A National Semiconductor em seu Linear Application Handbook, edição apresenta centenas de Application Notes com circuitos para todos os tipos de aplicações. Em especial, analisando essas farta documentação escolhemos 10 circuitos de amplificadores especialmente indicados para serem usados com sensores e transdutores. Esses circuitos se baseiam em amplificadores operacionais e comparadores da National, mas equivalentes podem ser usados. (2004)
Sensores e transdutores são elementos fundamentais no interfaceamento de máquinas e processos com circuitos eletrônicos de controle e monitoramento. No entanto, nem todos os sensores e transdutores têm as mesmas características, o que exige para cada um circuito específico de amplificação ou condicionamento dos sinais produzidos.
Os amplificadores operacionais e os comparadores de tensão são os circuitos mais usados nesse interfaceamento e dependendo do tipo de sensor ou transdutor usado, eles devem apresentar configurações e características específicas.
Na seleção de circuitos que damos a seguir os amplificadores são dimensionados para aplicações específicas, podendo ser levemente alterados em função de cada caso.
Em alguns casos são usados componentes de precisão para que as saídas sejam adaptadas às escalas das grandezas que devem ser medidas.
Amplificador para Foto-Diodo
Os foto-diodos podem ser usados no sensoriamento de objetos em movimento, como chaves ópticas e encoders. No circuito apresentado na figura 1, usamos um amplificador operacional para fornecer uma tensão de 10 V para cada microampère de corrente no sentido inverso no diodo usado como sensor.
O circuito integrado usado é um LM108 que utiliza dois tipos de transistores NPN no mesmo chip. Existem supertransistores com ganhos de 5000 e uma tensão de ruptura de 4 V e transistores convencionais com ganhos de 200 vezes e uma tensão de ruptura de 80 V.
A configuração desses transistores permite obter um alto grau de rejeição em modo comum com uma alta performance geral. Dessa forma é possível obter com transistores bipolares um desempenho até melhor do que os obtidos com amplificadores operacionais que usam transistores de efeito de campo.
O circuito aceita duas formas de compensação de freqüência . Num deles basta conectar um capacitor de 30 pF entre a saída do segundo estágio amplificador e o terra e o segundo entre os terminais de compensação.
O projeto que indicamos na figura 1 usa o primeiro método de compensação enquanto que o segundo circuito que sugerimos usa o segundo método.
O ganho do circuito pode ser alterado com a modificação dos valores de R1 e R2. Veja que são usados resistores de precisão para manter a resposta do circuito em 10 V /uA. A fonte de alimentação deve ser simétrica.
A faixa de tensões de operação do circuito integrado vai de 5 a 20 V e a corrente máxima que se pode obter na saída com uma alimentação de 15 V chega aos 8 mA.
A velocidade máxima de resposta, de alguns megahertz, depende do amplificador operacional usado.
Amplificador para Transdutor Piezoelétrico
O circuito mostrado na figura 2 pode ser usado para detectar vibrações ou ainda para fornecer sinais acústicos amplificados, captados por um transdutor piezoelétrico.
Neste circuito também usamos o amplificador operacional LM108 cujas características foram descritas no primeiro projeto.
O ganho do circuito depende basicamente de R3 que pode ser alterado conforme a aplicação a as características do transdutor usado.
A fonte de alimentação não precisa ser simétrica. Os resistores R1 e R2 formam um divisor de referência para a polarização da entrada não inversora. Outros valores de resistores, desde que iguais podem ser testados.
Amplificador para Transdutor Indutivo
O circuito mostrado na figura 3 é indicado para a aplicações que usem transdutores indutivos, como sensores de passagem ou posição.
A base deste circuito é o amplificador operacional LM111 que tem características que o tornam especialmente indicados para o interfaceamento de circuitos digitais.
O ganho e de 100 V/mV e a corrente máxima de saída de 50 mA.
A saída é compatível com lógica TTL quando a alimentação do circuito é feita com 5 V. O trimpot é um ajuste de nulo, que serve para determinar o ponto de maior sensibilidade ao disparo.
O transdutor usado deve ser de baixa resistência e a fonte de alimentação não precisa ser simétrica.
Amplificador para Foto Células
Células fotoelétricas podem ser usadas como sensíveis sensores de luz. No entanto, a baixa tensão que geram quando as fontes de luz são fracas exigem um bom circuito de amplificação. Na figura 4 mostramos um circuito especialmente indicado para esta finalidade.
O resistor R1, que pode ter valores entre 10 kΩ e 1 MΩ vai determinar a amplificação do circuito na aplicação desejada. Uma boa prática pode ser o uso de um trimpot para se conseguir o ajuste com a sensibilidade desejada.
A fonte de alimentação deve ser simétrica de 5 a 12 V e a célula sensora deve fornecer uma tensão máxima de 1,5 V.
Amplificador para Sensor Resistivo
O amplificador mostrado na figura 5 é indicado para operação com transdutores resistivos como sensores de pressão, temperatura ou luz.
Este circuito, como os demais se baseiam num amplificador operacional de características excepcionais da National, que é o LM10.
Este amplificador operacional pode operar com tensões a partir de apenas 1,1 V. O LM10 usa transistores PNP na entrada com ganho de 100 vezes com uma corrente de apenas 1 uA, já que este tipo de componente permite um casamento melhor do que quando se usa transistores NPN.
Esse amplificador é basicamente indicado para operar como comparador, mas a sua configuração em aplicações que exigem a operação linear também é possível.
Nessa modalidade se destacam os amplificadores remotos em que a alimentação do próprio operacional pode ser feita pelo cabo de sinal, como ocorre neste caso. O uso de amplificadores na fonte de sinal e não na sua chegada elimina os problemas de capacitâncias, indutâncias, ruídos, além de outros que podem degradar a qualidade do sinal e afetar a precisão do sistema.
Os resistores R1 e R2 dependem tanto das características do sensor como do ganho desejado. Assim, R1 deve ter a mesma ordem de grandeza do sensor na sua condição de centro de escala. O resistor R2, por outro lado, deve ter valores que juntamente com R1 vão determinar o ganho do circuito.
A resistência de carga depende do circuito interfaceado. Observe que este circuito pode ser usado para se monitorar um sensor remoto através de cabo trançado com a alimentação feita do lado do receptor.
Amplificador para Sensor Piezoelétrico de Vibração
Na figura 6 mostramos um circuito para sensoriar vibrações usando para esta finalidade um sensor piezoelétrico.
O ganho do circuito é dado basicamente por R2 enquanto que o resistor R1, juntamente com R2 determinam a tensão de referência para comutação.
O circuito pode ser alimentado com tensão de 5 V o que torna sua saída compatível com lógica TTL, e um resistor de pull-up no lado do receptor é usado.
Observe que esse circuito pode ser usado no sensoriamento remoto, empregando cabos comuns.
Amplificador para Par Termoelétrico
Na figura 7 mostramos um amplificador para par termoelétrico com base no amplificador operacional LM10.
O par termoelétrico é alimentado por um segundo circuito integrado que funciona como fonte de corrente constante.
Os dois ajustes que existem são do ponto de tensão para a junção fria e para o nível em que ocorre o nível do sinal. Esse sinal consiste numa corrente IS que pode ser transmitida remotamente a um circuito de interface.
Os componentes de precisão são necessários para se garantir que a corrente seja linearmente proporcional na saída.
Sensor de Tensão
A finalidade do circuito mostrado na figura 8 é monitorar a tensão de uma bateria, acendendo um LED se ela cair para um valor abaixo do determinado pelos componentes usados na rede de referência.
Para os valores indicados no diagrama o circuito monitora uma bateria de 9 V fazendo o LED acender quando a tensão cai para menos de 7 V.
O resistor R3 pode eventualmente ser removido para se obter um ganho maior do circuito e assim uma transição rápida de brilho ao acender quando a tensão atingir o valor programado.
O circuito pode ser modificado facilmente para monitorar baterias com tensões menores. Tensões tão baixas como 1,7 V podem ser programadas para fazer o acionamento do LED desde que o tipo usado seja capaz de acender com esse valor de alimentação.
Termômetro Eletrônico
O circuito mostrado na figura 9 usa um indicador analógico de corrente de 100 uA de fundo de escala para formar um termômetro capaz de indicar linearmente temperaturas na faixa de 0 a 100º C.
O sensor é circuito integrado especial termométrico do tipo LM 134 cuja polarização permite sua operação na escala desejada. Observe que a alta precisão dos resistores é necessária para se obter uma escala de temperaturas precisa.
A tensão de alimentação do circuito é baixa, podendo ser feita com fontes a partir de 1 V.
Sensor de Temperatura para Conversores A/D
A configuração indicada na figura 10 é indicada para servir de entrada para conversores analógico digitais de temperatura.
O circuito indicado fornece valores escalonados de temperatura de 0 a 128º F o que o torna muito compatível com a entrada de conversores A/D que tenham 128 degraus de conversão (7 bits)
A alimentação do circuito é feita com tensão de 5 V o que torna sua saída compatível com conversores TTL ou CMOS que operem com essa tensão.
Conclusão
No site da National Semiconductor (www.national.com) pode-se obter informações detalhadas sobre os amplificadores operacionais apresentados neste artigo assim como applications notes detalhando alguns desses circuitos, incluindo elementos para cálculos.
O que vimos aqui é apenas uma pequena amostra de circuitos que podem ser úteis no interfaceamento de transdutores e sensores com CLPs, microprocessadores, microcontroladores e outros circuitos, feito de forma simples com componentes tradicionais.
A adoção de qualquer dessas soluções, evidentemente, depende da disponibilidade de componentes no momento, já que é mais fácil encontrar no comércio especializado e no próprio estoque de um laboratório componentes desse tipo do que soluções mais avançadas ou mesmo aquelas que possam exigir a programação de um microcontrolador ou microprocessador.
