Desenvolvendo a fonte para referência de precisão

Referência de tensão de precisão fonte para referência de precisão

Caro leitor, daremos continuidade ao Projeto da Referência de Tensão de Precisão, com o desenvolvimento da fonte para referência de precisão.

 

Como mencionado anteriormente, um dos projetos base estudados se adequariam muito bem às minhas necessidades, entretanto, utilizava componentes exóticos que dificultariam bastante a montagem do mesmo. Com o objetivo de simplificar o projeto, acabei tendo que contornar algumas limitações e é nestes momentos que utilizamos a criatividade e também conceitos vistos anteriormente.

 

A referência de tensão utilizada, a REF102, necessita de pelo menos 11,4 V para seu funcionamento, podendo ser alimentada por até 36 V. Essa tensão pode ser facilmente suprimida por uma fonte tradicional ou mesmo duas baterias de 9 V se quisermos mobilidade (e também menos ruídos). Isto poderia resolver o problema se nós não precisássemos de uma fonte negativa para um estágio mais à frente (no devido momento será explicado).

 

Uma das possibilidades seria utilizar um inversor DC/DC integrado para gerar a tensão negativa, mas, além de mais complicados de achar, seria necessário tratar o ruído gerado por este circuito. Outra possibilidade seria utilizar um charged pump como o ICL7660, mas no momento em que estava projetando/testando não o tinha em mãos. Cheguei até a testar um MAX232 como charged pump inversor e, apesar de funcionar, a tensão não era muito estável, fugindo do propósito do projeto (além de parecer muita gambiarra).

 

Por fim decidi utilizar o conceito de terra virtual com um simples amplificador operacional. Desta maneira não obteremos uma tensão realmente negativa, mas sim uma nova referência, e em relação a essa o GND da alimentação tornava-se negativo. O conceito é explicado no artigo sobre amplificadores operacionais em fonte simples.

 

Neste ponto, por praticidade decidi utilizar um power bank como fonte de alimentação, desses bem simples para carregar o celular. Isso traria praticidade de trabalhar com uma fonte, apenas com o power bank e ainda não ter que gastar muito com baterias de 9 V. Como a saída do power bank é de aproximadamente 5 V utilizei um DC/DC bem simples elevando a tensão para 20 V. Na prática veremos que será possível trabalhar com uma tensão menor, desde que não utilizemos o circuito de calibração.

 

Power Bank e DC/DC
Figura 1 - Power Bank e conversor DC/DC booster

 

Essa abordagem trouxe um pequeno problema para ser resolvido, o ripple na tensão fornecida pelo DC/DC. Com uma tensão média de 20,31 V existe um ripple de 751 mVpp na frequência de aproximadamente 56 Hz, um valor bastante elevado, conforme a figura a seguir.

 

Ripple gerado pelo power bank + DC/DC
Figura 2 - Ripple vindo do Power Bank + DC/DC (amarelo)

 

Para contornar este problema tomaremos proveito de algumas características do amplificador operacional e também de um filtro passa baixa. A figura a seguir apresenta o circuito utilizado.

 

Filtro e terra virtual
Figura 3 - Filtro e terra virtual

 

Após a entrada de alimentação do DC/DC temos um diodo para evitar que uma conexão reversa danifique algo, pode ser um 1N4148 ou mesmo um 1N60P que possui menor barreira de potencial. O resistor RF1 funciona como limitador de corrente do circuito e ao mesmo forma uma filtro passa baixa com o capacitor CF2. A frequência de corte deste filtro é de aproximadamente 723Hz, apesar disso já notamos diferença entre o sinal após o diodo e no ponto A após o resistor. O ripple diminui de 765 mVpp para 663 mVpp.

 

Ripple após o diode e após RF1
Figura 4 - Ripple após o diodo (amarelo) e após RF1 (azul)

 

Os resistores R1 e R2 formam um divisor resistivo que irá criar nosso terra virtual, entretanto o ripple ainda está presente e precisamos filtrá-lo. O resistor R3 juntamente com o capacitor C1 formarão um filtro passa baixa com frequência de corte de aproximadamente 0,16 Hz, ou seja, o sinal aplicado na entrada do buffer é virtualmente uma componente DC pura. O sinal na saída do AmpOp será o nosso terra virtual utilizado como referência zero.

 

Nesse momento você deve ter pensado “Mas a alimentação positiva do AmpOp tem um tremendo ripple, isso não vai afetar a saída?”.

 

A resposta para essa pergunta é, Não! Ou melhor, sendo realistas, ela praticamente não afetará em função de um parâmetro do AmpOp, o Power Supply Rejection Ratio (PSRR). Este parâmetro informa o quanto de ruído proveniente da fonte será rejeitado pelo AmpOp. O LM358 utilizado (por sem simples) possui um PSRR mínimo de 65 dB, o que equivale a uma atenuação de aproximadamente 1778 vezes. Ou seja, nossa variação de 663 mVpp causará uma variação máxima de 372 uVpp na saída. Se considerarmos o maior PSRR do datasheet com 100 dB, a variação máxima será de 6,63 uVpp. Lembrando que é necessário converter os valores em dB para seu respectivo ganho/atenuação, indico a leitura do artigo escrito pelo Alessandro Cunha que explica sobre aplicações do Decibel e como realizar as conversões para escalas de potência e tensão.

 

A figura a seguir apresenta o sinal no nó B formado pelo divisor de tensão e no nó C após o filtro.

 

Ripple no divisor de tensão e após o filtro
Figura 5 - Ripple no divisor de tensão (amarelho), sinal após o filtro (azul)

 

Este terra virtual passará a ser nosso GND padrão, sendo ele a referência zero para medição e conexão com outros circuitos. A etapa da fonte de alimentação chega ao seu fim com dois reguladores que irão alimentar nossa referência, os amplificadores diferenciais de precisão e os circuitos de ajuste de offset. Optei pelos tradicionais LM317 para tensão positiva e LM337 para tensão negativa, pois são simples de serem encontrados no comércio. Essa etapa do circuito pode ser vista na figura a seguir.

 

Fonte positiva e negativa - Fonte para referência de precisão
Figura 6 - Fonte positiva e negativa

 

Este arranjo proporcionará uma alimentação positiva de 11,60 V e outra negativa de -1,52 V, ambas em relação ao nosso terra virtual. Vale lembrar que apesar dos reguladores utilizados serem classificados até 1,5 A, este projeto prevê o baixo consumo relacionado à referência e aos circuitos anexos. Sendo assim, não se deve utilizar essas tensões para alimentar cargas externas, em especial cargas que demandem muita corrente.

 

Estamos chegando ao fim desta parte do projeto. No próximo artigo chegaremos realmente na referência de tensão básica e no circuito que gera as outras tensões.

 

O que está achando desta série? Ficou alguma dúvida, tem algum comentário ou ideia? Use a área de comentários para interagir conosco e com outros leitores. Um abraço e até o próximo artigo!

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Haroldo Amaral
Doutorando em Eng. Elétrica pela Poli-USP, mestre em Eng. Elétrica pela UNESP-Bauru e graduado em Tecnologia em Sistemas Biomédicos pela FATEC-Bauru.Um apaixonado por eletrônica que adora passar seu tempo "queimando alguns componentes" e escovando alguns bits. Entre outras paixões estão a música, uma boa reunião com os amigos, papear sobre tecnologia e afins.

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