sortides, i de les variables d’entrada ens fixem en aquella que actua de manera més directa, considerant la resta com pertorbacions.

Simplificant: S(t)=f(e(t)).

2.- Elements components d’un sistema de control.

clip_image004

Generador del senyal de referència: dispositiu capaç de generar una senyal d’igual o diferent magnitud que la senyal de sortida del sistema que es vol controlar. Aquesta senyal, relacionada directament amb el valor de sortida, és l’encarregada d’imposar el valor desitjat a la sortida.

La senyal de referència es canalitza cap a un dispositiu comparador, amb la finalitat de ser comparada amb la senyal que tenim a la sortida , a través del llaç de realimentació, i detectar el possible error.

Les senyals més utilitzades com a variables de referència solen ser: tensió o intensitat elèctrica, pressió pneumàtica o posició mecànica.

Transductor de la senyal de sortida: dispositiu capaç de mesurar en cada instant el valor de la magnitud de sortida i proporcionar una senyal proporcional a aquest valor. Normalment consta de dues parts:

El captador (sensor) : Capta directament la magnitud mesurada (pressió, nivell, cabal, velocitat, posició, il·luminació, Tª…) per transformar-la en una altra magnitud de valor proporcional. Normalment desplaçament linear o angular.

El transmissor: transforma la magnitud vista pel captador a una altra magnitud que sol ser elèctrica o pneumàtica. Aquesta senyal és l’enviada al comparador per a que sigui comparada amb la senyal de referència.

El comparador (detector d’error): Compara la senyal de referència amb la senyal realimentada (es resten), el resultat constitueix l’error de funcionament o desviació de la sortida respecte del valor previst. Físicament pot ser un amplificador diferencial, un potenciòmetre…

El controlador (corrector d’error): amplifica i modifica la senyal d’error amb la finalitat de que l’acció de control sobre el sistema sigui més eficaç i presenti millors característiques de funcionament en quant a precisió, estabilitat, temps de resposta i sobreoscil·lacions. Els correctors d’error més utilitzats són: el proporcional derivatiu P.D., proporcional integral P.I., proporcional integral-derivatiu P.I.D.

A vegades el controlador agrupa en un sol mòdul: el generador del punt de consigna, el comparador, i l’algoritme de control (P, PD, PID…).

L’amplificador de control (amplificador de potència): amplifica la senyal del corrector fins a uns nivells que siguin capaços d’activar els elements de control. (Amplificadors magnètics, amplificadors transistoritzats, relés, tiristors i triacs, etc… )

L’element final de control (actuadors): Té l’objectiu de modificar el comportament de la planta o procés, actua directament per a que la variable de sortida tingui el valor desitjat. Les variables que activen aquests elements acostumen a ser del tipus d’intensitat elèctrica, cabal de líquid o vapor… Com a elements de control destaquen els servomotors elèctrics, hidropneumàtics, resistències…

La planta o procés és el lloc on es desitja realitzar una acció de control: habitació, forn, dipòsit…

Un exemple d’un sistema de control seria una regulació automàtica d’una magnitud de sortida sobre una planta o procés, per exemple la temperatura, que roman constant o que varia lentament amb el temps i on la tasca fonamental consisteix en mantenir el valor desitjat a la sortida malgrat les pertorbacions presents. Per automatitzar aquest sistema ens caldrà disposar d’elements de medició de temperatura (transductors com PTC, o NTC…), que captin aquesta magnitud, la comparació amb una senyal d’entrada (temperatura desitjada) aprecia si hi ha o no un error a través dels elements comparadors (potenciòmetre, amplificador operacional…) i proporcionen una informació a un controlador, en aquest cas de tipus elèctric. El controlador analitzarà la informació que li és proporcionada, i actuarà en conseqüència activant o desactivant un element de control, que en aquest cas pot ser un reòstat o una estufa.

L’adaptació i amplificació de senyal es pot fer abans o després del comparador, dependrà de les característiques del nostre sistema, tot i que és més usual fer-ho abans, a fi de condicionar les senyals dels transductors, que acostumen a ser dèbils.

Aquest sistema de control s’anomena de llaç tancat ja que la sortida té un efecte directe sobre la acció de control.

Altres exemples d’aplicació de controls automàtics: A més de la importància en vehicles espacials, guiatge de projectils, pilotatge d’avions, també són molt importants en operacions industrials: control de pressió, temperatura, humitat, viscositat, flux, velocitat…i en processos productius: maquinat, maniobra i muntatge de peces…

Qualsevol sistema de control requereix: Que sigui estable i que la velocitat de resposta sigui raonablement alta , presentant un amortiment raonable. A més ha de poder reduir a zero o a un valor baix els errors.

Els sistemes automàtics permeten un funcionament òptim de sistemes dinàmics , milloren la qualitat i abarateixen els costos de producció, augmenten el ritme de producció, alliberen de la complexitat de moltes rutines, de tasques manuals repetitives, etc…

L’aplicació microelectrònica i l’ordinador han aconseguit un augment i una optimització de la productivitat en tots els processos.

Els ACONDICIONADORS DE SENYAL són els elements del sistema de mesura que ofereixen , a partir de la senyal de sortida d’un transductor, una senyal apta per a ser processada, presentada o registrada.

Les tasques que s’han de realitzar els sistemes de condicionament de senyal són:

o AMPLIFICACIÓ I FILTRATGE

o SUPRESSIÓ D’INTERFERÈNCIES

o NORMALITZACIÓ I CONVERSIÓ DE SENYALS

o TRANSMISIÓ DE SENYALS

2.- AMPLIFICACIÓ I FILTRATGE.

Les senyals que proporcionen els transductors són en general bastant dèbils i cal una amplificació d’aquesta per al seu posterior tractament.

Aquesta etapa pretén:

1. Elevar el nivell de senyal dels transductor

2. Adaptació d’impedància per a evitar que afectin el transductor.

3. Supressió de sorolls i interferències.

2.1.- AMPLIFICACIÓ.

La majoria de les tensions que s’han d’amplificar provenen de transductors amb senyals diferencials. Aquestes senyals diferencials provenen moltes vegades de ponts de Wheatstone connectats directament o amb muntatges a 3 o 4 fils.

clip_image006

Els muntatges amb tres i quatre fils s’utilititzen quan el transductor està allunyat de l’equip de mesura i la senyal pot veure’s afectada per les caigudes de tensió en els fils. El muntatge en 3 fils s’utilitza sobretot en muntatges amb pont.

Un exemple d’esquema en tres fils pot ser el següent. La intensitat per Rf2 és pràcticament zero, per tant aquesta resistència no afectarà la mesura

clip_image008

La configuració de major precisió és la mesura en quatre fils. Es pren la mesura amb un amplificador operacional d’alta impedància d’entrada, d’aquesta manera l’efecte de la resistència dels fils és nul·la.

clip_image010

Aquestes senyals diferencials tenen superposades tensions en mode comú més o menys elevades; com poden ser les interferències degudes a la freqüència de la xarxa o a la tensió de polarització del sensor. Per això s’ha de recórrer a dispositius amb un rebuig de mode comú molt elevat. (Per exemple els Amplificadors Operacionals)

Els amplificadors operacionals són amplificadors amb entrades diferencials i que tenen com a funció amplificar amb precisió les senyals de molt baix nivell, aplicades a l’entrada, eliminant les possibles interferències i sorolls.

L’amplificador operacional és un circuit electrònic molt versàtil. El nom d’OPERACIONAL prové d’haver-se utilitzat des d’un principi per a la realització d’operacions matemàtiques (recordar els circuits sumadors, circuits restadors, circuits derivadors, circuits integradors…), molt utilitzades en calculadores i ordenadors. L’aplicació actual del Amplificadors Operacionals està molt estesa i actualment s’utilitzen en instrumentació i aplicacions de control, incloent condicionaments de senyal, filtrat, i transformació d’impedàncies. Un dels més coneguts és l’amplificador operacional micro A741.

Poden ser utilitzats en llaç obert o en realimentació. Tenen un guany de tensió en llaç obert molt elevat, aproximadament 106. En realimentació el guany esta supeditat al valor de les resistències que hi col·loquem.

clip_image012

El Amplificadors Operacionals presenten les següents característiques:

1. Guany de tensió en llaç obert molt elevat, aproximadament 106.

2. Rebuig del mode comú elevat, tant en continua com en altres freqüències de treball. Es refereix a que com que a la sortida tenim la diferència entre les dues entrades, si una pertorbació afecta d’igual manera a aquestes entrades , la sortida a l’amplificador és la mateixa.

3. Impedància d’entrada molt elevada. (Mega ohms). Això implica una corrent d’entrada pràcticament zero.

4. Impedància de sortida baixa. (Pocs ohms)

5. Regulació de tensió de offset. Tensió a la sortida sense que hi hagi cap entrada. L’operacional disposa d’un ajust d’offset.

L’amplificador operacional no s’acostuma a utilitzar sol, sinó formant part de diferents circuits.

Un exemple seria:

2.1.1 L’amplificador diferencial d’un únic Amplificador Operacional:

clip_image014

Vs= -R2.E1/R1+(1+R2/R1).R4.E2/(R3+R4)

On si R1=R3 i R2=R4 ; Vs= (E2-E1). R2/R1

I si R1=R2=R3=R4 ; Vs=E2-E1

Problemes :Aquest circuit s’ha d’excloure en muntatges de gran precisió. Té un factor de refús en mode comú, CMRR, relativament baix.

A més, per variar el guany s’han de modificar dues resistències, mantenint a la vegada la relació amb les altres.

Aquesta poca flexibilitat ha portat a buscar millora alternatives: els amplificadors d’instrumentació.

2.1.2 L’amplificador d’instrumentació

S’anomena amplificador d’instrumentació a tot circuit que tingui simultàniament:

· Alta impedància d’entrada.

· Alt factor de refús en mode comú.

· Guany variable amb una sola resistència.

· Impedància de sortida baixa.

El més utilitzat és l’amplificador diferencial amb tres Amplificadors Operacionals:

clip_image016

on Vs = (E2-E1).(1+2R2/R1)

2.2.- FILTRATGE.

Quan s’amplifica, es genera un soroll en els elements que formen l’amplificador. Cal tenir en compte que els transductors són normalment molt sensibles a la captació de sorolls, per la qual cosa s’ha de realitzar un filtratge abans o després de l’amplificació, per mantenir el senyal del transductor el més pur possible.

A més els transductors, al ser de molt baixa energia, són fàcilment influenciables per les interferències. El soroll que es genera sabem que augmenta amb l’ample de banda de l’amplificador pel que es fa necessari reduir l’amplada de banda del mateix al mínim. Deixant passar únicament certa gama de freqüències i oposant-se al pas d’altres.

Els filtre són analògics quan processen senyals contínues i digitals si processen senyals mostrejades.

Els filtres poden ser:

PAS ALT. Deixa passar les altes freqüències.

PAS BANDA. Deixa passar les freqüències mitges.

PAS BAIX. Deixa passar les baixes freqüències.

BANDA ELIMINADA. Elimina un interval de freqüències.

Gràfiques dels filtres ideals.

clip_image018

Aquesta és la resposta ideal dels diferents tipus de filtre analògic, però en la realitat no és possible tenir canvis abruptes degut a la càrrega i descàrrega dels condensadors que no és un procés instantani. Essent la constant de temps T=RC.

Un exemple de filtre pas baix i pas alt seria:

clip_image020

De la combinació d’un filtre pas baix i un pas alt obtindríem un filtre pas banda .

Quan ens calgui dissenyar un filtre haurem de saber primer. quines són les freqüències que ens distorsionen la senyal (es pot fer a través d’un analitzador de freqüència o freqüencímetre). Un cop conegudes dissenyarem el filtre adequat per a suprimir-les.

3.- SUPRESSIÓ D’INTERFERÈNCIES.

El soroll elèctric pot ser degut a fonts de procedència molt diversa , les principals són:

· Soroll elèctric provocat per sistemes elèctrics fabricats per l’home, per exemple motors, interruptors, la mateixa alimentació per xarxa.

· Pertorbacions produïdes per agents naturals, per exemple llampecs i descàrregues electrostàtiques.

Les interferències d’origen electrostàtic s’eviten apantallant el fils del conductor i posant la pantalla a un potencial de referència fix per tal d’evitar la circulació de corrent.

L’apantallament ideal consisteix en apantallar tot el sistema ( des del transductor fins l’aparell de mesura ) amb un únic punt de connexió a massa.

clip_image022

A la pràctica apareix un problema: el transductor i l’equip tenen un punt de presa de terra respectiu, entre els quals pot existir una diferència de potencial entre les diferents masses (tensió en mode comú: Emc) que provoca un corrent i en conseqüència un error.

clip_image024

La solució és pantallar els cables i aplicar Emc per evitar la circulació de corrent entre el cable i la pantalla. La corrent paràsita circula a través del pantallat.

clip_image026

Les interferències d’origen electromagnètic es minimitzen trenant els cables conductors.

4.- NORMALITZACIÓ I CONVERSIÓ DE SENYALS.

Molts transductors utilitzats proporcionen com a senyal de sortida una senyal diferent a la tensió (que és el tipus de senyal amb que normalment treballen els controladors ) i/o un rang diferent.

Per això s’utilitzen els diferents convertidors, entre els que destaquen:

· Convertidor freqüència tensió.

· Convertidor intensitat tensió. (fonts controlades)

· Convertidor càrrega tensió. (Amplificadors de càrrega)

· Convertidor resistència tensió.(amplificadors en pont), etc…

5.- TRANSMISIÓ DE SENYALS.

La transmissió de senyals és la comunicació entre els diferents elements del sistema d’instrumentació i la unitat de control.

La transmissió acostuma a ser

· analògica

· digital.

Les informacions analògiques: solen ser les proporcionades directament pels sensors i equips d’amplificació associats i no acostumen a ser enviats a ordinadors sinó a equips analògics que s’encarregaran de l’amplificació, filtrat i normalització.

Les dues formes més comunes d’enviar la informació analògica són:

Transmissió directa: S’envien les senyals analògiques en forma de tensió. Molt susceptible de rebre interferències de soroll que poden ocasionar pèrdues d’informació. Per la qual cosa s’hauran de prendre precaucions (apantallaments…). És un mètode senzill, econòmic i directe, però presenta els problemes d’error esmentats.

Transmissió per bucle de corrent: Per a llargues i mitges distàncies, en ambients on es possible la generació d’interferències. S’envia generalment en forma de senyals 4-20 mA de corrent continu proporcional a la sortida del sensor, i mesurant la caiguda de tensió en una resistència coneguda, normalment 250 ohms que ens proporcionarà senyals de 1 a 5 V. (no és zero per a detectar possibles errors en la línia). Per a evitar acoblaments inductius els fils es trenen i la resistència capacitiva és baixa. És més immune al soroll i interferències però ens caldrà disposar d’un convertidor tensió – corrent en l’equip emissor i un equip corrent – tensió en el receptor.

Les informacions digitals: S’utilitzen aquest tipus de senyals per poder utilitzar l’ordinador que permet un tractament i recopilació de dades molt ampli.

Les dues formes més comunes d’enviar la informació digital són:

Via sèrie , la més utilitzada econòmica i segura, encara que també més lenta.

Via paral·lel , es reserva per a distàncies curtes i aplicacions on la rapidesa sigui un paràmetre fonamental.

És important assenyalar que les transmissions consten de protocols de transmissió, formats, velocitats i formes de transmissió normalitzades i que en algunes ocasions es transmeten senyals modulades amb el que ens permet d’enviar informacions per un mateix canal, amb les avantatges que això suposa.

6.- CONVERCIÓ A/D I D/A. CIRCUITS DE MOSTREIG I RETENCIÓ.

En un sistema on tenim un ordinador o un microprocessador es fa necessari l’intercanvi d’informació entre aquests elements i el sistema i a l’inrevés, per això són necessaris els dispositius A/D, D/A.

Els sistemes convertidors analògic/digital A/D són dispositius que reben una senyal d’entrada Vent i la transformen en una paraula digital, Pd, amb una precisió i resolució donades, mitjançant la comparació amb una tensió de referència Vref.

Els convertidors digital/analògic D/A són dispositius que reben una informació en forma de paraula de n bits i la transformen en una senyal analògica. El procés consisteix en fer una ponderació de cada bit i sumar el resultat de totes les ponderacions multiplicades pel seu valor digital 0 o 1.

Entre els convertidors D/A més utilitzats hi ha els de xarxa de resistències R-2R.

Publicado: agosto 9, 2016 por Santiago

Etiquetas: tema 68 tecnología