Voltmetri analogici con op-amp

Транскрипт

1 Appunti di Misure Elettriche Voltetri analogici con op-ap Generalità sui voltetri elettronici analogici... Voltetri con aplificatori operazionali... Millivoltetro in corrente continua... ivelatore di picco...3 Voltetri in corrente alternata...4 GENEALITÀ UI VOLTMETI ELETTONICI ANALOGICI I voltetri elettronici analogici sono generalente ottenuti coe cobinazione di uno struento analogico passivo (ad esepio uno struento agnetoelettrico, breveente PMMC) e di un aplificatore costituito da uno o più stadi. Essi, pertanto, presentano una scala graduata copatibile con la classe di precisione dello struenti passivo ipiegato. Negli struenti di aggior pregio, è previsto uno specchietto sotto l indice della scala graduata, al fine di eliinare l errore di parallasse: infatti, dato che l indice non scorre sullo stesso piano su cui si trova la scala graduata, la lettura corretta si ottiene solo quando, guardando la scala, l indice e la sua iagine sullo specchio risultano allineati. Uno dei requisiti di aggiore interesse per un voltetro riguarda la sua ipedenza di ingresso: cheatizzazione del tutto generale di una isura di tensione: il generatore E rappresenta la tensione da isurare, l ipedenza Z i rappresenta l ipedenza interna del circuito sotto isura (costituito appunto da Z i ed E), l ipedenza Z V rappresenta il voltetro che viene inserito nel circuito sotto isura icordiao che la classe di precisione di uno struento di isura è definita coe l errore assio percentuale relativo all indicazione di fondo scala. E una specifica dello struento che il costruttore fornisce per quantificare l accuratezza dello struento.

2 Appunti di Misure Elettriche Quanto aggiore è questa ipedenza (indicata in figura con Z V ), tanto inore è la corrente assorbita dallo struento stesso e quindi tanto inore è il consuo, ossia l errore dovuto all effetto di carico dello struento sul circuito sotto isura: con riferiento alla figura, quanto aggiore è Z V, tanto più la tensione V si avvicina al valore E da isurare. L ipedenza di ingresso, oltre ad essere elevata, deve anche essere indipendente dalla portata. Entrabi questi requisiti sono difficili da ottenere con i voltetri analogici passivi a bobina obile: infatti, per tali voltetri la resistenza di ingresso non risulta ai elevata e soprattutto è funzione della portata di lavoro. La presenza di un apparato elettronico (tipicaente un aplificatore) insiee allo struento elettroeccanico classico ha proprio la funzione di ovviare a tale inconveniente. VOLTMETI CON AMPLIFICATOI OPEAZIONALI Dato che un aplificatore operazionale presenta una resistenza di uscita olto bassa ed una resistenza di ingresso olto elevata e dato che il suo guadagno di tensione, in presenza di un anello di reazione negativa, dipende solo da un rapporto di resistenze, il suo uso risulta particolarente adatto nei illivoltetri in corrente continua e nei rivelatori di picco. Millivoltetro in corrente continua Coinciao a considerare un illivoltetro in corrente continua: Possiao sfruttare il concetto di cortocircuito virtuale tra i orsetti di ingresso dell operazionale, al fine di ricavare il legae tra la corrente I che scorre nell aperoetro e la tensione di ingresso V i. In prio luogo, in base ai versi delle correnti segnati in figura, possiao applicare la LKC e scrivere che I = I + I ; la tensione ai capi di è evidenteente pari a V U, per cui la corrispondente corrente è I =V u / ; analogaente, la stessa tensione V U si trova ai capi di, per cui I =V u /. criviao dunque che I = I + I = V U +

3 Voltetri analogici attivi con aplificatori operazionali D altra parte, a prescindere dalla presenza del rao con l aperoetro, la tensione V U non è altro che la tensione di uscita di un operazionale in configurazione invertente, per cui VU = Vi e quindi I = + Vi In base a questa espressione, se scegliao le resistenze ed uguali (per cui / =) e olto più grandi di, otteniao che Vi I Questa espressione ci dice sia che l indicazione dell aperoetro è proporzionale alla tensione in ingresso sia anche che, variando, possiao variare la portata del illivoltetro. La variazione di s può essere ottenuta, ad esepio, predisponendo più resistori coutabili in parallelo. ivelatore di picco L altra applicazione cui abbiao fatto pria riferiento è un rivelatore di picco (o voltetro di picco) basato su un aplificatore operazionale. La configurazione circuitale è la seguente: Nella parte sinistra del circuito, notiao sostanzialente il classico op-ap in configurazione invertente, con in più un diodo sul terinale di uscita; il condensatore in parallelo al rao con consente invece di realizzare la classica cellula di anteniento. La presenza del diodo nell anello di reazione fa si che si abbia circolazione di corrente solo quando la tensione in ingresso è aggiore di quella in uscita (ai capi del condensatore): quando questo accade, il diodo è praticaente un cortocircuito, per cui l aplificatore funziona in odo classico (cioè da invertitore con guadagno - / ); in tal odo, il condensatore si carica al assio valore della tensione di uscita, legata al assio valore della tensione di ingresso dalla relazione 3

4 Appunti di Misure Elettriche V U,ax = V i,ax Quando la tensione si riprende a scendere, il diodo si interdice ed il condensatore riane carico al valore V U,ax. Generalente, il rapporto di resistenze / viene fissato a 0.707, in odo che lo struento isuri direttaente il valore efficace della tensione in ingresso. Voltetri in corrente alternata I voltetri elettronici in corrente alternata sono sostanzialente uguali a quelli in corrente continua, salvo la presenza di uno stadio di raddrizzaento. Questo può trovarsi sia all ingresso sia all uscita dell aplificatore. Una configurazione in cui il raddrizzatore precede l aplificatore è la seguente: Questo circuito coprende perciò un aplificatore in corrente continua, dato che la tensione in ingresso è raddrizzata. e invece lo stadio raddrizzatore segue l aplificatore (per cui quest ultio funziona in regie alternato), la configurazione diventa la seguente: 4

5 Voltetri analogici attivi con aplificatori operazionali In questo caso, l aplificatore avrà elevato guadagno ad anello aperto e presenterà anche una forte reazione negativa, in odo da ovviare alla non linearità dei diodi raddrizzatori. Notiao inoltre che il raddrizzatore posto in uscita è un classico ponte di Graetz, che però presenta due resistori al posto di due diodi: il otivo è sepre quello di ovviare alla non linearità dei diodi. E bene infine ricordare che i voltetri in corrente alternata di questo tipo, noralente tarati in valori efficaci, funzionano perfettaente quando l ingresso è puraente sinusoidale; se invece non lo è, allora la isura è affetta da un errore la cui entità dipende dal fattore di fora del segnale in ingresso, cioè dal rapporto tra il valore di picco ed il valore efficace. Autore: ANDO PETIZZELLI e-ail: [email protected] sito personale: succursale: 5