Comprender los circuitos de puentes

Los circuitos de puente son herramientas fundamentales en la ingeniería eléctrica para medir impedancias desconocidas con alta precisión. El puente clásico de Wheatstone, compuesto por cuatro brazos resistivos dispuestos en una configuración de diamante, sigue siendo la topología más común. Cuando el puente está equilibrado, el voltaje entre los dos puntos intermedios es cero, lo que significa que la relación de los dos resistores en un lado equivale a la relación en el otro.

Otros tipos de puentes incluyen los puentes Maxwell, Hay y Schering para medir la inductancia y la capacitancia, así como el puente doble Kelvin para mediciones de baja resistencia. Independientemente de la topología específica, todos los circuitos de puente comparten un reto común: el voltaje de salida diferencial es a menudo muy pequeño, en el orden de los microvoltajes o molinetes, y es típicamente superpuesto en un voltaje de señalización muy grande.

El papel de los amplificadores diferenciales activos

Amplificadores diferenciales activos, construidos alrededor de amplificadores operativos (op-amps), están diseñados específicamente para amplificar la diferencia entre dos señales de entrada al rechazar cualquier voltaje común a ambos insumos. Esta propiedad, conocida como rechazo de movimiento común, es esencial en mediciones de puente porque el voltaje de excitación del puente (por ejemplo, 5 V o 10 V) parece como una señal de movimiento común en los insumos de amplificador suficiente.

Fundamentos amplificadores operacionales

Un amplificador diferencial utiliza normalmente un único op-amp configurado como subtrómetro con cuatro resistores de precisión. La salida ideal es dada por:

V] = (R]f / Ri] × (V]+ – V] [FLT]] ] [[

i determinan la ganancia. En la práctica, los o-amps reales tienen una relación de rechazo común finita (CMRR), tensión de compensación de entrada y corrientes de sesgo que deben ser contabilizadas. O-amps de precisión moderna, como el Analog45

Parámetros de rendimiento clave

  • Ración de rechazo común-modo (CMRR):] mide lo bien que el amplificador rechaza señales idénticas en ambas entradas. Un CMRR alto (Conocr.100 dB) es necesario para evitar que la excitación del puente corrompa la medición.
  • Voltaje de entrada: Un pequeño error de DC que se suma a la señal diferencial. Los op-amps de precisión tienen voltajes de compensación inferiores a 10 μV.
  • Producto de ancho de banda de cola (GBWP): Determina el rango de frecuencia sobre el cual el amplificador mantiene una ganancia estable. Para mediciones de puentes DC, GBWP puede ser modesto; para señales dinámicas (por ejemplo, vibración), se requiere mayor ancho de banda.
  • Densidad de ruido: El ruido de baja tensión de entrada (nV/√Hz) es crítico para resolver las señales de microvoltamento. Las etapas de salida de ferrocarril a espiral también son beneficiosas para maximizar el rango dinámico al utilizar sistemas de solas.

Implementación del amplificador en un circuito de puente

Selección de Topología

La implementación más simple utiliza un amplificador diferencial único de op-amp. Sin embargo, esta topología tiene impedancia de entrada baja y requiere una resistencia precisa para lograr un buen CMRR. Para mayor rendimiento, se prefiere un amplificador de instrumentación (INA). Los INA utilizan una arquitectura de tres-op-amp: dos amplificadores de buffer de entrada proporcionan alta impedancia, y una diferencia de amp proporciona el beneficio final y rechazo de movimiento común

Selección de componentes

  • Op-amp o INA: Elige un dispositivo con baja compensación, alta CMRR y ancho de banda adecuado. Para sensores de puente resistivos, un op-amp estabilizado de cobre minimiza la deriva.
  • Resistors:] Usar resistores de metal de precisión con tolerancia ≤ 0,1% y coeficiente de baja temperatura (≤ 50 ppm/°C) para la red de ajuste de ganancias.
  • Fuente de potencia: Los suministros limpios y regulados son esenciales. Para los instrumentos operados por baterías, utilice reguladores de baja gota y condensadores de desacoplamiento (0.1 μF y 10 μF) cerca de los pines de potencia amplificador.
  • Protección de entrada:] Resistencias de serie (1 kΩ – 10 kΩ) y diodos Schottky para limitar las corrientes de falla y proteger contra el sobrevoltaje.

PCB Consideraciones sobre el diseño

El ruido y la estabilidad están fuertemente influenciados por el diseño.

  • Coloque el amplificador lo más cerca posible al puente para minimizar las longitudes de traza y reducir la interferencia electromagnética.
  • Utilice un plano sólido bajo el amplificador y puente. Separar los terrenos analógicos y digitales si se utiliza un sistema de señalización mixta y conectarlos en un solo punto.
  • Mantenga las rutas de retroalimentación cortas y evite routizar señales digitales de alta velocidad cerca de las entradas de amplificador.
  • Agregue anillos de guardia alrededor de los nodos de entrada de alta impedancia para reducir las corrientes de fuga.

Ejemplo de diseño práctico: Puente de piedras de trigo con un cordón de estrado

Considere un circuito de medidor de tensión de puente trimestral. Un único medidor de tensión activo con una resistencia nominal de 350 Ω se coloca en un brazo, mientras que tres resistores de precisión de 350 Ω completan el puente. El voltaje de excitación es 5 V. Bajo la máxima tensión, la resistencia cambia en 1%, produciendo un voltaje diferencial de aproximadamente 12,5 mV. Para amplificar esto a 2,5 V (a escala completa para un ADC de 12 bits), una ganancia de 200 es necesario.

Configuración del circuito

Utilizando un INA como el AD8221, establece la ganancia con un único resistor externo (R]G). La fórmula de ganancia es G = 49.4 kΩ / RG + 1]. La polaridad de las entradas debe corresponder a la dirección de la tensión (FLT:5).

Pasos de calibración

  1. Sin tensión aplicada (puente balanceado), ajustar el borde de compensación (si está disponible) a cero la salida. Muchos INA modernos incluyen un pin de referencia; basar la referencia o aplicar un voltaje preciso establece la salida cero.
  2. Aplicar una calibración mecánica conocida (por ejemplo, una resistencia a la mandíbula a través del medidor) para simular un cambio de resistencia conocido y verificar el beneficio.
  3. Medir la salida con un voltímetro digital o ADC. Calcular la ganancia real y ajustar RG si es necesario.
  4. Grabar la deriva de salida a través de la temperatura y el tiempo para compensar digitalmente si es necesario.

Mejorar el rendimiento con Filtro Activo

Después de la amplificación, el filtrado adicional puede mejorar aún más la calidad de la señal. Un filtro de baja velocidad de segundo orden con una frecuencia de corte justo encima de la frecuencia de señal más alta reduce el ruido de banda ancha y evita el aliado en el ADC. El filtro se puede implementar con una topología Sallen‐Key utilizando el mismo op-amp (si se utilizan paquetes doble/quad) o con un filtro dedicado IC.

Para aplicaciones que requieren aislamiento (por ejemplo, dispositivos médicos o entornos industriales con alta tensión), se debe colocar un amplificador aislado o aislador digital después del amplificador diferencial. Esto rompe los bucles de tierra y protege la electrónica de medición.

Pitfalls comunes y solución de problemas

  • Pobre CMRR debido a la desajuste de resistencia: Usa redes de resistencia con ratios iguales, o implementa un amplificador de instrumentación con el corte de láser interno.
  • Oscilación:] Se utiliza mediante una carga capacitiva excesiva en la salida o un desacoplamiento insuficiente. Agrega una pequeña resistencia de serie (10 – 50 Ω) en la salida o reduce el ancho de banda de ganancia añadiendo un condensador de retroalimentación.
  • Derrame de offset: Si la salida cambia con temperatura, asegúrese de que el op-amp se especifique para la baja deriva y que el puente esté equilibrado térmicamente (por ejemplo, manómetros de dummy para la compensación de temperatura).
  • Recoger el ruido: Escudo alambres de entrada de cable torcido y conectar el escudo al suelo analógico en un solo punto. Evite enrutar los cables de entrada cerca de conmutar los suministros de alimentación o motores.

Aplicaciones de amplificadores diferenciales activos en puentes

Más allá de los medidores de tensión, los amplificadores diferenciales activos se utilizan en:

  • Transductores de presión:] Sensores de puentes de piezoresistivos para aplicaciones automotrices y médicas.
  • Sensores térmicos: Detectores de temperatura de resistencia platino (RTDs) en un puente de piedra calefactora.
  • Sensores de campo magnético: Puentes gigantes de magnetoresistencia (GMR) para detección de posición y detección de corriente.
  • Escamas de peso: Las células de carga producen salidas de nivel milivolt que requieren amplificación y digitalización de precisión.
  • Sensores de posición angular: puentes de efecto Hall utilizados en la conmutación de motor DC sin escobillas.

Conclusión

Los amplificadores diferenciales activos son indispensables para extraer señales limpias y amplificadas de los circuitos de puente. Al seleccionar cuidadosamente los componentes, especialmente el amplificador de la aplicación o instrumentación, los resistores y la fuente de alimentación, y siguiendo prácticas rigurosas de diseño y calibración, los ingenieros pueden alcanzar resoluciones de medición a microvoltios. Los principios aquí tratados se aplican a una amplia gama de sensores basados en puentes, haciendo que el amplificador de precisión diferencial activo de la comprensión de los instrumentos de precisión