Condicionadores de Sinal de Termopar e Condicionamento de Sinal Perto da Junção Fria

Anteriormente nesta série, examinamos os princípios de operação de condicionadores de sinal de termopar monolítico. Aprofundando nossa discussão, este artigo explora algumas outras opções para aplicações de termopares, ou seja, o AD594/AD595, o MAX6675 e o ADS1220. Alguns dos conceitos básicos do artigo anterior também se aplicam aos condicionadores de termopar discutidos aqui. Por exemplo, todos esses condicionadores de sinal devem ser colocados próximos à junção fria do termopar. No entanto, alguns recursos podem ser específicos do dispositivo.

Para sermos concisos, tentaremos nos concentrar principalmente nos principais recursos de cada um desses dispositivos.

O AD594/AD595 é um condicionador de sinal de termopar completo que integra um amplificador e um compensador de junção fria em um único pacote. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos funcional e a conexão básica de alimentação única do dispositivo.

Uma parte fundamental do circuito é o loop de realimentação criado pelo amplificador diferencial direito (com ganho G), o amplificador principal (+A) e o resistor interno entre os pinos 8 e 5. O par diferencial esquerdo amplifica o tensão do termopar e a aplica a um nó de soma no loop de realimentação. O bloco "Ice Point Comp" produz a tensão de compensação de junção fria (CJC) e a adiciona ao loop do termopar por meio do par diferencial direito.

Você pode encontrar detalhes sobre como este circuito funciona na folha de dados AD594/AD595. Sem entrar nesses detalhes, o resultado final é que o dispositivo foi projetado para se conectar diretamente ao termopar, realizar compensação e amplificação de junta fria e produzir uma saída de 10 mV/°C. Por exemplo, com um termopar tipo J conectado ao AD594, a saída será de cerca de 500 mV quando a junção quente estiver a 50 °C.

Observe que o AD594 e o AD595 são pré-calibrados pelo corte de wafer a laser para corresponder às curvas características dos termopares tipo J e K, respectivamente.

Em um artigo anterior, discutimos que o AD849x, que também é um condicionador de sinal de termopar, pode medir temperaturas negativas mesmo quando alimentado por uma fonte de um único barramento. Ao contrário do AD849x, o AD594/AD595 precisa de uma alimentação de trilho duplo para medir temperaturas abaixo de 0 °C.

Uma característica interessante do AD594/AD595 é que certos nós importantes do circuito interno estão disponíveis nos pinos do encapsulamento. Por exemplo, o pino 8 está conectado ao caminho de feedback interno do dispositivo. Além disso, a tensão CJC, que é aplicada ao amplificador diferencial direito, está disponível nos pinos 3 e 5. Disponibilizar esses nós nos pinos do pacote nos permite ter um condicionador de sinal mais flexível que pode ser ajustado dependendo da aplicação requisitos.

Com isso em mente, vamos ver como o acesso ao resistor de realimentação pode ser usado na prática. Conforme mostrado na Figura 1, em condições normais de operação, os pinos 9 e 8 são interligados. Isso conecta a saída do amplificador ao resistor de feedback interno que define o ganho do dispositivo. A rede de realimentação interna é calibrada de fábrica para produzir uma saída de 10 mV/°C. Porém, para ajustar o ganho, podemos colocar um resistor adicional entre os pinos 9 e 5. Esse resistor externo ficará em paralelo com o resistor de realimentação interno, possibilitando ajustes no ganho do amplificador. Podemos até substituir o resistor interno pelo externo removendo a conexão entre os pinos 9 e 8.

A Figura 2 ilustra a calibração de ganho ajustando o resistor de realimentação.

O diagrama acima mostra como o AD594/AD595 pode ser usado para produzir uma saída proporcional à temperatura em uma escala Fahrenheit (10 mV/°F). Em seguida, vamos considerar a seguinte equação para a conversão da escala de temperatura:

\[Graus\,Fahrenheit=\frac{9}{5}(Graus \,Celsius)+32\]

A partir dessa equação, podemos verificar que precisamos aumentar o ganho em \(\frac{9}{5}\) (além de adicionar um valor de deslocamento apropriado) para ter uma saída que mude a 10 mV/°F em vez do que o valor calibrado de fábrica de 10 mV/°C.