As características elétricas dos amplificadores operacionais tornam estes circuitos ideais para aplicações que envolvem sensores. De fato, na indústria, em eletrônica de consumo e em muitos outros campos da Eletrônica encontramos amplificadores operacionais exercendo funções importantes no interfaceamento de sinais de sensores com microprocessadores, DSPs e conversores analógicos digitais. Neste artigo apresentamos alguns circuitos básicos de amplificadores operacionais usados com sensores.
Nota: Artigo publicado na Eletrônica Total 158 de 2013.
Muitos sensores empregados em aplicações industriais de todos os tipos fornecem sinais fracos demais para que possam ser usados por circuitos convencionais. Esses sensores, para serem utilizados na prática, precisam de um interfaceamento apropriado que consiste em um circuito amplificador. De todos os circuitos amplificadores que podem ser usados com esses sensores, os amplificadores operacionais, por suas características, são os mais requisitados.
Embora o amplificador operacional real esteja longe de apresentar as características do amplificador operacional ideal, as configurações que podem ser obtidas atendem perfeitamente à maioria das aplicações e por isso são largamente empregadas.
Os circuitos
Observamos que muitos dos circuitos podem ser alterados tanto em função do desempenho desejado, já que as características dos sensores podem mudar sensivelmente, como também do possível uso de equivalentes para os amplificadores operacionais.
Sensores de chama
O primeiro circuito que apresentamos, mostrado na figura 1, é um sensor de chama piloto que pode ser usado em sistemas de aquecimento, em fornos industriais e em muitas outras aplicações semelhantes. Ele faz uso de um sensor de rádio platina que gera uma tensão, a qual depende de sua temperatura (par termoelétrico), fornecendo uma saída compatível com lógica TTL. Utiliza também um amplificador operacional LM10 que pode enviar os sinais a uma unidade de processamento via par trançado. Esta possibilidade permite que seja usado no monitoramento remoto de uma chama.
Sensor de luz
Na figura 2 apresentamos um circuito que faz uso de um fotodiodo como sensor de luz. Ele se baseia também em um amplificador operacional LM10, sendo que os resistores R2 e R3 são responsáveis pela histerese do circuito. Nessa aplicação, o fotodiodo funciona como um gerador de tensão ligado de modo diferencial nas entradas do amplificador operacional. Os valores dos componentes, principalmente de R, podem ser modificados dependendo do tipo de carga que deva ser excitada. A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V.
Sensor termométrico
O circuito ilustrado na figura 3 emprega um NTC termométrico para sensoriamento remoto de temperatura. Os resistores R1 e R2, que podem ficar na faixa de 10 k a 1 M ohm, devem ser escolhidos de acordo com a resistência do sensor na temperatura média, a qual deve ser monitorada. Rx tem valores entre 10 k e 100 k ohms e depende do tipo de carga a ser excitada. O circuito pode enviar os sinais a distâncias relativamente grandes através de par trançado e sua alimentação deverá ficar entre 5 e 12 V.
Sensor piezoelétrico
Para sensores piezoelétricos remotos pode ser usado o circuito da figura 4.A base é novamente um amplificador operacional LM10. O circuito tem seu ganho determinado basicamente pelo resistor R4 de 1 M ohm. O sinal pode ser enviado para uma unidade de processamento distante com o uso de cabo apropriado.
Sensor fotovoltaico
O circuito exibido na figura 5 amplifica a tensão gerada por um sensor quando recebe luz. O sensor pode ser um fotodiodo, uma fotocélula ou qualquer dispositivo foto gerador. O ganho é determinado pelo resistor de 1 M ohm que, em função da aplicação, pode assumir valores entre 100 k e 100 M ohms. A pinagem não é indicada, uma vez que em um único invólucro de um LM324 podemos encontrar 4 amplificadores operacionais. O circuito deve fazer uso de uma fonte simétrica.
Sensor em ponte
Existem diversos tipos de sensores que operam em pontes e que possuem características resistivas. Dentre eles, destacamos sensores de pressão mecânica, deformação e efeito Hall.
O circuito mostrado na figura 6 pode ser usado eficientemente com esse tipo de sensor. A base é um dos 4 amplificadores operacionais encontrados em um LM324, ou equivalente. O ganho do circuito é determinado por R1 na realimentação, sendo que suas características de saída, em função dos valores dos componentes, são dadas pelas fórmulas junto ao diagrama. O circuito deve ser alimentado por fonte simétrica de 5 a 12 V.
Sensor de relutância variável
Sensores para medidas de velocidade de peças mecânicas, oscilações mecânicas e outras podem ser de tipos que se baseiam na variação da tensão gerada por uma bobina na presença de peças de metal em movimento. O circuito ilustrado na figura 7 serve para aplicações desse tipo e tem por base um amplificador operacional de transcondutância (LM3900). Como em um invólucro do LM3900 encontramos 4 amplificadores desses, a pinagem não é dada. A alimentação deve ser feita com fonte simétrica e o resistor de 5 M ohms determina o ganho. Este ganho deve ser função da sensibilidade do sensor empregado e o valor do componente pode oscilar entre 1 M e 22 M ohms, tipicamente.
Seguidor de tensão
Um seguidor de tensão é um amplificador cujo o ganho de tensão é unitário. Como a impedância de entrada do circuito nesta aplicação é extremamente elevada (muitos mega ohms) e a impedância de saída muito baixa (entre alguns ohms e algumas centenas de ohms), o circuito apresenta um elevado ganho de potência. Com sensores, este circuito é utilizado como um casador de impedâncias, podendo ser empregado para excitar convenientemente etapas que precisam de sinais intensos a partir de fontes de alta impedância, as quais poderiam ser usadas diretamente. O circuito deve fazer uso de uma fonte simétrica. O seguidor de tensão na sua configuração básica é apresentado na figura 8.
Conclusão
Os amplificadores operacionais, apesar de fazerem parte de uma geração antiga de componentes, ainda são indispensáveis em uma grande quantidade de aplicações. Com o desenvolvimento de novas tecnologias, os amplificadores vão adquirindo características que se aproximam cada vez mais do ideal como, por exemplo, as elevadíssimas impedâncias de entrada dos tipos CMOS e JFET, ou as altas velocidades conseguidas com alguns tipos especiais para aplicações em transmissão de dados. No entanto, em aplicações industriais onde os sensores ainda são os tradicionais ou mesmo na eletrônica de consumo em que o baixo preço dos tipos comuns é importante, esses componentes continuam marcando sua presença.
