Nozioni di base e applicazioni degli amplificatori per strumentazione

L’amplificatore strumentale, una sorta di amplificatore differenziale con amplificatore buffer di ingresso, è un’applicazione unica di amplificatori operazionali. In questo tutorial studieremo alcune nozioni di base e applicazioni cruciali dell’amplificatore strumentale, nonché la struttura e il funzionamento di un amplificatore strumentale a tre amplificatori operazionali.

Il monitoraggio e la gestione delle condizioni fisiche sono necessari per molte applicazioni industriali e di consumo. Ad esempio, l’esatta gestione della temperatura di un forno di plastica per creare uno specifico grado di plastica, o misure di temperatura e umidità all’interno di un caseificio per mantenere correttamente la qualità del prodotto, ecc.

I trasduttori devono essere utilizzati per tradurre questi cambiamenti nell’ambiente fisico in grandezze elettriche, che devono essere successivamente amplificate. Gli amplificatori di strumentazione sono il nome dato a tali amplificatori, che vengono utilizzati per amplificare i segnali al fine di misurare i valori fisici.

Il segnale di uscita dal trasduttore funge da ingresso per un amplificatore per strumentazione. Un apparato che trasforma una forma di energia in un’altra è chiamato trasduttore. La maggior parte dei segnali di uscita del trasduttore sono a livelli estremamente bassi. Per aumentare il volume del segnale prima di passare alla fase successiva, il rumore e le interferenze devono essere eliminati. Gli amplificatori single ended in generale non sono adatti a questi compiti. Gli amplificatori devono avere un elevato rapporto di reiezione di modo comune per respingere il rumore.

Un amplificatore per strumentazione è un amplificatore specializzato utilizzato per tale amplificazione di basso livello con alto CMRR e alta impedenza di ingresso per evitare il caricamento. Lo scopo di un amplificatore per strumentazione è quello di amplificare con precisione i segnali di basso livello in cui sono necessari elevata resistenza di ingresso, rumore minimo e guadagno ad anello chiuso di precisione. Per ottenere buone prestazioni, sono inoltre preferiti un basso consumo energetico, un’elevata velocità di risposta e un elevato rapporto di reiezione di modo comune.

Cosa rende un buon amplificatore per strumenti?

Tipicamente, i segnali di basso livello vengono amplificati da un amplificatore di strumentazione mentre i segnali di interferenza e rumore vengono respinti. Di conseguenza, un amplificatore per strumentazione decente deve soddisfare i seguenti requisiti:

Un guadagno finito, accurato e stabile è essenziale perché gli amplificatori per strumentazione devono amplificare segnali di livello estremamente basso provenienti da dispositivi trasduttori. Il guadagno ad anello chiuso deve essere stabile e il guadagno deve essere corretto.

Regolazione del guadagno resa più semplice: oltre a un guadagno illimitato e costante, è anche essenziale variare il fattore di guadagno in un determinato intervallo di valori. La regolazione del guadagno deve essere più semplice e precisa.

Elevata impedenza di ingresso: l’impedenza di ingresso dell’amplificatore per strumentazione deve essere estremamente elevata per impedire il caricamento delle sorgenti di ingresso (idealmente infinita).

Impedenza di uscita bassa: un buon amplificatore per strumentazione deve avere un’impedenza di uscita molto bassa, idealmente pari a zero, per evitare effetti di caricamento sul palco successivo.

Alto CMRR: quando i segnali di modo comune vengono trasferiti su lunghe linee, l’uscita del trasduttore li contiene tipicamente. Un amplificatore per strumentazione decente deve rifiutare totalmente gli ingressi di modo comune e amplificare solo l’ingresso differenziale. Pertanto, il CMRR dell’amplificatore per strumentazione dovrebbe idealmente essere infinito.

Slew rate elevato: per ottenere la massima oscillazione della tensione di uscita senza distorsioni, lo slew rate dell’amplificatore per strumentazione deve essere il più elevato possibile.

Amplificatore per strumentazione con tre amplificatori operazionali

Tre amplificatori operazionali costituiscono gli amplificatori per strumentazione più popolari. Ogni ingresso dell’amplificatore differenziale è accoppiato ad un amplificatore non invertente in questo circuito. L’elevata impedenza di ingresso è fornita da questo amplificatore per strumentazione per consentire la misurazione precisa dei dati di ingresso dai trasduttori. Il grafico seguente mostra lo schema elettrico di un amplificatore per strumentazione.

Amplificatore a ponte trasduttore per strumentazione

Una rete di resistori chiamata ponte trasduttore resistivo viene utilizzata per misurare i cambiamenti nelle condizioni fisiche che influenzano la resistenza. Ad esempio, i resistori dipendenti dalla luce e le termocoppie cambiano resistenza rispettivamente in risposta alle variazioni di temperatura e intensità della luce.

È possibile creare un segnale elettrico proporzionale alla variazione della grandezza fisica monitorata includendo un tale ponte nel circuito. Il processo fisico può essere monitorato e controllato utilizzando un segnale elettrico amplificato di questo tipo.

Applicazioni di amplificatori strumentali

Ci sono numerosi usi per l’amplificatore per strumentazione e il ponte trasduttore. Questi programmi sono comunemente indicati come sistemi di acquisizione dati. Un dispositivo trasduttore trasforma la variazione della grandezza fisica in un segnale elettrico allo stadio di ingresso.

Apparecchiature di amplificazione per strumenti ricevono il segnale elettrico. Il dispositivo di visualizzazione è calibrato per riconoscere i cambiamenti nella quantità misurata e quindi viene alimentato il segnale amplificato.

Regolatore di temperatura

Il ponte resistivo raffigurato nell’immagine sopra può essere utilizzato per costruire un semplice sistema di controllo della temperatura utilizzando un termistore come dispositivo trasduttore.

Per una certa temperatura di riferimento, il ponte resistivo viene mantenuto in equilibrio. L’amplificatore di strumentazione genera una tensione di uscita in risposta a qualsiasi variazione di questa temperatura di riferimento, pilotando il relè, che quindi accende o spegne l’unità di riscaldamento e regola la temperatura.

Utilizzo di un esposimetro

Sostituendo un resistore dipendente dalla luce al termistore, lo stesso circuito può essere utilizzato per rilevare i cambiamenti nell’intensità della luce (LDR). Al buio, il ponte viene posto in uno stato equilibrato.

La resistenza del LDR varia se esposto alla luce, che fa perdere l’equilibrio al ponte. Per questo motivo, l’amplificatore genera un’uscita finita, che guida il misuratore.