A aquisição de dados por certos dispositivos de automação como, por exemplo, CLPs, é feita no modo corrente. No entanto, muitos dispositivos usados como sensores fornecem em suas saídas, tensões. O interfaceamento desses dispositivos exige, então, o emprego de circuitos especiais que convertam faixas de tensões em faixas de corrente. Neste artigo, mostraremos como fazer isso empregando um amplificador operacional com faixa de saída de 4a 20 mA.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 467 de fevereiro de 2013.
A entrada de CLPs no modo corrente lê faixas de corrente de 4 a 20 mA, numa de suas programações. Isso significa que se usarmos transdutores que forneçam saídas no modo tensão, precisaremos ter um circuito de interface que faça a conversão. Os circuitos que fazem essa conversão podem se basear em amplificadores operacionais comuns, conforme veremos neste artigo.
Interface de Corrente
A grande vantagem da utilização de uma interface de corrente está no fato de que a atenuação na linha não tem efeito algum sobre o resultado final da leitura. Compensando a resistência dos cabos, a corrente na carga terá sempre a mesma faixa de intensidades, independentemente de seu valor.
Isso não sucede com uma interface de tensão, onde a resistência do cabo influi no valor da grandeza que vai ser lida na outra extremidade, conforme mostra a figura 1.
A ideia básica ao se empregar um circuito para converter uma faixa de tensões numa faixa de correntes com base num amplificador operacional, é justamente ter um loop de realimentação que permita que o amplificador operacional funcione como uma fonte de corrente.
Isso faz com que a corrente na entrada do dispositivo de leitura se mantenha constante, independentemente da resistência do cabo usado na transmissão do dado.
Podemos elaborar um circuito simples para esta finalidade com base em qualquer amplificador operacional, conforme ilustra a figura 2.
Nesse circuito, a entrada vem de um sensor que forneça uma tensão de 1 a 5 V. A saída do sensor será 1 V quando a grandeza medida estiver no 0% de sua escala, e será 5 V quando a grandeza medida atingir 100% de sua escala. Esta faixa de tensões será, então, convertida para a faixa padrão de correntes de 4 a 20 mA com o circuito indicado.
Com uma entrada de 5 V, o resistor de precisão de 250 ohms terá uma tensão de 5 V aplicada, o que irá gerar uma corrente de 20 mA no loop de transmissão de corrente considerando-se a resistência de carga RL que é a entrada do CLP, por exemplo. Aqui não importa qual é a resistência dos fios que interligam o sistema, pois, desde que a tensão fornecida ao amplificador operacional seja suficiente, ele conseguirá manter esta corrente.
O mesmo circuito pode ser utilizado para converter tensões em outras faixas de corrente. Por exemplo, com um resistor de precisão de 100 ohms em lugar de 250 ohms, é possível converter as tensões para o antigo padrão industrial de 10 a 50 mA.
Projetando um Conversor V x 1
O projeto de um Conversor Tensão x Corrente (V x I) não é complicado, sendo o seu conhecimento algo de grande importância, principalmente para os profissionais que desejam ter um domínio completo da tecnologia dos amplificadores operacionais. Vamos mostrar dois exemplos. Há duas configurações básicas para os conversores, as quais passamos a analisar a seguir:
Conversor com Carga Flutuante
Na figura 3 temos a configuração básica para este conversor.
Neste circuito, temos:
Vi = R1 x I1
e
I1 = -I
Destas relações, podemos calcular I que é a corrente na carga como função da tensão de entrada Vi:
I = (-I/R1) x Vi
A relação (-I/R1) é denominada constante de conversão e expressa por K.
Conversor Referido à Massa
Na maioria dos casos, a carga está com um dos terminais ligado à massa, ou seja, tem a massa como referência. Neste caso, a configuração utilizada é a exibida na figura 4.
Neste circuito, temos:
R1 = R4
R2 = R3
As correntes que circulam pelas diversas resistências do circuito são dadas pelas seguintes expressões:
A corrente I0 que circula por R1, (resistência de carga) será dada por:
Também temos que:
Multiplicando por -1 ambos os membros:
Agrupando:
Substituindo em (1):
Como:
R1 = R4
R2 = R3
Temos:
Simplificando:
Veja, então, que a corrente na carga dependerá apenas da tensão de entrada e do valor R4. Na figura 5 temos um exemplo de conversor, calculado pelos processos acima, onde há uma constante de conversão K = 0,1 mA/V.
Isso significa que a faixa de tensões de entrada de 0 a 10 V é convertida em uma faixa de correntes de 0 a 1 mA.
Conclusão
Os Conversores V x I ou Conversores de Tensão para Corrente são circuitos de grande utilidade nas aplicações industriais, sendo usados no interfaceamento de sensores com dispositivos de controle como CLPs. Desenvolver um circuito conversor para determinado tipo de sensor é algo simples com o uso de amplificadores operacionais de uso geral, conforme explicamos neste artigo.
