Transdutores de Sinal - Princípios, Aplicações e Problemas Resolvidos - Blog

Introdução

Seja no campo da eletrônica, mecânica, automação ou outras disciplinas, no desenvolvimento de soluções para aplicações reais é recorrente a utilização de dispositivos que trabalham com diversos tipos de sinais de entrada e saída. Desse modo, é frequente a necessidade de converter sinais para que grandezas físicas sejam mensuradas ou dispositivos teoricamente incompatíveis possam dialogar entre si. Nesse contexto, os transdutores desempenham um papel fundamental na resolução desses desafios. Este artigo explora os princípios básicos de funcionamento dos transdutores, suas aplicações e os principais problemas que podem resolver.

O que é um transdutor?

Transdutores nada mais são que componentes que convertem sinais, ou seja, recebem um tipo de sinal de entrada e convertem em outro, sendo que essa conversão pode ocorrer entre diferentes tipos de energia, como: elétrica, ótica, mecânica, térmica, etc. Um exemplo clássico de transdutores são os microfones, amplamente utilizados na captura de áudio. A maioria desses componentes é composta por um imã permanente, uma bobina de cobre e um diafragma de material levemente elástico. Seu funcionamento ocorre da seguinte forma: as ondas sonoras, na forma de vibrações no ar, chegam à entrada do microfone; essas vibrações atingem o diafragma, que está acoplado a um imã, gerando movimento nessas estruturas; à medida que o imã se move, o campo magnético sobre a bobina varia, induzindo uma tensão em suas extremidades. Essa tensão constitui o sinal elétrico que será amplificado por um circuito eletrônico e, em seguida, utilizado em alto-falantes ou gravado em algum tipo de mídia.

Exemplo de funcionamento de um microfone

Desse modo, os transdutores são utilizados em diversas áreas, desde dispositivos do nosso cotidiano, como celulares e computadores, a aplicações médicas que exigem extrema precisão ou atividades industriais com condições adversas de temperatura, campo magnético e vibração.

Tipos de transdutores

Os transdutores são categorizados em três classes principais: sensores, atuadores e conversores de sinal. Estas são descritas da seguinte forma:

Sensores – utilizados para medição de grandezas físicas, recebem estímulos em sua entrada, como vibração, pressão, ondas acústicas, campos magnéticos e temperatura, e convertem em sinais elétricos de corrente, tensão ou resistência. Os principais exemplos são: microfones; células de carga; termopares; sensores magnéticos, indutivos, óticos, de pressão e posição.

Atuadores – têm como função principal realizar uma ação direta em um sistema, assim, recebem sinais elétricos, hidráulicos ou pneumáticos em sua entrada e geram movimento na saída. Alto-falantes, cilindros, válvulas e motores elétricos são alguns exemplos de atuadores.

Conversores de sinal – é um dispositivo que realiza a conversão de um tipo de sinal elétrico em outro, essa alteração pode envolver mudanças na grandeza elétrica, forma, amplitude ou frequência do sinal.

Aplicações e resolução de problemas com transdutores

1 – Conversão de sinais

No desenvolvimento de projetos de máquinas ou na manutenção de plantas já existentes, é comum que encontremos sensores com as características desejadas para aplicação, mas que não possuem a interface compatível com o dispositivo de monitoramento, nesse tipo de situação um transdutor de sinal pode ser utilizado buscando viabilizar a integração entre esses componentes. Um exemplo comum desse problema é a leitura de temperatura através da resistência de sensores PT ou da tensão em milivolts de termopares. Visto que a maioria dos Controladores Lógicos Programáveis não dispõe de entradas para esses tipos de sinais, é possível empregar um transdutor para converter a saída desses sensores em um sinal compatível com as portas analógicas do CLP, geralmente na forma de tensão ou corrente, conforme figura abaixo:

Conversão da saída do sensor PT100 para sinal compatível com o Datalogger

2 – Transmissão de sinais em longas distâncias

Outro problema típico que podemos presenciar no campo da automação é quando existe a necessidade de transmitir um sinal de tensão, tipicamente um 0 a 10V, em longas distâncias. Nesse caso, a resistência do cabo é proporcional a distância entre a saída do sensor e a entrada do dispositivo responsável pela leitura do seu sinal. Em cabos muitos longos, isso resulta no aumento da queda de tensão nos condutores, o que pode levar o sinal a ter um valor máximo inferior a 10V. Consequentemente, a leitura ficará prejudicada, pois haverá uma disparidade entre o valor real do processo físico e a variável medida. Nesse tipo de caso, o transdutor pode solucionar o problema por meio da conversão do sinal de tensão para um sinal de corrente 4 a 20mA, visto que ele visaria manter a corrente de saída na faixa nominal, compensando a queda de tensão nos cabos por meio do aumento da tensão de saída, garantindo uma leitura mais precisa e confiável.

Conversão de sinal visando transmitir em longas distâncias

3 – Correção de loops de terra e proteção de I/Os

Em instalações elétricas, pode ocorrer de sensores/atuadores terem um potencial de terra diferente do sistema que realiza seu controle, nesse caso, uma corrente indesejada circulará entre os pontos de aterramento devido à diferença de potencial entre eles. Esse tipo de situação é denominado de loop de terra e pode gerar diversos problemas para a aplicação, como erros de medição, intermitências e até danos a equipamentos.

Loop de terra criando uma corrente indesejada nos cabos do sensor

Para solucionar esse problema, é possível recorrer à utilização de transdutores que oferecem isolamento galvânico. Isso ocorre porque o circuito do sensor passa a ficar eletricamente separado do circuito do sistema de controle, eliminando a corrente entre os aterramentos. Além disso, esses transdutores proporcionam proteção adicional às portas do CLP contra sobrecorrente e surtos elétricos.”

Circuito do sensor isolado eletricamente do CLP através de um transdutor

4 – Filtragem de sinal

Em certas aplicações, os condutores dos sensores podem estar localizados próximos a equipamentos de potência. Nessas circunstâncias, as ondas eletromagnéticas provenientes das altas correntes podem induzir ruído no sinal de saída do sensor, impactando diretamente a qualidade da medição. Nesse contexto, os transdutores de sinais que incluem filtro de sinal embarcado desempenham um papel crucial. Visto que eles são capazes de remover ou reduzir essas interferências, restaurando o funcionamento normal do sistema.