CAPTULO 01 CONDICIONAMENTO DE SINAISA grande variedade de sensores necessria para transformar um grande nmero de varivel existente num sistema de controle de processo em sinais eltricos analgicos produz um igualmente grande nmero de sinais com caractersticas diferentes. Assim, o condicionamento de sinais necessrio para converter tais sinais e ento realizar a interface de forma adequada com outros elementos no loop do controle de processo. Neste captulo, interessar apenas a converso analgica, onde a sada condicionada ainda representada por uma varivel analgica. Mesmo em aplicaes envolvendo processamento digital algum tipo de processamento analgico requerido antes que a converso analgico-digital seja feita.

1 Princpios de Condicionamentos de Sinais AnalgicosUm sensor mede uma varivel pela converso da informao acerca da daquela varivel em um sinal dependente da natureza eltrica ou pneumtica. Para desenvolver tais sensores, ns exploramos que algumas caractersticas do material, em circunstancias eventuais, so influenciadas por alguma varivel dinmica. Conseqentemente, existe pouca escolha no tipo e no tamanho de tal proporcionalidade. Por exemplo, uma vez pesquisado na natureza e achado que a resistncia de sulfeto de cromo varia inversamente com a intensidade de luz, ns devemos aprender como explorar este dispositivo para medida da intensidade de luz dentro das restries deste dispositivo. O condicionamento de sinais analgicos proporciona a operao necessria para transformar a sada de um sensor em uma forma necessria e adequada para se comunicar com outros elementos do loop de controle de processo (figura 1.1).

Figura 1.1 Elementos de um sistema de aquisio de sinais

possvel categorizar um condicionamento de sinais em vrios tipos, como veremos a seguir, estes principais tipos so: 1. 2. 3. 4. 5. Amplificao; Mudana no nvel; Converses de parmetros eltricos; Isolao eltrica; Filtragem;

2 Reviso sobre amplificadores operacionaisAmplificadores operacionais (AOs) so amplificadores diferenciais que se aproximam muito racionais de sua condio ideal. Ganho em malha aberta elevado (105 ou 106); Alta impedncia de entrada (ordem de 106 para entradas bipolares e 1012 para entradas FET); Resposta em freqncia desde DC at alguns MHz; Baixo offset; Baixa impedncia de sada (inferior a 200 ).

A figura bsica de um AO pode ser observada a seguir:

Figura 1.2 Amplificador Operacional Bsico

A equao bsica de um AO segue: Onde: GDM = ganho em malha aberta; e+ = tenso na entrada no no-inversora; e- = tenso na entrada inversora. Dessa forma, podemos observar que:

Como Vo para malha aberta aproximadamente 85% da alimentao (V+ e V-) este valor conhecido como tenso de saturao (VSAT) , tem-se: 8,5 10 .

Como esta diferena muito baixa, considera considera-se:

2.1 Realimentao NegativaA realimentao negativa tem a caracterstica de fornecer uma sada proporcional entrada, ou seja, garante uma operao linear que no deve atingir a saturao. Logo, se a spida se situa abaixo da saturao, a diferena entre os terminais de entrada ser menor que 8,5x10-7 . V. Como este valor muito pequeno, pode ser considerado igual a zero, ou seja, que a tenso de entrada e+ igual entrada e-. Surge ento o conceito de potencial virtual: as entradas apresentam o mesmo potencial sem estarem conectadas. Portanto, para circuitos que possuam realimentao negativa, ser considerado e+ = e-.

Figura 1.3 Anlise da Realimentao Negativa

Supondo que Vo esteja em uma tenso estvel, ser analisada a variao de Vo para subida e descida de nvel: Para variao negativa: Para variao positiva: , , , ,

2.2 Realimentao PositivaEste tipo de realimentao conduz a uma sada instvel, ou seja, sada em +VSAT ou VSAT. So os chamados comparadores com histerese. Da mesma maneira que no circuito anterior:

Figura 1.4 Anlise da Realimentao Positiva

Supondo que Vo esteja em uma tenso estvel, ser analisada a variao de Vo para subida e descida de nvel: Para variao negativa: Para variao positiva: , , , ,

Como pode ser visto qualquer variao na sada resulta em uma variao ainda maior. Este efeito semelhante ao de uma bola de neve: uma vez iniciado tende a aumentar e, nesse caso, leva saturao do dispositivo. Por isso, os comparadores com histerese so mais rpidos que os comparadores simples (sem realimentao). Alm disso, possuem alta imunidade a rudos. Tal caracterstica, provoca que o sinal no realize chaveamentos indevidos na tenso de sada.

Figura 1.5 Comparadores com histerese: (a) Inversora e (b) No-Inversora

As equaes utilizadas para o clculo dos comparadores descritos acima so: Para o comparador Inversor: . . | |

E para o comparador no-inversor: . . | |

Para ambas as equaes, o primeiro termo o equivalente do ponto de set point (descrito nas figuras 1.4 (a) e (b) como S.P.), e as segundas parcelas so os intervalos simtricos da histerese.

2.3 Parmetros Importantes de um Amplificador Operacionala) b) Tenso de alimentao Resistncia de Entrada Mximo valor, seja simtrico ou no, possvel de se aplicar para alimentao do AO. A resistncia de entrada fornecida pelos fabricantes a resistncia entre as entradas e+ e e-. Esta resistncia varia da ordem de 106 para os AOs com entrada bipolar e de 1012 para o de entrada FET. c) Correntes de Polarizao So as correntes que entram ou saem das entradas. Como a resistncia de entrada alta, seu valor muito baixo, sendo da ordem de 10-9 para os AOs de entrada bipolar e 10-15 para os de entrada FET. Devido s imperfeies do processo de fabricao, existir uma pequena diferena entre IB+ e IB- . Assim, o fabricante fornecer o valor mdio dessas correntes, IB, e tambm ser fornecido o valor da mxima diferena entre eles. Estes valores so conhecidos como IOS e IIO, respectivamente. | d) e) Tenso de offset da entrada (VIO ou VOS) Drift |

So derivadas das imperfeies dos processos de fabricao. Trata-se de um desbalanceamento nos parmetros do dispositivo utilizado devido s variaes de temperatura. f) g) Resposta em Freqncia Velocidade de Variao da Tenso de Sada (Slew Rate) Indica a faixa de freqncia em que um AO pode operar com ganho unitrio. Indica o tempo que a sada leva para responder s variaes da entrada. O operacional deve possuir um slew rate maior que a mxima variao de tenso no tempo do circuito.

h)

Taxa de Rejeio de Modo Comum (Commom Mode Rejection Ratio CMRR)

A resposta do AO depende da diferena de tenso existente entre seus terminais de entrada (a equao de malha aberta apresentada anteriormente), mas no operacional real tambm h a parcela correspondente ao modo comum (GCM), assim: .

O valor do ganho de modo comum muito inferior ao ganho diferencial (ganho em malha aberta). Idealmente, GDM deveria ser infinito, e GCM deveria ser zero. Como tal fato no ocorre, foi criada uma taxa que define a comparao entre estes termos: Esse parmetro expresso em decibis, portanto: .

Este valor resulta, geralmente, em torno de 80 e 100 dB, ou seja, entre 104 e 105.

3 Amplificadores3.1 Amplificador No-Inversor

Figura 1.6 Amplificador No Inversor

Estes amplificadores apresentam a seguinte equao de tenso de sada: .

3.2 Amplificador Inversor

Figura 1.7 Amplificador Inversor

Estes amplificadores apresentam a seguinte equao de tenso de sada: .

3.3 Amplificador Somador Inversor

Figura 1.8 Amplificador Somador Inversor

Estes amplificadores apresentam a seguinte equao de tenso de sada: . . .

3.4 Amplificador Diferencial

Figura 1.9 Amplificador Diferencial

Este amplificador fornece uma sada proporcional diferena entre as tenses de entrada. .

Este circuito muito utilizado em circuitos de pontes de wheatstone, onde o elemento sensor causar um desbalanceamento da ponte quando a grandeza fsica em questo variar. Geralmente difcil realizar o casamento das resistncias de realimentao e a resistncia colocada entre e+ e terra. Para fazer este ajuste, so utilizados uma resistncia e o potencimetro. Este circuito, no entanto, uma grande desvantagem: no caso de um circuito com ganho varivel, a cada novo ajuste de ganho seria necessrio um ajuste de casamento de resistncia. Este procedimento seria muito exaustivo. Para a escolha do operacional devemos verificar o slew rate, a banda de freqncia e outros parmetros de interesse de acordo com as necessidades do circuito.

3.5 Amplificador de Instrumentao

Figura 1.10 Amplificador de Instrumentao

A tenso de sada desse circuito obtida a partir da seguinte equao

.

Esse amplificador ajustado somente uma vez e qualquer alterao de ganho ser feita atravs da resistncia aR. Este tipo de amplificador utilizado para amplificaes de pequenos sinais. Isto se deve por apresentar alta impedncia de entrada, baixo offset e drift, baixa no-linearidade, estabilidade no ganho e o custo relativamente baixo. possvel encontrar-se este tipo de amplificador em solues integradas, normalmente este CI apresenta os seguintes pinos: 2 entradas: (+) e (-); 2 para conexes das resistncias de ajuste de ganho; 2 terminais de alimentao ; 2 terminais de ajuste de offset (no presente em todos); At 3 terminais de sada: sensor (S), sada propriamente dita (Vo) e referncia (Ref).

3.6 Buffer ou Seguidor de tenso

Figura 1.11 Buffer

Esta configurao possui ganho unitrio e alta impedncia de entrada. muito utilizada em circuitos onde a mxima transferncia de energia se faz necessria.

4 Deslocamento DCCircuitos que utilizam amplificadores operacionais apresentam pequeno erro DC em sua sada. Esse erro causado devido s caractersticas no-lineares do componente. As principais caractersticas responsveis por tal efeito so: Correntes de polarizao nas entradas; Tenso de offset das entradas; Drift.

Todos estes erros j foram explicados anteriormente, na seo sobre Amplificadores Operacionais. Aqui sero discutidas algumas alternativas para corrigir tal erro. Uma possibilidade a utilizao dos pinos de ajuste de offset, porm este pino possui pequena amplitude de ajuste e no presente em todos os circuitos.

Outra possibilidade a incluso de divisores resistivos em alguns pontos das entradas e utilizar dos ganhos para se obter ajustes DC mais amplos.

Figura 1.12 Ajustes DC para amplificadores inversores

Para calcular a influncia do deslocamento DC nos circuitos acima, sero utilizadas as seguintes equaes: Para (a): Para (b): . . .

Onde VA uma poro da tenso no potencimetro. Para amplificadores no-inversores, podem ser usadas as seguintes topologias:

Figura 1.13 Ajustes DC para amplificadores no inversores

Para calcular a influncia do deslocamento DC nos circuitos acima, sero utilizadas as seguintes equaes: Para (a): .

Para (b): Onde: . . .

Onde VA uma poro da tenso no potencimetro.

5 Converses de Parmetros EltricosEstes circuitos so utilizados devido alta suscetibilidade do sinal de tenso a rudos externos. o Para isto ser implementados dois tipos de converso: Converso Tenso Corrente e seu recproco.

5.1 Converso V/IOs padres usuais de tenso utilizados em instrumentos so 1 a 5 VDC ou 0 a 10 VDC. Para suais corrente, o padro 4 a 20 mA mA. A manipulao do sinal feito em termos de tenso, porm sua transmisso feita atravs de corrente, para diminuir os problemas referentes a interferncias externas. , O circuito para converso de 1 a 5 V para 4 a 20 mA segue abaixo.

Figura 1.14 Converso 1 a 5V para 4 a 20 mA

Este circuito obtido atravs da premissa que as entradas do operacional possuem mesmo potencial. A partir da:

Para o conversor de 0 a 10V para 4 a 20 mA, so necessrias manipulaes matemticas neste circuito: 0 10 2,5 12,5 2,5 2,5 2,5 12,5 1 5

Em termos de circuito, tem-se: se:

Figura 1.15 Converso 0 a 10V para 4 a 20 mA

5.2 Converso I/VUm conversor corrente tenso facilmente implementado atravs de uma resistncia e manipulao do sinal. Basta inserir uma resistncia cuja queda de tenso seja igual a 1 a 5 V (no caso, utilizado um resistor de 250[ ]) e seu valor seja muito inferior s resistncias de lor entrada. O ganho do amplificador diferencial deve ser ajustado para 2,5 e o terminal de referncia deve receber -2,5[V]. Para isto, segue o circuito:

Figura 1.16 Converso de 4 a 20mA para 0 a 10V

6 Isolao EltricaEm isoladores, o circuito de entrada isolado da fonte de alimentao e do circuito de sada so ircuito utilizados em aplicaes que requerem segurana, medida precisa de sinais contnuos ou de baixa freqncia na presena de uma alta tenso de modo comum: equipamentos mdicos, sistemas de potncia convencionais ou nucleares, sistemas de controle de processos industriais. istemas O isolamento pode ser realizado de vrias formas: luz, ultrasom, ondas de rdio, porm o mais utilizado o acoplamento magntico. As alimentaes so isoladas e obtidas atravs de um regulador chaveado. No estgio de entrada, a informao amplificada, modulada e aplicada ao transformador. No estgio de sada, o demodulador recupera a informao original, que depois passa por um buffer para melhorar sua caracter caracterstica de impedncia de sada. Maiores informaes podero ser obtidas em folhas de dados do fabricante.

7 FiltrosOs filtros analgicos podem ser construdos pela interligao de componentes como resistores, capacitores e indutores, ou por componentes ativos, cujas caractersticas eltricas, alm da constante multiplicativa do ganho, podem ou no participar da definio dos parmetros do filtro. Os principais filtros, quanto ao posicionamento da banda passante, podem ser classificados em: filtro passa baixas (FPB); filtro passa altas (FPA); filtro passa faixa (FPF); filtro rejeita faixa(FRF);

Figura 1.17 Tipos de Filtros: (a) Filtro Passa Baixa (b) Filtro Passa Alta (c) Filtro Passa Faixa (d) Filtro Rejeita Faixa

Apesar da utilizao de filtros, circuitos que condicionam pequenos sinais devem ser protegidos de fontes geradoras de rudos (motores, transformadores, lmpadas florescentes, aquecedores de induo e em geral qualquer fonte de radiao eletromagntica). No uma boa estratgia permitir que apenas a filtragem separe o sinal de rudos, mas que seja apenas uma forma adicional de proteo. Um conceito que deve ser fixado aqui o conceito de Banda Passante. Tal expresso significa a regio de freqncias que so aceitas pelos filtros, ou seja, regies onde no h atenuao. Filtros no possuem sada ideal, como mostrado nas figuras acima. Portanto considera-se um sinal como eliminado quando de sua atenuao em 70% de seu valor total.

Figura 1.18 Resposta de Filtros

Nesta seo sero vistos apenas os filtros de primeira ordem.

7.1 Filtros PassivosFiltros passivos so circuitos que modificam a resposta em freqncia de um sistema utilizando apenas elementos passivos (resistores, capacitores e indutores).

7.1.1 Filtro Passa Baixa RC O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.19 Filtro RC Passa Baixa

Considerando a relao de sada como 0,707 do valor da entrada, o clculo da freqncia de corte obtido atravs da equao abaixo: Onde fc a freqncia de corte do sistema. . . .

7.1.2 Filtro Passa Alta RC O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.20 Filtro RC Passa Alta

Sua equao igual do filtro passa baixa: . . .

7.1.3 Filtro Passa Faixa Srie O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.21 Filtro Passa Faixa Srie

As equaes das freqncias de corte inferior e superior so: . .

E a freqncia de centro, a freqncia de ressonncia, obtida pela seguinte equao:

A banda passante ser calculada pela seguinte equao:

7.1.4 Filtro Rejeita Faixa Srie O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.22 Filtro Rejeita Faixa Srie

As equaes das freqncias de corte inferior e superior so: . .

E a freqncia de centro, a freqncia de ressonncia, obtida pela seguinte equao:

Aqui ser calculada a banda de rejeio atravs da seguinte equao:

7.2 Filtros AtivosSo filtros que, alm dos componentes passivos se utilizam tambm de componentes ativos os amplificadores operacionais. 7.2.1 Filtro Passa Baixa O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.23 Filtro Passa Baixa Ativo

Esta topologia apresenta ganho de tenso igual ao amplificador no-inversor:

O clculo da freqncia de corte ser feito pela seguinte equao: . . .

7.2.1 Filtro Passa Alta O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.24 Filtro Passa Alta Ativo

Esta topologia apresenta ganho de tenso igual ao amplificador no-inversor:

O clculo da freqncia de corte ser feito pela seguinte equao: . . .

7.2.1 Filtro Passa Faixa O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.25 Filtro Passa Faixa Ativo

As freqncias de corte inferior e superior so calculadas pelas seguintes equaes: . . . .

A banda passante ser calculada pela seguinte equao: 7.2.1 Filtro Rejeita Faixa O circuito correspondente a este filtro seria:

Figura 1.26 Filtro Rejeita Faixa Ativo

As freqncias de corte inferior e superior so calculadas pelas seguintes equaes: . . . .

Aqui ser calculada a banda de rejeio atravs da seguinte equao: