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Precisão de rapidez com medidas flutuantes (INS222)

Isolando o terra de um osciloscópio através de um transformador ou de outro recurso, é possível torná-lo flutuante e assim obter-se muito mais segurança na realização de medidas que envolvam linhas de altas tensões ou fontes de sinais que possam ser potencialmente perigosas. No entanto, para se usar um osciloscópio nas medidas com essa técnica é preciso que o profissional esteja atento a alguns fatores que serão discutidos nesse artigo baseado em documentação da Tektronics.

A idéia básica de se tornar um instrumento flutuante, no caso um osciloscópio, está em se desconectar o terra do instrumento do terra comum do sistema.

Se bem que existam algumas vantagens em se utilizar esta técnica é preciso levar em conta que isso desabilita o sistema de proteção do instrumento como, por exemplo, o ligado ao chassi, controle e conectores o que pode tornar perigoso tanto para o usuário como para o próprio circuito a sua utilização.

Além disso, se essa técnica não for usada convenientemente, as medidas podem ser afetadas. Como isso ocorre é o que veremos a seguir.

 

Como Fazer as Medidas

Existem produtos específicos que podem ser utilizados com o osciloscópio com a finalidade de permitir a realização de medidas flutuantes com precisão e segurança.

Para que o leitor tenha uma idéia de como usá-los e como fazer essas medidas, vamos iniciar analisando como funcionam os osciloscópios tradicionais.

Os osciloscópios comuns normalmente são projetados para realizar medidas tomando o terra como referência. Isso ocorre porque eles possuem seu terminal de referência "massa" aterrados. Em inglês são usados os termos "earth" e "ground" para diferenciar a referência do aterramento ou seja, "massa" e terra".

Esse ponto de conexão normalmente é o chassi do osciloscópio, estando bem próximo do zero volt de potencial ideal. Entretanto, conforme mostra a figura 1, devido à própria resistência do sistema de aterramento, a tensão usada como referência não é exatamente zero.

 

Figura 1
Figura 1

 

O chassi ou terra do equipamento que está fornecendo o sinal para ser analisado pode estar a um potencial levemente diferente do chassi ou referência do osciloscópio que vai analisar esse sinal.

Uma prática perigosa que é usada em alguns casos consiste em se desconectar o terra do osciloscópio e ligá-lo ao terminal aterrado do osciloscópio de modo a garantir que os potenciais de terra dos dois equipamentos (fonte de sinal e osciloscópio) se igualem. Trata-se de uma prática que deve ser evitada, segundo recomendação dos fabricantes de osciloscópios, como a Tektronics.

 

Osciloscópio da série TDS3000B da Tektronix, alimentado por bateria permite que os problemas de isolamento sejam contornados.
Osciloscópio da série TDS3000B da Tektronix, alimentado por bateria permite que os problemas de isolamento sejam contornados.

 

Fazendo isso, o chassi do osciloscópio passa a ter um potencial diferente do potencial de terra (passa a ser o mesmo do equipamento analisado). Desta forma, tocando no chassi do osciloscópio, o operador pode fornecer um percurso adicional para o sinal ir para a terra e com isso somar uma tensão a ser medida, e se a tensão for muito alta causar choques perigosos, conforme mostramos na figura 1.

No entanto, além dos perigos que esse procedimento apresenta, fugindo das regulamentações de segurança, temos ainda a possibilidade de introduzir deformações nos sinais a serem medidos. Uma dessas deformações, devida a introdução de capacitâncias no circuito, consiste nas oscilações que podem aoparecer no início e no final das transições se sinais, ou seja, o que se denomina "ringing", conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Pontas de Prova Diferenciais ou Isoladas?

Uma maneira de se obter medidas flutuantes num osciloscópio comum consiste no uso de pontas de prova diferenciais ou isloadas. Essas pontas isolam o circuito que está sendo medido do circuito de entrada do osciloscópio.

As pontas de prova diferenciais têm a vantagem de oferecer uma carga balanceada para o sinal do dispositivo que está sendo testado. No entanto, elas implicam num gasto adicional e podem até exigir uma fonte de alimentação separada.

 

A Fidelidade do Sinal

Em qualquer tipo de medida é importante que o equipamento usado não introduza nenhuma deformação no sinal. Nos osciloscópios isso implica na necessidade de se usar circuitos fieis a partir das pontas de prova.

Num osciloscópio os sinais passam pelas pontas de provam pré-amplificadores sistemas de aquisição e medida, e circuito de display conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Muitas vezes a importância das pontas de prova é sobreestimada. No entanto, é preciso tomar cuidado com esse elemento do circuito, pois o uso pontas de prova incompatíveis com o osciloscópio pode afetar a fidelidade do sinal e com os resultados de uma medida. A ponta de prova deve ter impedância e faixa passante compatível com as características do instrumento com o qual está sendo usada.

Um dos pontos mais críticos numa ponta de prova é a indutância do terminal de terra, conforme mostrado na figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

Juntamente com a capacitância de entrada da ponta de prova e do próprio osciloscópio, essa indutância forma um circuito ressonante. O resultado é uma alteração da impedância do circuito que se manifesta justamente quando se deseja analisar um sinal nessa freqüência de ressonância.

 

Como Solucionar os Problemas

Uma forma de se realizar medidas flutuantes sem comprometer tanto a segurança do operador como os resultados consiste em se separar o sinal analisado em dois componentes, um de baixa e um de alta freqüência.

Para essa finalidade são usados acopladores ópticos e circuitos transformadores lineares de faixa larga para cada entrada, o que consiste em material de alto custo.

Alguns fabricantes de osciloscópios como a Tektronix, possuem tecnologias que permitem contornar esse problema, sem a necessidade de se usar circuitos separados para os sinais de altas e baixas freqüências.

Na figura 5 mostramos a tecnologia usada pela Tektronix, que possibilita o uso de um circuito único de banda larga em lugar de dois circuitos que operam em bandas diferentes.

 

Figura 5
Figura 5

 

Essa tecnologia é oferecida nos osciloscópios da série TPS2000 que permitem a realização de medidas flutuantes em quatro canais, operando a partir de bateria, com uma autonomia de 8 horas.

As quatro entradas do circuito são isoladas entre si e isoladas do circuito de entrada do osciloscópio. Isso o equipamento ideal para aplicações de potência como nos circuitos de controle de motores, no-breakers e equipamento industrial em geral.

Nesses equipamentos, as correntes e tensões são suficientemente elevadas para colocar em risco tanto os operadores como o próprio equipamento de medida.

 

Osciloscópios da série PDs<sup>2</sup>000 da Tektronix
Osciloscópios da série PDs2000 da Tektronix

 

As Vantagens da Tecnologia

Não é apenas a segurança do operador e a integridade do equipamento que estão em jogo quando se analisa a possibilidade da realização de medidas flutuantes com um osciloscópio.

Alguns problemas que ocorrem quando essa técnica não é usada desaparecem, permitindo assim a realização de medidas mais precisas.

A Tektronix cita o exemplo de análise de harmônicas onde problemas de alimentação não revelados em condições comuns de medida podem aparecer.

Em diversas oportunidades em artigos nossos, temos abordado o problema que o uso cada vez mais intenso de fontes não lineares na indústria e em outros ambientes causa à qualidade da energia. Harmônicas são introduzidas na linha, aparecendo muitas vezes nos fios de retorno (terra) com a possibilidade de causar sérios danos aos equipamentos alimentados.

A análise da qualidade da energia com o osciloscópio detectando a composição harmônica da energia fornecida a todos os tipos de equipamento é algo que todo profissional deve saber como fazer.

Numa carga não linear como tais equipamentos, a impedância varia durante cada ciclo de operação e com isso a forma de onda da energia que está sendo fornecida, que deixa de ser perfeitamente senoidal.

Na figura 6 temos a composição harmônica típica de um sinal, mostrando a distorção que ocorre.

 

Figura 6
Figura 6

 

Na figura mostramos como um osciloscópio que possua os recursos da transformada discreta de Fourier pode fazer a análise da composição harmônica de um sinal, revelando assim distorções e fatos importantes que estão diretamente relacionados à qualidade da energia fornecida a um equipamento.

Osciloscópios como o TPS2024 da Tektronix, que possuem esse recurso, por exemplo, podem fazer essa análise em quatro canais, permitindo assim que os três condutores de fase e o retorno sejam conectados ao instrumento para uma medida precisa, o que não ocorre com osciloscópios comuns. Realizando a medida flutuante da composição harmônica ele permite que sejam visualizadas distorções que, de outra forma, não apareceriam num osciloscópio comum ou mesmo num analisador de espectro.

 

Conclusão

Osciloscópios, como outros instrumentos que permitem a visualização da forma de onda de sinais e composição harmônica, além de medidas relacionadas vão se tornando cada vez mais sofisticados, tanto quanto aos recursos como às formas como são usados.

Instrumentos que permitem a realização de medidas flutuantes, como os que vimos neste artigo, são muito importantes num ambiente industrial em que altas tensões e correntes estão envolvidas. Os recursos desses instrumentos protegem os operadores e o próprio instrumento, sem afetar as medidas.

Neste artigo, baseados em documentação da Tektronix vimos apenas um pouco do que existe neste campo de aplicação, para os quais os profissionais devem estar sempre atentos.

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