Ganancia de Amplificador de Celda de Carga
Calcula el voltaje de salida de la celda de carga, ganancia requerida del amplificador y sensibilidad para celdas de carga de puente Wheatstone.
Fórmula
V_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G
Cómo Funciona
Una célula de carga es un transductor de fuerza que convierte la carga mecánica en una señal eléctrica mediante un puente de galgas extensométricas de Wheatstone adherido a un elemento estructural. La salida del puente se suele especificar como sensibilidad en mV/V: la tensión de salida en milivoltios por voltio de excitación a plena carga. Una célula de carga de 2 mV/V con una excitación de 5 V produce 10 mV a gran escala. Como esta señal de nivel de milivoltios debe impulsar un ADC (a menudo a escala completa de 5 V o 3,3 V), se requiere un amplificador de instrumentación de precisión. La ganancia requerida es G = V_ADC_FS/ V_FS, donde V_ADC_FS es la tensión de escala completa del ADC y V_FS es la salida de escala completa de la célula de carga en voltios. Los circuitos integrados más comunes incluyen el INA125 (referencia de voltaje incorporada), el INA128 y los amplificadores de celda de carga dedicados, como el HX711 (24 bits, incluye ADC). La disipación de energía en el puente de la célula de carga es P = V_ex²/ (4R_bridge).
Ejemplo Resuelto
Problema: una célula de carga de 50 kg tiene una sensibilidad de 2 mV/V con una excitación de 5 V y alimenta un ADC de 12 bits con una referencia de 3,3 V. ¿Qué ganancia de amplificador se necesita y cuál es la resolución en gramos? Solución: 1. Salida a gran escala: V_FS = 2 mV/V × 5 V = 10 mV 2. Ganancia requerida: G = 3300 mV/10 mV = 330 V/V 3. Paso ADC: LSB = 3,3 V/4096 = 0,806 mV 4. Paso de salida por LSB: 0.806 mV/330 = 2.44 μV 5. Carga por LSB: (2,44 μV/10 mV) × 50 kg = 12,2 g/LSB Resultado: utilice una ganancia de 330 (p. ej., INA128 con R_G = 604/329 × 100 Ω ≈ 150 Ω); la resolución es de aproximadamente 12 g por paso de ADC.
Consejos Prácticos
- ✓Para sistemas embebidos, el módulo amplificador ADC+ de 24 bits HX711 proporciona una solución completa a un costo muy bajo, con una ganancia programable integrada de 64 o 128.
- ✓Proteja el cableado de señal de bajo nivel entre la célula de carga y el amplificador para reducir la captación de 50/60 Hz; tuerza los pares de cables de excitación y señal por separado.
- ✓Ponga a cero la salida del puente en el firmware después del ensamblaje: la precarga mecánica debida al hardware de montaje desplaza el punto cero, lo que requiere una corrección de tara.
Errores Comunes
- ✗Olvidar reducir la ganancia del producto de ganancia de ancho de banda del amplificador: una ganancia de 500 con un amplificador operacional GBW de 1 MHz deja solo un ancho de banda de 2 kHz, lo que puede provocar problemas de resolución.
- ✗Omitir la detección de excitación de 4 hilos (Kelvin): la resistencia del cable de excitación provoca un error de ganancia proporcional a I × R_lead; la teledetección de 6 hilos elimina este error.
- ✗Si se utiliza un amplificador operacional de alimentación única sin una referencia de suministro intermedio, la salida del puente oscila simétricamente alrededor de cero y se necesita un amplificador operacional de riel a riel con referencia a V_cc/2 para evitar que las salidas negativas se interrumpan.
Preguntas Frecuentes
¿Qué significa sensibilidad en mV/V?
mV/V (milivoltios por voltio) significa que la célula de carga emite un número específico de milivoltios por cada voltio de excitación del puente cuando se aplica la carga a gran escala. Una célula de carga de 2 mV/V con una excitación de 10 V produce 20 mV a gran escala. Esta especificación normalizada hace que la salida sea independiente del voltaje de excitación.
¿Cómo elijo entre un ADC de 12 y 24 bits para aplicaciones de células de carga?
Un ADC de 12 bits proporciona 4096 pasos; en un rango de 50 kg, es decir, una resolución de aproximadamente 12 g. Un ADC de 24 bits proporciona 16 millones de pasos, con una resolución teóricamente inferior al miligramo, pero el ruido, la vibración mecánica y la deriva térmica suelen limitar la resolución práctica a entre 14 y 16 bits. Para básculas de pesaje que requieran una resolución superior a la de 1 en 1000, utilice ADC de 24 bits con un promedio adecuado.
¿Puedo usar un amplificador operacional estándar en lugar de un amplificador de instrumentación?
No para células de carga. Un puente de Wheatstone tiene una salida diferencial flotante; un amplificador operacional estándar en configuración diferencial requiere resistencias ajustadas con precisión para lograr un alto rechazo en modo común. Los amplificadores de instrumentación (INA) tienen una adaptación interna de precisión (CMRR > 90 dB) y solo necesitan una resistencia de ganancia externa.
Related Calculators
Sensor
Wheatstone Bridge
Calculate Wheatstone bridge output voltage, balance condition, and sensitivity. Used for strain gauges, RTDs, and precision resistance measurements.
Sensor
Strain Gauge Bridge
Calculate Wheatstone bridge output voltage for strain gauges. Supports quarter, half, and full bridge configurations for structural monitoring and load cell design.
Sensor
Pressure Bridge
Calculate Wheatstone bridge output voltage for piezoresistive pressure sensors from excitation, sensitivity, and applied pressure.
Sensor
NTC Thermistor
Calculate temperature from NTC thermistor resistance using the Steinhart-Hart beta equation. Useful for PT100/PT1000 and generic NTC thermistors.
Sensor
RTD Temperature
Calculate temperature from PT100 or PT1000 RTD (Resistance Temperature Detector) measured resistance using the linear Callendar-Van Dusen approximation.
Sensor
Hall Effect Sensor
Calculate Hall voltage, Hall coefficient, and sensitivity for Hall effect sensors. Useful for magnetic field measurement, current sensing, and position detection.