Circuito de Bias para Sensor de Corrente SCT-013
Sobre
O circuito de bias (ou de offset) permite que um microcontrolador com ADC de 0 a 3,3 V, como a ESP32, leia um sinal alternado que oscila em torno de 0 V. Ele soma ao sinal uma tensão contínua fixa de 1,65 V (metade da alimentação), de modo que a onda inteira, com os semiciclos positivo e negativo, fique dentro da faixa que o ADC consegue medir.
É o circuito padrão para ligar um Sensor de Corrente SCT-013-050 ou Sensor de Corrente SCT-013-030 a uma ESP32.
Componentes
| Ref. | Valor | Função |
|---|---|---|
| R3 | 10 kΩ | Resistor superior do divisor (entre 3V3 e o nó de bias) |
| R1 | 10 kΩ | Resistor inferior do divisor (entre o nó de bias e GND) |
| C2 | 10 µF | Estabiliza o nó de bias (baixa impedância para AC) |
| C3 | 100 nF (opcional) | Em paralelo com C2, filtra ruído de alta frequência |
| P2 | jack 3,5 mm | Conector do sensor: sleeve (base) no bias, tip (ponta) no ADC |
Esquema
3V3
│
R3 (10 kΩ)
│
├───────────┬────────────┐
│ nó de │ │
│ bias C2 (10 µF) │
│ 1,65 V │ │
R1 (10 kΩ) │ │
│ │ │
GND GND sleeve (P2)
~ SCT-013 (fonte AC em série)
tip (P2) ───────► ADC (GPIO0/1/3 na C3)
O sensor fica em série entre o nó de bias e a entrada do ADC. Ele funciona como uma fonte de tensão alternada flutuante: o lado do sleeve é preso em 1,65 V, e o lado da ponta vai para o ADC.
Como a divisão de tensão é feita
Os dois resistores em série formam um divisor resistivo. A tensão no ponto entre eles é:
Vbias = Vcc · R1 / (R1 + R3)
Vbias = 3,3 V · 10 kΩ / (10 kΩ + 10 kΩ) = 1,65 V
- Com R1 = R3, a tensão cai exatamente pela metade em cada resistor, e o nó central fica em Vcc/2.
- Corrente no divisor: I = 3,3 V ÷ 20 kΩ = 165 µA, ou seja, cerca de 0,54 mW. O consumo é desprezível.
- Impedância de saída (equivalente de Thévenin): vista do nó de bias, a fonte de 1,65 V tem resistência interna R1 ∥ R3 = 5 kΩ. Esse valor é importante porque o ADC e o sensor “puxam” um pouco de corrente do nó, e quanto maior a impedância, mais o bias se desloca.
- Por que 10 kΩ: é um compromisso. Valores menores (1 kΩ a 4,7 kΩ) deixam o bias mais firme, mas gastam mais corrente. Valores muito maiores (100 kΩ) economizam corrente, mas deixam o nó sensível a ruído e à corrente de entrada do ADC.
- Tolerância: com resistores de 1 %, o pior caso desloca o bias em cerca de ±16 mV (1,634 V a 1,666 V). Isso não importa na prática, porque o software mede o offset real.
O papel do capacitor (C2)
O divisor sozinho já gera 1,65 V em corrente contínua. O capacitor existe para manter essa tensão estável em corrente alternada.
- Referência de AC com baixa impedância: em 50/60 Hz, o capacitor conecta o nó de bias ao GND com uma impedância baixa, funcionando como um “GND para AC”. Ele absorve as variações rápidas que tentam deslocar o nó, mantendo o ponto de referência parado enquanto o sinal oscila.
- Reatância em 60 Hz: Xc = 1 / (2π · 60 · 10 µF) ≈ 265 Ω, bem menor que os 5 kΩ do divisor.
- Com apenas 100 nF a reatância seria ≈ 26,5 kΩ, maior que os 5 kΩ do divisor, então o capacitor não faria efeito nenhum em 60 Hz. Por isso o valor de 10 µF é o adequado para C2.
- Filtro passa-baixa para o ruído da alimentação: C2 forma, junto com os 5 kΩ do divisor, um filtro RC.
- Frequência de corte: fc = 1 / (2π · 5 kΩ · 10 µF) ≈ 3,2 Hz.
- Ruído e ondulação do 3V3 acima de poucos Hz são atenuados antes de chegar ao bias. Sem o capacitor, o divisor repassaria metade do ruído do 3V3 direto para a medição.
- Reservatório de carga para o ADC: o ADC da ESP32 amostra o sinal carregando um pequeno capacitor interno, o que causa pulsos de corrente curtos. C2 fornece essa carga sem que a tensão do nó caia.
- Atenção ao tempo de carga: a constante de tempo é τ = R · C = 5 kΩ · 10 µF = 50 ms. O nó leva cerca de 5τ ≈ 250 ms para chegar a 1,65 V depois que o circuito liga. Vale esperar cerca de 0,5 s antes de começar a medir.
- C2 não filtra o sinal do sensor. O sinal passa pela fonte AC do sensor e vai direto ao ADC, sem atravessar o divisor. Por isso o corte de 3,2 Hz não atrapalha a medição de 50/60 Hz.
Qual capacitor usar
- Eletrolítico de 10 µF: serve (25 V ou 50 V, ambos funcionam). A tensão no nó é sempre positiva, então a polaridade é fixa: positivo no nó de bias, negativo no GND.
- Cerâmico de 10 µF: serve se for X5R ou X7R. Evitar Y5V e Z5U, que perdem muita capacitância com temperatura e tensão. Usar tensão nominal folgada (16 V ou mais), pois cerâmicos de alto valor perdem capacitância sob tensão contínua (efeito DC bias).
- C3 de 100 nF em paralelo: o eletrolítico responde mal a ruído de alta frequência, então o cerâmico de 100 nF cobre essa faixa. Instalar perto do nó de bias.
O que o ADC enxerga
O sensor produz uma tensão alternada centrada em 0 V. Com o bias, o ADC lê:
V_ADC(t) = 1,65 V + V_sensor(t)
- Sem bias, o semiciclo negativo seria cortado e a medição ficaria errada.
- Com bias, a onda inteira fica entre 0 e 3,3 V.
- No ADC de 12 bits da ESP32, 1,65 V corresponde a cerca de 2048 contagens.
- No software:
- Amostrar durante pelo menos 1 a 2 ciclos completos (cerca de 1000 amostras em 60 Hz).
- Calcular a média das amostras, que é o offset real do circuito.
- Subtrair esse offset de cada amostra.
- Calcular o valor RMS e converter para corrente pela constante do sensor.
Limites e cuidados
- Excursão do sinal: o pico do sinal soma ao bias. Um sensor que entrega ±1,41 V de pico leva a entrada a 0,24 V e 3,06 V, e o ADC da ESP32 só é linear até cerca de 2,5 V. Veja a faixa útil de cada modelo nas notas dos sensores.
- Pino do ADC: usar o ADC1. O ADC2 conflita com o Wi-Fi.
- Offset segue a alimentação: o bias deriva do 3V3. Se o 3V3 oscilar, o bias oscila junto, e o ADC usa uma referência interna própria. Por isso o ideal é medir o offset dinamicamente por software, e não assumir 1,65 V fixo.
- Proteção opcional da entrada: resistor de 1 kΩ em série com o ADC, 100 nF para GND e diodos Schottky (BAT54S) para 3V3 e GND, para limitar picos.