El puente de Wheatstone es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la configuración anterior: Linealidad y sensibilidad.
donde
si en el equilibrio se considera
entonces
Se ha obtenido una relación no lineal, lo cual será proporcional solo cuando x <<>
si se alimenta a una corriente constante
Ahora la condición para la linealidad es mejor, es decir, x <<>
De libro del profesor Pallas se sugiere que un circuito de linealización puede ser:
Si lo que se quiere es ajustar el cero un posible circuito
Un problema crucial en la conexión de estos circuitos es la conexión del sensor.
Por ejemplo, considérese los hilos de conexión del sensor tal como se muestra en la figura.
La ecuación será:
Una forma de resolver este problema es mediante la conexión a tres hilos o método Siemens.
idealmente
en la practica
Calculando el error entre estos dos términos, se obtiene:
Obsérvese que si las resistencias son iguales el error se hace cero y se compensa el efecto de los hilos de conexión.
Si en vez de un solo sensor se tiene que conectar dos, en configuración de medio puente, se obtiene:
donde
Si ahora se tiene cuatro sensores, el resultado será
donde
Note como se ha incrementado la sensibilidad de la medida
¿Cómo medir la salida de un puente?
Veamos estas alternativas:
a. Mediante un galvanómetro, aunque este tiene el problema de su baja resistencia.
b. Con un Osciloscopio se tiene le problema que no posee entradas diferenciales.
c. Con un Multímetro digital puede resultar muy costoso.
Amplificadores
Posibles configuraciones de operacionales para medir en el puente de Weatstone.
La figura a recoge la conexión de un amplificador de instrumentación. En la figura b se conecta un amplificador operacional. Como la fuente es flotante, se puede conectar el operacional a tierra. En la figura c. Se obtiene un operacional con una fuente diferente de la que alimenta al puente.
Cuando el puente esta conectado a tierra. No es recomendable que el operacional o amplificador esté conectado a la misma tierra.
A continuación veremos algunas posibles configuraciones.
Amplificador diferencial:
El amplificador diferencial es un dispositivo como el mostrado en la figura
Donde
Si las resistencias son iguales se puede deducir que
Vs= E2 - E1
Pero lograr este apareo de resistencia es difícil, por lo que su capacidad de rechazar las señales de modo común no será infinita.
Expresemos la ecuacion de Vs de la siguiente forma
Donde el primer término es la ganancia en modo común, y el segundo, la ganancia en modo diferencial. Nosotros deseamos que el primer término se anule. Calculemos cada término tomando en cuenta que
Luego:
Para que la ganancia en modo común sea cero se necesita que el coeficiente del primer término sea cero, lo cual se cumplirá solo si
La capacidad que tiene un dispositivo para rechazar esta ganancia de modo común se denomina CMRR, y en este caso será:
Este dispositivo puede ser conectado al puente directamente desde sus terminales e1 y e2, pero también desde los puntos v1 y v2.
Amplificadores de Instrumentación
Se denomina amplificador d instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.
La estructura típica de un A.I. es la mostrada en la figura siguiente, cuya ecuacion es:
Si R4 = R5 = R6 = R7 , entonces,
Con R2 se puede variar la ganancia pero no de forma lineal.
Algunos amplificadores de instrumentación monolíticos son:
Analog Devices: AD624
National: LM363
Burr-Brown: INA101
Linear: LTC1100, LT1101
Ya que esta estructura es muy típica, algunos fabricantes la ofrecen con redes de resistencias y poder cambiar el valor de la ganancia.
El terminal denominado referencia es accesible en algunas versiones, con el fin de poder desplazar el nivel de tensión de referencia de la salida.
Amplificadores de Aislamientos
Son dispositivos que permiten un aislamiento óhmico entre la entrada y la salida. Por tanto tienen una alta resistencia y una baja capacidad de entrada (1012 ohm / 10 pF)
Se utilizan porque los amplificadores normales no soportan tensiones de modo común altas.
El paso de energía o señal se hace mediante transformador o por opto acopladores.
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