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Medindo Tensões com o osciloscópio (INS018)

Muitos técnicos acreditam que o osciloscópio consiste num instrumento cuja finalidade única é observar formas de onda. Nada mais errado. O osciloscópio reúne recursos que o tornam um dos mais completos instrumentos de bancada disponíveis. Mais do que a simples observação de formas de onda, o osciloscópio também serve para medidas de tensão, de frequência e de muitas outras grandezas. Neste artigo, de grande utilidade para estudantes e técnicos eletrônicos veremos como o osciloscópio pode ser usado na medida de tensões.

O fato da imagem de um sinal projetada na tela de um osciloscópio depender de sua amplitude já é um indicativo de que podemos usá-lo para avaliar a intensidade deste sinal ou sua tensão. Isso significa que, se os circuitos amplificadores e de deflexão de um osciloscópio estiverem devidamente calibrados, ele pode ser usado como um preciso instrumento de medida, de grande utilidade na bancada de todo praticante de eletrônica.
Como fazer isso é o que veremos neste artigo.


OS CIRCUITOS DE DEFLEXÃO
A varredura do feixe de elétrons que gera a imagem na tela do osciloscópio é determinada por dois circuitos: horizontal e vertical.
O circuito de varredura horizontal é responsável pela amplitude da trajetória que o feixe faz no sentido horizontal. Em outras palavras, ele determina o comprimento da linha horizontal que o feixe de elétrons traça na tela quando não há sinal na entrada vertical, conforme mostra a figura 1.



Por outro lado, a varredura vertical determina a excursão vertical do sinal quando na presença de um sinal.
Este circuito de varredura vertical dispõe de um amplificador, que tem seu ganho selecionável e apresenta grande precisão, conforme indicado na figura 2.

 



A escolha do ganho para a maioria dos usuários está simplesmente associada à intensidade do sinal que deve ser observado, de modo que a excursão do feixe de elétrons no sentido vertical proporcione uma imagem que possa ser observada comodamente, como indicado na figura 3.



No entanto, se levarmos em conta que o ganho do amplificador é conhecido isso significa que podemos associar de forma direta o tamanho da imagem produzida à intensidade do sinal que está sendo observado.
Por este motivo, as telas dos osciloscópios possuem um padrão de referência cuja finalidade é justamente facilitar as medidas.
Assim, o quadriculado que existe na tela do osciloscópio não é apenas um efeito ou simplesmente ajuda na centralização da imagem: muito mais que isso, ele serve de referência precisa para as medidas de intensidade dos sinais, especificamente as medidas de tensão.
Se tomarmos como exemplo um osciloscópio como o da figura 4 em que temos um quadriculado determinado, este quadriculado vai servir como referência para medidas de tensão a partir do ajuste do seletor de ganhos do amplificador interno.

 



Por exemplo, se o seletor for ajustado para a posição de 1 Volt por divisão, ou 1 V/d, isso significa que, na observação de um sinal nesta condição de ajuste, cada quadro da tela representa 1 volt de amplitude do sinal, quando considerado no sentido vertical.
Assim, para o sinal mostrado na figura 5, em que a partir da linha de referência (o traço horizontal antes da aplicação do sinal deve ser centralizado), temos uma amplitude máxima ou pico de 2 volts.



Esta possibilidade de medir tensões é muito importante no trabalho de certos equipamentos eletrônicos como televisores em que muitos sinais são especificados não só em termos de forma de onda e frequência mas também de intensidade.
Na figura 6 temos um exemplo de sinal que deve ser ajustado num televisor em que precisamos colocar um certo ponto de sua forma de onda num valor de amplitude perfeitamente determinado para que ele funcione normalmente.

 



Evidentemente, se o técnico não souber como usar o osciloscópio para fazer esta medida e portanto levar o sinal ao ponto indicado, mesmo tendo o equipamento disponível, ele não conseguirá fazer o ajuste.
Veja então que a intensidade do sinal vai determinar o ajuste que permita observar a forma de onda de uma maneira cômoda, e que este ajuste vai fornecer a referência para a medida de tensão.
Os amplificadores dos osciloscópios possuem uma boa precisão neste ajuste de modo que os valores eventualmente lidos são altamente confiáveis, tanto quanto os obtidos com um multímetro comum.
Na verdade, existe uma grande vantagem em se usar o osciloscópio na medida de tensões em relação ao multímetro comum que é a consideração da forma de onda.
Os multímetros medem apenas tensões contínuas e alternadas cuja forma de onda seja senoidal.
As escalas de tensões dos multímetros são calibradas para que eles indiquem valores RMS da tensão medida, conforme mostra a figura 7.


O que ocorre é que o valor RMS indica o efeito final ou eficácia da tensão comparando-a a uma contínua de mesmo valor. Este valor depende da forma de onda, sendo obtido a partir de uma expressão que na caso da corrente envolve justamente uma função trigonométrica (seno).
Assim, se a tensão medida tiver forma de onda diferente da senoidal o valor lido não corresponde à realidade e pelo multímetro não podemos saber se isso está ocorrendo.
Com o osciloscópio não temos este problema, pois visualizando a forma de onda podemos partir do valor de pico, ou seja, o máximo atingido e em função desta forma determinar valores médios, RMS ou aquele que nos interesse.
Por exemplo, para uma tensão triangular, conforme mostra a figura 8, o valor RMS corresponde à 1/3 do valor de pico.



MEDIDAS NA PRÁTICA
As medidas de tensões contínuas podem ser realizadas com bastante facilidade bastando partir da condição em que o osciloscópio visualize tensões deste tipo, ou seja, colocado na função DC.
Uma vez feito isso, precisamos centralizar o traço horizontal gerado de modo que ele coincida com a linha de referência, conforme mostra a figura 9.

 



Depois disso, basta selecionar na escala de ganhos do amplificador o que permita visualizar a tensão desejada com facilidade. Isso significa que devemos ter uma idéia da ordem de grandeza da tensão que vai ser medida.
É claro que, se não soubermos esta ordem de grandeza, partimos da escala mais alta.
Conectamos então o osciloscópio ao ponto do circuito no qual se deseja medir a tensão pela entrada vertical, conforme mostra a figura 10.



A imagem obtida permite ler diretamente a tensão tomando como referência a tela calibrada.
Assim, conforme mostra a figura 11, se estivermos com o ganho do amplificador ajustado para 10 volts por divisão (10 V/div) e o traço horizontal se deslocar para cima de uma divisão e meia, a tensão correspondente será de 15 volts.

 



Se o deslocamento do traço for para baixo, ou as pontas de prova estão invertida ou a tensão no ponto analisado é realmente negativa.
Veja que este procedimento permite medir eventuais ondulações de uma tensão contínua, por exemplo, na análise de uma fonte de alimentação.
Na figura 12 mostramos de que modo podemos observar a ondulação de uma fonte usando o mesmo procedimento descrito.

 


Alguns osciloscópios possuem uma função "zoom" que permite ampliar apenas o trecho a ser analisado obtendo assim maior precisão na medida de tensões sobrepostas.
Para a medida de tensões alternadas devemos proceder da seguinte forma:
Inicialmente colocamos o osciloscópio na condição de poder trabalhar com tensões alternadas (AC) e centralizamos o traço horizontal de modo que ele coincida com a linha de referência horizontal..
Depois, seleciona a faixa de ganhos que permita visualizar a tensão desejada, começando pela maior caso não tenhamos uma idéia de seu valor ou ordem de grandeza.
O passo seguinte será selecionar no circuito de varredura uma frequência que possibilite a visualização de um ou mais ciclos da tensão alternada a ser medida.
Por exemplo, se a tensão a ser analisada for a senoidal da rede de energia, uma varredura de 20 Hz permite visualizar 3 ciclos completos.
Depois é só conectar o osciloscópio pela entrada vertical ao circuito a ser analisado e observar a forma de onda na tela tomando por referência o padrão quadriculado.
Na figura 13 temos um exemplo em que a tensão medida é de 30 volts de pico, já que o amplificador vertical do osciloscópio foi ajustado para a condição de 20 Volts por divisão.

 




CONCLUSÃO
Não é preciso ressaltar a importância de podermos medir com precisão tensões com osciloscópios.
Lembramos finalmente que existem alguns osciloscópios sofisticados que incluem um voltímetro completo. Assim, ao mesmo tempo que tais osciloscópios apresentam na tela a forma de onda do sinal observado, eles podem acrescentar informações importantes na forma digital como a sua amplitude em volts, sua frequência e eventualmente o período.
É claro que tais osciloscópios são bem mais caros que os tipos comuns e normalmente fora do alcance do técnico comum. No entanto, dentro da precisão que a maioria dos trabalhos de service exige, um osciloscópio comum consiste num excelente voltímetro, além de permitir a visualização de formas de onda.

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