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Projetos com Sensores de Pressão Semicondutores (ART1815)

Os sensores de pressão do tipo semicondutor possuem características que os fazem a escolha ideal em uma infinidade de aplicações. No entanto, para usá-los o projetista precisa conhecer muito bem essas características de modo a não ser enganado, e com isso não conseguir alcançar os resultados

almejados. Neste artigo, baseado no Application Note AN15 17 da Freescale, mostramos alguns procedimentos básicos ao se projetar chaves de pressão empregando sensores de estado sólido.

A ideia básica que envolve o projeto de uma chave de pressão é bastante simples: circuitos que condicionem o sinal e um circuito que faça o disparo com o nível desejado de sinal, ou seja, com a pressão desejada.

A saída do circuito, por outro lado, pode ser usada para acionar algum tipo de indicador como um LED, ou ainda fornecer um sinal lógico para um circuito apropriado como um microcontrolador.

Deve-se considerar também nesse conjunto a eventual necessidade de se agregar alguma histerese para se evitar a oscilação do circuito em seu limiar de acionamento.

O componente básico utilizado nesse tipo de projeto é o comparador de tensão, que também pode ser obtido com amplificadores operacionais.

Como desenvolver circuitos apropriados com essa topologia é o que veremos a seguir.

 

Operação do Sensor

A Freescale possui uma série de sensores, MPX20 que são Compensados em temperatura e calibrados para poderem operar como transdutores de pressão. 

Esses sensores estão disponíveis numa ampla escala de pressões indo de 10 kPa (1,6 psi) a 200 kPa (30 psi).

Apesar das folhas de dados indicarem que a tensão máxima de alimentação é de 10 V, a saída desses dispositivos é relaciométrica com a tensão de alimentação.

Assim, para uma tensão absoluta máxima de 16 V, o sensor vai produzir uma tensão diferencial de 64 mV a plena escala.

Uma exceção é MPX2010 (10 kPa) em que essa saída será de apenas 40 mV, devido à menor sensibilidade do dispositivo.

O Condicionamento do Sinal Começamos, então, por um circuito amplificador ilustrado na figura 1, o qual faz uso de dois amplificadores operacionais.

 

Figura 1 – Primeiro circuito
Figura 1 – Primeiro circuito

 

 

O circuito de interfaceamento possui poucos componentes, menos do que os necessários com uma configuração com amplificadores operacionais quádruplos.

Essa configuração tem por característica oferecer uma elevada impedância de entrada, baixa impedância de saída e alto ganho, como o desejado para interfaceamento do sensor.

Nesse circuito, o ganho depende da relação entre R6 e R5.

Para esse projeto, o ganho está fixado em 201, com os valores indicados no diagrama.

A etapa de comparação é o coração do projeto, determinando o ponto em que ocorre a comutação.

Essa etapa converte a tensão analógica do sensor em uma saída digital, determinada pelo limiar do comparador.

Nela, existem alguns pontos importantes que devem ser comentados.

 

a) O limiar no qual ocorre a comutação da saída deve ser programável.

O limiar é facilmente ajustado, dividindo-se a tensão de alimentação pelos resistores R7 e R11 que fornecem o ponto de disparo, no caso em 2,5 V.

O circuito indicado é o da figura 1.

 

b) Um método para se agregar uma certa histerese ao circuito,de modo a se evitar a oscilação ou o repique no limiar, consiste em se agregar uma realimentação positiva ao circuito. Isso é feito através do resistor Rh no circuito da figura 1.

 

c) Em algumas aplicações seria importante que a tensão de saída tivesse uma excursão de extremo a extremo das tensões do circuito, ou seja, rail-to-rail, chegando a zero no nível baixo e Vcc no nível alto.

Na prática isso não é possível, pois sempre existem perdas.

De qualquer forma, a faixa de níveis lógicos deve ser tal que não permita que a lógica que venha depois seja induzida a leituras erradas.

 

d) De modo a tornar o circuito compatível com circuitos CMOS e evitar um retardo no microcontrolador, o comparador deve ter uma ação suficientemente rápida.

 

e) Pode-se usar dois comparadores numa configuração em janela de maneira a se programar uma faixa de pressões de atuação.

 

Comparador com LM311

Há diversos circuitos integrados de comparadores que podem ser usados nessa aplicação, como os bem conhecidos LM339, LM358 e outros.

Um deles em especial, é indicado pela Freescale em seu Application Note, o LM311.

Na figura 2 temos um circuito típico utilizando esse comparador, com o resistor de histerese.

 

Figura 2 – Circuito com o LM311
Figura 2 – Circuito com o LM311

 

 

Esse circuito tem o seu cálculo total mente descrito no Application Note original, o qual o leitor poderá facilmente acessar via Internet.

Ele apresentará então as características exibidas na figura 3, com a histerese programada segundo as fórmulas dadas.

 

   Figura 3 – Características do circuito
Figura 3 – Características do circuito

 

 

Para se usar um circuito com transistor na saída temos a configuração indicada na figura 4.

 

   Figura 4 – Circuito com transistor
Figura 4 – Circuito com transistor

 

 

E, temos o circuito da figura 5 em que um LM339 é usado como comparador de janela. Os cálculos para a determinação dos valores desse componente R2 também podem ser encontrados no Application Note 1517 da Freescale.

 

Figura 5 – LM339 como comparador de janela
Figura 5 – LM339 como comparador de janela

 

 

Ele aproveita-se do fato de que o LM339 é um comparador quádruplo, o que significa o uso de apenas metade do CI nessa aplicação.

Veja que nesse circuito a fonte de alimentação não precisa ser simétrica.

Lembramos também que os transistores da saída do LM339 estão em coletor aberto, o que significa a necessidade de se usar sempre o resistor.

 

Conclusão

Os sensores semicondutores de Vcc pressão podem ser usados com vantagens em muitas aplicações, mas o circurto apropriado deve ser associado.

Neste artigo mostramos exemplos de como implementar esses circuitos tanto com base em amplificadores operacionais quanto com comparadores R2 de tensão.

Mais informações o leitor poderá obter no site da Freescale (www.freescale.com).

 

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Opinião

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