Ponte de Wheatstone e Amplificador Operacional

Olá, meus queridos caiçaras! No post de hoje, continuarei a demonstração de circuitos simples e muito utilizados na eletrônica. Vamos trabalhar com sinais de +VCC e -VCC e, desde já, recomendo que você leia o seguinte artigo “Fonte Simétrica + / – 5V”. Sem mais delongas, vamos mostrar uma aplicação de Amplificador Operacional e Ponte de Wheatstone. Mas, antes de tudo, vamos entender um pouco sobre esse assunto.

O que é um amplificador operacional?

Um amplificador operacional é um amplificador com ganho elevado, tendendo ao infinito com dois terminais de entrada, inversora (-) e não inversora (+). Projetado, inicialmente, para fazer operações matemáticas, utilizando a tensão como forma de comparação para o cálculo. Atualmente, possui diversas aplicações.

Sendo usado na conversão de sinais A/D, D/A, amplificadores de sinal, buffer… Enfim, as possibilidades são infinitas, tornando-o uma verdadeira obra prima da eletrônica e que merece uma atenção ao ser estudado. Na faculdade, inclusive, foi uma luta compreender como ele funciona. E, só consegui ver sua aplicação, quando desenvolvi um trabalho com o mesmo. Assim, pude colocar em prática os conceitos vistos em aula.

Particularmente, eu sou uma pessoa que não aprende apenas com teoria! Se não boto a mão na massa, não consigo entender realmente o que aquilo faz. Enfim, vamos às características principais deste componente:

Um amplificador ideal:

  • Impedância de entrada infinita;
  • Impedância de saída nula;
  • Ganho de tensão infinito;
  • Resposta de frequência infinita;
  • Insensibilidade à temperatura.

Na prática, sabemos que todo amplificador tem seus limites, sendo dados que podem ser consultados em seu datasheet.

Ponte de Wheatstone

A ponte de wheatstone é um circuito bastante simples, utilizado para medições de grandezas elétricas, variando-se a resistência, capacitância, indutância etc. Basicamente, trata-se de um circuito bastante sensível, que qualquer variação é percebida, assim, possibilitando a medição.

Ponte de Wheatstone

O funcionamento da ponte é basicamente o seguinte:

Quando a mesma está equilibrada, ou seja, todas as resistências apresenta o mesmo valor, tem na saída corrente nula, isto é, zero. Um dos resistores, da ponte, é um transdutor que desejamos mensurar. Como, por exemplo, um PTC-100 que mede temperatura e muda sua resistência, e quando o mesmo altera seu valor, causa um desequilíbrio na ponte. Dessa forma, gera uma corrente na saída do circuito.

Sua aplicação é muito vasta, podendo ser aplicada em transdutores de pressão, temperatura, peso, luz etc. Recomendo a você, fortemente, uma pesquisa aprofundada nesse tipo de circuito bastante simples, mas útil. Ele foi fundamental para o sucesso em um trabalho, que realizei na disciplina de Eletrônica Analógica.

Agora, vamos à lista de materiais para montagem de um circuito deste na prática.

Lista de materiais:

4 – Resistor 1kΩ;

1 – Trimpot 1kΩ;

1 – Trimpot 1kΩ;

1 – CI LM324 (CI com quatro amplificadores operacionais);

2 – Resistor 249Ω precisão de 1%;

2 – Resistor de 14k7Ω precisão de 1%;

2 – Resistor de 10kΩ;

1 – Capacitor cerâmico de 1nF;

1 – Capacitor eletrolítico de 1000uF 16V;

1 – Resistor de 330Ω;

1 – LED verde ou a cor que preferir;

Caso queira montar o circuito em uma placa de circuito impresso, você pode comprar itens adicionais como: uma placa e fenolite face simples 7 x 7 cm, percloreto de ferro e caneta para retroprojetor, além de contar com ferro de solda e estanho, para realizar a solda dos componentes na placa.

Funcionamento e diagrama esquemático

Em nosso exemplo, utilizaremos uma ponte de Wheatstone e 1 CI LM324. Esse CI consiste em 4 amplificadores operacionais internos. Fique tranquilo, pois explicaremos o circuito de forma simples e direta, como sempre fazemos.

O circuito funciona da seguinte maneira: Existe a ponte de Wheatstone e um dos resistores é um trimpot, que simulará um sensor lendo algum sinal e gerando o desequilíbrio da ponte. Ao sair da ponte, haverá dois buffers para aumentar a impedância de entrada do amplificador diferencial à diante. O amplificador de diferencial trabalhará com as duas entradas: inversora e não inversora. Na saída do amplificador diferencial haverá um amplificador comparador, que tem como referencial um divisor de tensão, composto por um resistor de 1kΩ e um trimpot de 4k7Ω.

Se a entrada inversora do comparador tiver tensão maior que a referência, levará à saída a nível lógico baixo. Isso vai acionar, assim, um 555 que está trabalhando no modo Monoestável. Recomendo a leitura do seguinte artigo, para compreender melhor esse CI, “Temporizador até 10 minutos com 555“. Na saída do 555, há um led.

Ou seja, o circuito vai ler a variação provocada pela ponte, trabalhar com o diferencial e amplificar esse sinal, comparar com uma tensão de referência e acionar uma carga.

Obs.: Caso o trimpot esteja 100%, ou seja, o valor de 1kΩ, a tensão entre os nós s1 e s2 será a mesma. Sendo assim, a saída do amplificador diferencial será 0, pois não há diferença entre as tensões nas entradas.

Como tenho feito nos posts anteriores, veja o layout da placa de circuito impresso. O mesmo foi criado utilizando o Proteus Professional 8, mais precisamente o ARES.

Mantenha a calma…

Eu compreendo você, querido leitor, melhor do que ninguém! Sei que os conceitos envolvendo amplificadores operacionais não são simples de entender. E, esse é um dos componentes mais aplicados da eletrônica, devido a sua versatilidade. Nosso objetivo aqui é mostrar uma aplicação prática e explicar, de forma resumida, o funcionamento do mesmo. Isso, sem entrar muito na teoria, que é importante para realizar a prática, mas não é o foco do nosso artigo.

Como um auxílio e presente para você, eu separei alguns materiais sobre amplificadores operacionais. Eles me ajudaram muito na faculdade e creio que lhe auxiliará a compreender melhor esse assunto.

Espero que essa pequena lista possa auxiliá-lo no estudo de amplificadores operacionais. Compreende-los é fundamental para sua carreira, na área de eletrônica.

Para finalizar…

Bom galera, eu espero que tenham gostado deste exemplo, utilizando amplificador operacional. Aplicamos, na prática, o seguidor de tensão (buffer), o amplificador diferencial, que trabalha com as duas entradas: inversora e não inversora e o comparador. Ou seja, vimos bastantes conceitos. Como sempre, deixarei para você todos os materiais disponíveis para download. E, caso tenha qualquer dúvida não deixe de comentar! Terei o prazer de ajudá-lo, no que for possível.

Gostou? Compartilhe e de seu feedback! Isso é fundamental para melhorarmos nosso conteúdo e produzir, ainda mais, artigos para ajudar mais e mais pessoas.

Muito obrigado e até a próxima!

Yhan Christian

 

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