Thread sugli operazionali

[PietroBaima]

Facciamo così, per ora andiamo a dormire (YAWN!!)
Domani magari riparliamo ancora un po' dell' IA (Instrumentation Amplifier) e poi passiamo all'ultimo esercizio. Magari prima parliamo del sig. Thevenin.

So far, buonanotte e complimenti, stasera te lo sei divorato, il circuito!


Pietro.

[PietroBaima]

Dunque, riprendiamo dopo questo luuungo week-end.

Come prima cosa facciamo il punto per l'amplificatore da strumentazione.

Questo è ciò che dobbiamo risolvere:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Dove abbiamo già evidenziato ciò che abbiamo mentalmente diviso: L'amplificatore non invertente in rosso, quello invertente in verde e il terzo circuito, un sommatore, in giallo.

Risolviamo quindi sovrapponendo gli effetti.
Sovrapponiamo gli effetti tra V1 e V2. V3 per ora non ci serve perché appartiene al circuito giallo, che possiamo trattare dopo.

Accendiamo V1, poi V2 e calcoliamo Va:



Notiamo che il circuito è simmetrico, quindi è possibile ottenere Vb semplicemente scambiando V1 e V2 (quando calcolo V1 per l'amplificatore invertente V2 è in configurazione non invertente e viceversa).
Pertanto:



Abbiamo ancora il circuito giallo da analizzare. Questo è un circuito che riceve in ingresso Va, Vb e V3 e restituisce in uscita Vo.
Applichiamo la sovrapposizione degli effetti accendendo prima Va, poi Vb e infine V3.

Abbiamo



Questo circuito, infatti è un sommatore/sottrattore. Si può considerare come blocco elementare da ricordarsi per il futuro, proprio come l'amplificatore invertente e non invertente.
Così:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Noterai che se le resistenze sono tutte uguali si ha semplicemente la differenza dei due ingressi.
Se le resistenze seguono la legge data nel riquadro è possibile anche amplificare di A volte.
Se poi ci sono altri ingressi sui morsetti invertenti o non invertenti si sovrappongono gli effetti, ma senza dover ripartire da capo.

Quello che sto cercando di insegnarti è un modus operandi con il quale mi trovo molto bene: se si parte da capo ogni volta si finisce per fare un sacco di calcoli, con il rischio di sbagliare; se si ricordano i blocchi elementari si può stimare (anche senza calcolare con precisione) la funzione di un circuito disegnato su carta, guardandolo un po' e pensando alla composizione di blocchi, come se si trattasse di mattoncini lego

Quando si deve progettare un circuito è un metodo molto comodo, inoltre permette di ridurre molto i calcoli e la probabilità di errore, anche quando si devono fare su carta.

Naturalmente uno di questi mattoncini lego è anche l'amplificatore da strumentazione appena studiato

[PietroBaima]

Adesso vediamo una applicazione degli amplificatori da strumentazione.
Iniziamo dicendo subito che un amplificatore da strumentazione, in elettronica, ha un suo simbolo circuitale, questo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Questo è il pin-out:

• + è l'ingresso non invertente, in pratica, nello schema di prima, la V2 (quella che non viene invertita)
• - è l'ingresso invertente, in pratica, nello schema di prima, la V1 (quella che viene invertita)
• Rg1, Rg2 sono i due pin dove verrà collegata la resistenza Rg, per poter fissare il guadagno
• Vref corrisponde all'ingresso V3 del circuito di prima, cioè quella tensione che si somma all'uscita senza alcun guadagno

Quella che vedremo è una applicazione straclassica.
Alcune volte capita di dover acquisire una corrente circolante in un ramo di un circuito.
Supponiamo di conoscere questi dati, come indicazione di valori massimi:

• Tensione massima presente sul carico: 15V
• Corrente massima presente sul carico: 6A

Questo è il circuito:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Per poter misurare quella corrente inseriamo una resistenza di shunt, cioè una resistenza di piccolo valore, ai capi della quale leggere una tensione. Secondo la legge di Ohm la tensione ai capi della resistenza sarà proporzionale alla corrente assorbita dal carico. La resistenza è da porre di piccolo valore per non cambiare troppo la tensione sul carico.
La tensione sulla resistenza è .

Per acquisire la tensione ai capi della resistenza procediamo in questo modo, come primo tentativo.
Abbiamo a disposizione un ADC a due canali e 8 bit di risoluzione e un microcontrollore. Acquisiamo la tensione prima e dopo della resistenza, poi il programma nel microcontrollore farà la sottrazione.

Vediamo lo schema:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Supponiamo, per esempio, che la tensione di alimentazione (il cui massimo può arrivare fino a 15V, come abbiamo visto) sia in quel momento pari a 12V e la corrente, che può arrivare fino a 6A, sia in quel momento di 5A.

La caduta ai capi della resistenza è pari a , quindi prima della resistenza saranno presenti 12V e dopo saranno presenti 11.5V.
Il riferimento dell'ADC dovrà essere posto a 15V, poiché quella è la tensione massima che può essere presente sull'alimentazione.

Il primo canale dell'ADC acquisirà pertanto 12V, su un fondo scala di 15V.
Vediamo che valore digitale uscirà dall'ADC al canale 1:

e al canale 2:


La differenza è pertanto pari ad 8, che corrisponde ad una tensione di:


Per un errore pari a

Vediamo cosa accade, invece, inserendo un amplificatore da strumentazione.
Il circuito diventa questo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Come si vede ho messo un amplificatore da strumentazione, con guadagno 10.
E' stato possibile quindi ridurre la resistenza di 10 volte, in modo da rendere la misura 10 volte meno invasiva del caso precedente. Il guadagno pari a 10 riporta le condizioni pari a quelle del caso precedente.
Ma rifacciamo i conti relativi all'errore, nelle stesse condizioni di prima.

La tensione di uscita dell'amplificatore da strumentazione sarà pari alla corrente massima, moltiplicato per la resistenza (0.01Ω), moltiplicato 10 (guadagno).
Se la corrente massima è pari a 6A la tensione di uscita massima è 0.6V, e tale sarà il riferimento dell'ADC.
La corrente circolante nel circuito nel caso in esame è 5A, come prima. La tensione di uscita dell'amplificatore da strumentazione è quindi pari a 0.5V.

Si ha che:



pari ad una tensione di:



Per un errore pari a

Un po' diverso da prima, no?

Inoltre c'è anche da segnalare che la resistenza del primo esempio dissipa una potenza pari a , mentre quella usata con l'amplificatore da strumentazione ne dissipa un decimo.
Oltre a realizzare un risparmio di potenza (importante, per esempio, nei dispositivi a batteria oppure nei dispositivi dove la corrente circolante è alta) si migliora ulteriormente la misura.
La resistenza, infatti, varia con la temperatura, dando origine a effetti non lineari, a discapito della precisione.
Tutti questi problemi possono essere evitati inserendo, appunto, un amplificatore da strumentazione.

[elegos]

Ma se noi forniamo una terza corrente elettrica all'amplificatore da strumentazione, questo non va ad assorbire ulteriore potenza? Quindi se la prendi dal circuito o dall'amplificatore, in ogni caso c'è un consumo ulteriore di energia (oltre a quella dissipata da Rg)... no?

[PietroBaima]

Ma se noi forniamo una terza corrente elettrica all'amplificatore da strumentazione, questo non va ad assorbire ulteriore potenza?

quale corrente? Intendi il fatto di dover alimentare l'amplificatore da strumentazione?

Quindi se la prendi dal circuito o dall'amplificatore, in ogni caso c'è un consumo ulteriore di energia (oltre a quella dissipata da Rg)... no?

Bisogna fare un bilancio energetico, ma prima chiariscimi le idee su cosa vuoi sapere, perché mi sa che non ho capito

[claudiocedrone]

Beh, non proprio, l'ampli da strumentazione prenderà l'alimentazione da quella dello strumento di misura o separatamente, non dal circuito sotto test. Scusa lo "scavallamento" Pietro, ma penso di avere risolto i dubbi di entrambi (spero )

[claudiocedrone]

elegos, lo scopo è di influenzare il meno possibile il circuito sotto test e ottenere maggiore precisione nella misura, e Pietro lo ha indicato chiaramente

[PietroBaima]

Scusa lo "scavallamento" Pietro,

Nessun problema, ma volevo essere proprio sicuro delle richieste di elegos

[elegos]

claudiocedrone ha centrato il punto il dubbio era sulla terza tensione (che viene erogata dallo strumento da banco e non dal circuito stesso)

[PietroBaima]

Sicuramente l'amplificatore da strumentazione va alimentato.
Vediamo se risparmiamo qualcosa.

Supponiamo che il tutto venga alimentato dalla stessa fonte di alimentazione: l'alimentatore che alimenta il carico Rl alimenta anche l'elettronica di misura.
Il primo circuito di misura, sappiamo, consuma 2.5W più tutta la potenza richiesta dall'ADC e dal microcontrollore.
Per il secondo circuito di misura dobbiamo vedere quanto consuma l'amplificatore da strumentazione.
Scegliamo pertanto un amplificatore da strumentazione da usare. Io userei l' INA121, di cui abbiamo già parlato. Il datasheet, a pagina 2, alla voce power supply, dice che il circuito, se l'uscita non eroga corrente (altrimenti bisogna sommare la corrente erogata dall'uscita) richiede una corrente di 450µA, con alimentazione a ±15V. In genere gli ingressi degli ADC sono ad alta impedenza, pertanto possiamo assumere una corrente erogata dall'uscita pari a 0. Abbiamo una potenza assorbita pari a 13.5mW.
Adesso possiamo fare un bilancio energetico.
Il secondo circuito consuma 250mW per la resistenza di shunt + 13.5mW dell'amplificatore da strumentazione, più ovviamente, come nel caso precedente, tutta la potenza consumata da ADC e microcontrollore.

In definitiva, con il secondo circuito risparmiamo circa 2.24W, oltre ad aver aumentato moltissimo la precisione e corretto gli effetti non lineari.