Os sensores consistem no principal meio que os circuitos eletrônicos usam para saber o que está ocorrendo no mundo que os cerca. Os sensores são os elementos de interfaceamento que comunicam aos circuitos o que ocorre no mundo, funcionando como nossos olhos, ouvidos e tato. No entanto, para que a maioria dos sensores funcione, um circuito apropriado deve amplificar seus sinais antes que eles possam ser usados. Nesse artigo damos uma seleção desses circuitos, com base em amplificadores que tratam dos sinais dos sensores que precisam desse tipo de tratamento.
A maioria dos sensores usados nos circuitos eletrônicos consiste em transdutores que a partir de alguma forma de energia (calor, pressão, força mecânica) fornecem sinais elétricos. Outros consistem em dispositivos que produzem alterações de uma grande elétrica (tensão ou corrente) em função de uma grandeza física externa.
De qualquer forma, muitos desses sensores fornecem sinais muito fracos necessitando de uma amplificação especial. Em alguns casos, é também preciso evitar que ruídos afetem o sinal, sobrepondo-se em sua saída e com isso levando a falsos resultados.
Para essa finalidade, os amplificadores usados devem apresentar características apropriadas, exigindo cuidados especiais do projetista na sua escolha. De modo justamente a facilitar a escolha desses circuitos, damos nesse artigo uma seleção de amplificadores de diversos fabricantes, sugeridos em seus applications notes e datasheets para aplicações que envolvam sensores.
OPA333 - Texas Instruments
Este amplificador é que possui menor deslocamento e menor consumo de todos os atualmente disponíveis, sendo indicados para aplicações com pares termoelétricos, conforme mostra o circuito da figura 1.
Esse amplificador tem apenas 10 uv de tensão de offset e um deslocamento de 0,05 uV/oC para fontes de alimentação de 1,8 V a 5,5 V. Ele foi especialmente desenvolvido para aplicações que exijam precisão, como um amplificador para termopar, conforme mostrado no exemplo.
A corrente de alimentação é de apenas 25 uA (max) e faixa de entradas em modo comum vai até 100 mV além das tensões de alimentação e a saída excursiona até 40 mV da tensão de alimentação.
Além das aplicações com sensores termoelétricos, o OPA333 também é indicado para ser usado com sensores de balanças eletrônicas, sensores de gás e fumaça, além de aquisição de dados que envolva sinais fracos.
OPA379 - Texas Instruments
Na figura 2 temos uma aplicação desse amplificador operacional com um sensor de gás.
Esse amplificador exige uma corrente de apenas 10 uA (max) com alimentação de 1,8 V e apresenta um nível de ruído extremamente baixo. Além disso, sua faixa passante é de 90 kHz e o invólucro é SC-70. Outras características incluem a faixa de alimentação de 1,8 V a 5,5 V, saída rail-to-rail, baixo ruído (80 mV/sqrHz), e baixa corrente de entrada, da ordem de 50 pA.
Outras aplicações para esse amplificador incluem equipamentos alimentados por bateria, uso com foto-diodos como sensores, e aplicações médicas.
MCP601-2-3-4 - Microchip
Os quatro amplificadores operacionais da Microchip (www.microchip.com) dados no título são indicados para aplicações entre 2,7 V e 5,5 V, usando sensores como fotodiodos, como também em aquisição de dados, filtros analógicos e interface de sensores de uso geral.
No circuito da figura 3 damos um circuito em que esses amplificadores operacionais são usados com fotodiodos, no caso no modo fotovoltaico.
Nessa modalidade de operação, o amplificador amplifica a tensão que é gerada na junção do diodo quando ele recebe luz. R2 determina o ganho e C2 a faixa passante, filtrando eventuais ruídos de freqüências mais altas.
Na figura 4 temos uma aplicação em que o sensor opera no modo foto-condutivo, ou seja, amplifica-se a variação da resistência no sentido inverso que ocorre quando luz incide no foto-diodo. Nesse caso, uma tensão de polarização externa é necessária, devendo ser menor do que 0 V em relação à linha negativa de.alimentação do amplificador operacional. As funções de R2 e C2 são as mesmas do circuito anterior.
LMV951 - National Semiconductor
O amplificador operacional LMV951 da National Semiconductor (www.national.com) pode operar com tensões de alimentação a partir de 1 V, sendo indicado para aplicações alimentadas por bateria. No exemplo dado na figura 5, o amplificador é usada para excitar uma interface de sensor usando um cabo, com a alimentação sendo fornecida através do próprio cabo.
Esse amplificador tem uma faixa passante de 2,7 MHz e pode fornecer correntes até 45 mA em sua saída ou drenar até 35 mA, com uma saída rail-to-rail. A configuração de saída CMOS permite que ele alcance essas características. Na figura 6 temos o seu diagrama interno, para que o leitor tenha uma idéia de seu modo de funcionamento.
OP292 - Analog Devices
O duplo amplificador operacional OP292 da Analog Devices (www.analog.com) tem uma faixa de tensões de operação de 4,5 V a 33 V e uma faixa passante de 4 MHz, sendo indicado para aplicações com sensores, instrumentação alimentada por bateria, controle de servos, etc.
Escolhemos duas aplicações, com base no próprio datasheet do componente. A primeira, mostrada na figura 7, consiste num amplificador para termistor usado, portanto como sensor de temperatura.
Nessa aplicação são usados resistores de precisão (0,1%), e o circuito pode medir temperaturas na faixa de 0o C a 70º C com uma precisão de 0,3%. O termistor é do tipo Alpha 13A1002-C3.
No datasheet do OP292 pode-se obter detalhes dos procedimentos para calibração desse circuito.
O segundo circuito, mostrado na figura 8, consiste num amplificador para transdutor ultrassônico, com base no mesmo integrado, em sua versão quádrupla (OP492), mas nada impede que sejam usados dois OP292.
Nessa aplicação é usado um transdutor piezoelétrico ultrassônico, e são empregadas três etapas de amplificação, cujos ganhos são dados pelos resistores de realimentação, com um circuito de ceifamento de picos com os diodos, os quais impedem a saturação do amplificador com sinais intensos. Esse recurso faz com que a intensidade do sinal de saída seja constante numa boa faixa de amplitudes do sinal de entrada.
Esse circuito também inclui recursos de filtragem que fazem com que ele seja otimizado para operar com sinais de 40 kHz, de transdutores comuns de baixo custo.
MAX4477- Maxim
Usando o amplificador operacional 4477 mostramos um detector de fótons gama, ou seja de raios gama. Ao incidir no diodo PIN, usado como sensor, eles liberam portadores de carga que formam a corrente a ser amplificada pelo circuito mostrado na figura 9.
Nesse circuito temos também um comparador de tensão MAX987. Na saída desse comparador temos pulsos positivos quando um fótons gama é detectado. Veja que a alimentação é feita com tensões de 5 V e de 12 V.
Na montagem desse circuito especial cuidado deve ser tomado com a primeira etapa de amplificação, dado o nível baixíssimo dos sinais que devem ser detectados.
MAX430 - Maxim
O próximo circuito também é sugerido pela Maxim (www.maxim-ic.com), consistindo num pré-amplificador para termopar com compensação de temperatura. Esse circuito é mostrado na figura 10.
TS461/971 - ST
A ST Microelectronics (http://us.st.com) descreve em seu Application Note AN1534 um pré-amplificador em que o sensor usado é um microfone de eletreto. Esse circuito é mostrado na figura 11.
O amplificador usado se caracteriza pelo baixo nível de ruído, além de uma distorção muito baixa (THD de 0,003% em 1 kHz).
EL8173 - Intersil
Terminamos nossa seleção de circuitos para sensores com um amplificador para sensor resistivo (RTD) usando o EL8173, um amplificador que nessa configuração apresenta ganho11 para excitar um conversor AD siga-delta do tipo HI7190 de 24 bits. O circuito é mostrado na figura 12.
Normalmente, os RTDs são especificados para a resistência que apresentam na temperatura ambiente (25º C) ou em outra temperatura, indicada pelo fabricante. Assim, para o sensor usado no circuito, a resistência é 100 Ω em 0o C. Nas aplicações comuns, os RTDs devem ser percorridos por baixas correntes para que não ocorra uma elevação da temperatura devido ao efeito dessa mesma corrente, o que falsearia os resultados de ume medida.
Normalmente, são usadas correntes na faixa de 1 a 5 mA nos circuitos práticos, garantindo assim a não influência da corrente do sensor na medida que está realizada, como ocorre neste caso.
Nas aplicações deve-se ainda tomar cuidado com o modo de conexão ao circuito. Como os sensores normalmente ficam longe do circuito, sua operação é no modo diferencial precaução para que ruídos não sejam captados. O amplificador da Intersil usado nesse aplicativo é justamente o indicado para a aplicação, pelas suas características de alta rejeição em modo comum e baixo ruído.
Conclusão
Todos os fabricantes de amplificadores operacionais disponibilizam uma vasta gama de documentos descrevendo o uso de seus produtos com sensores. Muitos dos documentos são específicos, aproveitando as características dos amplificadores de operarem melhor em determinadas aplicações.
O que vimos neste artigo é uma pequena seleção de circuitos obtidos ao se percorrer esses documentos o que, no entanto, serve de orientação para os leitores que tanto podem aproveitar os próprios circuitos, como partir de sua configuração para projetar novos circuitos com componentes equivalentes.
