Luz, câmera e automação!

No dia 25 de dezembro de 2021, o foguete Ariane 5 decolou da Guiana Francesa em “um grande dia para o planeta Terra”. Sua missão era por em órbita o Telescópio Espacial James Webb, o sucessor espacial do imponente Telescópio Espacial Hubble. Dotado de uma tecnologia para medição de luz infravermelha, sendo capaz de observar a origem de galáxias e estrelas. A medição da infravermelha permite a observação de mais objetos escuros e frios,  além disso, esta radiação penetra melhor na poeira e nos gás espacial.

Mas o que isso tem haver com o nosso assunto de hoje? Tudo, se relacionar com a nossa velha amiga: a eletrônica. A  eletrônica, com destaque para eletrônica analógica, tem um importante papel em captar as informações do mundo  e mesmo do Universo que nos cerca, o James Webb que o diga, não é mesmo? De fato, pode-se converter  grandezas físicas em sinais elétricos analógicos para posterior análise como luz infravermelha, temperatura, pressão, nível de líquido, vazão, entre muitas outras.

Os microcontroladores que me perdoem, mas rapidez é fundamental. Principalmente se for em velocidades próximas da velocidades da luz. Citando então o nosso ator coadjuvante, o The Flash dos circuitos de controle: o amplificador operacional, cujo símbolo até parece um foguete. Em resumo, ao longo das próximas linhas será descrito em detalhes o funcionamento deste componente fundamental da eletrônica analógica e mostrar algumas aplicações de amplificadores operacionais em instrumentação. Então, vamos lá, amplificador operacional: luz, câmera e automação!

O amplificador operacional, que bicho é esse?

Em linhas gerais, ao trabalhar com controle e  automação  precisa-se produzir um sinal elétrico cujo comportamento permaneça semelhante ao de uma grandeza não elétrica. Ou seja, é necessário transformar um sinal físico em um sinal elétrico e posteriormente as informações são processadas e o controle pode ser efetuado. Por exemplo, a variação de temperatura (sinal físico)  de um sistema de ar refrigerado transforma-se em sinal elétrico por meio de um transdutor chamado de sensor de temperatura. Posteriormente, este sinal entra no circuito de controle para efetuar a ação de controle reduzindo ou aumentando a refrigeração.  Um resumo e mais detalhes sobre conceitos e aplicações práticas de um sistema de controle podem ser vistos neste post 

Além disso, para enviar o sinal elétrico do transdutor para o sinal de controle basicamente duas funções precisam ser efetuadas: O sinal precisa ser amplificado porque na maioria das vezes  é proveniente de um transdutor, principalmente os transdutores passivos, que geram um sinal elétrico em níveis de energia muito baixos. Por exemplo, um termopar, que é um tipo de sensor de temperatura, possui saída de tensão na faixa dos milivolts. Além disso, o sinal também precisa passar por um condicionamento, ou seja, passar por operações matemáticas tais como soma e multiplicações.

Em resumo, um transdutor converte o sinal da grandeza física  em uma  grandeza elétrica e este sinal precisa ser amplificado e passar por operações matemáticas para o sistema de controle. Desta forma, para efetuar estas duas funções (amplificar e efetuar operações matemáticas) utiliza-se  um circuito integrado composto internamente de resistores, transistores e capacitores denominado amplificador operacional. A seguir explica-se  mais detalhes técnicos sobre este importante componente eletrônico.

Simbologia e definições

Define-se então um amplificador operacional ou AmpOp.:

Um amplificador operacional é um componente eletrônico responsável por amplificar um determinado sinal e realizar operações matemáticas como soma, subtração, multiplicação, divisão, além de operações matemáticas complexas como logaritmos, integrais e derivadas.

O símbolo de um amplificador é mostrado na Figura 2.

Desta forma, temos:

• V- e V+: Tensões de entrada;
• Vcc : Alimentação positiva;
• Vee: Alimentação negativa;
• V0: Tensão de saída;

Inicialmente, como todo amplificador, define-se um valor denominado G (ganho) que representa o fator de amplificação, ou seja, quantas vezes o sinal de entrada será multiplicado. Por exemplo, uma amplificador de ganho 10 amplifica a entrada 10 vezes. Especificamente no caso do AmpOp , amplifica-se não apenas um sinal, mas a diferença entre a entrada positiva e a entrada negativa. Desta forma, pode-se definir a tensão de saída de um amplificador ideal pela seguinte fórmula:

𝑉𝑠= 𝐺 (𝑣+ − 𝑣−)      Eq. 1

Em resumo,  definie-se algumas características de um amplificador operacional ideal:

• As entradas de um amplificador operacional não consomem nem fornecem corrente elétrica. Este fato é muito importante para os sensores, visto que o elemento sensor não deve sofrer qualquer influência do sistema de medição;
• A saída de um amplificador fornece a mesma tensão independente da corrente drenada. Desta forma, os amplificadores são utilizados para acionar atuadores elétricos, podendo enviar na sua saída um sinal padronizado de 4 a 20 mA, por exemplo;
• O ganho do amplificador deve ter um valor tão alto quanto possível, ou seja, próximo do infinito.

Curto circuito virtual

A equação 1  define o chamado curto circuito virtual, caso o valor de G seja muito alto, conforme demonstrado a seguir:

𝑉𝑠= 𝐺 (𝑣+ − 𝑣−)   

𝑉𝑠/G= (𝑣+ − 𝑣−) 

Considerando G muito alto, ou seja, um valor próximo ao infinito:

𝑉𝑠/∞= (𝑣+ − 𝑣−)

(𝑣+ − 𝑣−) = 0

(𝑣+   =  𝑣−)        Eq. 2

Resumidamente, os valores de tensão das entradas de um  amplificador operacional podem ser considerados iguais, contudo, representam pontos diferentes, daí o nome curto circuito virtual.

Agora deu foi um curto circuito real na minha cabeça!

Calma! Não se assuste com as equações. Em resumo, a equação 2 apenas está mostrando que em alguns circuitos, a tensão na entrada positiva pode ser considerada igual a tensão na entrada negativa, mas não são em todos os casos. Ou seja, apenas em circuitos em que existe uma retorno (realimentação) pode-se considerar esta relação. Por exemplo, caso queira entender mais sobre conceitos de controle, veja este post .

Amplificadores operacionais em instrumentação – Circuitos básicos

A seguir são apresentados os principais circuitos com amplificadores operacionais.

Comparador de tensão: O primeiro ato em instrumentação.

Nosso primeiro circuito compara simplesmente as duas entradas do operacional. Ou seja, se a entrada positiva for maior a saída (V0) terá um valor próximo da tensão da entrada de alimentação positiva (Vcc). Caso contrário, a saída irá indicar um valor próximo da entrada de alimentação negativa (Vee).

Pode não parecer, mas apenas com esta pequena configuração é possível montar a base de diversos circuitos de controle em malha fechada, como mostrado no final deste post. Além disso, sensores de contato são usados em larga escala instrumentação industrial como em: Termostatos (contato de pressão), pressostatos (contato de pressão)  e fluxostatos (contato de fluxo).

Por exemplo, o circuito da figura 4 no simulador simulIDE  pode ser baixado aqui.

Inversor

O nosso próximo circuito utiliza o conceito de curto circuito virtual, sendo chamado de circuito inversor.

A equação 3 representa a tensão de saída deste circuito :

V0 = -(R2/R1).Vi      Eq. 3

Por exemplo, disponibiliza-se o arquivo  no simulador simulIDE  aqui.

Não inversor: um ponto positivo em ter ganho positivo.

A nossa próxima configuração possui como vantagem uma alta impedância( similar a uma resistência) de entrada e além disso permite sempre um ganho positivo e maior que um, diferentemente do circuito inversor.

A equação 4 representa a tensão de saída deste circuito :

V0 = [1+ (R2/R1)].Vi      Eq. 4

Por exemplo, disponibiliza-se o arquivo da figura 8 no simulador simulIDE aqui.

Somador inversor

Em linhas gerais, caso seja necessário efetuar uma adição de valores de tensão, a configuração a seguir representa o circuito somador inversor

A equação 5 representa a tensão de saída deste circuito, podendo ser adicionadas outras entradas, caso sejam necessárias:

V0 =- (R2/R1).(Vi1+Vi2)      Eq. 5

Por exemplo, disponibiliza-se o arquivo da figura 10  no simulador simulIDE  aqui , cuja tensão de saída obedece a equação 5.

Seguidor de tensão, o CRT+C e CRT+V da eletrônica analógica.

Função: Copiar e colar tensões. Ou seja, o circuito seguidor de tensão apenas faz o curto circuito virtual  entre a tensão de entrada Vi  e a saída do operacional Vo. Porém,  permite uma alta impedância de entrada, ideal para ser utilizada em sensores.

A equação 6 representa a tensão de saída deste circuito.

V0 =Vi     Eq. 6

Por exemplo, você pode baixar o arquivo da figura 12 no simulador simulIDE  aqui , cuja tensão de saída obedece a equação 6.

Amplificador das diferenças: quase lá.

Circuito utilizado para amplificação da diferença de dois sinais. Além disso, possui  a vantagem dos sinais das entradas não precisarem ser referenciados ao terra. Ou seja, as entradas podem possuir valores de tensão de referência diferente da tensão de referência de terra do operacional.

A equação 7 representa a tensão de saída deste circuito.

V0 = (R2/R1).(Vi2-Vi1)    Eq. 7

Por exemplo, você pode baixar o arquivo  no simulador simulIDE  aqui , cuja tensão de saída obedece a equação 7.

O amplificador das diferenças pode até chegar próximo de uma configuração ideal para uso em instrumentação, porém, como destacamos na figura 14, é possível observar que circula uma pequena corrente nos pontos de entrada do circuito (3,3mA, neste caso). Sendo assim, pode haver uma indesejável passagem de energia do sensor para o circuito. Em resumo, este efeito colateral pode atrapalhar a medição de sensores passivos como termopares.

Amplificador de instrumentação, a cartada final!

Destacou-se anteriormente que o amplificador das diferenças possui uma baixa impedância de entrada, drenando uma indesejável corrente de sensores passivos em alguns casos. Desta forma, para aumentar a impedância de entrada de circuitos utilizados em instrumentação, utiliza-se uma mistura do amplificador das diferenças com dois seguidores de tensão, o chamado amplificador de instrumentação, conforme mostrado na figura 15.

A equação 8 representa a tensão de saída deste circuito.

V0 = (R4/R3).[1+2(R2/R1)].(Vi2-Vi1)    Eq. 8

Por exemplo, você pode baixar o arquivo  no simulador simulIDE  aqui ,cuja tensão de saída obedece a equação 8.

Conversor de corrente para tensão

A transmissão do sinal em corrente tem grande vantagem em relação a transmissão em tensão. Na transmissão por sinal padronizado em corrente evita-se a degradação do sinal causada por interferências e pela própria resistência do cabo. O circuito da figura 17 apresenta um exemplo de um circuito de um conversor de um sinal de 1 a 5V para um sinal de 4 a 20 mA. Este circuito pode ser utilizado para acionar um atuador de um válvula de controle ou enviar um entrada analógica de um CLP conforme ilustrado na figura 17.

Amplificadores operacionais em instrumentação – Circuitos práticos

A seguir, destaca-se algumas aplicações de amplificadores operacionais em instrumentação com base nos circuitos definidos anteriormente.

Conversor de tensão para corrente 4 a 20mA

Pode-se utilizar um circuito conversor de tensão para corrente como mostrado nas figuras 18 e 19 a seguir. Por exemplo, o circuito serve de base para acionamento de uma válvula cujo posicionador recebe 4 a 20mA a partir de uma tensão de 0 a 5V.

Ventilando suas ideias de controle analógico

Em conclusão, como já apresentou-se uma abordagem sobre amplificadores operacionais, agora ilustra-se como  simular o funcionamento de uma pequena malha de controle de temperatura efetuando o resfriamento a medida que a temperatura atinge um determinado setpoint (valor de ajuste). Desta forma, estuda-se os conceitos estudados  anteriormente,  utilizando um simples amplificador na configuração comparador, onde é possível realizar o resfriamento a medida que a temperatura sobe. Você pode baixar este circuito aqui.

Colocando a mão na massa

Como sugestão, caso deseje colocar a mão na massa, segue uma  lista modelo de componentes com base no circuito da figura 20.

Primeiramente,  utiliza-se  um NTC como elemento primário, ou seja, o primeiro transdutor que irá converter a temperatura em resistência. Posteriormente liga-se um cooler na saída do operacional, ligado em seguida a um módulo relé como o nosso elemento final de controle. Desta forma, pode-se aquecer o NTC com ferro de solda ou soprador de calor, dependendo da sua necessidade, que o ventilador  irá ligar ao atingir um determinado limite de temperatura. Você pode baixar o circuito do programa fritzing aqui.

Lista de componentes sugerida :

• CI LM324N  (mais detalhes deste CI aqui)
• Módulo relé
• Potenciômetro 10kΩ
• Sensor NTC
• kit protoboard essencial
• Fonte 12V
• 2 resistores 10k
• Ferro de solda
• Transistor BC547
• Ventilador Cooler

Conclusão

Em resumo, estudou-se ao longo do nosso post uma breve introdução teórica aos conceitos fundamentais de amplificadores operacionais com foco na instrumentação e no controle industrial. Desta forma, o uso de simulador validou cada circuito permitindo uma aplicação dinâmica de conceitos teóricos simples, mas, preciosos para o entendimento de circuitos complexos. Até a próxima!

Referências

Amplificadores Operacionais: teoria e análise. Antônio Carlos Seabra – São Paulo – ÉRICA, 1996

Apostila de Instrumentação Industrial 2020.1 – Brito, F.T.  IFCE campus Maracanaú – 2021

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