Fuente Howland 5n6u45

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Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

FUENTE DE CORRIENTE INFORME PROYECTO FINAL Carlos Augusto Osorio, Oscar Iván Trasladino, José Julián Ávila, Milena Vargas Gil

I. INTRODUCCIÓN

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No son pocos los campos en los cuales las fuentes de corriente desempeñan un importante papel: En medicina se usan para estimular neuronas, fibras nerviosas y realizar tomografías de impedancia eléctrica, son usadas para alimentar las bobinas presentes en los trenes de levitación magnética y para energizar gran cantidad de circuitos electrónicos que componen todo tipo de dispositivos.



Entre las topologías de diseño de fuentes de corriente se encuentran los espejos de corriente, la fuente de corriente Widlar, los amplificadores voltaje-corriente (transconductancia), la fuente de corriente Howland y muchas más. Sin embargo el modelo de la fuente Howland se destaca porque usa únicamente un amplificador, aunque éste debe escogerse con sumo cuidado de acuerdo a las características detalladas por el proveedor, además entrega una corriente independiente de la impedancia de la carga, y una resistencia de salida elevada, entre otras prestaciones.

Hacer el montaje en físico y garantizar su correcto funcionamiento. Comprender el funcionamiento de la fuente y las características que la componen.

III. DISEÑO DE LA FUENTE DE CORRIENTE El diseño de la fuente de corriente Howland se basa en un tipo de configuración de un amplificador de transconductancia (voltaje - corriente). Esta configuración convierte la señal de tensión de entrada en una señal de corriente de salida. La fuente de corriente amplificador operacional inversora y no inversora.

Howland utiliza un con realimentación

En seguida se exponen el análisis, diseño e implementación de una fuente de corriente Howland mejorada. II. OBJETIVOS 



Seleccionar adecuadamente el amplificador necesario para la implementación de la fuente. Realizar correctamente el diseño y la selección de los elementos de acuerdo a las características deseadas.

Figura 1. Configuración de la fuente de corriente Howland mejorada La corriente de salida en función de la tensión de entrada es:

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Si

Si

Si

entonces:

entonces

Si

entonces (2)

El análisis de la resistencia de salida ratifica la definición de fuente de corriente, en donde la resistencia la resistencia de salida de una fuente ideal es infinita. 

De la ecuación (2) se puede ver que la corriente de salida de la fuente mejora es independiente de la impedancia de carga. Ahora se calculará la impedancia de salida, cortocircuitando la señal de entrada, ubicando una fuente de prueba de tensión en la salida hallando la relación entre la fuente de prueba y la corriente que pasa por ella.

entonces

Fuente de Corriente teniendo en cuenta la ganancia de lazo y el ancho de banda del amplificador operacional

Como los amplificadores operacionales no son ideales se realizara un análisis de la ganancia de lazo abierto y el ancho de banda del OPAM. La tensión de salida consideraciones, es:

para

estas

nuevas

En donde es la ganancia del amplificador, la tensión diferencial en el amplificador. Si

es

y

La corriente de salida en función de la entrada cumple con la siguiente ecuación, tomando Z4=Z1 y Figura 2. Circuito con fuente de prueba para hallar la impedancia de salida

Si en la ecuación anterior entonces , entonces y la ecuación queda

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como sigue

|

|

Donde Vo representa la tensión de salida del amplificador operacional, la cual se encuentra expresada por

Al suponer que todas las impedancias son exclusivamente resistivas, y suponiendo que Z3a=R3a, Z3b=R3b y ZL=RL se llega a la ecuación para la ganancia de circuito

Y el ancho de banda se puede conocer a través de la siguiente ecuación: (

)

Y ya que Z3a=R3a=R3b se llega a que

Por lo tanto la frecuencia ωFP es

ωFP es la máxima frecuencia de Vo que no presenta distorsión por velocidad de respuesta en el amplificador operacional. IV. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA FUENTE DE CORRIENTE En la generación la señal de tensión de entrada se implementó un generador de señales, mediante el circuito integrado XR2206 el cual varía la amplitud de la tensión y frecuencia de la señal. La topología del circuito es la siguiente [1]:

Y despejando ωB se obtiene

Mediante esta ecuación se observa que el ancho de banda del amplificador operacional es función de R3b y RL, del ancho de banda de la fuente de corriente ωH, y de la ganancia de lazo abierto AV. La máxima demanda para el ancho de banda del amplificador operacional se da cuando la resistencia de carga toma su mayor valor. Ahora, para el cálculo del slew rate se toma en cuenta la ecuación

Figura 3. Circuito generador de señales XR2206 [1].

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Para cubrir los requerimientos del proyecto se procede a seleccionar el valor de resistencia variable (R) y el valor del capacitor (c) para hallar la frecuencia en que va a trabajar el generador son los siguientes:

Los valores de resistencia de la fuente de corriente Howland se escogieron de acuerdo a las ecuaciones de diseño anteriormente propuestas. Tabla 2. Valores de resistencia Resistencia

Valor

Para una frecuencia máxima

Y una frecuencia mínima

V. SIMULACION

Para ajustar la simetría de la onda sinusoidal se escogió el valor de

Para corroborar los resultados obtenidos analíticamente y experimentalmente se realizaron una serie de simulaciones las cuales permiten hacer un análisis aproximado pero significativo a momento de comparar resultados.

Una vez diseñado el generador de señales con los requerimientos del proyecto se procede a elegir los componentes de la fuente de corriente Howland como el amplificador operacional y las resistencias.

Se realizó una simulación con ayuda de ORCAD Capture y PSpice A/D para visualizar señales como corrientes de salida, funciones de transferencia y graficas de respuesta en frecuencia

El amplificador operacional escogido para la fuente de corriente Howland es el OPA549 de Texas Instruments [2].

-

Corriente de salida

La siguiente tabla deja ver las principales características eléctricas del OPA549 [2]. Tabla 1. Características eléctricas OPA549 [2]. Alta corriente de salida: 8A DC, 10A AC Limitador de corriente ajustable Alimentación sencilla: +8V a +60V Alimentación doble: ±4V a ±30V

Figura 4. Corriente de salida a carga máxima

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Figura 5. Corriente de salida a carga mínima De las figuras 4 y 5 se puede observar que la corriente de salida a diferentes cargas comprendidas en entre 0 y 20 ohm no varía, lo cual es esperado en una la fuente de corriente implementada con la configuración Howland. La salida conserva una forma de onda senoidal como la señal de entrada es decir la del generador de funciones XR2206, con una frecuencia de 1[kHz] la cual puede variar, la amplitud de estas señales de salida puede variar entre 0 y 1 [A], variando el nivel de la señal de entrada, en el caso de las figuras mostradas la amplitud es 887.25 mA. -

Ancho de banda

Figura 6. Respuesta en frecuencia a carga máxima

Figura 7. Respuesta en frecuencia a carga mínima En las figuras 6 y 7 se muestra la amplitud de la respuesta en frecuencia a diferentes resistencias de carga, esto para determinar de manera aproximada con ayuda del simulador ORCAD el ancho de banda del amplificador operacional de alta potencia utilizado en la implementación de la fuente de corriente Howland. Para determinar la ganancia a partir de las figuras 8 y 9 se ubica en la frecuencia donde la ganancia ha caído 3 decibelios

Tabla 3. Ancho de banda Ancho de banda

Resistencia de carga

118.254 [KHz]

Carga Máxima

570.85 [KHz]

Carga Mínima

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Ganancia y grafica de Transferencia

herramienta. Estas librerías facilitan la conexión de los diferentes componentes que hacen parte del diseño propuesto anteriormente. La siguiente figura muestra el esquemático del diseño de la fuente de corriente Howland.

Figura 8 Función de transferencia a máxima carga

Figura 10. Esquemático de la fuente de corriente en la herramienta Eagle [3]. Segunda etapa Figura 9. Función de transferencia a carga mínima VI. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO El diseño del circuito impreso de la fuente de corriente, se utilizó la herramienta de Eagle [3]. Este diseño se basó en dos etapas las cuales son descritas a continuación. Primera Etapa Esta etapa consta en realizar el diagrama del circuito de la fuente de corriente Howland, para esto se llaman las librerías que incluye este

La etapa final consiste en acomodar los elementos que conforman la fuente de corriente en la dimensiones la tarjeta. Posteriormente se procedió a enrutar las diferentes conexiones teniendo en cuenta las reglas de diseño impuestas por la herramienta Eagle. La siguiente figura muestras las dimensiones de la tarjeta con sus respectivos componentes.

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generador de señales está conectado amplificador por la entrada inversora.

al

Generador de señales Está basado en el popular circuito integrado XR2206 [1], un generador de funciones monolítico capaz de producir una gran variedad de formas de onda de alta calidad y muy estables.

Figura 11. Tarjeta circuito impreso [3].

VII. DESCRIPCION DEL CIRCUITO

Permite la modulación de la señal generada tanto en amplitud como en frecuencia. La frecuencia de funcionamiento puede seleccionarse externamente en un rango de 1 Hz a más de 1MHz. En la figura 7 se muestra la distribución de pines y el diagrama interno de bloques del generador. Los cuatro bloques funcionales que lo comprenden son: un oscilador controlado por voltaje (VCO), un multiplicador analógico, una unidad de amplificador de ganancia y un juego de interruptores.

Figura 12. Fuente de corriente Howland

El circuito implementado consta de dos partes; La primera compuesta por un generador de señales y la segunda de la configuración de la fuente de corriente Howland mejorada. Como la primera parte del circuito hace referencia a una señal de tensión senoidal, fue necesario idear la forma de generar estas ondas. Una opción viable fue utilizar el integrado XR2206, que permite obtener ondas senoidales, cuadradas, triangulares, además que permite variar la frecuencia y amplitud de las señales. En la figura 7 puede verse que el

Figura 13. Circuito Integrado XR-2206 [1]. El dispositivo se alimenta con cualquier voltaje DC entre 10 y 25 V. en este caso se alimenta a 20V. La señal obtenida en el pin2 es una onda triangular cuando el pin 13 esta al aire y una onda seno cuando este pin se conecta con el pin 14 a través

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de una resistencia de bajo valor. En este caso se usó una resistencia de 330 [Ω]. La amplitud de las ondas puede ser modificada aplicando al pin 1 un voltaje variable, pero en este caso, se conectó a tierra, y se utilizó el pin 3 para controlar la amplitud utilizando un potenciómetro.

La segunda parte del circuito hace referencia a la fuente explicada anteriormente. Se usó el integrado OPA549 [2], porque es un amplificador operacional de alto voltaje y alta corriente. Esta fuente es capaz de entregar una corriente proporcional a la tensión de entrada a una determinada carga, en este caso se diseñó para cargas de 0 a 20 Ω. La corriente de salida puede variar entre 0 y 500 mA. El control de la corriente entregada se realiza con la variación de la amplitud de la tensión entregada por el generador de señales.

IX. OBSERVACIONES Uno de los inconvenientes encontrados al usar la configuración Howland es el manejo de la disipación de potencia, de esta forma se diseñó un sistema de refrigeración usando un ventilador para controlar la temperatura del circuito y evitar daños en los componentes. El manejo de corrientes superiores a 100mA requiere que se utilicen componentes adecuados, en este caso fue necesario buscar un amplificador operacional que soportara corrientes y tensiones elevadas. Debido a la alta velocidad de respuesta del amplificador operacional utilizado fue necesario utilizar en el diseño dos capacitores de tantalio los cuales filtran el ruido que el amplificador operacional introduce en las fuentes de continua que forman parte de la alimentación del circuito. X. CONCLUSIONES

VIII. COSTOS Aquí se incluye un resumen de los costos de los elementos utilizados. Tabla 4. Costos del proyecto Elemento OPA549 XR2206 Resistencias de 100k Capacitores de tantalio Capacitores electrolíticos Capacitores cerámicos Potenciómetros Resistencias de alta potencia Circuito impreso Otros elementos Total

Precio ($) 2300 15000 400 1000 2000 700 2500 3000 15000 9000 50900

La fuente de corriente Howland es una de las topologías de fuentes de corriente que más estables y de fácil implementación, con la restricción del amplificador operacional que se dese utilizar de acuerdo con el nivel de corriente deseado por el .

Controlar la corriente entregada por la fuente es un reto de diseño, en la configuración de la fuente Howland mejorada se podía variar la impedancia y hallar una relación entre esta resistencia y la tensión en ella. Se descartó esta opción porque era necesario utilizar potenciómetros de potencia para soportar la intensidad de corriente. Así se aprovechó que la fuente entrega una corriente proporcional a la tensión de entrada, y se controló la corriente en la salida con la amplitud de la señal de tensión del generador de señales.

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Las dos características más importantes para el diseño de la fuente de corriente es el ancho de banda y la corriente de salida que entrega el amplificador operacional. En conclusión el C.I OPA549 es uno de muchos amplificadores de potencia que cumple con los requerimientos de diseño pero lo hace especial por su valor económico en el mercado. XI. REFERENCIAS [1]. EXAR. Septiembre 2012. [Online] Disponible: http://www.exar.com [2]. TEXAS INSTRUMENT. Septiembre 2012. [Online] Disponible: http://www.ti.com/product/opa549 [3]. EAGLE PCB SOFTWARE. Septiembre 2012. [Online] Disponible: http: //www.cadsoftusa.com

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