Rectificador de Precisión de Onda Completa

En base a la necesidad de medir intensidad en una carga alimentada por Corriente Alterna nos encontramos con los métodos mas comunes de sensado de corriente, como el Shunt y la inducción magnética de un conductor.
Ambos métodos poseen sus pros y contras, pero lo que tienen en común es que el nivel de tensión que nos entregan es muy bajo, bajo como para aprovechar una entrada analógica de un microcontrolador, donde se suele trabajar entre 0 y 5V (aunque se puede modificar la tensión de referencia).
Por ejemplo, si nosotros tenemos un Shunt realizado de forma hogareña en base a resistencias de bajo valor y potencia, tendremos una caída de tensión en la misma que por ley de Ohm sera proporcional la corriente que la atraviesa (Siempre que calculemos bien el valor exacto de la resistencia o Shunt).
Si tenemos una carga de 100W (por ejemplo una lampara) alimentada con una tensión de 220Vac, tendremos una corriente de unos 455mA aproximadamente.
Para medir esta corriente debemos poner un Shunt en serie a la carga para conocer la caída de tensión en el mismo y asi calcular en función a la ley de Ohm, mientras mas bajo sea el valor de la resistencia del Shunt menor sera la influencia del mismo en el circuito serie, hay que tener en cuenta que si ponemos un Shunt de 10 Ohms en serie a la carga, este funcionara como limitador de corriente en la carga y estaremos alterando el correcto funcionamiento del sistema.
Para ello se utiliza un Shunt de bajo valor (mientras menos valor tenga, mas transparente sera en el circuito a medir).
Si el shunt es de 0.1 Ohm entonces el valor seria casi despreciable, si tomamos el ejemplo anterior de la lampara de 100W y la fuente de 220Vac, entonces teníamos unos 455mA que sobre una resistencia de 0.1 Ohms nos dará una caída de tensión en el Shunt de unos 45mV, lo cual es un valor muy bajo, y si en lugar de un Shunt de 0.1 Ohm ponemos uno de 0.01 Ohm, la caída de tensión seria menor aun 4.5mV, entonces cada vez sera mas difícil de medir con nuestro multímetro o voltímetro.
Como sabemos, el ADC del MCU se encuentra de forma convencional en un rango entre 0 y 5V, entonces 45mV sera una tensión muy baja para la medición, para ello tendremos que amplificar la misma, pero como estamos hablando de corriente alterna debemos rectificarla antes.
Si nosotros ponemos un puente rectificador en base a 4 diodos, tenemos que tener en cuenta que la caída de tensión en cada diodo sera al rededor de 500mV y al ser onda completa tendrá dos diodos en serie por acá ciclo, lo cual la tensión sube a 1V, esto denota que no podremos utilizar este puente de diodos ya que rectificar una tensión alterna de 45mV con diodos sera imposible porque debemos vencer la tensión directa de los diodos para que los mismos comiencen a conducir.
Para lograr el rectificado de una señal de baja amplitud realizaremos un rectificador de onda completa en base a amplificadores operacionales que nos permitirá realzar la señal y luego rectificarla con precisión.



Como podemos ver en el diagrama, tenemos el circuito dividido en 4 etapas:

1) El amplificador U4 realiza la función de seguidor de tensión o buffer, este funcionamiento es útil para que nuestro circuito sea "transparente" para la fuente de señal, es decir genera una entrada de muy alta impedancia en la medición.

2) El amplificador U1 podremos dividirlo en dos partes:
a) La primera parte se compone por R3, R1 y D1, conformando un amplificador inversor normal pero con un diodo en serie. 
b) La segunda parte se compone por R3, R2 y D2, conformando un amplificador inversor normal pero con un diodo en serie.
Como podremos ver son dos configuraciones inversoras en un mismo amplificador operacional, esto es posible gracias a los diodos, ya que estamos amplificando una señal alterna entonces según el hemiciclo de la onda funcionara la parte A o la parte B.
La señal es amplificada por 10 ya que R3 es 1k y R1 o R2 son 10k.

3) El amplificador U2 es un amplificador doble, parecería un amplificador inversor pero como R4 esta conectada al nodo R1 y D1, funcionara cuando el diodo este en directa y no en inversa, entonces este amplificador U2 funcionara a demanda del hemiciclo, esto es asi porque el hemiciclo negativo posee una ganancia menor que el positivo, esto se compensa con este bloque amplificador U2.

4) El ultimo amplificador U3 sera un amplificador no inversor de ganancia 10 para realzar el nivel de tensión.



En esta imagen de simulación en el proteus podremos ver las cuatro etapas en el osciloscopio.

1) {Amarillo} Ingresamos con una señal de 10mVp o 20mVpp y la amplificamos por 10
2) {Azul} La señal para por el buffer sin modificarse.
3) {Rojo} La señal ya rectificada con 100mV de amplitud
4) {Verde} La señal amplificada 10 veces con 1V de amplitud.

En este caso estamos amplificando una señal de 10mVpp, si ingresamos los 45mV anteriormente mencionados en el ejemplo (45mVrms) serán unos 127mVpp (suponiendo que la forma de onda es senoidal ya que se ha calculado en base a raiz de 2).
Entonces tendríamos en nuestro simulador los siguientes valores:

1) 127mVpp
2) 127mVpp
3) 635mVp
4) 6.35Vp

Entonces debemos modificar la etapa numero 4 para que la tensión no supere los 5V ya que sera el maximo admisible por la entrada ADC.
Debemos reducir el valor de R6 al fin de que el fondo de escala de nuestro sensor de corriente, al pasar por este circuito, no nos de mas de 5V como máximo.