Tecniche di Bridge Metering – Parte 2

Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli tecnici della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. In questo articolo analizziamo gli impieghi dei circuiti a ponte.

I CIRCUITI A PONTE NEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI

Negli impieghi con i trasduttori, il ponte non viene utilizzato in condizioni di perfetto equilibrio, bensì nell’intorno delle condizioni di equilibrio.

PONTE CON UN SOLO TRASDUTTORE

Cominciamo con l’esaminare il caso più semplice, di un ponte equipaggiato con un solo trasduttore di tipo resistivo, descrivendo innanzitutto alcuni parametri che definiscono le caratteristiche di un circuito di questo tipo. Viene definita sensibilità del ponte intorno all’equilibrio il rapporto fra la tensione in uscita rilevabile sulla diagonale di misura e la corrispondente variazione della grandezza fisica (a cui il traduttore è sensibile) che l’ha determinata; si può dimostrare che la massima sensibilità si ottiene quando le resistenze del ponte sono tutte uguali. La sensibilità del ponte è espressa spesso in unità radiometriche, ovvero come il rapporto tra la variazione massima aspettata della tensione di uscita e la tensione di eccitazione del ponte. Ad esempio, se VB= 10V e la tensione di fondo scala del ponte è di 10mV, la sensibilità è di 1 mV/V. Un altro parametro che caratterizza i ponti di misura è il CMRR (Common Mode Rejection Ratio) o rapporto di reiezione dei segnali di modo comune, che è definito come la capacità di sopprimere gli effetti sulla tensione di uscita legati alle variazioni spurie (riscaldamento, invecchiamento, alimentazione) che interessano entrambi i lati del ponte. Anche il CMRR ottimale si ottiene quando le resistenze del ponte sono tutte uguali. La Figura 1 rappresenta lo schema di un ponte con singolo elemento variabile, costituito da un trasduttore resistivo: R rappresenta il valore della resistenza del trasduttore nella condizione di riferimento, ovvero allorché la grandezza fisica che esso rileva è nella situazione assunta come normale; indichiamo poi con ΔR la variazione di resistenza che il trasduttore subisce per effetto delle modifiche subite dalla grandezza fisica; il campo di variazione della resistenza del trasduttore sotto l’effetto della grandezza fisica sarà quindi:

Se si opera nel rispetto della condizione di eguaglianza delle quattro resistenze del ponte all’equilibrio, che garantisce un funzionamento ottimale dal punto di vista della sensibilità (in altre parole, le resistenze sono nominalmente uguali e solo una di queste, il sensore, è variabile di una quantità ΔR) si può dimostrare che la tensione di sbilanciamento del ponte, rilevabile in uscita vale:

Come si può vedere, la relazione tra l’uscita del ponte e la variazione ΔR è non lineare. L’approssimazione: dell’espressione della tensione di sbilanciamento:

è valida se, come accade nella pratica, le variazioni ΔR risultano molto minori di R (ΔR/R<<1): solo in tali ipotesi l’uscita del ponte può ritenersi lineare con ΔR. I ponti nella configurazione a singolo elemento variante sono molto adatti per la misure basate su trasduttori come RTD, termistori o estensimetri.

Figura 4 : ponte con trasduttore resistivo

Figura 1: Ponte con trasduttore resistivo

PONTE CON DUE TRASDUTTORI

Si utilizza la soluzione del ponte a due rami sensibili per due diversi motivi: riduzione dei disturbi di modo comune ed aumento della sensibilità. Riduzione dei disturbi di modo comune: sovente un trasduttore, utilizzato perché sensibile ad un tipo di grandezza fisica, è sensibile anche ad altri tipi di grandezze che sono presenti insieme a quella da rilevare. In questo caso, la tensione di squilibrio del ponte non risulta legata solo al fenomeno fisico da rilevare ma anche ad altre entità. Lo stesso fenomeno si verifica per effetto delle variazioni nel tempo delle caratteristiche dei componenti (invecchiamento) e più in generale per tutte le derive. E’ possibile fare in modo che disturbi come gli effetti per un riscaldamento indesiderato o le derive, vengano eliminati dal funzionamento differenziale del ponte, perché considerati segnali di modo comune. A questo scopo, si pongono due trasduttori dello stesso tipo su due dei rami affiancati, facendo in modo che uno solo sia interessato dalla grandezza da rilevare, mentre entrambi subiscono gli effetti della grandezza spuria. I trasduttori che richiedono la configurazione sopra esaminata sono numerosi: basti pensare, tanto per fare degli esempi, alle fotoresistenze o agli estensimetri a semiconduttore, che risultano sensibili rispettivamente sia alla quantità di luce che alla deformazione, ma anche alla quantità di calore. Nel ramo parallelo al trasduttore che rileva la quantità luminosa o la deformazione, si pone allora un altro trasduttore analogo, ma non sollecitato. In questo modo le modifiche di resistenza per effetto termico risultano segnali di modo comune e non provocano modifiche alla tensione di uscita del ponte. E’ possibile raddoppiare la sensibilità del ponte ponendo due trasduttori uguali non su rami paralleli, ma in posizione diagonale. In questo caso il fenomeno fisico che modifica la resistenza del trasduttore modifica anche quella dell’altro in egual misura, ma le posizioni dei trasduttori nel ponte producono variazioni di tensione in verso opposto (rispetto a massa) degli estremi della diagonale di rilevamento, con un effetto di raddoppio della tensione di squilibrio Vo. Procedendo come nel caso del ponte con un solo trasduttore si ricava:

In generale, nelle applicazioni dei circuiti a ponte, ci possono essere da due fino a quattro elementi che variano. La Figura 2 mostra quattro tipologie di ponti tra le più utilizzate, adatte per applicazioni di trasduttori, con le corrispondenti equazioni che mettono in relazione l’uscita del ponte con la tensione di eccitazione ed i valori di resistenza del ponte.

Figura 5: configurazioni tipiche di circuiti a ponte con le equazioni caratteristiche

Figura 2: Configurazioni tipiche di circuiti a ponte con le equazioni caratteristiche

In questo caso, si assume costante la tensione di alimentazione VB. Si noti che, siccome l’uscita del ponte è direttamente proporzionale a VB, l’accuratezza della misura non può essere migliore dell’accuratezza della tensione di eccitazione. I circuiti a ponte possono essere eccitati anche in corrente; analoghe considerazioni a quelle già condotte per le configurazioni alimentate in tensione portano ai risultati che sono sintetizzati nella Figura 3, dove sono indicate per ognuna delle configurazioni l’espressione dell’uscita.

Figura 6: configurazioni tipiche di circuiti a ponte alimentati in corrente con le equazioni caratteristiche

Figura 3: Configurazioni tipiche di circuiti a ponte alimentati in corrente con le equazioni caratteristiche

Scarica subito una copia gratis

Scrivi un commento

Seguici anche sul tuo Social Network preferito!

Send this to a friend