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1 Análisis y diseño de un circuito driver basado en convertidor generalizado de impedancias para un actuador piezoeléctrico a D. F. Novoa Díaza, D. Ramírez Muñoza, J. Sánchez Morenoa, E. Castro Monterob Departamento de Ingeniería Electrónica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universitat de València. b Dpto. Control Automático, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Oriente, Avda. Las Américas, s/n, 90900-Santiago de Cuba, Cuba. Abstract- This work describes the ability of the Generalized Impedance Converter (GIC) to work as an AC voltage-to-current converter. In the past the GIC circuit was used to simulate inductors in filters. Recently, some works describe the use of the GIC circuit with resistive sensors in DC regime. This work shows the use of the GIC circuit as a driver for a piezoelectric actuator, replacing its DC reference voltage by an AC one. Experimental results show that the GIC circuit with an AC input voltage implements an AC current source to drive a piezoelectric actuator. Keywords: Generalized Impedance Converter, AC voltage-tocurrent conversion, AC current loop, piezoelectric actuators, driver circuit. I. INTRODUCCIÓN A. Convertidor generalizado de impedancias (GIC). El girador es un concepto presentado en 1948 por B. Tellegen [1] para describir circuitos electrónicos capaces de invertir el comportamiento de una impedancia. En 1969 A. Antoniou [2] presenta el Convertidor Generalizado de Impedancias (GIC), el cual se obtiene modificando un girador que estaba constituido por dos amplificadores operacionales y cuatro impedancias. La figura 1 muestra el girador original y la modificación para formar un GIC. La principal característica que describe y da las primeras aplicaciones al circuito GIC es la que se obtiene de su impedancia de entrada. Esta función de red viene dada, suponiendo ideales los amplificadores operacionales, mediante la expresión: Zinp = Z1 ⋅ Z3 ⋅ Z5 Z2 ⋅ Z4 a) b) (1) Fig. 1.- a) Uno de los giradores de Antoniou, b) Montaje del GIC. Como se puede observar en (1), dependiendo de la clase de elementos que se coloque en el lugar de Z1 a Z5, se puede obtener una impedancia equivalente conectada a tierra y de diversos comportamientos (Fig. 2). 651 2 C= R1 ⋅ (R5 + R5' ) C3 ⋅ R2 ⋅ R4 (3) En [5], K. Kawai ha añadido una sexta impedancia a la topología GIC como muestra la figura 4. Con esta modificación y suponiendo que entre las impedancias Z1 a Z4 se colocan componentes resistivos del mismo valor (R), se puede conseguir que la impedancia de entrada del GIC sea descrita de la siguiente manera: Fig. 2.- Circuito GIC como impedancia equivalente. Es así como inicialmente el circuito GIC ha sido empleado para la síntesis de inductancias en circuitos pasivos RLC convirtiéndolos de esta manera en topologías activas de solo resistencias y capacitores o por otro lado, se ha hecho uso de (1) para obtener una resistencia negativa dependiente de la frecuencia (FDNR) [3]. Con el transcurso de los años han venido apareciendo diversas aplicaciones que siguen aprovechando el control de la impedancia de entrada equivalente del GIC. Dentro de estas, se puede destacar la presentada en [4] donde los autores emplean la topología GIC para obtener un capacitor variable muy preciso y lineal con control grueso y fino (Fig. 3). Z inp = Z5 ⋅ Z 6 Z 6 − Z5 (4) Según la ecuación (4), reemplazando a Z5 y Z6 por resistores, inductores o capacitores de valores adecuados, se puede obtener cualquiera de estas tres impedancias con valor negativo, es decir, se ha modificado a la topología GIC para que se comporte como un convertidor de impedancias negativas, N-GIC. Fig. 4.- N-GIC. Fig. 3.-GIC como capacitor variable. Recientemente se ha abierto una nueva línea de investigación que busca dar otro tipo de aplicación al circuito GIC, las propuestas más actuales siguen aprovechando la característica clásica de controlar la impedancia de entrada equivalente de la topología pero no tienen en cuenta la función de girador por lo que se da paso a otras propiedades internas que se usarán en el manejo directo de sensores. En [6], D. Ramírez presenta el diseño de un convertidor voltaje-corriente DC basado en el circuito GIC. Para ello, se asume que todas las impedancias son resistivas, se coloca un voltaje de referencia DC en los terminales de entrada del convertidor y se aprovecha el hecho de que este voltaje se verá reflejado En esta ocasión la ecuación característica queda modificada de la siguiente forma: Zinp = R1 ⋅ (1/ jω ⋅ C3 ) ⋅ (R5 + R5' ) 1 = R2 ⋅ R4 jω ⋅ C (2) con 652 3 entre la resistencia R5 y tierra (Fig. 5). Fig. 6.- DC-GIC alimentado a referencia de corriente DC. Con (6) y (7) se puede observar que el circuito DC-GIC trabajará como un convertidor corriente-corriente o un amplificador de corriente DC. Fig. 5.- Circuito GIC con referencia de tensión DC. De esta manera, se tendrá una corriente I0 DC que depende únicamente de la referencia en la entrada y de la resistencia R5 pero que a su vez alimenta a R4. I0 = B. ACTUADORES PIEZOELÉCTRICOS V ref R5 Un actuador piezoeléctrico es un elemento que produce desplazamiento o fuerza valiéndose del fenómeno físico de la piezoelectricidad. Es decir, se expande o comprime cuando se le aplica un campo eléctrico [8]. Este tipo de componentes presenta un amplio rango de ventajas en cuanto a resolución, generación de grandes fuerzas, velocidad de expansión, trabajo ante campos electromagnéticos, potencia de consumo, desgaste, roturas, y temperaturas de operación que los hace más atractivos en funciones donde otras clases de actuadores no pueden ser empleados. Dentro de estas aplicaciones se encuentran la óptica, fotónica, tecnología de medición, microelectrónica, mecánica de precisión, biología, medicina y genética entre otras [9]. Para el desarrollo del trabajo presentado en este artículo se ha empleado un actuador piezoeléctrico que está especialmente diseñado para aplicar puntos de fuerza a estructuras que necesitan control de vibraciones, del ruido en bornes o excitación modal, específicamente, el modelo 712A02 de Piezotronics. El funcionamiento básico del 712A02 consiste en aplicar una fuerza entre la estructura a controlar y una masa de referencia conocida como masa inercial, la figura 7 permite observar la forma y conexión del actuador y la figura 8 muestra la respuesta de esta clase de elementos cuando son energizados. Aunque el 712A02 puede ser alimentado tanto en régimen DC como AC, la figura 8 describe la respuesta cuando se utiliza una señal senoidal de frecuencia variable, dejando ver (5) Es así como se demuestra que es posible colocar en la posición de R4 uno o varios sensores de comportamiento resistivo que compartirán el mismo lazo de corriente constante independiente del valor de R4. La aplicación anterior presenta el inconveniente de que el sensor conectado estará flotante, por lo cual, D. Ramírez presenta una modificación del circuito DC-GIC con la que se puede evitar este hecho, [7]. Para conseguirlo, se ha reemplazado la referencia de tensión por una referencia en corriente (Fig. 6). De esta forma, la carga (sensores) puede ser conectada en el lugar de R5 ya que en este caso la corriente que los alimentará viene dada por: I R5 = n ⋅ I ref (6) Donde n será un factor constante (ganancia de corriente) que se fija cuando R1, R2, R3 y R4 sean elegidas: n≡ R1 ⋅ R3 R2 ⋅ R4 . (7) 653 4 topología que se quiere emplear como circuito driver del actuador 712A02. que el actuador presenta resonancia en un angosto rango de frecuencias y para un rango más amplio la respuesta es menor y constante. Este pico de resonancia depende directamente del valor de masa inercial que se coloque en el actuador. Fig. 7.- Actuador piezoeléctrico 712A02. El movimiento de la masa inercial y la dirección de la fuerza aplicada son indicados por la flecha. Fig. 9.- Circuito GIC como circuito driver de un actuador piezoeléctrico representado por un capacitor. A. Circuito AC-GIC resistivo Antes de entrar en las consideraciones de diseño para que el circuito GIC funcione como driver del actuador piezoeléctrico y teniendo en cuenta que el DC-GIC ha trabajado solo con impedancias resistivas (sensores de comportamiento resistivo), se presenta un primer análisis del AC-GIC operando solo con resistencias. En uno de sus trabajos [10], D. Ramírez ha obtenido una ecuación que describe la impedancia de entrada equivalente del circuito GIC cuando opera en régimen AC. A partir de la figura 4, es posible obtener: Fig. 8.- Respuesta típica del actuador. Por último, es importante mencionar y resaltar que el actuador piezoeléctrico se comporta eléctricamente como un capacitor. Z inp ( j ⋅ f ) = Z 0 ⋅ II. CIRCUITO GIC CON TENSIÓN DE REFERENCIA SINUSOIDAL (AC-GIC) 1+ 1+ j⋅ f α j⋅ f β (8) Donde Zo sigue siendo la expresión dada en (1), Basados en las nuevas aplicaciones del circuito GIC y en las condiciones de operación del actuador piezoeléctrico 712A02, se presentará el diseño de un circuito driver para este último y que presente la oportunidad de funcionar con cualquier otro elemento piezoeléctrico. El primer paso que se ha dado para conseguir este objetivo es tomar como ejemplo el modo de operación del circuito DC-GIC con referencia de tensión (Fig. 5). Es decir, ya que se ha demostrado la funcionalidad al conectar sensores en el lazo de corriente creado cuando se trabaja en régimen DC, es de pensar que si se cambia la tensión de referencia DC por una en AC, el mismo lazo puede ahora funcionar para sensores o elementos que requieran una corriente alterna, convirtiendo al circuito GIC en una fuente de corriente AC controlada por tensión AC (AC-GIC). La figura 9 deja ver el esquema general de la α −1 ≡ K R3 ⋅ R5 ⋅ ft β −1 ≡ K R2 ⋅ R4 ⋅ f t (9) y K ≡ (R2 + R3 ) ⋅ (R4 + R5 ) (10) Como conclusión importante se puede observar que la impedancia de entrada Zinp del circuito AC-GIC presenta un polo en β y un cero en α. La frecuencia del polo será por lo general menor que la del cero ya que si se desea que (1) se mantenga con un valor alto, el producto R2·R4 debe ser menor 654 5 que el producto R3·R5. En cuanto a la asíntota de baja frecuencia, Zo, es interesante notar que ésta se puede controlar solo con variar el resistor R1 y de esta manera se pueden dejar fijos los resistores R2 a R5 manteniendo por lo tanto siempre los mismos valores para α y β. Para los resultados experimentales presentados en este trabajo, se han realizado las pruebas haciendo que el producto R2·R4 sea igual al producto R3·R5. Así el polo y el cero se cancelan mutuamente manteniendo la impedancia de entrada equivalente constante y definida por el valor que se coloque en el lugar de R1 para todo el rango de frecuencias utilizado. La figura 10 muestra los valores de resistencias empleadas. Las figuras 11 y 12 permiten observar la impedancia de entrada Zinp (magnitud y argumento) del circuito AC-GIC resistivo para valores en R1 de 100 kΩ y 9.8 MΩ respectivamente. El barrido en frecuencia se ha hecho con una señal de referencia senoidal (Vac) entre 10 Hz y 10 MHz. |Zin| con R1=100kΩ |Zin| (Ω) 1,2E+05 1,1E+05 1,0E+05 9,0E+04 10 100 1000 10000 f (Hz) arg(Zin) con R1=100kΩ arg(Zin) (º) 10 5 0 -5 -10 -15 10 100 1000 10000 f (Hz) Fig. 11.- Magnitud y argumento de Zinp para el AC-GIC con R1= 100 kΩ. |Zin| (Ω) |Zin| con R1=9.8 MΩ 1,1E+07 1,0E+07 1,0E+07 1,0E+07 9,8E+06 9,6E+06 10 100 1000 10000 f (Hz) Fig. 10.- Circuito AC-GIC resistivo. arg(Zin) (º) arg(Zin) con R1=9.8 MΩ 10 5 0 -5 -10 -15 10 100 1000 10000 f (Hz) Fig. 12.- Magnitud y argumento de Zinp para el AC-GIC con R1= 9.8 MΩ. 655 6 Como se puede notar en estas cuatro gráficas, el comportamiento de Zinp es el de una resistencia constante para todo el rango de frecuencias de interés. Por otro lado, también se ha monitorizado la corriente Iac, pudiendo comprobarse su comportamiento senoidal dependiente de la frecuencia y del valor que tome la tensión de referencia (Vac). B. Circuito AC-GIC con actuador piezoeléctrico Retomando el diagrama de la figura 9, se acondicionará la topología AC-GIC para que cumpla con el propósito ya mencionado de trabajar como circuito driver del actuador piezoeléctrico 712A02 y que aún siga manteniendo una impedancia de entrada equivalente de valor alto que evite la demanda de corriente sobre la señal de referencia de la entrada (Vac). El acondicionamiento empieza teniendo en cuenta los requisitos necesarios para el buen funcionamiento del actuador 712A02, este elemento piezoeléctrico puede ser alimentado con una tensión alterna máxima de ±100 Vp fuera de su resonancia y con frecuencias comprendidas entre 150 Hz y 5 kHz. Tomando estas consideraciones y calculando que la demanda de corriente para el peor caso estará sobre los 240 mAp (capacitor de 77.3 nF a máxima tensión y máxima frecuencia), es necesario hacer que los amplificadores operacionales del circuito AC-GIC estén en capacidad de cumplirlas. Para esto, se debe recurrir a amplificadores operacionales de potencia, siendo el amplificador PA85 de APEX Microtechnology la opción escogida en este caso por adaptarse convenientemente a todas las exigencias. Fig. 13.- Circuito AC-GIC con un capacitor. Los resultados experimentales con esta topología se han recogido alimentando a los amplificadores operacionales con ±72 VDC. Recordando la ecuación (5), la resistencia R5 de valor 46.6 Ω permitirá emplear tensiones senoidales de referencia menores de 10 Vp para obtener valores de corriente Iac suficientemente altos, esta corriente será restringida solo por la saturación del amplificador. Según la ecuación (1), la impedancia de entrada equivalente en este caso tendrá un comportamiento inductivo como lo demuestra la figura 14. Esto crea el inconveniente de tener valores de impedancia equivalente cercanos a cero para las frecuencias menores. III. TOPOLOGÍA GIC-ACTUADOR Dentro de la forma de montar los elementos para que el circuito de la figura 9 funcione de manera adecuada, se han encontrado dos opciones que demuestran un buen desempeño. |Zin| (Ω) |Zin| AC-GIC con una capacitancia 4,5E+07 4,0E+07 3,5E+07 A. Circuito AC-GIC con un capacitor En la primera, se colocan todas las impedancias resistivas excepto Z4 (capacitancia del actuador) (Fig.13). 3,0E+07 2,5E+07 2,0E+07 1,5E+07 1,0E+07 5,0E+06 0,0E+00 10 100 1000 f (Hz) 656 10000 7 Midiendo la tensión entre R5 y tierra, se puede monitorizar la corriente que circula por el actuador. En esta oportunidad, Iac presenta una alteración cerca del cruce ascendente por cero para todo el rango de frecuencias, la figura 16 es un ejemplo para 500 Hz y 1 kHz. arg(Zinp) AC-GIC con una capacitancia arg (º) 90 89,5 89 88,5 VR5 para f = 500Hz Tensión (V) 88 0,3 87,5 0,2 87 10 100 1000 0,1 10000 f (Hz) 0 -2,5E-03 Fig. 14.-Magnitud y argumento de Zinp para el circuito AC-GIC con un capacitor. -1,0E-03 -5,0E-04 0,0E+00 5,0E-04 1,0E-03 -0,3 t (Sg) VR5 para f = 1kHz Tensión (V) 0,6 0,4 0,2 0 -1,8E-03 Vact para f = 500 Hz Vact(cc) -1,5E-03 -0,2 En cuanto al funcionamiento del actuador, su desempeño es adecuado, se puede controlar su respuesta aunque este control no es completamente satisfactorio ya que la tensión diferencial que lo polariza presenta un nivel de DC que hace que el semiciclo positivo sea un poco menor que el semiciclo negativo en todo el ancho de banda. Esto se puede observar en la figura 15 para 500 Hz y 5 kHz donde la señal Vact(CC) es la tensión diferencial medida en los bornes del actuador con nivel de DC y la señal Vact(CA) es la tensión diferencial sin nivel DC. Tensión (V) -2,0E-03 -0,1 Vact(ca) -1,4E-03 -1,0E-03 -6,0E-04 -2,0E-04 -0,2 30 -0,4 20 -0,6 t (Sg) 10 Fig. 16.- Tensión en R5 para 500 Hz y 1 kHz. 0 -2,0E-03 -1,5E-03 -1,0E-03 -5,0E-04 0,0E+00 5,0E-04 1,0E-03 1,5E-03 2,0E-03 -10 B. Circuito AC-GIC con capacitancia y resistor en paralelo. Esta segunda topología mejora los inconvenientes presentados anteriormente. En esta oportunidad se ha puesto un resistor de 1 kΩ en paralelo con el actuador (Fig. 17). De esta manera se descarta el nivel de DC en la tensión diferencial del actuador y la corriente del lazo es completamente senoidal. Las figuras 18 y 19 son un ejemplo de las respuestas obtenidas. En la figura 18 se observa la tensión diferencial en los bornes del actuador comparada con la tensión en la salida del amplificador que lo alimenta (PA85 2) y en la figura 19 se monitoriza la corriente del lazo a través de la tensión en R5 comparándola con la tensión de referencia, pudiendo observarse que son exactamente iguales. -20 -30 f (Hz) Vact para f = 5 kHz Tensión (V) Vact (cc) Vact (ca) 30 20 10 -2,0E-04 -1,0E-04 0 0,0E+00 1,0E-04 2,0E-04 -10 -20 -30 f (Hz) Fig. 15.- Tensión en el actuador para 500 Hz y 5 kHz. 657 8 Vop2 vs Vact(dif) (f = 5 kHz, Vref = 7.5 Vp) Tensión (V) Vop2 Vdif 75 60 45 30 15 0 0,0E+00 -15 5,0E-05 1,0E-04 1,5E-04 2,0E-04 2,5E-04 3,0E-04 3,5E-04 4,0E-04 -30 -45 -60 -75 t (sg) Fig. 18.- Vop2 vs. Vact(dif) para 500 Hz y 5 kHz. Vin vs VR5 (f = 500 Hz) Tensión (V) Vin VR5 3 2 Fig. 17.- AC-GIC con capacitancia y resistor en paralelo. 1 En cuanto a la impedancia de entrada equivalente, su comportamiento seguirá siendo inductivo y estará descrito por: -2,0E-03 -1,5E-03 -1,0E-03 -5,0E-04 0 0,0E+00 5,0E-04 1,0E-03 1,5E-03 2,0E-03 2,5E-04 3,8E-04 5,0E-04 -1 -2 -3 R ⋅R ⋅R Zinp = 1 3 5 ⋅ (1+ s ⋅ C4 ⋅ R4 ) R2 ⋅ R4 t (sg) (11) Vin vs VR5 (f=2 kHz) Tensión (V) Como puede notarse en (11), la impedancia de entrada equivalente presentará un zero a la frecuencia de: Vin VR5 5 4 3 1 fZ = 2 ⋅ π ⋅ C4 ⋅ R4 2 1 (12) 0 -5,0E-04 -3,8E-04 -2,5E-04 -1,3E-04 0,0E+00 1,3E-04 -1 -2 Vop2 vs Vact(dif) (f = 500 Hz, Vref = 2.7 Vp) -3 Tensión (V) Vop2 Vdif -4 75 -5 60 t (sg) 45 30 15 -2,0E-03 -1,5E-03 -1,0E-03 -5,0E-04 0 0,0E+00 -15 Fig. 19.- VR5 vs. Vref para 500 Hz y 2 kHz. 5,0E-04 1,0E-03 1,5E-03 2,0E-03 Las ecuaciones (11) y (12) se corroboran con los resultados obtenidos experimentalmente como se observa en la figura 20. -30 -45 -60 -75 t (sg) 658 9 impedancia que tiene conectada directamente a masa (Z5). El propósito principal de integrar al circuito AC-GIC con el actuador piezoeléctrico 712A02 se ha llevado a cabo. Se han obtenido resultados favorables que permiten abrir la posibilidad de contar con una topología driver no solo aplicable al actuador pues la mayoría de los elementos piezoeléctricos presentan principios de funcionamiento similares, sino a otras cargas diferentes. |Zinp| AC-GIC con actuador y resistor en paralelo |Zinp| (Ω) 4,5E+07 3,5E+07 2,5E+07 1,5E+07 AGRADECIMIENTOS 5,0E+06 10 100 1000 10000 Este trabajo ha sido posible gracias al soporte financiero de los proyectos ENE2005-08721-C04-03/ALT del Ministerio de Educación y Ciencia de España y el Fondo Social Europeo para el Desarrollo Regiona y ARVIV/2007/047 de la Generalitat Valenciana. f (Hz) arg(Zinp) AC-GIC con actuador y resistor en paralelo arg (º) 90 75 60 45 REFERENCIAS 30 [1] B. Tellegen, “The gyrator, a new electric network element”, Philips Research Laboratories, 1948, pp. 81-101. [2] A. Antoniou, “Realization of gyrators using operational amplifiers and their use in RC-active network synthesis”, Proc. IEE, vol 116, pp. 18381850. [3] S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, McGraw-Hill, 3rd ed., New York, 2001, Chap. 4. [4] D. M. G. Preethichandra, K. Shida, “A simple interface circuit to measure very small capacitance changes in capacitive sensors”, Proc. of the 17th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Baltimore 2000, vol 1, pp. 406-409. [5] K. Kawai, “Negative Impedance Converter”, US Patent, US2004/0222871A1, Nov. 11, 2004. [6] D. Ramírez-Muñoz, S. Casans-Berga, C. Reig, “Current loop generated from a generalized impedance converter: a new sensor signal conditioning circuit”, Review of Scientific Instruments, 76, 1 (2005), 066103. [7] D. Ramírez-Muñoz, J. Sánchez, S. Casans-Berga, C. Reig, A. E. Navarro, “Series sensor current loop from a generalized impedance converter circuit with reference current input”, IMTC 2006- Instrumentation and Measurement Technology Conference, Sorrento, Italy 24-27 april 2006. [8] R. Pallás-Areny, Sensores y acondicionadores de señal, Marcombo, 2da ed., Barcelona, 1994, Cáp. 6. [9] M. Cúpich, F. Elizondo, “Actuadores piezoeléctricos”, Academia de dinámica aplicada del departamento de diseño mecánico de la FIME, enero 2000, Vol. 3, No 6. 15 0 -15 10 100 1000 10000 f (Hz) Fig. 20.- Magnitud y argumento de Zinp para el circuito AC-GIC con un capacitor y resistencia en paralelo. La figura 20 también permite observar la influencia de la resonancia del actuador haciéndose evidente a una frecuencia aproximada de 300 Hz. Otro aspecto importante que se ha mejorado con esta segunda topología es que la impedancia de entrada equivalente tiene un valor suficientemente alto para las bajas frecuencias. Un inconveniente que se puede adjudicar en este caso, deriva del circuito formado por el actuador y la resistencia de 1 kΩ en paralelo, con esta topología es necesario que la corriente que circula por el lazo (Iac) sea mayor que la que demanda el actuador. Cuanto menor sea la frecuencia (domina la resistencia), mayor será la diferencia entre estas dos corrientes y para frecuencias altas (domina el actuador) la diferencia disminuye notablemente. IV. CONCLUSIONES El Convertidor Generalizado de Impedancias trabajando en régimen AC amplia el camino de investigación y aplicaciones que recientemente se ha venido presentando y que se aparta de la función clásica de la topología GIC. Con las pruebas experimentales, se ha comprobado que la topología GIC, con tensión de referencia AC, no solo cumple funciones de impedancia equivalente controlable sino que a la vez contiene un lazo de corriente muy estable que puede ser fácilmente manejado bien sea por la referencia de entrada o por la única 659