Medidor de corrente de baixo custo (INS227)

Escrito por Newton C Braga

Apesar das soluções que fazem uso de mostradores digitais serem as mais usadas nos equipamentos modernos, existem ainda casos em que pode-se preferir um medidor analógico de bobina móvel é mais interessante. De fato, quando se deseja fazer leituras muito rápidas ou ainda monitorar variações de uma grandeza, essa solução pode ser melhor. Nesse artigo adaptado de um application note da Texas Instruments, mostramos como pode-se implementar uma solução moderna para um medidor de tecnologia antiga.

Os medidores de bobina móvel ainda são muito melhores em certas aplicações, principalmente naquelas em que variações da grandeza monitorada devem ser observadas.

No entanto, a grande desvantagem de tais medidores está na necessidade de correntes relativamente altas do circuito analisado precisarem ser derivadas.

Para a monitoria de correntes muito baixas é necessário usar uma fonte externa e circuitos capazes de amplificar linearmente a grandeza sensoriada de modo que ela possa excitar o instrumento.

A solução que apresentamos nesse artigo é sugerida pela Texas Instruments (www.ti.com), sendo baseada num monitor de corrente tipo shunt INA193 que tem uma ganho de 20V/V e é alimentado por uma tensão de 5 V.

Na figura 1 temos o circuito básico para uma aplicação que utiliza um instrumento de 15 mA de fundo de escala para medir correntes de 0 a 100 mA usando como shunt um resistor de apenas 1 ?.

 

Figura 1
Figura 1

 

A faixa de tensões do circuito monitorado vai de -16 V a +80 V o que o torna ideal para instrumentação industrial.

O circuito sensoria a queda de tensão no resistor Rs em série com a carga, obtendo-se uma tensão de 100, mV com uma corrente de 100 mA. Esse resistor pode ter seu valor alterado em função da aplicação, conforme a faixa de corrente a ser medida.

Para o circuito integrado usado, a tensão máxima permitida na entrada é de 500 mV, para se onter a maior precisão. No circuito indicado, o ganho de tensão do circuito é de 20 vezes, resultando assim numa tensão de saída à plena escala de 2 V.

A tensão máxima de saída do operacional é justamente limitada pela tensão de alimentação que é de 5 V nesse caso. Um ponto importante nesse projeto é escolher um MOSFET que tenha uma tensão limiar gate-fonte baixa. Essa tensão Vgs influi no circuito já que ela é subtraída da variação da tensão de saída do amplificador.

Para o BSN254 usado nesse circuito, a tensão limiar máxima Vgs é de 2 V o que está dentro do que se considera satisfatório para a aplicação.

Deve-se ainda considerar a corrente máxima de deflexão para o instrumento de 15 mA quando a tensão é 12 V, o que significa um resistor de:

R = 2V/15 mA = 133 ?, ligado em série com a fonte do transistor de efeito de campo. Esse resistor pode ter seu valor alterado em função das características do instrumento usado.

Veja que, pelo fato de que a corrente no instrumento é algo elevado assim como a tensão, o instrumento pode ficar a uma boa distância do ponto em que é feito o sensoriamento da corrente num circuito.

Evidentemente capacitores de desacoplamento e filtro devem ser previstos para que ruídos não sejam captados pelo circuito.


Os Monitores de Corrente tipo Shunt da Família INA19x

A família de monitores de corrente INA19x têm diversios dispositivos que permitem uma ampla gama de aplicações no monitoramento de correntes em circuitos.

Os INA194 e INA195, por exemplo, têm a mesma pinagem mas oferecem ganhos diferentes. Os ganhos são de 50 V/V e 100 V/V respectivamente. Três outros dispositivos dessa família, os INA196, 197 e 198, são funcionamentos idênticos, mas têm pinagens diferentes.

Uma característica importante dos componentes dessa família é a elevada faixa de tensões de rejeição em modo comum eu se extende de -16 V a +80 V, operando com uma fonte de alimentação simples.

Na figura 2 temos um diagrama simplificado da topologia interna dos componentes dessa família por onde podemos ver que, quando a tensão em modo comum que aparece na entrada é positiva, o amplificador A2 é que se encontra ativo.

 

Figura 2
Figura 2

 

Quando a tensão em modo comum é negativa, o amplificador A1 é que se encontra atvo, excitando então um espelho de corrente cuja saída através de RL fornece a tensão de sinal para o amplificador buffer de saída.

Essa arquitetura diferente que tem patente pendente assegura uma operação bastante eficiente do dispositivo, mesmo durante o período de transição, quando os dois amplificadores estão ativos (A1 e A2).

Os pinos de entrada Vin+ e Vin- devem ser conectados os mais próximos quanto seja possível do resistor de shunt de mono a minimizar qualquer resistência que apareça em série com a resistência de shunt.

Capacitores "bypass" na alimentação são exigidos para se obter a maior estabilidade possível. Aplicações que utilizem fontes ruidosas ou de alta impedância, exigem capacitores adicionais de desacoplamento de modo a desacoplar ruídos da fonte. Os capacitores "bypass" devem ser conectados os mais próximos quanto seja possível dos pinos de alimentação.

O circuito de entrada dos INA19x podem medir com precisão alkém de sua tensão de alimentação. Por exemplo, se a fonte de alimentação for de 5 V, a carga pode ser alimentada até +80 V. A tensão de saída no terminal OUT, entretanto está limitada à tensão do pino de alimentação.

A precisão dos INA19x é precisa dentro a faixa de tensões de saída fixada pela alimentação do pino +V. Isso pode ser melhor ilustrado nos casos dos INA195 e INA198 (ambos com ganho 100), onde uma entrada de 100 mV de fundo de escala do resistor de shunt exige uma excursão da tensão de saída de +10 V e portanto uma tensão de alimentação suficiente para alcançar isso na saída, ou seja, +10 V.

Uma localização óbvia para a filtragem dos sinais é a saída dos INA18x, no entanto, afeta a eficiência do buffer de saída interno devido sua baixa impedância. A única outra opção para filtragem é então os pinos de entrada, o que é algo complicado devido à impedância interna de aproximadamente 5 k ? (+30%), conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Usando os menores valores de resistores possíveis pode-se minimizar o deslocamento inicial no ganho e os efeitos da tolerância . Mostra-se que se um par de resistores de 100 m? x 1% for usado na entrada, conforme indicado na figura 3, o erro inicial de ganho será de apenas 1,96%.

 

Conclusão

O uso dos circuitos integrados da série INA19x pode ser uma solução interessante para os casos em que instrumentos de bobina móvel ainda sejam uma opção para o painel de uma máquina.

Mesmo sendo instrumentos de uma tecnologia mais antiga, existem os casos em que eles podem ser preferidos e nesse caso, a opção por um circuito de arquitetura mais moderna que compense as diversas desvantagens que esse tipo de indicador apresenta, pode ser algo que o projetista deve levar em conta.