Ideas de teledetección precisas y de bajo consumo

Los ejemplos de teledetección presentados aquí se caracterizan por su alta fiabilidad, su fácil conectividad y su muy bajo consumo de energía. Estos circuitos se dirigen a entornos industriales que requieren comunicaciones robustas y un mantenimiento mínimo de la batería. Las soluciones combinan los recientes avances en la amplificación de baja potencia y alta precisión con las capacidades de las redes de malla inalámbricas de baja potencia y alta fiabilidad. Las soluciones se basan en el amplificador LTC2063 de bajo sesgo de entrada y sin deriva, que funciona a 2 µA como máximo, y en el LTP5901-IPM, que consume menos de 1,5 µA en modo de espera. La disipación de energía de estos dispositivos es lo suficientemente baja como para que puedan funcionar con una batería de sobremesa formada por electrodos de cobre y zinc, cada uno con una superficie de 10 cm cuadrados, y un electrolito formado por las tripas de un limón.

Red inalámbrica de malla

Las mediciones realizadas y recuperadas a través de una red inalámbrica en entornos industriales rara vez requieren altas velocidades, pero sí suelen requerir alta fiabilidad y seguridad, además de un funcionamiento de bajo consumo para maximizar la duración de la batería. El LTP5901-IPM forma un nodo, o SmartMesh® IP Mote, en una red inalámbrica 802.15.4e. El LTP5901-IPM incorpora un ADC de 10 bits, de 0 V a 1,8 V y un ARM interno® Cortex®-Microprocesador M3 de 32 bits, que permite la detección con fácil programación. Este motor está diseñado para ofrecer seguridad, fiabilidad, bajo consumo, flexibilidad y programabilidad.

Aplicaciones de cuatro vías

En general, el diseño de los siguientes circuitos no requirió ciencia espacial. Sin embargo, son ordenados, eficientes y se adaptan bien a aplicaciones específicas. La complejidad no es necesaria y, de hecho, sería un riesgo de coste y fiabilidad.

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Cada circuito conecta un sensor a la entrada y procesa la salida del sensor para producir una tensión de salida. Con el ADC LTP5901-IPM de 10 bits como entrada, cada circuito intenta mapear la entrada para capturar una gran parte del rango de 0 V a 1,8 V.

Detección del voltaje de la batería base

La figura 1 muestra una configuración típica de amplificador operacional no inversor de ganancia unitaria y retroalimentación negativa que detecta una tensión dividida. El rango del ADC en la entrada del LTP5901 es de 0 V a 1,8 V. R1 y R2 dividen la tensión de la batería con una corriente de reposo mínima para permitir una larga duración de la batería. La corriente de polarización de entrada del LTC2063 es lo suficientemente baja como para que incluso estos grandes valores de resistencia no afecten a la precisión final del ADC de 10 bits. El LTC2063 consume una corriente de alimentación mínima y tiene la ventaja de una deriva cero con el tiempo y la temperatura.

Figura 1: Detección sencilla de la tensión de la batería.

Detección actual

La belleza de la electrónica aislada que funciona con pilas es la posibilidad de colocar la tierra en cualquier lugar. Se puede detectar una corriente en la topología de circuito más práctica sin pérdida de generalidad, colocando los terminales en cualquier lugar respecto a la tierra local. Para una corriente unipolar, como la de un bucle industrial de 4mA a 20mA, es seguro sensar respecto a la tierra local utilizando una topología tradicional de lado bajo. La figura 2 muestra la corriente que fluye a través de una resistencia muy pequeña R2, que desarrolla una tensión de detección. Esta tensión de entrada puede ser extremadamente baja debido a que el amplificador tiene una deriva cero y una tensión de offset muy baja. El circuito mostrado aumenta la entrada desarrollada a través de una resistencia de detección de 501 mΩ en 101 V/V. A 20 mA, la tensión VOUT es de 1,012 V. Se pueden elegir otros valores para aprovechar al máximo el rango de 1,8 V del ADC.

Figura 2: Circuito de detección de corriente.

La resistencia R4 es relativamente pequeña y actúa como una derivación de baja impedancia de la capacitancia de entrada del LTC2063. Por lo tanto, la interacción entre la gran resistencia de retroalimentación R1 y la capacitancia de entrada no afecta a la estabilidad.

El circuito, tal y como está construido, está optimizado para rangos de corriente de prueba de 0 mA a 35 mA, lo que corresponde al rango de 0 V a 1,8 V del ADC.

Medidor de irradiación

El circuito de la figura 2 también puede utilizarse para medir la corriente de cortocircuito de una célula solar. Las células solares de silicio y otras son muy lineales en términos de corriente frente a la irradiancia cuando funcionan en modo de corriente de cortocircuito. La corriente de cortocircuito es la corriente de una célula solar con 0 V a través de ella. El circuito de la figura 3 no mantiene la célula solar a 0 V precisamente con la corriente máxima; sin embargo, incluso con 20 mA a plena luz del sol, la tensión es de sólo 10 mV. Un nivel de 10 mV a través de la célula solar es prácticamente un cortocircuito en su curva I-V.

Figura 3: Medición de la irradiancia mediante una célula solar de cortocircuito.

En su lugar, podríamos imaginar un amplificador de transimpedancia (TIA). Un TIA puede forzar 0 V a través de la célula solar y medir la corriente. El problema de este tipo de circuito es que el op-amp suministra la corriente de la célula solar en todo el rango de irradiación. Cuando la prioridad es la mínima disipación de energía del circuito de detección remota, 20 mA de la batería a través del amplificador óptico es inaceptable.

Dada la necesidad de mantenerse cerca de 0 V, se debe utilizar una pequeña resistencia de detección. La pequeña detección de tensión a distancia, alimentada por la batería, sugiere de nuevo el uso de un amplificador muy preciso y de baja potencia, como el LTC2063.

Las instalaciones solares dan lugar exactamente al tipo de disposiciones físicas que requieren una red de malla inalámbrica con medición de deriva de temperatura cero. Afortunadamente, los fotodiodos de silicio, en estado de cortocircuito, son bastante estables con respecto a la temperatura. Un diseño sencillo y robusto que utiliza el LTC2063 y el LTP5901-IPM, combinado con una célula solar de silicio, es la solución ideal para la detección en una gran zona de instalación con condiciones de temperatura ambiente cambiantes.

Medición de la temperatura con un termopar

Las tensiones de los termopares pueden ser positivas o negativas. El circuito de la figura 4 combina el uso de una referencia de micropotencia y un amplificador de micropotencia para detectar pequeñas tensiones tanto positivas como negativas. Es una suerte que un termopar, si está aislado eléctricamente de su dispositivo bajo prueba (DUT), pueda situarse en su rango de tensión adecuado. El ejemplo de la Figura 4 polariza el termopar a 1,25 V utilizando el LT6656-1,25. La salida del circuito es una versión de muy alta ganancia de la pequeña tensión del termopar por encima de una referencia de 1,25 V. El rango del ADC de 0 V a 1,8 V es un objetivo razonable para esta configuración. La altísima ganancia de unos 2000 V/V no se podría conseguir sin el uso de un amplificador de baja desviación y deriva cero.

Figura 4: Circuito de detección del termopar.

Conclusión

La teledetección precisa y de muy bajo consumo es absolutamente factible. Los ejemplos presentados en este artículo muestran la sencillez de combinar un amplificador de baja potencia y alta precisión con un nodo de malla de sistema en un chip programable.

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