Circuito de Saída de Encoders: como especificar o driver corretamente

Circuito de Saída de Encoders: como especificar o driver corretamente

Um driver de saída de um encoder tem por função amplificar e processar o sinal advindo dos circuitos de leitura – módulo e disco e transformá-los em ondas quadradas que serão transmitidas para o dispositivo que fará a leitura destes sinais, em geral drives de motores, inversores e controladores lógico-programáveis.

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driver encoder

Para os encoders incrementais, existem ao menos 3 tipos de saídas possíveis:

  • Saída em Coletor Aberto
  • Saída Push-Pull com transistores
  • Saída com line driver com saída diferenciais

Os encoders da família B58N, HS35N, AGBR e B40 possuem saída do tipo line driver.

Para encoders absolutos, existem 3 principais formas de transmissão de dados:

  • Saída Paralela
  • Saída Serial (interfaces ponto a ponto como SSI ou BiSS)
  • Protocolos do tipo Field Bus  (CanOpen e DeviceNet)
  • Protocolos baseados em rede Ethernet (EtherNet/IP, Profinet ou EtherCAT)

Esta página tem foco somente em encoders incrementais. Para mais informações a respeito de encoders absolutos, clique aqui:

Circuitos de Saída dos Encoders Incrementais

Os Encoders incrementais podem ser conectados aos controladores ou contadores por meio de um esquema de fio único (uma única via por canal) ou fios em par diferencial (duas vias por canal).

A vantagem de um sinal diferencial é que ele oferece maior resistência à interferência eletromagnética, devido a rejeição do ruído em modo comum, uma vez que os canais estão referenciados entre si (exemplo A e A/) e não à terra. A desvantagem do sistema é a maior quantidade de vias e as dimensões dos cabos.

Todos os encoders óticos necessitam de drivers de saída para converter a saída de módulo de leitura em um sinal de onda quadrada e enviá-la para o controle / contador.

Os sianis de elétricos de Entrada (Input) e Saída (Output) I/O podem ser classificadas como Dreno (Sinking) ou Fonte (Source).

  • I/O de tipo Dreno: O dispositivo fornece um caminho para o terra.
  • I/O do tipo Fonte: O dispositivo é uma fonte de tensão

Embora existam exceções, todo sinal de comunicação deverá sempre casar a saída do encoder com a entrada do equipamento de controle (ex: PLC, contadores, etc).

As saídas do tipo Dreno geralmente são baseadas em transistores NPN, enquanto as saídas do tipo Fonte são baseadas em transistores PNP. Na tabela abaixo, podemos verificar os tipos de saída existentes, inclusive àquelas que possuem a capacidade de Drenar e Suprir corrente:

TipoTipo de SaídaTipo de TransistorEquipamento de ControleDistância do Cabo
Coletor AbertoSó DrenoSó NPNSomente a fonteCurto
Push-PullFonte/DrenoNPN/PNPFonte e DrenoMédio
DiferencialFonte/DrenoNPN/PNPFonte e DrenoLongo

driver encoder 2

Circuito de Saída em Coletor Aberto

Simples e econômicos, drivers do tipo coletor aberto são dispositivos que tem capacidade de apenas drenar a corrente e portanto devem trabalhar junto de controladores com capacidade de suprir esta corrente (geralmente um contém um resistor de pull-up internamente).

Os drivers de tipo coletor aberto são baseados em transistores do tipo NPN. Quando o transistor está ligado (fechado), o encoder trabalha como um dreno de corrente. Quanto o transistor está desligado (em corte) a saída é deixada aberta, flutuando.

Como o transistor está com a saída com o ‘coletor aberto’, o resistor de ‘pull-up’ faz com que a tensão de saída fique positiva. No momento do chaveamento, tensão de saída vai a zero e o sinal de onda quadrada é gerado.

Como o circuito de coletor aberto não tem capacidade de “empurrar” a corrente, ele é desaconselhado para ambientes ruidosos ou com grandes distâncias de cabos de comunicação.

Uma outra desvantagem é que os circuitos de coletor aberto funcionam melhor com baixas resoluções devido ao ‘slew-rate’ devido ao circuito formado pela capacitância do cabo com resistor de ‘pull-up’. Como resultado, um circuito em coletor aberto não pode ser utilizado com canais complementares (A, /A, B, /B) com risco de apresentar um sinal deformado ao controlador.

Apesar disto, os encoders com saída em coletor aberto, quando em ambientes com baixo ruído ou pequenas distâncias, são opções mais econômicas que aqueles com outros tipos de saída.

Circuito de saída do tipo Push-Pull

Drivers do tipo Push-Pull, também conhecidos como drivers do tipo Totem-Pole ou single-ended, possuem ambos os transistores NPN e PNP incorporados. Neste tipo de circuito as duas capacidades de suprir corrente e drenar corrente estão ambas presentes em um dispositivo único.

O nome totem-pole (torre totem) possui este nome devido ao formato que o esquemático do desenho possui: o transistor PNP acima do transistor NPN.

Ao eliminar o resistor de pull-up existente no circuito de coletor aberto, as saídas do tipo push-pull dissipam menos potência do circuito e fornecem uma solução extremamente flexível que é compatível com a maioria dos circuitos de entrada.

Circuito de saída do tipo Line-Driver

Os circuitos de saída do tipo line driver tem se tornado o padrão para aplicações industriais em inúmeras aplicações. Um circuito line driver tem capacidade de ativamente forçar a saída entre os níveis lógicos alto e baixo, o que ocasiona a circulação de corrente tanto no sentido de fornecer corrente quanto drenar corrente.

Como resultado este tipo de saída pode gerar altos níveis de corrente suportando a transmissão por longas distâncias.

Como exemplo, considere um encoder provendo um sinal para um contador com resistência interna de 10 kΩ. O encoder é alimentado com uma fonte de 12Vcc.

Com um circuito de coletor aberto em conjunto com um resistor de pull-up de 2 kΩ a tensão no ponto de terminação da linha sofrerá uma queda de tensão até 10Vcc devido a alta razão entre a resistência interna do contador e o resistor de pull-up.

Se modificarmos o tipo de saída para line-driver, isto não será mais um problema visto que, como o circuito poderá fornecer corrente na saída, a tensão se manterá praticamente em 12Vcc.

Mesmo o driver diferencial podendo ser utilizado da forma de saída única (isto é, da forma Push-Pull), ele é mais comumente utilizado com os sinais complementares devido a cancelamento de ruído de modo comum.

Alguns exemplos de circuitos integrados de saída são:

  • 7272 line driver
  • 7273 line driver
  • 4469 line driver
  • Saída utilizando MOSFET’s de potência

 

Exemplo da escolha errada de um driver de saída

É essencial escolher um line driver de encoder com capacidade de corrente suficiente.

Todos os cabos têm um alguma capacitância que aumenta essencialmente a quantidade de corrente necessária para carregá-los, com o formato do sinal se assemelhando a um pico line driver.

Se o line driver não estiver classificado para lidar com esse tipo de demanda de corrente ele responderá diminuindo a tensão.

O efeito no sentido de pulso de saída será um tempo de subida mais longo na borda anterior da onda quadrada e um efeito de arredondamento semelhante na borda descendente da onda quadrada (veja a figura abaixo).

driver encoder 2

Imagem: Um pico repentino no consumo de corrente causado pela alta capacitância do cabo pode fazer com que o driver da linha reduza a tensão na compensação. Isso aumenta o tempo de subida do pulso, convertendo-o de uma onda quadrada limpa (acima) para um pulso com alto tempo de subida (abaixo).

Sobre a Dynapar

A Dynapar é uma das empresas operacionais da Specialty Product Technologies do Grupo Fortive, do qual também fazem parte a Veeder-RootWest Control SolutionsHengstlerAnderson-NegeleGems Sensors, entre outras. Possui fábricas no Brasil, Estados Unidos e Alemanha.

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