Multiplicador de Escala para Multímetros (INS318)

Aumente a precisão e a capacidade de seu multímetro ampliando suas escalas de tensão e aumentando sua resistência de entrada para 4M7, tornando-o um verdadeiro multímetro eletrônico capaz de medir tensões tão baixas quanto alguns microvolts. Tudo isso será possível com o circuito multiplicador de escala que apresentamos e que pode ser montado com facilidade.

Multímetros comuns do tipo analógico (com galvanômetros de bobina móvel) não possuem uma sensibilidade que permite a medida de tensões de milivolts ou microvolts com precisão.

Por outro lado, a relativamente a!ta corrente necessária à movimentação da parte mecânica do galvanômetro influi diretamente na precisão.

Tais multímetros dificilmente podem ter sensibilidade acima de 100 000 Ω por volt sendo os mais comuns os que apresentam sensibilidades na faixa de 2 000 a 10 000 Ω por volt nas escalas de tensões contínuas.

Na maioria dos trabalhos práticos uma sensibilidade desta ordem não afeta muito os resultados das medidas, mas existem casos em que seria conveniente ter uma sensibilidade maior como, por exemplo, nos casos em que trabalhamos com circuitos de sinais de baixa intensidade, circuitos MOS etc.

É claro que a aquisição de um multímetro de alta sensibilidade não está ao alcance de muitos dos leitores, de modo que a única solução para estes casos seria utilizar o velho multímetro, mas com algum recurso adicional que aumentasse sua sensibilidade.

Este recurso, que apresentamos agora, não é tão caro quanto um multímetro novo e pode tornar seu instrumento tão bom quanto qualquer multímetro eletrônico, elevando sua sensibilidade para 4 700 000 Ω na escala mais baixa.

Se sua escala mais baixa for de 0-3 V, por exemplo, isso significa uma sensibilidade de 1 500 000 Ω por volt!

Simples de montar, podemos usar nosso multiplicador de escala com qualquer multímetro comum. (fig. 1)

Figura 1 – O multiplicador de escala

Ele simplesmente consiste num amplificador de elevadíssima impedância de entrada, pois usa um integrado CMOS e excita na saída o seu multímetro aproveitando sua escala e sua precisão.

A precisão do multiplicador dependerá simplesmente da precisão de alguns componentes usados, podendo chegar a 1% ou 2% conforme o caso.

Além disso, o circuito também possibilita a amplificação das escalas de tensões alternantes que, nos multímetros comuns, devido à curva de condução dos diodos é imprecisa para tensões abaixo de 0,6 V.

Com o multiplicador você pode medir tensões de 6 mV com facilidade.

O projeto original é alimentado por dois jogos de 4 pilhas que terão enorme durabilidade pois o consumo é muito baixo, mas nada impede que se use fonte, cujo diagrama será sugerido.

As características do multiplicador apresentado são:

Número de escalas ampliadas: 2 (ou mais)

Fator de ampliação: 10 e 100

Número de integrados: 2

Tipos de medidas realizadas: 2 (tensões CC/CA)

Tensão de alimentação: 6+6 V

COMO FUNCIONA

Para se obter uma elevadíssima resistência de entrada para um amplificador de instrumentação, nada melhor do que usar um operacional com FET na entrada

O tipo escolhido foi o popular CA3140 que possui uma impedância de entrada de centenas de milhares de megΩ e um elevado ganho de tensão.

No nosso circuito, este operacional funciona como seguidor de tensão, e para evitar instabilidades é colocada uma resistência de polarização de entrada de 4M7 fixando assim sua resistência.

No seguidor de tensão, conforme mostra a figura 2, temos um ganho unitário de tensão, sem inversão de fase.

Figura 2 – Configuração do operacional

Assim, a tensão que obtemos no pino 6 do integrado é a mesma aplicada pelas pontas de entrada no pino 3.

Entretanto, o sinal do pino 6 é de baixa impedância, excitando facilmente a entrada da etapa seguinte.

Assim, mesmo sendo de 10 k a impedância de entrada da etapa seguinte isso não influí na etapa de entrada e nem nos circuitos analisados em que estão as pontas de prova.

Como o CA3140 deve trabalhar com precisão, medindo tensões na faixa dos 0 ao 500 mV, no máximo, qualquer desvio da tensão de saída em repouso precisa ser compensado externamente.

Isso é conseguido por um ajuste de nulo que é feito nas entradas de offset null do integrado, correspondentes aos pinos1 e 5.

O que fazemos ao atuar sobre este controle é ajustar os circuitos internos para que, na ausência de tensão de entrada, a tensão de saída seja também zero.

Na prática pequenos desvios poderiam ocorrer devidas as próprias tolerâncias do integrado.

O segundo integrado funciona como um amplificador cujo ganho de tensão pode ser 10 ou 100, conforme a posição da chave S2. O ganho é dado pela seguinte fórmula:

G1 = R6/R4

G2 = R5/R4

Uma terceira posição da chave poderia ser usada, mas os valores de resistências acima de 1M tornam o circuito instável e sua impedância de entrada reduzida, além da frequência máxima das correntes alternantes a serem medidas ter um limite menor.

Na saída do operacional é ligado o multímetro que possuímos em sua escala de tensões DC apropriada (ou AC se for este tipo de medida realizada).

Como a resistência de saída é de apenas 150 Ω, a presença do multímetro, de valor muito maior não influi no circuito de modo algum, o que significa que sua sensibilidade não precisa mais ser levada em conta.

Temos finalmente a fonte de alimentação que pode ser de 6 + 6 V ou, se você preferir, de 9 + 9 V. Pilha ou a fonte da figura 3 deve ser usada.

Figura 3 – Fonte para o circuito

É muito importante que haja boa regulagem para que não ocorram desajustes durante o funcionamento.

Não será preciso dotar os integrados de radiadores de calor. Como trabalhamos com correntes bastante baixas, optamos para regulagem pelos integrados µA78L e µA79L da Texas Instruments para correntes até 100 mA.

MONTAGEM

Na figura 4 temos então o diagrama completo de nosso multiplicador de escala.

Figura 4 – Diagrama completo do aparelho

Os resistores marcados com asteriscos influem diretamente na precisão do aparelho. Recomendamos para eles tipos de 1 ou 2% ou, na impossibilidade de consegui-los, que se use as configurações da figura 5 que permitem o ajuste de funcionamento a partir de uma fonte de referência de tensão.

Figura 5 – Circuito de ajuste

Muito importante é o ajuste.Na figura temos um circuito de referência que permite obter com relativa precisão uma tensão de 0,1 volt.

Para a realização prática sugerimos uma placa de circuito impresso conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Placa para a montagem

Conectando as pontas de prova neste circuito, como o fator de multiplicação do aparelho é 10, o multímetro deve marcará aproximadamente 1 V (0,1 x 10).

Se optou pela versão com ajuste em trimpot para a escala, ajuste o trimpot correspondente para ler 1 V.

Na mesma figura temos o valor que fornece uma tensão de 0,01V.

Utilizando tal circuito, passe a chave seletora para a posição x100. Deveremos então ler no multímetro novamente uma tensão de 1V (0,01 x 100).

Se optou pela versão com ajuste em trimpot, faça o ajuste para esta leitura.

Sempre que realizar qualquer medida, zere o instrumento em P1.

As pequenas variações de leitura que ocorrem podem ser devidas às tolerâncias dos componentes usados, principalmente na fonte de referência.

Se você tiver uma fonte precisa de laboratório poderá usar para verificação da precisão ou calibração.

Para usar o instrumento tenha em mente que a tensão máxima de saída em J1 e J2 corresponde a aproximadamente 2 V a menos que a tensão de alimentação (4 V para alimentação de 6 V e 7 V para alimentação de 9 V).

Assim, na versão de 6 V a tensão máxima de entrada na posição de x10 é de O,4 V ou 400 mV e para a posição x100 é de 40 mV. Estes valores não devem ser superados sob pena de dano ao circuito integrado CA3140.

Veja que, se a definição de seu multímetro for de 0,1 V na medida de tensões contínuas na escala mais baixa, com o aparelho ligado na posição x100 você terá uma definição de apenas 100 uV!

Para usar o instrumento na medida de tensões alternantes tenha em mente que os valores correspondem a tensões rms, que o multímetro deve blindagem do cabo da ponta de prova vermelha, já que a sensibilidade maior nas escalas de maior fator de multiplicação pode mascarar resultados pela captação de correntes induzidas.

Assim, a ponta deve ser blindada, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – A ponta de prova blindada

Os resistores são todos de 1/8 W e os capacitores cerâmicos de boa qualidade (disco ou plate).

Tanto o ajuste de nu!o P1 como a chave seletora de escalas ficam no painel frontal. Para a ligação do multímetro são empregados dois jaques banana.

Para os integrados sugerimos a utilização de soquetes, principalmente no caso de Cl-1 que é sensível a descargas estáticas.

PROVA E USO

Para provar a unidade proceda do seguinte modo: ligue na Saída (J1 e J2) um multímetro na escala de tensões que tenha fundo para medir de 3 a 6 V DC.

Coloque as pilhas no suporte e ligue a alimentação (S3). Coloque inicialmente a chave S2 para ganho x10 e mantenha S1 fechada (medida de tensões contínuas).

Ajuste o potenciômetro P1 para ler 0 V no multímetro.

Na figura 8 temos um circuito de referência que permite obter com reIativa precisão uma tensão de 0,1 volt.

Figura 8 – Circuito de referência

Conectando as pontas de prova neste circuito, como o fator de multiplicação do aparelho é 10, o multímetro deve marcar aproximadamente 1 V (0,1 x 10).

Se optou pela versão com ajuste em trim-pot para a escala, ajuste o trim-pot correspondente para ler 1 V.

Na mesma figura temos o valor que fornece uma tensão de 0,01 V.

Utilizando tal circuito, passe a chave seletora para a posição x100. Deveremos então Ier no multímetro novamente uma tensão de 1V (0,01 x 100).

Se optou pela versão com ajuste em trimpot, faça o ajuste para esta leitura.

Sempre que realizar qualquer medida, zere o instrumento em P1. As pequenas variações de leitura que ocorrem podem ser devidas às tolerâncias dos componentes usados, principalmente na fonte de referência.

Se você tiver uma fonte precisa de laboratório poderá usar para verificação da precisão ou calibração. Para usar o instrumento tenha em mente que a tensão máxima de saída em J1 e J2 corresponde a aproximadamente 2 V a menos que a tensão de alimentação (4 V para alimentação de 6 V e 7V para alimentação de 9V).

Assim, na versão de 6 V a tensão máxima de entrada na posição de x10 é de 0,4 V ou 400 mV e para a posição x100 é de 4omV. Estes valores não devem ser superados sob pena de dano ao circuito integrado CA3140.

Veja que, se a definição de seu multímetro for de O,1V na medida de tensões contínuas na escala mais baixa, com o aparelho ligado na posição x100 você terá uma definição de apenas 1oopV!

Para usar o instrumento na medida de tensões alternantes tenha em mente que os valores correspondem a tensões rms, que o multímetro deve estar na escala de volts C.A. e que a frequência máxima permitida para os sinais está em torno de 10 kHz.