Circuiti di condizionamento
Introduzione:
Partendo dal presupposto che l’elettronica studia l’elaborazione dei segnali, ci sono molti casi in cui i segnali, per poter essere elaborati, necessitano di un processo di condizionamento.
Con l’espressione “condizionare un segnale” si intende adattare le caratteristiche in modo tale da renderle compatibili con la parte circuitale di elaborazione.
I segnali che necessitano di questo processo sono, per la maggior parte, quelli provenienti dai trasduttori.
I trasduttori sono dei componenti progettati con lo scopo di trasformare una grandezza fisica in una elettrica.
Essi si differenziano in base a due criteri: alla grandezza fisica per il quale è stato realizzato; al tipo di segnale che fornisce in uscita.
Classificazione dei trasduttori in base alla grandezza fisica:
ü Trasduttori di temperatura;
ü Trasduttori di posizione;
ü Trasduttori di capacità;
ü Trasduttori estensimetrici;
ü Trasduttori fotoelettrici;
Classificazione dei trasduttori in base al tipo di segnale che fornisce in uscita:
ü Segnale in corrente da 0 a 20 mA
ü Segnale in corrente da 4 a 20 mA
ü Segnale in tensione da 0 a 5 V
ü Segnale in tensione da 0 a 10 V
Convertitori Corrente / Tensione ( I / V )
Ci sono molti modi per convertire una corrente in una tensione.
Analizziamo i due principali circuiti utilizzati:
Circuito 1:
Questo circuito è il più semplice e anche il più economico. Composto da una sola resistenza, è in grado di fornirci, prelevandola ai suoi capi, una tensione proporzionale alla corrente che la attraversa. Questa semplice applicazione di un resistore, sfrutta la prima legge di Ohm.
Pertanto, si può dedurre che:
Vout = R*I
Questo circuito, a scapito della sua semplicità, presenta un grosso limite.
Esso infatti funziona bene solo quando il valore resistivo del carico ad esso applicato non sia abbastanza grande da caricare il circuito e quindi da influenzare il corretto funzionamento della conversione.
Per riparare a questo difetto, si può ricorrere al circuito 2.
Circuito 2:
Questa semplice configurazione di un amplificatore operazionale ci permette di convertire una corrente in una tensione, senza preoccuparsi della grandezza del carico collegato in uscita.
Questo è possibile grazie alle caratteristiche ideali di un amplificatore operazionale, che presenta una resistenza infinita in ingresso e una resistenza nulla in uscita, comportandosi idealmente da generatore ideale di tensione.
In realtà le caratteristiche non sono così perfette, ma il circuito risponde correttamente fino a carichi molto elevati (nell’ordine dei megaohm).
La formula per calcolare la Vout è la seguente:
Vout = -R*I
Convertitore Tensione / Tensione ( V / V )
Nel caso in cui il trasduttore mi fornisca un segnale già in tensione, posso incontrare ugualmente problematiche del tipo:
ü Amplificazione / attenuazione del segnale
ü Eliminazione / Aggiunta di offset
Analizziamo il processo di amplificazione di un segnale:
Circuito 3:
Utilizzando un amplificatore operazionale in configurazione non invertente, è possibile amplificare un segnale in tensione, attraverso un guadagno > 1
Il guadagno di questo circuito lo si ottiene facendo: G = 1 + R2 / R1
Da qui si può stabilire che
Vout = Vin (1 + R2 / R1 )
L’operazionale, avendo una resistenza di ingresso idealmente infinita, e avendo l’ingresso direttamente collegato all’ingresso +, permette a questo circuito di non presentare problematiche relative al carico resistivo del generatore di tensione collegato in ingresso.
Analizziamo il processo di attenuazione di un segnale:
Circuito 4:
Questo circuito, un amplificatore operazionale invertente, mi permette di ottenere un guadagno anche < 1 in modo tale da poter attenuare il segnale presente sull’ingresso -.
Il difetto principale di questo circuito è che se la resistenza di ingresso ha una grandezza paragonabile a quella interna del generatore di tensione, il circuito viene caricato.
Per risolvere questo problema basta inserire tra il generatore e l’ingresso, un operazionale in configurazione di inseguitore di tensione che disaccoppia i due circuiti.
Analizziamo il processo di eliminazione di un segnale di offset:
Il circuito più semplice per eliminare un offset e un amplificatore differenziale.
Circuito 5:
Questo circuito presenta il segnale di ingresso sul piedino non invertente, mentre una tensione (del valore esatto di quanto vogliamo togliere) sull’ingresso invertente.
Supponendo R1=R2=R3=R4 il circuito mi permette di ottenere in uscita una tensione pari alla differenza tra i due ingressi moltiplicata per un guadagno fissato dal rapporto R2 / R1.
Pertanto:
Vout = R2 / R1 (V-Voffset)
Conversione resistenza / tensione ( R / V )
Circuito 6:
Per ottenere un circuito di condizionamento che mi fornisca in uscita una tensione direttamente proporzionale al variare della resistenza del trasduttore, basta utilizzare un amplificatore operazionale invertente, sostituendo alla resistenza di retroazione la resistenza variabile del trasduttore.
In questo modo otteniamo
Vout = -Vcc ( Rv / R )
Dove –Vcc / R è una costante, al quale possiamo associare la lettera k. Andando a sostituire nella formula precedente, otteniamo che
Vout = -k * Rv
Se invece che una proporzionalità diretta volessimo ottenere una proporzionalità inversa, si deve far ricorso all’uso del seguente circuito.
Circuito 7:
In questo modo, sostituendo alla resistenza in ingresso la resistenza variabile del trasduttore, otteniamo che
Vout = -Vcc ( R / Rv )
Dove –Vcc * R è una costante, al quale possiamo associare la lettera k. Andando a sostituire nella formula precedente, otteniamo che
Vout = -k / Rv
Conclusioni:
Utilizzando questo insieme di schemi, è possibile condizionare i principali segnali standard provenienti dai trasduttori per garantire la compatibilità con tutti i circuiti elettronici che avranno il compito di elaborare successivamente questi segnali, ad esempio un convertitore A/D.
PS:
Quando uno dei circuiti illustrati in questo documento presenta problemi dovuti alla resistenza del carico, ovvero il nostro circuito viene caricato dalla resistenza di carico, non sempre bisogna cambiare circuito, spesso è sufficiente inserire tra l’uscita del circuito e il carico un amplificatore operazionale in configurazione di inseguitore di corrente (ovvero l’ingresso sul + e con una retroazione negativa senza resistenze).
Questa configurazione, sfruttando le caratteristiche di un operazionale ideale (ovvero resistenza di ingresso infinita e resistenza in uscita nulla) mi permette di trasformare l’uscita del circuito di condizionamento in un generatore ideale di tensione.
Buon Divertimento Amanti dell'ELETTRONICA!!!
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