As características elétricas dos amplificadores operacionais tornam estes circuitos ideais para aplicações eu envolvem sensores. De fato, na industria, em eletrônica de consumo e em muitas outros campos da eletrônica encontramos amplificadores operacionais exercendo funções importantes no interfaceamento de sinais de sensores com microprocessadores, DSPs, conversores analógicos digitais. Neste artigo damos alguns circuitos básicos de amplificadores operacionais usados com sensores e que podem ser de grande utilidade para os leitores que precisam deste tipo de aplicação.
Muitos sensores usados em aplicações industriais e de todos os tipos fornecem sinais fracos demais para poderem ser usados por circuitos convencionais. Estes sensores, para poderem ser usados na prática, precisam de um interfaceamento apropriado que consiste num circuito amplificador.
De todos os circuitos amplificadores que podem ser usados com estes sensores, os amplificadores operacionais, por suas características são os mais usados.
Se bem que o amplificador operacional real esteja longe de ter 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 que mostramos a seguir são sugeridos por diversos manuais de fabricantes de amplificadores operacionais como a National Semiconductor, a Texas Instruments, a Motorola e a Philips.
O leitor poderá encontrar muitas informações adicionais sobre os circuitos e componentes usados nos sites destas empresas.
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.
1) Sensor 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.
O circuito faz uso denum sensor de ródio-platina que gera uma tensão que depende de sua temperatura (par termoelétrico) fornecendo uma saída compatível com lógica TTL.
O circuito faz uso de um amplificador operacional LM10 que pode enviar os sinais a uma unidade de processamento via par trançado. Esta possibilidade permite que o circuito seja usado no monitoramento remoto de uma chama.
2) Sensor de Luz
Na figura 2 mostramos um circuito que faz uso de um foto-diodo como sensor de luz. O circuito se baseia também num amplificador operacional LM10 e os resistores R2 e R3 são responsável pela histerere do circuito. Nessa aplicação o foto-diodo 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 deve ser excitada. A alimentação pode ser feita com tensões de 5 a 12 V.
3) Sensor Termométrico
O circuito, mostrado na figura 3 faz uso de um NTC termométrico para sensoriamento remoto de temperatura. Os resistores R1 e R2 que podem ficar na faixa de 10 k a 1 M devem ser escolhidos de acordo com a resistência do sensor na temperatura média que deve ser monitorada. Rx tem valores entre 10k e 100 k 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 aimentação estará entre 5 e 12 V.
4) Sensor Piezoelétrico
Para sensores piezoelétricos remotos pode ser usado o circuito da figura 4. A base é novamente um amplificador operacional LM10 que é produto de diversas fábricas de semicondutores. O circuito tem seu ganho basicamente determinado pelo resistor R4 de 1 M Ω. O sinal pode ser enviado para uma unidade de processamento distante com o uso de cabo apropriado.
5) Sensor Foto Voltaico
O circuito mostrado na figura 5 amplifica a tensão gerada por um sensor quando recebe luz. O sensor pode ser um foto-diodo, uma foto-célula ou qualquer dispositivo foto-gerador. O ganho é determinado pelo resistor de 1 M Ω que, em função da aplicação pode assumir valores entre 100 K e 10 M Ω. Apinagem não é indicada já que num único invólucro de um Lm324 podemos encontrar 4 amplificadores operacionais. O circuito deve fazer uso de uma fonte simétrica.
6) Sensor em Ponte
Existem diversos tipos de sensores que operam em pontes e que possuem características resistivas. Dentre eles destacamos sensores de presão mecânica, deformação e efeito Hall. O circuito mostrado na figura 6 pode ser usado eficientemente com este tipo de sensor.
A base é um dos 4 amplificadores operacionais encontrados num Lm324 ou equivalente. O ganho do circuito é determinado por Rf na realimentação. As características de saida do circuito 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.
7) Sensor de Relutância Variável
Sensores para medida de velocidade de peças mecânicas, oscilações mecânicas e outros podem ser do tipo que se baseiam na variação da tensão gerada por uma bobina na presença e peças de metal em movimento. O circuito mostrado na figura 7 serve para este tipo de aplicação e tem por base um amplificador operacional de transcondutância Lm3900.
Como num invólucro do Lm3900 encontramos 4 amplificadores deste tipo a pinagem não é dada. A alimentação deve ser feita com fonte simétrica e o resistor de 5 M Ω determina o ganho. Este ganho deve ser função da sensibilidade do sensor utilizado e o valor do componente pode oscilar entre 1 M Ω e 22 M Ω, tipicamente.
8) Seguidor de Tensão
Um seguidor de tensão é um amplificador cujo de ganho de tensão é unitário. Como a impedância de entrada do circuito nesta aplicação é extremamente elevada (muitos megΩ) e a impedância de saída muito baixa (entre alguns Ω e algumas centenas de Ω), o circuito apresenta um elevado ganho de corrente e portanto um elevado ganho de tensão.
Com sensores, este circuito é utilizado como um casador de impedâncias, podendo ser usado para excitar convenientemente etapas que precisam de sinais intensos a partir de fontes de alta impedância que não poderiam ser usadas diretanente. O circito deve fazer uso de uma fonte simétrica. O seguidor de tensão na sua configuração básica é mostrado na figura 8.
Conclusão
Os amplificadores operacionais, apesar de fazerem parte de uma geração de componentes algo antiga, são ainda indispensáveis em uma grande quantidade de aplicações. Com o desenvolvimento de novas tecnologias os amplificadores vao adquirindo características que cada vez mais se aproximam o 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, nas apicações industriais em que os sensores ainda são os tradicionais e mesmo na eletrônica de consumo em que o baixo preço dos tipos comuns é importante, estes componentes ainda marcam sua presença.
