Explicación de los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje

«¿Alguna vez has escuchado sobre los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje y te has preguntado de qué se tratan? En este artículo te explicaremos de forma sencilla y detallada cómo funcionan estos circuitos y para qué se utilizan. ¡No te lo puedes perder!»

Los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje se encuentran en muchos dispositivos electrónicos diferentes. Se utilizan para cambiar la frecuencia de una señal de CA en un voltaje correspondiente. Esto puede ser útil para muchas aplicaciones diferentes, como alimentar motores o LED. En este artículo, discutiremos los conceptos básicos de la conversión de frecuencia a voltaje y brindaremos algunos consejos sobre cómo diseñar sus propios circuitos convertidores.

Definición general de convertidores de frecuencia a voltaje

Entonces, comenzando con una pregunta principal, ¿qué es exactamente un circuito convertidor de frecuencia a voltaje? En términos simples, es un dispositivo que toma una señal de entrada (en forma de frecuencia) y la convierte en un voltaje de salida proporcional. La señal de entrada puede ser CA o CC. Estos dispositivos también se conocen como convertidores FM o convertidores f-to-v. Este voltaje de salida se puede usar para controlar varios dispositivos o procesos.

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Hay diferentes tipos de convertidores de frecuencia a voltaje. Estos se basan en el número de canales, la linealidad y el tipo de señal de entrada. Los tipos más comunes son convertidores de un solo extremo y diferenciales.

Convertidor diferencial: Estos tienen dos entradas (positiva y negativa) y una salida. La ventaja de este tipo es que es relativamente inmune al ruido.

Convertidor de un solo extremo: Estos tienen solo una entrada y una salida. Son más susceptibles al ruido pero son más fáciles de diseñar y construir.

Linealidad: Esto se refiere a qué tan bien el voltaje de salida representa la frecuencia de entrada. Si la relación es lineal, entonces una duplicación de la frecuencia de entrada resultará en una duplicación del voltaje de salida. Si no es lineal, entonces la relación no es proporcional.

El tipo de circuito FVC que sea mejor para su aplicación particular dependerá de sus necesidades específicas. Si la precisión es primordial, entonces un convertidor lineal es probablemente su mejor opción. Sin embargo, si necesita poder manejar una amplia gama de frecuencias de entrada, entonces un convertidor no lineal podría ser una mejor opción. [1], [2]

Propósito de los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje

Como acabamos de mencionar, los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje tienen una amplia gama de aplicaciones en la industria, donde es necesario convertir una señal de frecuencia variable en un voltaje proporcional.

Explicación de los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje

Estos dispositivos se usan comúnmente en velocímetros, donde convierten la velocidad de rotación del eje de un motor en una señal eléctrica que se puede mostrar en un medidor. Al convertir la frecuencia en voltaje, se vuelve más fácil controlar la velocidad de un motor. Esto se debe a que el voltaje se puede variar para cambiar la velocidad a la que gira el motor.

Otras aplicaciones comunes para circuitos convertidores de frecuencia a voltaje incluyen varias herramientas que analizan equipos de prueba de vibraciones y materiales. Los FVC también se pueden utilizar con fines de adquisición de datos. Con su amplia gama de usos, no es de extrañar que sean tan populares.

Uso de FVC en sistemas de seguridad

Otro uso para un FVC es en sistemas de seguridad. Al monitorear la frecuencia de los sonidos, estos circuitos convertidores se pueden usar para detectar intrusos o robos. Por ejemplo, si hay un aumento repentino en la frecuencia, podría ser una indicación de que alguien está tratando de entrar en un edificio.

Uso de FVC en el procesamiento de audio

También se pueden utilizar en el procesamiento de audio. Los sistemas de procesamiento de audio utilizan circuitos convertidores de frecuencia a voltaje para convertir las señales de audio en salidas de voltaje proporcional. Los sistemas de acondicionamiento de señales usan circuitos convertidores de frecuencia a voltaje para acondicionar las señales antes de enviarlas a los sistemas de adquisición de datos. Los sistemas de adquisición de datos usan circuitos convertidores de frecuencia a voltaje para convertir las señales de entrada en valores digitales que pueden ser procesados ​​por una computadora.

Uso de FVC en tacómetros

Los tacómetros son dispositivos que miden la velocidad de rotación de un objeto. Se utilizan comúnmente en motores, donde se utilizan para medir la velocidad del motor. Los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje se utilizan en tacómetros para convertir la velocidad de rotación del eje de un motor en una señal eléctrica que se puede mostrar en un medidor.

La señal de entrada del tacómetro suele ser una onda cuadrada o una señal de pulsos por revolución (PPR). El voltaje de salida del convertidor de frecuencia a voltaje es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada.

Los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje también se utilizan en otros tipos de medidores, como medidores de agua y medidores de gas. En estas aplicaciones, la señal de entrada suele ser un sensor magnetorresistivo o un interruptor de láminas. El voltaje de salida del convertidor de frecuencia a voltaje es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada. [2], [3], [4]

Qué convertidores de frecuencia a voltaje pueden recibir como señal de entrada

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Las señales de CA son aquellas que alternan entre voltajes positivos y negativos; en otras palabras, no son constantemente positivos o constantemente negativos. Este es el tipo de señal que sale del enchufe de la pared de tu casa. Las señales de CC, por otro lado, son constantes; siempre son positivos o negativos (pero nunca ambos).

Además de esos dos tipos de señales, también puede ver referencias a señales pulsadas. Estas son señales que cambian rápidamente, pero no constantemente. Pueden ser periódicas (lo que significa que ocurren a intervalos regulares) o aperiódicas (lo que significa que no ocurren a intervalos regulares).

Además de pulsos, FVC puede recibir formas de onda de otros dispositivos como microcontroladores o sensores. Estas señales pueden ser digitales o analógicas. Si no está seguro de qué tipo de señal puede recibir su FVC, consulte la hoja de datos o hable con el fabricante.

Algunos dispositivos vienen con filtros especiales que les ayudan a ignorar el ruido en la señal de entrada. Esto puede ser importante si está trabajando con un dispositivo muy sensible o si está tratando de medir un cambio de voltaje muy pequeño. [2], [5], [6]

Componentes principales del circuito convertidor de frecuencia a voltaje

Los componentes principales de un circuito convertidor de frecuencia a voltaje son un amplificador y una red de condensadores de resistencia.

Amplificador

El amplificador es la primera etapa del circuito convertidor de frecuencia a voltaje y su propósito es amplificar la señal de entrada. Luego, la señal amplificada se envía a la red de resistencias y capacitores.

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Los amplificadores operacionales son ideales para usar en circuitos convertidores de frecuencia a voltaje porque tienen una ganancia muy alta y se pueden configurar fácilmente para entradas diferenciales o de un solo extremo.

circuitos RC

El propósito de la red de resistencia-capacitor, o circuito RC, es filtrar cualquier componente de alta frecuencia no deseado de la señal amplificada, lo cual es clave para obtener resultados precisos.

El circuito RC se compone de dos resistencias y un condensador conectados en serie. El valor del condensador se elige de modo que bloquee las señales de alta frecuencia pero pase las señales de baja frecuencia.

El tipo más común de condensador utilizado en un circuito RC es un condensador cerámico. Los capacitores cerámicos son ideales para usar en circuitos convertidores de frecuencia a voltaje porque tienen una impedancia muy baja a altas frecuencias.

Todos estos componentes se almacenan como bloques funcionales en el microchip FVC. [6], [7]

Cómo funciona el circuito convertidor de frecuencia a voltaje

Ahora que conocemos los conceptos básicos de los circuitos convertidores de frecuencia a voltaje, echemos un vistazo más profundo a cómo funcionan estos dispositivos.

Cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor, genera un campo magnético alrededor del conductor. Este campo magnético inducirá una fuerza electromotriz en cualquier conductor cercano. La magnitud de este voltaje inducido es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético, que a su vez es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada.

Por lo tanto, al diseñar adecuadamente los valores del inductor y el capacitor en el circuito, podemos obtener un voltaje de salida deseado que sea proporcional a la frecuencia de entrada. [2]

Ejemplos de circuitos convertidores de frecuencia a voltaje

Ahora que conocemos los conceptos básicos de cómo funciona un circuito convertidor de frecuencia a voltaje, echemos un vistazo a algunos ejemplos de estos dispositivos.

CI LM2917

El LM2917 es un IC convertidor de frecuencia a voltaje que se usa ampliamente en muchas aplicaciones. Este chip tiene un tensión de alimentación máxima de 28V y un rango máximo de voltaje de entrada de 28V también.

El LM2917 tiene un pin de tacómetro de entrada incorporado que se puede usar para medir la velocidad de un eje giratorio y que es compatible con la mayoría de los captadores magnéticos.

Además, el chip puede duplicar voltajes de ondulación bajos y tiene una impedancia de salida baja.

Esto hace que el LM2917 sea ideal para su uso en el control de la velocidad del motor, los sistemas de gestión del motor, el control de la velocidad de la turbina, etc.

Las aplicaciones para el LM2917 incluyen:

  • Control del motor
  • robótica
  • Conversión de frecuencia [1], [9]

CI LM555

Otro IC convertidor de frecuencia a voltaje popular es el LM555. Este chip es un temporizador de precisión que se puede utilizar para generar retrasos y oscilaciones de tiempo precisos. También se puede utilizar como multivibrador astable o monoestable.

El chip LM555 tiene 8 pines y se puede configurar fácilmente para construir un circuito FVC. Es muy utilizado en aplicaciones como temporizadores, alarmas, generación de pulsos, etc.

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V de salida = V de entrada x R fx -Ci [4]

IC TC9400

Este es un convertidor de frecuencia a voltaje común que se usa en muchas aplicaciones. Tiene una amplia gama de frecuencias de entrada y se puede utilizar para señales de CA y CC.

Cuenta con un bajo consumo de energía y un amplio rango de voltaje de entrada, lo que lo hace ideal para dispositivos que funcionan con baterías.

Eso, además del factor de escala programable, hace del TC9400 un chip versátil.

Aplicaciones:

  • Conversión de una señal de CA a CC
  • Frecuencia de medición
  • Transmisión de datos analógicos
  • Supervisión de la velocidad del motor

Para construir un circuito convertidor de frecuencia a voltaje basado en el microchip TC9400, deberá agregar algunos componentes adicionales. Estos son:

  • amplificador operacional integrador
  • circuito de un tiro
  • Circuito de control de descarga de carga
  • circuito de retardo 3uS
  • Retraso por 2 redes
  • Conductores

Ahora, es el momento de una breve explicación de cómo funciona este circuito. Primero, el amplificador operacional del integrador toma la señal de entrada y la convierte en voltaje. Este voltaje es igual a la frecuencia de salida.

El circuito de un solo disparo crea una señal de modulación de ancho de pulso. Esta señal luego se alimenta al circuito de control de descarga de carga. Luego se controla la carga y descarga del voltaje de salida del amplificador operacional del integrador.

El circuito de control de descarga de carga controla la carga y descarga del condensador. Esto controla el voltaje de salida del amplificador operacional del integrador.

Luego, dos redes alimentan el voltaje de salida del amplificador operacional del integrador al retardo. Esta red retrasa la señal en dos ciclos de reloj.

Finalmente, los conductores toman esta señal retrasada y la convierten en una corriente que puede usarse para impulsar una carga.

Como puede ver, con solo unos pocos componentes adicionales, podemos crear fácilmente un convertidor de frecuencia a voltaje basado en TC9400. [1], [3], [8]

Preguntas más frecuentes

¿Cuál es el propósito principal de usar un convertidor de frecuencia a voltaje?

El propósito principal de usar un convertidor de frecuencia a voltaje es convertir una señal de entrada que varía en frecuencia en un voltaje de salida.

Los convertidores de frecuencia a voltaje se utilizan en una variedad de aplicaciones, como convertir la velocidad del eje de un motor en un voltaje analógico correspondiente o monitorear la variación en la frecuencia de una fuente de alimentación de corriente alterna (CA).

También se pueden utilizar para aplicaciones más especializadas, como detectar y medir cambios muy pequeños en la frecuencia o proporcionar señales de control para dispositivos electrónicos que funcionan a frecuencias específicas.

¿Cómo se hace la conversión de frecuencia?

La conversión de frecuencia es el proceso de convertir una señal de una frecuencia a otra. Los convertidores de frecuencia se pueden utilizar para cambiar la frecuencia de una señal de CA o para convertir entre CA y CC.

Hay varias formas de convertir frecuencias, pero el método más común es mediante el uso de un transformador. Un transformador es un dispositivo eléctrico que utiliza la inducción electromagnética para cambiar el voltaje de una señal de corriente alterna (CA).

Los transformadores funcionan induciendo un voltaje en un conductor cuando se coloca en un campo magnético cambiante. La cantidad de voltaje inducido depende del número de vueltas en el conductor y la velocidad a la que cambia el campo magnético.

¿Cómo se convierte pulso a voltaje?

La conversión de pulso a voltaje se logra mediante el uso de un convertidor de frecuencia a voltaje para convertir la frecuencia del pulso de entrada en un voltaje correspondiente.

El voltaje de salida del convertidor es proporcional a la frecuencia del pulso de entrada, por lo que al variar el ciclo de trabajo de los pulsos de entrada, se puede controlar el voltaje de salida.

Sin embargo, deberá ajustar el nivel de la señal para asegurarse de que el convertidor pueda convertir con precisión los pulsos de entrada en un voltaje.

Video útil: Convertidores de frecuencia a voltaje y de voltaje a frecuencia

Conclusión

Los convertidores de frecuencia son una parte esencial de muchos dispositivos electrónicos. Al convertir una corriente con una frecuencia en una corriente con otra frecuencia, permiten que diferentes dispositivos se comuniquen entre sí. Esto se puede hacer internamente en un solo dispositivo o externamente entre dos dispositivos. El voltaje normalmente es el mismo antes y después de la conversión de frecuencia, lo que los convierte en una forma eficiente de cambiar la señal sin perder potencia.

En este artículo cubrimos algunos tipos de microchips de circuito FVC y explicamos las aplicaciones más comunes. Con todo, si bien FVC puede parecer una simple pieza de tecnología, son esenciales para la vida moderna. ¡Gracias por leer!

[1]

  1. https://www.ourpcb.com/frequency-to-voltage-converter.html#Frequency_to_Voltage_Converter_Circuits
  2. https://www.globalspec.com/learnmore/data_acquisition_signal_conditioning/signal_converting/frequency_to_voltage_converters
  3. https://www.circuitstoday.com/frequency-to-voltage-converter
  4. https://www.elprocus.com/convertidor-de-frecuencia-a-voltaje-usando-555-ic/
  5. https://www.allaboutcircuits.com/video-tutorials/ac-and-dc-signals/
  6. https://microcontrollerslab.com/frequency-to-voltage-converter-circuits/
  7. https://www.easytechjunkie.com/what-is-a-frequency-to-voltage-converter.htm
  8. https://www.mouser.in/new/microchip/microchip-tc9400-vf-converters/
  9. https://www.homemade-circuits.com/frequency-to-voltage-converter-circuit/
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