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Pontes para Sensores (INS167)

Muitos sensores usados em instrumentos de medidas apresentam a configuração em ponte. É o caso de sensores de temperatura e pressão que consistem em pontes de Wheatstone as quais são desequilibradas em função da grandeza que está sendo medido. Estes sensores possuem portanto duas saídas que devem ser aplicadas a amplificadores operacionais de modo a fornecer uma tensão ou corrente proporcional ao valor da grandeza medida. Não basta, entretanto, fazer a ligação a um amplificador operacional para se ter o desempenho desejado para o circuito. Existem diversas configurações possíveis e é delas que trataremos neste artigo, baseados na documentação da Linear Technologies (www.linear.com).

As pontes de medida são bastante antigas, devendo sua origem ao conhecido Charles Wheatstone em 1830 aproximadamente, criou a configuração que hoje recebe seu nome. Nesta ponte, que todos conhece, quando os resistores têm valores que estão na proporção RA/RB = RC/RD ela estará em equilíbrio e a tensão de saída será nula, conforme mostra a figura 1.

 

 

Quando um dos resistores é variável, por exemplo, um sensor, a tensão na saída se altera e assumirá um valor proporcional ao resistor, possibilitando assim a medida de grandezas associadas à variação da resistência desse sensor.

Nas configurações antigas tradicionais, um dos resistores é o sensor ou ainda a resistência que se deseja medida enquanto que é colocado um resistor variável na configuração de modo a se poder obter o equilíbrio da ponte pelo seu ajuste, conforme mostra a figura 2.

 

 

Para detectar o equilíbrio pode-se usar um simples galvanômetro ou ainda, se alimentarmos a ponte com um sinal de áudio, podemos usar como detector de nulo um fone de ouvido, conforme mostra a figura 3.

 

 

Nas configurações modernas, o que se faz é detectar ou medir a tensão de saída com um amplificador operacional. Conforme sabemos, o amplificador operacional vai amplificar a diferença entre as tensões aplicadas às suas entradas podendo, portanto ser ligado diretamente na saída da ponte, conforme mostra a figura 4.

 

 

No entanto, nas aplicações modernas em que se exige precisão e onde existem diversos fatores que podem afetar o funcionamento de um amplificador na configuração indicada, deve-se analisar o circuito antes de se escolher o modo de se fazer a conexão do sensor ao amplificador. Influi neste caso principalmente a chamada Relação de Rejeição em Modo Comum ou Common Mode Rejection Ratio, abreviada por CMRR.

O que ocorre é que quando as tensões nas duas entradas de um amplificador operacional são iguais, teoricamente a saída deveria ser nula, conforme mostra a figura 5.

 

 

Na prática, entretanto, isso não ocorre e uma pequena tensão surge, afetando assim a indicação de nulo, se o amplificador for usado numa ponte. Para se evitar esse problema é que se deve, antes de se partir para a simples conexão do sensor a um amplificador, estudar qual vai ser a configuração usada.

Dependendo da configuração ela pode apresentar vantagens em relação a CMMR e também a outros fatores que podem influir no desempenho de um circuito sensor em ponte.

 

As configurações

A primeira configuração possível é justamente a tradicional, que liga diretamente a saída da ponte sensora à entrada de um amplificador operacional, conforme mostra a figura 6.

 

 

Nesta configuração temos um CMRR que alcança mais de 110 dB e um desvio de 0,05 uv/oC. A precisão no ganho pode chegar aos 0,03% e o desvio de ganho com a temperatura é da ordem de 4 ppm/oC. A desvantagem desta configuração está justamente no ganho e na estabilidade nas aplicações que exigem maior precisão. Nestes casos deve-se utilizar uma segunda etapa para se ajustar o ganho.

Uma segunda configuração possível permite melhorar o desempenho com a programação de ganho e também o uso de capacitores para desacoplamentos, conforme mostra a figura 7.

 

 

Neste circuito a relação entre R1 e R2 determina o ganho do amplificador operacional. Com esta configuração pode-se elevar o CMRR para mais de 120 dB e obter-se um desvio com a temperatura de apenas 0,05 uV/oC. A precisão sobe para 0,001%. A finalidade dos capacitores é proporcionar uma ação d filtro passa-baixas evitando assim a interferência de sinais que possam afetar o funcionamento do amplificador. Trata-se de uma boa escolha para circuitos em que se deseja um alto-desempenho.

A desvantagem está na maior complexidade do circuito e na faixa passante limitada. A presença de resistores de realimentação para fixar o ganho é outro fator a ser considerado, pois estes elementos do circuito passam a influir na sua precisão.

Na figura 8 temos outra opção para configuração de ponte em que usamos um amplificador com ganho estabelecido por resistores de realimentação externos.

 

 

Observe a diferença em relação ao circuito anterior em que as entradas são flutuantes. Neste circuito, uma das saídas da ponte é aterrada. Os resistores R2 e R1 determinam o ganho do circuito.

A principal vantagem deste circuito é que o CMRR pode chegar a mais de 160 dB e o desvio com a temperatura a 0,05 uV/oC com uma precisão de ganho de 0,001%. No entanto, com a fonte não flutuantes, não temos uma saída relaciométrica para a ponte o que pode ser um obstáculo para sua aplicação em alguns casos. Outra desvantagem está na necessidade de componentes externos, no caso resistores, que influem na sua precisão. O ruído deste circuito também é muito baixo.

Uma aplicação interessante de circuito de ponte é a que faz uso de uma alimentação estabilizada para esta ponte, conforme mostrado na figura 9, em que um diodo zener é usado para esta finalidade.

 

 

O CMRR deste circuito chega aos 140 db e o desvio com a temperatura a 0,05 uV/oC com uma precisão que alcança os 0,001%. O desvio no ganho é de 1 ppm/oC utilizando-se resistores apropriados. O ganho deste circuito será determinado pelos resistores no circuito de realimentação do amplificador operacional.

Neste caso, pelo aterramento de um dos braços da ponte não temos uma saída relaciométrica. Como outro fator de desvantagem, temos o fato de que o zener pode ser um elemento introdutor de erros nas medidas, principalmente em termos de sua estabilidade com a temperatura. Outro ponto é que, com a presença do zener, necessita-se de uma corrente mínima para a operação deste dispositivo, o que pode ser um fator importante nos projetos em que se visa o menor consumo possível.

Passamos agora a uma configuração mais complexa que exige uma fonte simétrica para o amplificador operacional. Esta configuração é mostrada na figura 10.

 

 

Observe que um dos braços da ponte é ligado na tensão de zero volt da fonte simétrica empregada.

As vantagens deste circuito estão na elevada relação de rejeição em modo comum que chega aos 160 dB e na precisão que chega aos 0,001%. O desvio com a temperatura é da ordem de 0,05 uV/oC. O ganho é determinado pela relação entre os valores dos resistores no circuito de realimentação do amplificador operacional. O ruído de saída é bastante baixo, com o uso de técnicas apropriadas.

A desvantagem principal está na necessidade de uma etapa adicional que converte os níveis de tensão de saída que oscilam entre positivo e negativo para uma oscilação entre 0 e um valor que depende da aplicação. Isso significa a necessidade de um circuito adicional de isolamento, o que pode ser um fator a mais que vai influir na estabilidade e na precisão do circuito.

Uma outra configuração interessante é a que faz uso de uma fonte simétrica para a ponte e uma fonte simples para o amplificador operacional, mostrada na figura 11.

 

 

Com este circuito é possível obter uma rejeição em modo comum na faixa de 120 a 140 dB e um desvio com a temperatura de 0,05 uV/oC. A precisão de ganho será da ordem de 0,001% com a utilização de componentes apropriados. O desvio de ganho, que também depende dos componentes pode chegar a apenas 1 ppm/oC. Também é possível obter um baixo ruído para esta configuração.

A desvantagem está no usa da fonte simétrica que deve ser bem precisa para se obter um grau de simetria exigido para a precisão do circuito e também para se obter o melhor CMRR, A presença de resistores de realimentação também é um fator que influi no desempenho do circuito.

Temos finalmente uma configuração mais complexa que faz uso de dois amplificadores operacionais e que é mostrada na figura 12.

 

 

Este circuito faz uso de um segundo amplificador operacional para realimentar a própria ponte. Com isso pode-se elevar o CMRR que, nesta configuração chega aos 160 dB. O desvio com a temperatura é de 0,25 uV/oC e a precisão de ganho de 0,001%. A desvantagem principal está na necessidade de se usar dois amplificadores além de diversos outros componentes externos que podem afetar a precisão. Temos ainda a necessidade de uma fonte simétrica para alimentar os amplificadores.

 

Conclusão

A escolha da melhor configuração está condicionada a diversos fatores como o ganho, precisão CMRR e número de componentes externos. Também deve ser levado em conta o consumo do circuito. Analise antes o que você precisa para depois optar pelo melhor circuito para sua ponte.

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