El circuito acondicionador tiene, entre sus funciones, convertir la corriente a la salida del sensor en una tensión proporcional que pueda ser medida por el datalogger. Se implementa mediante una serie de amplificadores de transimpedancia, los cuales son regulados por una resistencia de realimentación que variará la ganancia de cada una de las bandas de manera individual.
Este circuito será necesario en dos aplicaciones, la primera es de la que se viene hablando, el espectrómetro, instalándolo en la estación de media. La segunda, es para su uso en el simulador solar Helios 3198 que se describirá en detalle en el siguiente capítulo. El simulador permite un fondo de escala mayor al del datalogger, por ello se ha fijado de un fondo de escala de 0 a 1V para el datalogger y de 0 a 2.1V para el simulador. Siendo la única diferencia entre ambos, la ganancia con la que se amplifica la tensión de salida, de esta manera aprovecha la resolución de ambos conversores A/D para su correcto análisis.
La necesidad de polarizar las células multi-unión en el sensor suele venir dada por la pseudo- isotype bottom. Es habitual que la tensión de disrupción de la subcélula bottom, realizada en germanio, sea muy pequeña, inferior a la suma de las tensiones de conducción en directa de las otras dos subcélulas. Esto hace que si la multi-unión se polariza en cortocircuito o a tensiones pequeñas, la subcélula bottom no limite la corriente del dispositivo multi-unión, aunque sea la menos iluminada. Esto no sucede en todas las células, depende de la calidad del germanio, y ciertas características del proceso de crecimiento del material. Una explicación más detallada de este fenómeno puede encontrarse en el anterior proyecto referenciado [12].
No obstante, aunque la pseudo-isotypebottom sea la que exige habitualmente polarizar la célula a tensiones entorno a los 2V, la implementación de circuito acondicionador se ha realizado para cada uno de los tres sensores. Esto se ha hecho como medida preventiva por si en algún momento es necesario polarizar otro sensor.
El esquema general del circuito se muestra en la Figura 24. El circuito pasa por las siguientes etapas, la primera es la traducción de la energía solar por la célula sensor en corriente eléctrica,
Sistema de alimentación para luz de polarización de sensores espectrales.
- 35 - luego la amplificación I/V y adaptación de la señal. Entre las dos fases amplificadoras se encuentra un filtrado para acondicionar la señal de entrada al A.I. Por último, se encontrará la digitalización producida por el datalogger para el posterior procesamiento de la información. Dicha estructura será repetida independientemente para cada uno de los tres sensores.
Figura 24: Circuito acondicionador.
En la Figura 24 se observan varios elementos. En primer lugar, el divisor de tensión resistivo, representado con un potenciómetro regulará la tensión que polarizará la célula. Después se encuentra el amplificador de transimpedancia que convierte la intensidad de entrada en una tensión proporcional a la salida. Este amplificador, con la tensión de polarización y la resistencia de realimentación, fijará una salida de tensión negativa. La ganancia en tensión vendrá dada por la resistencia de retroalimentación y la tensión de polarización del divisor de tensión que creará una tensión en modo común en el circuito.
Siendo la ecuación a la salida del amplificador operacional:
𝑉𝑜𝑢𝑡𝐴.𝑂. = 𝑉𝑝𝑜𝑙−𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖𝑚· 𝐼𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎
La tensión de modo común (Vpol) no contiene ningún tipo de información útil a la hora de digitalizar la señal que proviene de la célula. Además de que su contribución únicamente se centra en polarizar la célula, además también es necesario corregir la salida VA.O. ya que es negativa. Esto se consigue con el uso de un amplificador de instrumentación en la etapa final, encargado de eliminar la tensión en modo común e invertir la salida del amplificador de transimpedancia. Para conseguir esto se amplifica la tensión que cae en resistencia de realimentación del amplificador operacional. De esta manera se consigue aumentar la resolución de cara a la digitalización y gracias a esto también mejorar las relaciones de señal a ruido.
Capítulo 3: Diseño e implementación del sistema.
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Despreciando el comportamiento del filtro del que se hablara posteriormente, se pude estimar como ecuación final del circuito:
𝑉𝑜𝑢𝑡𝐴.𝐼. = 𝐺𝐴.𝐼.·𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖.· 𝐼𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎
La intensidad típica producida por una célula multi-unión es de 14 mA/cm2 para una irradiancia de un sol. El tamaño de las células utilizadas en este proyecto es de 2-3 mm de lado. Para el diseño se han considerado los siguientes valores de corriente máxima para cada subcélula:
- ITOP: 1.196 mA. - IMIDDEL: 1.273 mA. - IBOTTOM: 1.851 mA.
La amplificación se pretende hacer con el A.I. esto hace que los valores de tensión que caen en las resistencias de realimentación sean muy bajos. La tensión máxima de entrada estará fijada en 100mV, por tanto, los valores de las resistencias de realimentación son:
- RTOP: 84.5Ω. - RMIDDEL: 78.7Ω. - RBOTTOM: 53.6Ω.
Para que la salida tenga un fondo de escala de 1 V, la ganancia del A.I. tiene que ser de 10 V/V. Haciendo necesario el uso de una RG, resistencia que determina el valor de la ganancia del A.I., sea de 5.56 kΩ. En cambio, para un fondo de escala de 2.1 V, la ganancia del A.I. tiene que ser de 21 V/V y su RG, 2.49kΩ.
Dependiendo de si la célula se quiere polarizar o no, se incluirá en este circuito la opción de seleccionar el tipo conversión corriente/tensión, mediante una serie de jumpers. La primera opción será la polarizadora, anteriormente explicada. la segunda opción será una conversión lineal mediante una simple resistencia. El valor de esta resistencia fijara la ganancia V/I.
Figura 25: Circuito alternativo sin polarización.
Para este circuito, la tensión de polarización de la célula será determinada por la resistencia elegida. Por esta razón no se podrá utilizar 1V como fondo de escala. La tensión máxima de salida será de 100 mV para el top y la middle. En el caso de la bottom, la tensión de circuito abierto (VOC) es muy pequeña se ha preferido guardar un margen de seguridad y colocar la tensión máxima de
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- 37 - salida a 50 mV. Los valores de las resistencias serán iguales que la resistencia de realimentación anterior para 100mV de salida. En cambio, para que la bottom tuviera una salida máxima de 50 mV tendría que tener una RBOTTOM de 27.1Ω.
Por último, se encuentra la etapa de filtrado previa a la amplificación final del A.I. El propósito del filtrado es eliminar señales no deseadas que puedan afectar a la señal que se trata de medir. Como el voltaje que cae en la resistencia de realimentación es una señal muy pequeña (mV), a la salida se debe procurar tener un filtro antes de ser amplificada dicha señal. Este filtro requerirá de un corte bastante pronunciado debido a que la frecuencia de muestreo del datalogger es bastante pequeña (25 muestras por segundo). En la Figura 26 se muestra más en detalle los componentes del filtro paso bajo.
Figura 26: Filtrado paso bajo.
La presencia de ruido de alta frecuencia puede ser causado por la fuente de alimentación o por las interferencias de radio frecuencia. Se dispone de un filtro paso bajo antes del amplificador de instrumentación, para atenuar el ruido a la entrada del amplificador de instrumentación. Además del filtro, se han añadido dos resistencias, llamadas Rp, para permitir la circulación de las corrientes de polarización del amplificador y evitar que se sature. Estas resistencias deben un valor muy superior a R1a y R1bpara evitar efectos de carga que atenúen la señal.
Se puede apreciar que el filtro forma un puente, cuyas entradas están a través de los pines de entrada de la señal. Por este motivo, cualquier desigualdad entre las constantes de tiempo C1a R1a y C1b R1b va a desequilibrar la señal de entrada y reducir el rechazo en modo común en altas frecuencias; es necesario entonces que los resistores R1a y R1b y los capacitores C1a y C1b sean iguales. Para el filtro en modo común tiene que cumplir la siguiente ecuación:
R1a
C1a=
R1b C1b
Capítulo 3: Diseño e implementación del sistema.
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El capacitor C2 está conectado a través de la salida del puente, haciendo un paralelo con la serie de C1a y C1b. Con esto se puede reducir el error en CMRR debido a la desigualdad de las constantes de tiempo antes mencionadas, haciendo que C2 sea al menos 10 veces mayor que C1.
El filtro configurado tiene dos anchos de banda: diferencial y en modo común. El ancho de banda diferencial define la respuesta de frecuencia del filtro a señales de entrada diferenciales aplicadas. Esta constante de tiempo se establece por la suma de los resistores R1a y R1b con la capacitancia diferencial de C2 en paralelo con la serie de C1a y C1b. El ancho de banda de -3dB del filtro diferencial es igual al de la siguiente ecuación:
Bwdiff = 1
2πR1(2C2 + C1)
El ancho de banda en modo común define la frecuencia de las señales que entran en el amplificador. C2 no afecta este ancho de banda por estar conectado entre las dos entradas. Por esto el ancho de banda de -3dB está dado por el paralelo de las impedancias de las redes RC formadas por R1a/C1a y R1b/C1b, como se ve en la siguiente ecuación.
BWcom = 1
2πR1C1
Para el modo diferencial se escogió una frecuencia de corte 11kHz. Esta frecuencia es muy elevada comparada con la frecuencia de muestreo del datalogger, pero es compatible con el uso de este circuito en el simulador solar. Como consecuencia los valores de los componentes del filtro son:
R1: 150Ω C2: 47nF C1: 1nF
Se ha realizado un segundo circuito con frecuencia de corte algo superior y que es la que tienen los acondicionadores usados en el simulador Helios 3198. El objetivo es disponer de un circuito con el mismo ancho de banda si se realizan comparaciones en el simulador entre el tri-tubo de
pseudo-isotypes y el de isotypes. La frecuencia de corte fijada para el filtro es de 50.5kHz. Para ello los componentes tendrán los siguientes valores:
R1: 150Ω C2: 10nF C1: 1nF
Una vez selecionados los valores del filtro se determina que la resitencia de protecion (Rp) tiene que tener un valor de 47k Ω para que sea ampliamente mayor R1.