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Ponte de Wheatstone (INS013)

Um dos assuntos mais importantes de qualquer curso técnico de eletrônica é a realização de medidas por meio de pontes. E, na medida de resistências o destaque maior é para a Ponte de Wheatstone. Se bem que a maioria dos que estudaram eletrônica ou estudam tenham passado por este assunto, não são muitos os que tiveram a oportunidade de montar uma ponte deste tipo para experimentação ou uso ou mesmo trabalhar um pouco mais intensamente com este tipo de circuito. Para os leitores que desejam ir além, ou ainda apresentar um interessante trabalho prático no seu curso de eletrônica, descrevemos como funciona e como fazer a montagem de uma Ponte de Wheatestone com componentes comuns.

   Pontes são circuitos que possuem um estado de equilibrio quando certas condições de seus elementos são atingidas. Usando componentes de valores conhecidos numa ponte podemos determinar os valores de outros que sejam desconhecidos. Assim, usando pontes apropriadas podemos determinar o valor de resistências, capacitâncias e indutâncias.

   Dentre as pontes mais conhecidas, a Ponte de Wheatstone se destaca pois usa apenas resistores e justamente é usada para a determinação de resistências.

   A ponte de Wheatstone tem a configuração básica mostrada na figura 1.




   Conforme podemos ver, esta ponte contém uma fonte de tensão que a alimenta e um detector de nulo ou equilíbrio que consiste normalmente num microamperímetro ou outro instrumento equivalente, conforme a intensidade da corrente que se espera no circuito.

   A condição para que não circule corrente alguma entre os pontos A e B onde está conectado o instrumento detector é que as tensões nestes pontos sejam iguais e isso ocorre quando os dois pares de resistores que formam divisores d etensão para os pontos A e B tenham as mesmas tensões. Isso vai ocorre justamente quando a seguinte relação de valores entre os resistores for satisfeita:

        R1/R2 = R3/R4

   Quando isso ocorre, dizemos que a ponte se encontra em equilíbrio.

   Mas, o que tem tudo isso a ver com a medida de grandezas elétricas ou precisamente resistências?

   Um dos pontos cr¡ticos das medidas eletrônicas está no fato de que, quando introduzimos um instrumento de medida num circuito para realizar por exemplo, uma medida de tensão, a presença deste instrumento altera a grandeza medida.

   Assim, conforme mostra a figura 2, quando usamos um voltímetro comum para medir a tensão no ponto A do circuito, este multímetro é ligado em paralelo com o circuito derivando uma certa corrente, ou seja, carregando o circuito que está sob medida.


   Isso significa que o voltímetro "rouba" energia do circuito para funcionar e com isso altera a própria medida. Podemos dizer que a tensão real no ponto A é maior do que aquela que encontramos quando ligamos o voltímetro e portanto que ele acusa.

   Uma maneira de se obter uma medida segura de uma grandeza, por exemplo, uma resistência, implicaria em que o instrumento não precisasse "roubar" nenhuma energia do circuito e isso pode ser conseguido justamente por meio de uma ponte.

   Se lembrarmos que no momento em que a ponta é equilibrada não circula qualquer corrente pelo instrumento e que portanto este instrumento não "carrega" o circuito, temos a configuração ideal para a medida.

   Mas, como isso pode ser feito?
   O caso mais simples de ser explicado é justamente o da ponte de Wheatstone.

   Conforme vimos o equil¡brio desta ponte ocorre justamente quando as resistências de seus ramos mantém uma certa relação bem definida.

   Assim, se fixarmos duas resistências desta ponte, por exemplo R1 e R2 e fizermos R3 variável, a resistência Rx poderá ser determinada com precisão.

   Por exemplo, se R1 e R2 forem iguais, o equilíbrio da ponte só será obtido quando R3 for igual a Rx. Calibrando de modo preciso Rx (que pode ser um potenciômetro de precisão) será fácil medir resistências com este recurso.

   Na prática as pontes possuem um conjunto de resistores que podem ser comutados conforme a faixa de grandeza da resistência que está sendo medida.

   Estes resistores variáveis (potenciômetros) estão ligados a um seletor e o potenciômetro de equilíbrio corre sobre uma escala graduada de modo preciso, conforme mostra a figura 4.


   Se bem que qtualmente os multímetros digitais sejam muito precisos e tenham uma grande resistência de entrada "não carregando" os circuitos em testes as pontes de Wheatstone ainda podem ser encontradas em laboratórios, principalmente de escolas onde seu princípio de funcionamento é estudado mais profundamente.

   No nosso projeto teremos uma versão simplificada de uma ponte, mas que nem por isso deixa de ser funcional.



   COMO FUNCIONA
   Nossa ponte usa diversos valores de resistências que podem ser selecionados de tal forma que ela ser  capaz de medir resistências em diversas faixas.

   Se, por meio da chave seletora selecionarmos R5 para entrar no circuito, podemos ver que R5 é 10 vezes menor que R2.

   Isso significa que o outro ramo da ponte será equilibrado por P1 somente quando P1 e Rx mantiverem a mesma relação. Isso significa quem, sendo P1 de 10 k ohms, podemos equilibrar aponte quando Rx estiver entre 0 e 1 k ohms.

   Da mesma forma para os outros resistores, o que permite medir sempre resistores na faixa de valores do resistor selecionado. Por exemplo, se colocarmos a chave em R8 podemos medir resistências de 0 a 1 M ohms.

   O potenciômetro P2 serve apenas para ajustar a sensibilidade do indicador de nulo de modo que ele não seja percorrido por uma corrente muito intensa quando o potenci“metro de ajuste estiver em seus extremos.

   O circuito pode ser alimentado por tensões contínuas de 6 a 9 volts e seu consumo não é dos mais elevados, já que ele não ficar  ligado por muito tempo em cada medida.

   MONTAGEM
   Na figura 5 temos o diagrama completo de nossa Ponte de Wheatstone.


   Se bem que se trate de uma montagem experimental que pode ser feita em ponte de terminais ou matriz de contactos, nada impede que os leitores que desejam ter uma montagem definitiva usem uma placa de circuito impresso. O padrão desta placa é mostrado na figura 6.




   Os resistores são todos de 1/8 watt ou maiores e o instrumento é um microamper¡metro do tipo com zero no centro da escala de 50-0-50 uA encontrado em gravadores antigos e mesmo outros aparelhos como indicador de carga de bateria.

   O potenciômetro P1 deve ser linear de boa qualidade e a realização de uma escala precisa é importante para as medidas, conforme mostra a figura 7.




   Para conexão do resistor em medida (Rx) podem ser usados bornes isolados ou dois pedaços de fios com garras jacaré.

   A própria conexão dos resistores da escala (de R4 a R8) pode ser feita com uma garra jacaré‚ economizando-se assim uma chave seletora de 1 pólo x 5 posições que é um componente não muito fácil de ser obtido.    Para as pilhas deve ser usado um suporte apropriado.



   PROVA
   Para provar o aparelho ligue entre J1 e J2 um resistor de valor conhecido e acione a alimentação. Ajustando P1 devemos zerar a indicação do instrumento no ponto da escala que corresponder ao resistor em teste.
 
  Ajuste P2 para não ter o ponteiro do instrumento batendo nos extremos da escala quando o resistor Rx for retirado do circuito ou ainda quando o aparelho for ligado.

   USO
   Para usar, se tiver uma idéia da ordem de grandeza do resistor que vai ser medido, selecione uma posição da chave seletora de faixas de acordo. Caso contrário, comece com a posição central.

   Sempre trabalhe com o circuito que se deseja medir a resistência, caso não seja um componente isolado, desligado da sua alimentação.

   Ligue o resistor ou circuito nos bornes Rx e depois ajuste P1 até obter o equilíbrio (indicação zero no medidor). Se não conseguir, mude de faixa.

   Depois, é só ler o valor da resistência medida na escala do potenciômetro. A precisão da medida vai depender da precisão do potenciômetro e da própria escala.
  



   LISTA DE MATERIAL
   Resistores: (1/8W, 5%)
   R1, R5 - 1 k ohms
   R2, R6 - 10 k ohms
   R3, R3 - 100 ohms
   R7 - 100 k ohms
   R8 - 1 M ohms
   P1 - 10 k ohms - potenciômetro linear
   P2 - 1 k ohms a 10 k ohms - potenciômetro ou trimpot
   Diversos:
   S1 - Interruptor simples
   M1 - 50-0-50 uA - microamperímetro
   B1 - 6 ou 9V - pilhas ou bateria
   Placa de circuito impresso, suporte de pilhas, bornes, botão com escala para o potenciômetro, caixa para montagem, fios, solda, etc.

 

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