Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
AJUSTE DE SPAN E ZERO Kazuo Nakashima Escola Federal de Engenharia de Itajubá Departamento de Eletrônica RESUMO: O processo de ajuste é necessá- rio devido à tolerância que os componentes eletrônicos apresentam. Técnicas inadequa- das ou especificações incorretas dos compo- nentes de ajustes, podem tornar o processo de ajuste extremamente impreciso e cansati- vo. I - AJUSTE FINO A precisão dos circuitos com amp op de- pende da precisão dos componentes passivos como resistores e capacitores, instalados ex- ternamente ao amp op. Os resistores fabricados atualmente apre- sentam excelente precisão, melhor que 1%, e boa estabilidade térmica, melhor que 25 ppm/K. Os capacitores, no entanto, apresentam menor precisão, típico 5%, além de menor es- tabilidade térmica. O coeficiente térmico da capacitância pode ser positivo (P), negativo (N) ou aproximadamente zero (NPO). Trimpot Em aplicações que requerem precisão, é comum utilizar TRIMPOT (potenciômetro de ajuste 3/4 de volta ou multi-voltas) para possi- bilitar o AJUSTE FINO do circuito. Este trimpot deve ser especificado com o menor valor ohmico possível para aproveitar toda excursão possível do cursor e facilitar o processo de ajuste. Baixo valor de resistência contribui para diminuir a deriva térmica da resistência, visto que os trimpots não possuem boa estabilidade térmica como os resistores "metal film". O conjunto "trimpot Rp em série com o re- sistor Ro" deve cobrir, na medida exata, toda faixa de variação da resistência necessária para compensar as tolerâncias dos demais componentes. Para uma especificação mais precisa é ne- cessário um cálculo de pior caso onde são ob- tidos os valores máximos e mínimos, Rmáx e Rmín . p máx. mín o mín. R R - R . R R ≥ ≤ Rp Ro Figura 1- Trimpot de Ajuste Num cálculo rápido, podemos adotar Ro=0.9 RN e Rp=0.2 RN, para uma faixa de ajuste de ±10%, ou, Ro=0.8 RN e Rp=0.4 RN, para uma faixa de ajuste de ±20%. RN (nominal) é a resistência calculada com os valores nominais dos demais componen- tes. Faixa de ajuste Ro Rp ±10% 0.9 RN 0.2 RN ±20% 0.8 RN 0.4 RN Quanto maior a tolerância dos demais componentes, maior será o valor ohmico do trimpot, e mais difícil será o processo do ajus- te fino. Técnicas de ajustes Um trimpot 3/4 de volta e uma boa técnica de ajuste pode apresentar resultados melho- res que um trimpot multivoltas associada a uma péssima técnica de ajuste. Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 2 EXEMPLO: o esquema apresentado na Figu- ra 2 utiliza uma técnica incorreta para produzir uma tensão entre -75mV e +75mV, ou seja, uma faixa de ajuste de 150mV, a partir de uma tensão alimentação fixa de ±15V. Utilizando um potenciômetro ¾ de volta (270º) o ângulo de ajuste será de apenas 1,35º ou seja, utilizaremos apenas 0,5% da faixa de ajuste do potenciômetro. Mesmo utilizando trimpot de 15 voltas, será muito difícil ajustar a tensão devido à baixa sensibilidade do trimpot, 2V/volta. Para ajus- tarmos uma faixa de 150mV, utilizaremos os mesmos 0,5% da faixa de ajuste, ou seja, a- penas 0,075 voltas do trimpot (ou apenas 27º). +15V -15V Ω10k Figura 2 - Faixa de ajuste de 30V. Podemos melhorar a faixa de utilização do trimpot se adicionarmos resistores limitadores e diminuirmos o valor ôhmico do mesmo, co- mo mostra a Figura 3. Variando o trimpot 3/4 de volta de batente a batente (270o), conseguimos a mesma faixa de ajuste de 150mV com uma sensibilidade 10 vezes maior que a técnica anterior. +15V -15V Ω15k Ω15k Ω150 3/4 Volta 3/4 Volta Ω10k +15V -15V Ω15k Ω15k Ω150 Figura 3 - Faixa de ajuste de 150mV Esta técnica, melhor que a anterior, ainda não é uma boa solução. Qualquer alteração, seja na fonte de alimentação, seja nas resis- tências, deslocaria a faixa de ajuste fora da faixa desejada (500mV a cada 1V de assime- tria em Vcc e 75mV a cada 1% de assimetria nas resistências) Uma pequena variação de 1% na resistên- cia, como indicada na Figura 4(a), ou uma va- riação de 5% em uma das fontes de alimenta- ção, como mostra a Figura 4(b), impossibilita- ria o ajuste na faixa desejada. +15V -15V Ω15k Ω ∗15,15k Ω150 +15,75V -15V Ω15k Ω15k Ω150 0....150mV 300.... 450mV+ + Figura 4 - Faixa de ajuste de 150mV A melhor técnica, apresentada na Figura 5, consiste na utilização de um divisor resistivo na saída do potenciômetro convencional 3/4 de volta. 1 1 1 2 2 2 R RVo = Vcc Vcc R +R R R1 Vo Rp R R2 Vcc ≅ ≅ ≤ Vo +15V -15V Ω2R =15k Ω1R = 75 Ω 3/4volta 10k PR Figura 5 - Melhor Técnica de Ajuste (Divisor Resistivo) Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 3 Com esta técnica conseguimos a faixa de ajuste de ±75mV com uma tolerância de a- proximadamente ±7% (provocado pela tole- rância de ±5% em uma das fontes de alimen- tação e pela tolerância de ±1% nas resistên- cias). A faixa de ajuste garantida é de 140mV (-70mV......+70mV), considerando os limites de (-80mV...+70mV) e (-70mV...+80mV). Este circuito apresenta também uma menor sensibilidade à deriva térmica. SVcc=R1/R2=. 5mV/V de Vcc contra os 500mV/V nos circui- tos 2 e 3, com os valores de resistências indi- cados. R fixo Contudo, é boa prática evitar a utilização de trimpots de ajuste, pelas seguintes razões: ! Trimpot de boa qualidade é caro ! Qualquer trimpot que pode ser a- justado, pode, e provavelmente se- rá, desajustado. Um método de ajuste fino, sem a utilização de trimpot, consiste em instalar um resistor prévio Rfix, maior que Rmáx, e diminuí-lo a- través de outro resistor Rx a ser instalado em paralelo. Este resistor extra Rx pode ser determina- do experimentalmente através de um potenci- ômetro auxiliar ou calculado em função da re- lação "medido/desejado". Fix X Fix Máx RR = medido -1 desejado R R ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ≥ FIXOR X AJUSTER − Figura 6- R Fixo Paralelo R peso binário Um terceiro método consiste em pre- instalar resistores com peso binário que serão retirados do circuito após medição da saída. Estes resistores (R, 2R, 4R, 8R) são insta- lados em série à Ro ou em paralelo à Rfix. Ro R 2R 4R OR <<R R 2R 4R FIXOR >>R FI XO R Figura 7- R Peso Binário Quanto maior o número de resistores, mai- or número de bits, maior será a precisão al- cançada. A combinação binária permite obter o seguinte número de valores 0 NN Step = (2 - 1) Para ajuste fino com resistores em série, o minR R≤ max o n R -RR= 2 -1 Para o sistema de ajuste com resistores em paralelo, fix maxR R≥ n min fix (n-1) fix min R R2 -1R= R -R2 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Para três bits, n=3, n (n-1) 2 -1 7= 42 Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 4 Obs.: os n resistores deverão ser especifica- dos com valores da série E24 o mais próximo possível dos valores calculados a partir do va- lor de R, evitando acumular o erro em casca- ta. Exemplo, se R=11,245Ω R=11,245Ω ⇒ 11 ou 12Ω, 2R=22,49Ω ⇒ 22Ω, 4R=44,98Ω ⇒ 43 ou 47Ω, 8R=89,96Ω ⇒ 91Ω, Especificação dos Componentes Durante o projeto do circuito eletrônico, os componentes passivos devem ser especifica- dos na seguinte ordem: 1-Capacitores 2-Trimpot ou potenciômetro 3-Resistores. uma vez que é muito mais fácil encontrar re- sistor com valor comercial próximo do valor calculado. Pararesistores são 24 valores de dois dígi- tos (série E24 da IEC-63) ou 96 valores de três dígitos (série E96 para resistores de 1%), para trimpots são apenas 6 valores (série E6) e para capacitores são 6 valores (série E6) ou 12 valores (série E12) para capacitores de maior precisão. II – CIRCUITOS AJUSTÁVEIS Nos circuitos ajustáveis o potenciômetro de ajuste deve ser especificado de forma que a faixa de ajuste ultrapasse 10% a faixa de ajus- te desejada. Estes 10% são necessários para compensar a tolerância dos demais compo- nentes. O procedimento de cálculo é semelhante ao utilizado anteriormente. Calcular Rmáx e Rmín e especificar o resistor fixo Ro≤Rmín e o potenciômetro Rp≥(Rmáx – Ro). DIVISOR DE SAÍDA Nos circuitos eletrônicos industriais com amplificadores operacionais, o ajuste do ga- nho, tempos ou histerese é feito através de um divisor resistivo instalado entre o terminal de saída do amp op e a linha de terra (GND). A faixa de ajuste é determinada pela rela- ção entre o potenciômetro e o resistor fixo, p o p o FAIXA DE AJUSTE= (R /R +1):1 (R /R ):1≅ Maxα Minα (1 ) SPANRα− ( ) SPANRα OV . OVαFR SR PR OR Figura 8- Circuitos AmpOp Ajustáveis Este método de ajuste apresenta duas van- tagens: ! Evita-se a utilização de resistores com va- lores altos de resistência, que, como sa- bemos, resistência alta torna o circuito susceptível a ruídos e interferências. ! Conseguimos implementar diversos ampli- ficadores, com diversas faixas de ajuste, utilizando sempre o mesmo conjunto po- tenciômetro-resistor (4,7kΩ-470Ω). Não precisaremos manter muitos valores de potenciômetro em estoque; manteremos maior estoque de resitores, que é mais fá- cil e barato. Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 5 III - BALANCEAMENTO DE PONTE Ponte de resistências, utilizado em instru- mentação, necessita de pequenos ajustes pa- ra compensar a diferença de resistência exis- tente entre os elementos da ponte. A primeira sugestão para prover o balance- amento da ponte é mostrada na Figura 9, on- de o potenciômetro é adicionado dentro da ponte para equalizar as resistências. Se os resistores R forem de 120Ω±1%, ou seja, 120Ω±1,2Ω, será necessário um poten- ciômetro de pelo menos 4,8Ω para equalizar os dois lados da ponte. Digamos um potenci- ômetro de 5Ω/15VOLTAS. 5 /15Rp Voltas= Ω E +10V R R R R Ω120 + Eo - Figura 9- Método Incorreto de Balanceamento da Ponte de Medição Uma técnica melhor de balanceamento, uti- lizada pela maioria dos fabricantes, é apre- sentada na Figura 10. O ajuste é feito através de um simples po- tenciômetro3/4 de volta e a sensibilidade de ajuste determinada pela relação xR/R=x, ou seja, pelo resistor xR. Quanto maior a preci- são dos resistores da ponte, maior o valor de xR e menor a faixa de ajuste ± ∆Eo necessá- ria. O potenciômetro por sua vez deve apre- sentar uma resistência menor ou igual que o resistor xR. RP = (0,1 a 1,0) xR. E +10V R R R R + Eo - xR Rp Figura 10- Balanceamento de Ponte. 25R T% x T Rp xR Eo 1 E 4.x ± ⇒ ≤ ≤ ±∆ ≅ Tabela 1- Exemplo para R=100Ω e E=10V T% x max xR ± ∆Eo ±1% 25 2,5k 98mV ±0,5% 50 5,0k 50mV ±0,1% 250 25k 10mV Em outras palavras, para R=100Ω e E=10V, uma resistência xR de 2,5kΩ permite compensar um desbalanço na ponte de até 200mV enquanto que uma resistência xR de 25kΩ de apenas 20mV. IV- EXEMPLOS A Figura 11 apresenta alguns exemplos de circuitos ajustáveis. Observe o posicionamento do terminal 0 e do terminal 10 do potenciômetro. Nestes cir- cuitos, a histerese, o ganho de tensão e o tempo de integração, aumentam ao girarmos o eixo do potenciômetro no sentido horário. Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 6 R R nR nR Rp Ro 10 0 1V 2V a) nR Rp Ro 10 0 1V 2V b) R 0,1 ... 1 1 ... 10 10 ... 100 Av = = = Vi Vo 1k 9k1 91k10k 470 4k7 10 0 c) .Voα 470 4k7 10 0 10k d) Vi Vo Figura 11- a) Comparador com histerese, b) Comparador com histerese inversor c)Amplificador inversor, d)Integrador AMPLIFICADOR DIFERENCIAL DE GANHO AJUS- TÁVEL ZV +15V ZSR ZOR R mR Vo .Voα (1 )Voα− R mR Rs Rp Ro 1V 2V -15V - + Figura 12- Amplificador Diferencial com ajuste de ganho (span) e ajuste de zero. )( 12 VV mVo −= α [ ]ioioZo IRmVmVVVmV ..)1()(1 12 ++++−= α )1( m B + = α α mASPAN v == ioioSetOffiZ IRmVmVmV ..)1(. )( ±+±±= ( / 1) :1 ( / ) :1 p o p o Faixa de Ajuste R R R R = + ≅ Projeto O primeiro elemento a ser escolhido é o potenciômetro Rp. ( ) 2,2 ....22 SPAN S P O SPAN R R R R R k k = + + = Ω Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 7 R k k R k P má x min P = − = ( ).( .... ) ... , , α α 2 2 22 1 0 Ω 1k5, 2k2, 3k3, 4k7, 6k8,.. )( minmax αα − = escolhido SPAN RpR SPANo RR ).( minα= Escolher o valor menor mais próximo. SPANS RR ).1( maxα−= Escolher o valor menor mais próximo. A máxima resistência equivalente do di- visor resistivo, Req, visto através do cursor do potenciômetro ocorre quando α=0,5 R Req SPAN≤ 0 25, . A resistência de realimentação Rf, deve ser muito maior que a resistência equiva- lente Req. Se a precisão de Rf é crítica, devemos especificar Rf como fSPAN fSPAN fSPAN fSPAN RqRRf RqRRf RqRRf RqRRf %1.0Re.250 %2.0Re.125 %5,0Re.50 %1Re.25 ≤⇔≥ ≤⇔≥ ≤⇔≥ ≤⇔≥ Exemplo Av=50....200 Rin≥100kΩ Vi(Off Set)=±2mV LF351 Vio=±5mV Iio=±0,1nA Roteiro Uma vez que os dois resistores de entrada determinam a resistência de entrada do circui- to, RinR = R=100kΩ Circuito de SPAN mmáx=Avmin mmáx.R=50.100kΩ=5MΩ Mas como os resistores devem ser meno- res que 1MΩ (para evitar ruídos e interferên- cias) 101. =⇒Ω= mMRm m=10 é um excelente valor pois facilita a especificação dos resistores mR; para qual- quer valor que escolhermos para R, certamen- te encontraremos um valor 10R. vA m =α 2,0....05,0 200....50 10 ==α No caso particular do amplificador diferen- cial, a resistência equivalente do circuito de SPAN (Req=0,25RSPAM) deve ser menor que 1% do valor de Rf=mR. Escolhemos 0,5% uma vez que utilizaremos resistores de 1%. )..4(%5,0 RmRSPAN ≤ Ω≤ kRSPAN 20 O primeiro elemento a ser especificado é o potenciômetro SPANp RR )( minmax αα −= Ω=Ω−≤ kkRp 00,320).05,02,0( Amplificador Operacional - Ajuste de Span e Zero 8 Para não sobrecarregar o amp op, RS- PAN≥2KΩ Ω=Ω−≥ 3002).05,02,0( kRp Poderíamos escolher qualquer valor da sé- rie E6 entre 300Ω e 3,0kΩ. Escolhemos 1,0kΩ por ser um valor muito utilizado e por isto mesmo fácil de ser encontrado. Rp=1,0kΩ Uma vez escolhido o potenciômetro, calcu- lamos o valor de RSPAN para determinarmos os demais componentes do divisor de tensão. Ω= − = k R R pSPAN 66666,6)( minmax αα Ω== 333,333.min SPANo RR α Escolhemos um valor menor mais próximo da série E96 (ou E24). Ro=330Ω Idem para RS Ω=−= kRR SPANS 3333,5).1( maxα RS=5,1kΩ Circuito de Zero O circuito de zero é utilizado para compen- sar o offset produzido pelo transdutor (Vi off set) e pelo próprio amp op (Vio e Iio). Para permitir o ajuste de zero do circuito, devemos ter pelo menos: ioioSetOffiZ IRmVmVmV ..)1(. )( ±+±±= ][1,75 ][1,05520 ][1,0].[1][5)101(][2.10 mV mV nAMmVmVVZ ±= ±±±= Ω±+±±= No caso particular do amplificador diferen- cial, a resistência equivalente do circuito de ZERO (praticamente o valor de Rzo) deve ser menor que 1% do valor de R2=mR. Escolhe- mos 0,5% uma vez que utilizaremos resisto- res de 1%. Rzo≤0,5.1M/100=5kΩ Rzo=1kΩ CC ZSZ Z Z VRR RV + = 0 0 1−= Z CC ZO ZS V V R R ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= 10 Z CC ZZS V VRR Ω= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= k mV VkRZS 7,198 1 1,75 151 Para produzir uma tensão maior que 75,1mV devemos escolher um valor menor para Rzs Rzs=180kΩ O potenciômetro Rzp deve ter valor menor ou igual à Rzs Rzp=150kΩ Nota 1: Se não houver problema de consumo de energia, podemos utilizar resistências me- nores para evitar ruídos e interferências. Um valor muito utilizado é Rzs=15kΩ para alimen- tação de 15V e Rzs=9,1kΩ para alimentação de 9V. Desta forma circulará uma corrente de aproximadamente 1mA sobre Rzo.O potenci- ômetro Rzp=10kΩ é um bom valor. Nota 2: É boa prática utilizar o menor número possível de potenciômetro nos projetos por vários motivos. Porém, quando imprescindí- vel, devemos, sempre que possível, escolher um valor “padrão” (1,0k, 4,7k e 10k). Kazuo Nakashima Itajubá, MG, Dezembro de 1995 Dezembro de 2006
Compartilhar