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IL CONDIZIONAMENTO DEI SEGNALI DEI CIRCUITI A PONTE
Per misurare la tensione di uscita di un ponte correttamente, bisogna garantire che non vi sia un effetto di carico introdotto sul sistema: è necessario l’impiego di un dispositivo di misura con elevato valore dell’impedenza d’ingresso o tipicamente un amplificatore per strumentazione. Il ponte è un circuito passivo, pertanto il suo segnale di uscita deve essere amplificato e l’amplificatore non può che essere differenziale perché occorre amplificare un ddp fuori massa. Una soluzione circuitale molto semplice, economica ed accettabile in prima approssimazione, è quella di Figura 1.
Figura 1: Condizionamento dell’uscita di un ponte con amplificatore differenziale
Collegando un ponte ad un amplificatore differenziale, occorre fare in modo che le reciproche resistenze non si influenzino; una soluzione possibile è fare in modo che le resistenze del ponte abbiano un valore abbastanza minore di quelle dell’amplificatore differenziale (le resistenze “viste” dai punti A e B verso il differenziale valgono infatti R5+R6) in modo che si possano ritenere valide le relazioni ricavate per i due circuiti separati. E’ bene tener presente, però, che nella soluzione proposta, se pur accettabile in prima approssimazione, gli effetti delle resistenze del ponte e del differenziale, sono tali da ridurre la reiezione di modo comune di tutto l’insieme. Un notevole miglioramento si ottiene impiegando un amplificatore per strumentazione come in Figura 2.
Figura 2: Condizionamento dell’uscita del ponte con amplificatore per strumentazione
Questo tipo di amplificatore non richiede resistenze di polarizzazione sugli ingressi (che hanno impedenza pressocché infinita) ed ha un guadagno dipendente unicamente dal valore della resistenza esterna RG. In Figura 3 è riportato a titolo di esempio lo schema di un circuito di condizionamento completo di una configurazione a ponte con quattro elementi varianti per la misura della pressione.
Figura 3: Condizionamento per ponte con traduttore di pressione
Il generatore di tensione di riferimento LT1021 bufferato dagli operazionali A1A ed A2, alimenta il ponte. L’amplificatore per strumentazione A3 estrae l’uscita differenziale del ponte, e l’amplifica con un guadagno 100. Un guadagno supplementare regolabile è fornito poi dall’operazionale A1B. Il trimmer sul ponte regola invece lo zero sulla scala delle pressioni. Il filtro passa basso all’ingresso di A1B filtra il rumore che può essere originato da disturbi elettromagnetici o da risposte del trasduttore a rapide fluttuazioni di pressione. Nei casi in cui il rumore sia relativamente alto è preferibile eseguire il filtraggio prima dell’operazionale A3 in modo da prevenire possibili distorsioni che possono derivare da effetti di saturazione, slew rate, etc. dell’operazionale. Gli amplificatori utilizzati nello schema hanno stadi di ingresso ad alta impedenza a FET. La configurazione mostrata può essere regolata in modo da avere una uscita di 10 volt in corrispondenza del fondo scala di pressione. Per la calibrazione del circuito è sufficiente applicare una pressione zero al trasduttore e regolare il potenziometro da 10K finché l’uscita del ponte diventa zero; successivamente, applicando un valore di fondo scala di pressione si regola il trimmer da 1kohm in modo da raggiungere il valore massimo della tensione di uscita.
TECNICHE DI LINEARIZZAZIONE DEI PONTI
La Figura 4 mostra un ponte di tipo attivo con un singolo elemento variabile in cui la linearizzazione viene operata da un amplificatore operazionale.
Figura 4: Linearizzazione dell’uscita di un ponte con amplificatore operazionale
Lo schema assicura che la corrente nel trasduttore resistivo rimane costante; infatti, dovendo essere V+ = V-, le correnti nelle due resistenze R sono uguali e pari a:
Tenendo presente che gli ingressi dell’operazionale nel caso ideale non assorbono corrente, anche la corrente nel trasduttore resistivo vale I e sarà a sua volta indipendente da ΔR. E’ immediato allora verificare che la tensione di uscita del circuito vale:
Questo ponte attivo ha un guadagno doppio rispetto alla soluzione standard del ponte con singolo elemento variabile; inoltre, l’uscita è lineare nello sbilanciamento ΔR, mentre abbiamo visto che in un ponte di Wheatstone classico, l’uscita è lineare solo approssimativamente per piccoli sbilanciamenti. A causa del basso livello del segnale di uscita, questo ponte deve solitamente essere seguito da un secondo stadio amplificatore. L’amplificatore utilizzato in questo circuito richiede inoltre una alimentazione duale, perché la sua uscita deve essere negativa. Un altro circuito per linearizzare un ponte con singolo elemento variabile viene mostrato in Figura 5.
Figura 5: Condizionamento dell’uscita del ponte con corrente costante
La parte inferiore del ponte è pilotata da un amplificatore operazionale, che mantiene costante la corrente nell’elemento a resistenza variabile. Il segnale di uscita viene prelevato dal ramo destro del ponte e amplificato da un amplificatore operazionale in configurazione non invertente in cui le resistenze R1 e R2 determinano il guadagno. L’uscita è lineare, ma il circuito richiede due amplificatori operazionali a cui devono essere applicate delle alimentazioni duali. Un ulteriore soluzione per linearizzare la tensione in un ponte con due elementi variabili viene mostrata in Figura 5. Questo circuito è simile alla configurazione descritta in Figura 3 ma ha una sensibilità doppia. Anche in questo caso, è necessaria una alimentazione duale per alimentare l’amplificatore operazionale.
COLLEGAMENTI E TECNICHE DI COMPENSAZIONE NEI CIRCUITI A PONTE
Le resistenze di cablaggio sono tra i maggiori problemi connessi con i ponti di misura resistivi, in particolare quando il trasduttore di acquisizione si trova vincolato ad una certa distanza dal ponte stesso; in questi casi, bisogna considerare anche gli effetti della resistenza dei cavetti di collegamento r ed adottare adeguate tecniche di compensazione. Le considerazioni che seguono saranno riferite alla tipologia di circuito a ponte con un solo elemento resistivo variabile secondo lo schema indicato in Figura 7 in cui con r si rappresentano le resistenze dei cavi.
Figura 6: Condizionamento di ponte con due elementi variabili tramite opamp
Figura 7: Tipologie di cablaggio
Per la corretta compensazione del ponte, in condizioni di equilibrio (ΔR=0), il lato R3 dello schema di Figura 7 dovrebbe contenere una resistenza di valore R3=R+2r. Un affinamento dello schema di Figura 8, che evita la necessità di determinare la resistenza dei cavetti per poterne tener conto, può essere realizzato con la connessione a tre cavetti (metodo Siemens, rappresentato in Figura 8).
Figura 8: Cablaggio di un trasduttore con connessione a tre fili
Figura 9: Connessione con il metodo Kelvin
Con tale connessione si compensano, oltre alle resistenze proprie dei cavetti, anche le loro eventuali variazioni termiche; l’effetto del terzo cavetto è ininfluente, risultando una sonda praticamente non percorsa da corrente: se si assume che la tensione di uscita del ponte è acquisita da un dispositivo ad alta impedenza, quindi non vi è corrente nel carico. Ulteriori accorgimenti di compensazione possono essere adottati anche in funzione della specifica applicazione; nel caso di misure di temperatura realizzate con RTD poste ad una certa distanza dal ponte, occorre per esempio evitare errori dovuti alla temperatura dei cavi di collegamento; per questa ragione si ricorre a collegamenti a quattro fili: un cavo bipolare è collegato alla RTD, un altro cavo, sentendo la stessa temperatura, viene connesso sul ramo contiguo del ponte, per compensarne gli effetti. Consideriamo infine il caso di una cella di carico, in cui quattro elementi variabili costituiscono una configurazione a ponte completo.
Quando questi ponti sono collocati ad una certa distanza dall’elettronica di condizionamento, particolari tecniche devono essere adottate per mantenere la precisione e la stabilità della tensione di eccitazione del ponte. Per questo motivo, la maggior parte dei ponti a quattro elementi variabili è equipaggiata con un sistema di collegamento noto come metodo Kelvin, mostrato in Figura 9. Gli amplificatori operazionali, agendo come dispositivi ad alta impedenza, determinano un minimo errore dovuto alla caduta di tensione legata alla corrente di polarizzazione indotta sulle resistenze di alimentazione. In particolare, l’amplificatore operazionale A mantiene la tensione di eccitazione necessaria al ponte sempre uguale a VB. Anche se il rilevamento con il metodo di Kelvin elimina errori dovuti a cadute di tensione nelle resistenze di cablaggio, la tensione di riferimento deve essere ancora molto stabile poiché influenza direttamente la tensione di uscita del ponte. Inoltre, gli amplificatori devono avere basso offset, bassa deriva, e basso rumore.
CONCLUSIONI
Sulla base delle considerazioni fin qui esposte, riepiloghiamo di seguito i diversi step per la corretta progettazione di un circuito a ponte. Selezionare la configurazione di base con il relativo metodo di eccitazione, successivamente deve essere determinato il valore della tensione di eccitazione o della corrente. Ricordiamo che il fondo scala dell’uscita del ponte è direttamente proporzionale alla tensione di eccitazione (o corrente). Sebbene tensioni di eccitazione grandi determinano in proporzione tensioni di fondo scala di uscita più grandi, possono però anche portare a maggiore dissipazione di potenza per auto-riscaldamento e la possibilità di introdurre conseguenti errori di misura. Dall’altro canto, bassi valori di tensione di eccitazione richiedono maggiori guadagni nei circuiti di condizionamento con un conseguente aumento della sensibilità al rumore.
