AJUSTE DE SPAN E ZERO

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1 AJUSTE DE SPAN E ZEO Kazu Nakashima Escla Federal de Engenharia de Itajubá Departament de Eletrônica ESUMO: O prcess de ajuste é necessári devid à tlerância que s cmpnentes eletrônics apresentam. Técnicas inadequadas u especificações incrretas ds cmpnentes de ajustes, pdem trnar prcess de ajuste extremamente imprecis e cansativ. I - AJUSTE FINO A precisã ds circuits cm amp p depende da precisã ds cmpnentes passivs cm resistres e capacitres, instalads externamente a amp p. Os resistres fabricads atualmente apresentam excelente precisã, melhr que 1%, e ba estabilidade térmica, melhr que 25 ppm/k. Os capacitres, n entant, apresentam menr precisã, típic 5%, além de menr estabilidade térmica. O ceficiente térmic da capacitância pde ser psitiv (P), negativ (N) u aprximadamente zer (NPO). Trimpt Em aplicações que requerem precisã, é cmum utilizar TIMPOT (ptenciômetr de ajuste 3/4 de vlta u multi-vltas) para pssibilitar AJUSTE FINO d circuit. Este trimpt deve ser especificad cm menr valr hmic pssível para aprveitar tda excursã pssível d cursr e facilitar prcess de ajuste. Baix valr de resistência cntribui para diminuir a deriva térmica da resistência, vist que s trimpts nã pssuem ba estabilidade térmica cm s resistres "metal film". O cnjunt "trimpt p em série cm resistr " deve cbrir, na medida exata, tda faixa de variaçã da resistência necessária para cmpensar as tlerâncias ds demais cmpnentes. Para uma especificaçã mais precisa é necessári um cálcul de pir cas nde sã btids s valres máxims e mínims, máx e mín. p máx. - mín. mín. p Figura 1- Trimpt de Ajuste Num cálcul rápid, pdems adtar =.9 N e p =.2 N, para uma faixa de ajuste de ±%, u, =.8 N e p =.4 N, para uma faixa de ajuste de ±2%. N (nminal) é a resistência calculada cm s valres nminais ds demais cmpnentes. Faixa de ajuste p ±%.9 N.2 N ±2%.8 N.4 N Quant mair a tlerância ds demais cmpnentes, mair será valr hmic d trimpt, e mais difícil será prcess d ajuste fin. Técnicas de ajustes Um trimpt 3/4 de vlta e uma ba técnica de ajuste pde apresentar resultads melhres que um trimpt multivltas assciada a uma péssima técnica de ajuste.

2 2 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer EXEMPLO: esquema apresentad na Figura 2 utiliza uma técnica incrreta para prduzir uma tensã entre -75mV e +75mV, u seja, uma faixa de ajuste de 15mV, a partir de uma tensã alimentaçã fixa de ±15V. Utilizand um ptenciômetr ¾ de vlta (27º) ângul de ajuste será de apenas 1,35º u seja, utilizarems apenas,5% da faixa de ajuste d ptenciômetr. Mesm utilizand trimpt de 15 vltas, será muit difícil ajustar a tensã devid à baixa sensibilidade d trimpt, 2V/vlta. Para ajustarms uma faixa de 15mV, utilizarems s mesms,5% da faixa de ajuste, u seja, a- penas,75 vltas d trimpt (u apenas 27º). Esta técnica, melhr que a anterir, ainda nã é uma ba sluçã. Qualquer alteraçã, seja na fnte de alimentaçã, seja nas resistências, deslcaria a faixa de ajuste fra da faixa desejada (5mV a cada 1V de assimetria em Vcc e 75mV a cada 1% de assimetria nas resistências) Uma pequena variaçã de 1% na resistência, cm indicada na Figura 4(a), u uma variaçã de 5% em uma das fntes de alimentaçã, cm mstra a Figura 4(b), impssibilitaria ajuste na faixa desejada. +15,75V 15Ω 15Ω kω...15mv mV Figura 2 - Faixa de ajuste de 3V. 15, Pdems melhrar a faixa de utilizaçã d trimpt se adicinarms resistres limitadres e diminuirms valr ôhmic d mesm, cm mstra a Figura 3. Variand trimpt 3/4 de vlta de batente a batente (27 ), cnseguims a mesma faixa de ajuste de 15mV cm uma sensibilidade vezes mair que a técnica anterir. Figura 4 - Faixa de ajuste de 15mV A melhr técnica, apresentada na Figura 5, cnsiste na utilizaçã de um divisr resistiv na saída d ptenciômetr cnvencinal 3/4 de vlta. 1 1 V = Vcc Vcc V p 2 2 Vcc 15Ω 3/4 Vlta 15Ω kω 3/4 Vlta P kω 3/4vlta = 2 V =75Ω 1 Figura 3 - Faixa de ajuste de 15mV Figura 5 - Melhr Técnica de Ajuste (Divisr esistiv)

3 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer 3 Cm esta técnica cnseguims a faixa de ajuste de ±75mV cm uma tlerância de a- prximadamente ±7% (prvcad pela tlerância de ±5% em uma das fntes de alimentaçã e pela tlerância de ±1% nas resistências). A faixa de ajuste garantida é de 14mV (-7mV...+7mV), cnsiderand s limites de (-8mV...+7mV) e (-7mV...+8mV). Este circuit apresenta também uma menr sensibilidade à deriva térmica. S Vcc = 1 / 2 =. 5mV/V de Vcc cntra s 5mV/V ns circuits 2 e 3, cm s valres de resistências indicads. fix Cntud, é ba prática evitar a utilizaçã de trimpts de ajuste, pelas seguintes razões:! Trimpt de ba qualidade é car! Qualquer trimpt que pde ser a- justad, pde, e prvavelmente será, desajustad. Um métd de ajuste fin, sem a utilizaçã de trimpt, cnsiste em instalar um resistr prévi fix, mair que máx, e diminuí-l a- través de utr resistr x a ser instalad em paralel. Este resistr extra x pde ser determinad experimentalmente através de um ptenciômetr auxiliar u calculad em funçã da relaçã "medid/desejad". Fix X = medid -1 Fix desejad Máx FIXO X AJUSTE Figura 6- Fix Paralel pes binári Um terceir métd cnsiste em preinstalar resistres cm pes binári que serã retirads d circuit após mediçã da saída. Estes resistres (, 2, 4, 8) sã instalads em série à u em paralel à fix. 2 4 << O FIXO 2 >> FIXO 4 Figura 7- Pes Binári Quant mair númer de resistres, mair númer de bits, mair será a precisã alcançada. A cmbinaçã binária permite bter seguinte númer de valres N N Step = (2-1) Para ajuste fin cm resistres em série, min max - = n 2-1 Para sistema de ajuste cm resistres em paralel, fix n max 2-1 min = (n-1) 2 fix - Para três bits, n=3, n = (n-1) 2 4 fix min

4 4 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer Obs.: s n resistres deverã ser especificads cm valres da série E24 mais próxim pssível ds valres calculads a partir d valr de, evitand acumular err em cascata. Exempl, se =11,245Ω =11,245Ω 11 u 12Ω, 2=22,49Ω 22Ω, 4=44,98Ω 43 u 47Ω, 8=89,96Ω 91Ω, Especificaçã ds Cmpnentes Durante prjet d circuit eletrônic, s cmpnentes passivs devem ser especificads na seguinte rdem: DIVISO DE SAÍDA Ns circuits eletrônics industriais cm amplificadres peracinais, ajuste d ganh, temps u histerese é feit através de um divisr resistiv instalad entre terminal de saída d amp p e a linha de terra (GND). A faixa de ajuste é determinada pela relaçã entre ptenciômetr e resistr fix, FAIXA DE AJUSTE= ( / +1):1 p ( / ):1 p V O 1-Capacitres 2-Trimpt u ptenciômetr 3-esistres. F (1 α) SPAN α. V O S α Max uma vez que é muit mais fácil encntrar resistr cm valr cmercial próxim d valr calculad. ( α) SPAN P α Min Para resistres sã 24 valres de dis dígits (série E24 da IEC-63) u 96 valres de três dígits (série E96 para resistres de 1%), para trimpts sã apenas 6 valres (série E6) e para capacitres sã 6 valres (série E6) u 12 valres (série E12) para capacitres de mair precisã. II CICUITOS AJUSTÁVEIS Ns circuits ajustáveis ptenciômetr de ajuste deve ser especificad de frma que a faixa de ajuste ultrapasse % a faixa de ajuste desejada. Estes % sã necessáris para cmpensar a tlerância ds demais cmpnentes. O prcediment de cálcul é semelhante a utilizad anterirmente. Calcular máx e mín e especificar resistr fix mín e ptenciômetr p (máx ). O Figura 8- Circuits AmpOp Ajustáveis Este métd de ajuste apresenta duas vantagens:! Evita-se a utilizaçã de resistres cm valres alts de resistência, que, cm sabems, resistência alta trna circuit susceptível a ruíds e interferências.! Cnseguims implementar diverss amplificadres, cm diversas faixas de ajuste, utilizand sempre mesm cnjunt ptenciômetr-resistr (4,7kΩ-47Ω). Nã precisarems manter muits valres de ptenciômetr em estque; manterems mair estque de resitres, que é mais fácil e barat.

5 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer 5 III - BALANCEAMENTO DE PONTE Pnte de resistências, utilizad em instrumentaçã, necessita de pequens ajustes para cmpensar a diferença de resistência existente entre s elements da pnte. x E +V A primeira sugestã para prver balanceament da pnte é mstrada na Figura 9, nde ptenciômetr é adicinad dentr da pnte para equalizar as resistências. p + E - Se s resistres frem de 12Ω±1%, u seja, 12Ω±1,2Ω, será necessári um ptenciômetr de pel mens 4,8Ω para equalizar s dis lads da pnte. Digams um ptenciômetr de 5Ω/15VOLTAS. E +V + E - 12Ω p = 5 Ω/15Vltas Figura 9- Métd Incrret de Balanceament da Pnte de Mediçã Uma técnica melhr de balanceament, utilizada pela mairia ds fabricantes, é apresentada na Figura. O ajuste é feit através de um simples ptenciômetr3/4 de vlta e a sensibilidade de ajuste determinada pela relaçã x/=x, u seja, pel resistr x. Quant mair a precisã ds resistres da pnte, mair valr de x e menr a faixa de ajuste ± E necessária. O ptenciômetr pr sua vez deve apresentar uma resistência menr u igual que resistr x. P = (,1 a 1,) x. Figura - Balanceament de Pnte. 25 ± T% x T p x ± E 1 E 4.x Tabela 1- Exempl para =Ω e E=V T% x max x ± E ±1% 25 2,5k 98mV ±,5% 5 5,k 5mV ±,1% 25 25k mv Em utras palavras, para =Ω e E=V, uma resistência x de 2,5kΩ permite cmpensar um desbalanç na pnte de até 2mV enquant que uma resistência x de 25kΩ de apenas 2mV. IV- EXEMPLOS A Figura 11 apresenta alguns exempls de circuits ajustáveis. Observe psicinament d terminal e d terminal d ptenciômetr. Nestes circuits, a histerese, ganh de tensã e temp de integraçã, aumentam a girarms eix d ptenciômetr n sentid hrári.

6 6 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer V 1 V 2 a) n n p AMPLIFICADO DIFEENCIAL DE GANHO AJUS- TÁVEL V 1 V m m (1 α)v V s ZS V Z p V 1 V 2 ZO α.v b) n p Figura 12- Amplificadr Diferencial cm ajuste de ganh (span) e ajuste de zer. V m = ( V 2 V1) α Vi c) Av =, = 1... =... k 1k 9k1 91k V 47 4k7 1 V = 2 1 Z i +. α α B = ( 1+ m) [ m( V V ) + V + (1 + m) V m. I ] m SPAN = Av = α i V Z = ± mv. i( Off Set) ± (1 + m) Vi ± m.. Ii Vi d) k α.v 47 V 4k7 Figura 11- a) Cmparadr cm histerese, b) Cmparadr cm histerese inversr c)amplificadr inversr, d)integradr Faixa de Ajuste = ( p / + 1):1 ( / ):1 Prjet p O primeir element a ser esclhid é ptenciômetr p. SPAN = ( S + P + O ) = 2,2 k...22kω SPAN

7 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer 7 P = ( α má x α min ).( 2k kΩ ) =..., k, 1k5, 2k2, 3k3, 4k7, 6k8,.. P SPAN pesclhid = ( α αmin ) max ). = ( α min SPAN Esclher valr menr mais próxim. ). S = ( 1 αmax SPAN Esclher valr menr mais próxim. A máxima resistência equivalente d divisr resistiv, eq, vist através d cursr d ptenciômetr crre quand α=,5 eq 25,. SPAN A resistência de realimentaçã f, deve ser muit mair que a resistência equivalente eq. Se a precisã de f é crítica, devems especificar f cm f 25. SPAN e q 1% f f 5. SPAN e q,5% f f 125. SPAN e q.2% f f 25. SPAN e q.1% f Exempl Av=5...2 in kω Vi(Off Set)=±2mV LF351 Vi=±5mV Ii=±,1nA teir Uma vez que s dis resistres de entrada determinam a resistência de entrada d circuit, = in =kω Circuit de SPAN m máx =A vmin m máx.=5.kω=5mω Mas cm s resistres devem ser menres que 1MΩ (para evitar ruíds e interferências) m. = 1MΩ m = m= é um excelente valr pis facilita a especificaçã ds resistres m; para qualquer valr que esclherms para, certamente encntrarems um valr. α = α = m A v =,5...,2 N cas particular d amplificadr diferencial, a resistência equivalente d circuit de SPAN ( eq =,25 SPAM ) deve ser menr que 1% d valr de f =m. Esclhems,5% uma vez que utilizarems resistres de 1%. SPAN,5%(4. m. ) SPAN 2 kω O primeir element a ser especificad é ptenciômetr p = ( αmax αmin ) SPAN p (,2,5).2kΩ = 3, kω

8 8 Amplificadr Operacinal - Ajuste de Span e Zer Para nã sbrecarregar amp p, S- PAN 2KΩ p (,2,5).2kΩ = 3Ω Pderíams esclher qualquer valr da série E6 entre 3Ω e 3,kΩ. Esclhems 1,kΩ pr ser um valr muit utilizad e pr ist mesm fácil de ser encntrad. p=1,kω ZEO (praticamente valr de z) deve ser menr que 1% d valr de 2 =m. Esclhems,5% uma vez que utilizarems resistres de 1%. V Z z,5.1m/=5kω z=1kω = Z Z + ZS V CC Uma vez esclhid ptenciômetr, calculams valr de SPAN para determinarms s demais cmpnentes d divisr de tensã. ZS ZO V = V CC Z 1 p SPAN = = 6, 66666kΩ ( α max αmin ) = α min. SPAN = 333, 333Ω Esclhems um valr menr mais próxim da série E96 (u E24). =33Ω Idem para S S = ( 1 α max ). SPAN = 5, 3333kΩ S =5,1kΩ Circuit de Zer O circuit de zer é utilizad para cmpensar ff set prduzid pel transdutr (V i ff set ) e pel própri amp p (V i e I i ). Para permitir ajuste de zer d circuit, devems ter pel mens: V Z = ± mv. i( Off Set) ± (1 + m) Vi ± m.. Ii V Z = ±.2[ mv ] ± (1 + )5[ mv ] ± 1[ MΩ].,1[ na] = ± 2 ± 55 ±,1[ mv ] = ± 75,1[ mv ] N cas particular d amplificadr diferencial, a resistência equivalente d circuit de V = CC ZS Z 1 VZ 15V ZS = 1k 1 75,1 mv = 198,7kΩ Para prduzir uma tensã mair que 75,1mV devems esclher um valr menr para zs zs=18kω O ptenciômetr zp deve ter valr menr u igual à zs zp=15kω Nta 1: Se nã huver prblema de cnsum de energia, pdems utilizar resistências menres para evitar ruíds e interferências. Um valr muit utilizad é zs= para alimentaçã de 15V e zs=9,1kω para alimentaçã de 9V. Desta frma circulará uma crrente de aprximadamente 1mA sbre z.o ptenciômetr zp=kω é um bm valr. Nta 2: É ba prática utilizar menr númer pssível de ptenciômetr ns prjets pr váris mtivs. Prém, quand imprescindível, devems, sempre que pssível, esclher um valr padrã (1,k, 4,7k e k). Kazu Nakashima Itajubá, MG, Dezembr de 1995 Dezembr de 26