Uma das coisas que mais assusta o montador eletrônico ao observar um instrumento de precisão é o seu preço. De fato, os elevados custos dos voltímetros, geradores de áudio e outros instrumentos são o principal impedimento para sua posse, principalmente pelos que dispõem de verbas limitadas. Como obter um instrumento de bom desempenho que atenda as necessidades do montador médio a um custo acessível? Como ter a possibilidade de montar seu próprio usando componentes comuns? São estas possibilidades que são discutidas neste artigo que levamos ao leitor um projeto acessível de voltímetro e gerado de áudio que cobre de 0-500 V e de 15 a 150 000 Hz.
Obs. Este artigo de 1982 mas ainda pode ser montado com facilidade pelos componentes que usa.
Se o leitor se assusta com o número de zeros que aparecem nos preços dos instrumentos profissionais, mas deseja muito ter um deles em sua bancada, não deve desesperar-se.
Existe uma solução alternativa para os que não possuem muitos recursos financeiros, mas que necessitam de um instrumento deste tipo em sua bancada.
Esta solução econômica, porém de bom desempenho, é mostrada neste artigo.
Reunimos num único projeto um voltímetro de grande resistência de entrada que cobre de 5 à 500 V e um gerador de áudio perfeitamente senoidal que produz frequências de 15 à 150 000 Hz, tudo isso usando componentes comuns de baixo custo.
Como o voltímetro não usa instrumentos de bobina móvel (de alto custo) seu preço fica sensivelmente reduzido, e tudo isso com precisão que só dependerá dos componentes usados.
Com cuidado o leitor poderá chegar a uma precisão em torno de 2% e usando componentes comuns chegará à 5%, valores estes perfeitamente aceitáveis para a maioria das montagens eletrônicas comuns e para as oficinas de reparação.
O voltímetro possui 3 faixas que permitem medidas de tensão do seguinte modo:
0-5 V 0-50 V 0-500 V
Sua impedância de entrada é muito alta, da ordem de 1M, o que significa uma sensibilidade de 200 k/V, bem acima dos multímetros comuns, mesmo os melhores.
O gerador de áudio cobre em 4 faixas as seguintes frequências:
15 a 150 Hz
150 a 1 500 Hz
1,5 a 15 kHz
15 a 150 kHz
Este gerador de áudio possui uma característica inédita, mesmo em relação aos tipos profissionais: uma saída de potência de baixa impedância para o teste direto de fones e alto-falantes.
Sua forma de onda é senoidal com controle de intensidade em saída de alta impedância (10 k) com mais de 1V pico a pico.
A alimentação poderá ser feita tanto com pilhas como através da rede local.
COMO FUNCIONA
São usados três amplificadores operacionais sendo 2 no voltímetro e 1 no gerador de áudio. Um é simples do tipo 741 e o outro duplo do tipo 747.
Como o funcionamento dos dois circuitos é independente, faremos também sua análise separadamente.
Começamos pelo gerador de áudio, cujo circuito básico é mostrado na figura 1.
O que temos neste circuito é uma ponte de Wien que permite obter sinais na faixa de áudio com forma de onda senoidal.
São usados dois resistores e dois capacitores no circuito de realimentação. Os valores destes componentes determinam a frequência de operação do oscilador.
No projeto final a frequência será variada com a ajuda de um potenciômetro duplo colocado em lugar dos dois resistores, já que sua variação deve ser simultânea. Um resistor em série com estes potenciômetros determina a resistência mínima no circuito e portanto os limites de cada faixa.
A troca de faixas é feita com ajuda de uma chave seletora que coloca 4 capacitores diferentes no circuito, conforme mostra a figura 2.
A realimentação negativa deste circuito, feita no pino 2, determina a amplitude do sinal. Nos circuitos convencionais com amplificadores operacionais pode-se estabilizar a amplitude do sinal e, portanto, controlar seu ganho com a ajuda de diodos zener ligados a esta entrada ou mesmo diodos comuns em paralelo e em oposição.
Um trimpot em paralelo com estes componentes determinará a amplitude máxima do sinal de saída.
No nosso projeto uma solução fora do comum é usada para estabilização.
São usados dois LEDs em paralelo, já que estes componentes, conforme mostra a figura 3, comportam-se como zeners com tensões em torno de 1,6 V, quando polarizados no sentido direto e em torno de 5 V, quando polarizados no sentido inverso.
Na saída deste circuito temos duas opções.
A primeira consiste na ligação direta de um potenciômetro de 10 k que permite obter um sinal de até 1V pico a pico em uma carga de impedância sempre maior que 150 Ω. Esta é a saída de alta impedância que será usada na excitação de amplificadores, pré-amplificadores, mixers e outros aparelhos em prova.
A segunda leva um transistor amplificador tendo sua saída pelo emissor, caso em que se obtém uma boa potência em carga de baixa impedância.
Com este transistor uma potência da ordem de algumas centenas de miliwatts em cargas de 4 ou 8 Ω pode ser conseguida, com o que a prova de fones e alto-falantes pode ser feita.
Para esta saída não existe um controle de intensidade e o resistor ligado em série com o coletor permite que ela seja inclusive colocada em curto, sem perigo para o circuito. (figura 4)
Passamos a análise do segundo instrumento.
Este tem dois blocos que levam dois amplificadores operacionais.
O primeiro consiste num seguidor de tensão, em que o amplificador operacional é ligado de modo a termos um ganho unitário na amplificação. (figura 5)
Assim, a saída deste circuito tem a mesma amplitude de sua entrada, com a diferença de que na saída temos uma impedância muito alta (da ordem de 1 megΩ ou mais) e na saída uma impedância muito baixa (da ordem de centenas de Ω).
Esta etapa é usada então como excitadora do instrumento, sendo responsável pela sua sensibilidade.
A seleção das faixas de tensão é feita através de um divisor de tensão que usa uma chave seletora.
Este divisor é necessário para que a tensão na entrada do amplificador não supere o valor que o satura, que é da mesma ordem que a tensão de alimentação. Os resistores são calculados de modo a termos em todas as faixas uma tensão máxima de 5 V na entrada.
Assim, na posição de 0-500 V os resistores do divisor são tais que com 400 V na entrada teremos no amplificador apenas 4 V, ou seja,uma tensão sempre100 vezes menor.
É a escala x100 do aparelho.
O segundo bloco, que leva um amplificador operacional como base, consiste num comparador de tensão.
Levando em conta o circuito simplificado da figura 6 vemos que os amplificadores operacionais possuem duas entradas e uma saída. Uma entrada é denominada não inversora sendo marcada com o sinal (+) e a outra é denominada entrada inversora sendo marcada com o sinal (-)
O amplificador operacional amplifica a diferença entre as tensões dos dois terminais de tal modo que, se a tensão de entrada for maior que a tensão da entrada (-), teremos uma saída positiva amplificada.
Se a tensão da entrada (-) for maior que a tensão da entrada (+), teremos uma saída negativa amplificada.
A amplificação normal do operacional é da ordem de 100 000 vezes, o que quer dizer que uma diferença de apenas 10 uV na entrada (10 milionésimos de volt) aparece como 1 V na saída.
Isso, sem dúvida, é muito para a nossa aplicação. Podemos reduzir esta amplificação com um resistor de realimentação, conforme mostra a figura 7.
O importante é que, se as tensões nas duas entradas forem iguais, a saída será nula, ou seja, não haverá tensão.
Se ligarmos então dois LEDs em oposição na saída do amplificador, teremos três situações possíveis:
Um LED aceso quando a tensão na entrada (+) for maior do que na entrada (~); o outro LED aceso quando a tensão na entrada for maior do que na entrada (+) e nenhum LED aceso quando suas tensões de entrada forem iguais.
Este circuito pode então ser usado para detectar a igualdade de tensões nas duas entradas.
Pegando então os dois circuitos podemos chegar ao nosso voltímetro do seguinte modo:
Na entrada inversora do amplificador detector de nulo é ligado o amplificador de ganho unitário. Deste modo, aplicamos nesta entrada a tensão que está sendo medida, afetada pelo fator que depende da escala.
Na outra entrada ligamos um potenciômetro que terá entre seus extremos uma tensão de referência.
Pois bem, supondo que seja X a tensão que está sendo aplicada a uma entrada, o amplificador só indicará o equilíbrio quando a tensão na outra entrada, aplicada pelo potenciômetro, também for X.
A precisão desta detecção depende, portanto, da precisão de tensão de referência entre seus extremos e também da escala.
No nosso caso a tensão de referência é dada por um diodo zener de 5,6 V.
Como a escala vai de 0 à 5V no valor básico (fator 1), temos de prever uma queda de 0,6 V que é conseguida com um resistor ligado em série com o potenciômetro.
Este resistor é o componente crítico da montagem, O leitor pode emprestar um multímetro comum, ligando-o entre os extremos do potenciômetro e depois experimentar resistores de valores próximos a 560 R até conseguir exatamente 5 V. (figura 8)
Para usar o aparelho é então simples: aplicamos a tensão na entrada e giramos o potenciômetro até que tenhamos o nulo, ou seja, os dois LEDs apagados. Basta então fazer a leitura na escala do potenciômetro afetada do fator de multiplicação.
O uso de amplificadores operacionais exige que este circuito seja alimentado por fonte simétrica.
Temos então duas opções: a fonte com pilhas com tensão mínima de 6 + 6 V ou 8 pilhas, ou então a fonte pela rede local.
OS COMPONENTES
Uma das principais vantagens desta montagem está no uso de componentes comuns e de baixo custo.
Começamos pelos integrados que são do tipo 741 e 747 (LM741, µA741, 741 e LM747, µA747, etc.) do tipo com 8 e 14 pinos DIL. Os leitores podem usar suporte para estes componentes, mas isso não é exigência fundamental.
O único transistor é do tipo BD135 na montagem básica, mas equivalentes como o BD137, BD139 ou mesmo TIP29 podem ser usados. Para este último deve ser levada em conta a disposição diferente dos terminais.
Os LEDs são comuns vermelhos de qualquer tipo.
O diodo zener é de 400 mW para uma tensão de 5,6 V ou 5,1 V. Conforme o tipo,pode ser trocado o resistor em série com P4 de modo que tenhamos 5 V exatos sobre o potenciômetro.
Os resistores são todos de 1/8 W e para os capacitores tanto os tipos cerâmicos como de poliéster são empregados nos valores menores e eletrolíticos para os valores superiores a 1 µF.
Neste caso de eletrolíticos, a tensão de trabalho deve ser de pelo menos 15 V.
P2 é um trimpot, P3 e P4 são potenciômetros comuns lineares, enquanto P1 é duplo linear de 10 k. Os valores de todos os potenciômetros são críticos.
Para o acoplamento do circuito aos elementos em prova usam-se jaques ou bornes.
O leitor deverá providenciar um jogo de pontas de prova e fios com garras para facilitar o trabalho com o instrumento.
Para a fonte existem duas opções, cujos diagramas serão dados na parte de montagem, ambas usando componentes comuns.
A caixa sugerida e as escalas para o painel são mostradas na figura 9.
Esta caixa pode ser de plástico ou qualquer outro material.
A chave geral será simples no caso de alimentação pela rede e dupla se a alimentação for com pilhas.
A chave seletora do gerador de áudio é rotativa de 2 polos x 4 posições e a chave de faixas de voltímetro é rotativa de 1 polo x 3 ou 4 posições (quarta posição para desligado).
MONTAGEM
O uso de placa de circuito impresso para a montagem é recomendado em vista do número de integrados. O leitor deve ter os recursos para sua elaboração segundo o desenho em tamanho natural (figura 10).
O circuito completo do muIti-instrumento é dado na figura 11. Observe a simbologia adotada e os valores dos componentes.
Os cuidados que devem ser tomados durante à montagem são os seguintes:
a) Comece montando os circuitos integrados. Coloque-os na posição correta em função da marca que identifica o pino 1. Na soldagem tenha o máximo de cuidado para que não ocorram espalhamentos de solda que possam colocar em curto os terminais.
b) Solde depois o transistor observando também sua posição. Seja rápido por causa do calor.
c) Solde o díodo zener, observando sua polaridade que é dada pela faixa em seu invólucro. Seja rápido na soldagem e evite o excesso de solda.
d) Solde os LEDs 1 e 2 que são montados na placa, já que estes servem apenas como reguladores de tensão.
e) Solde o trimpot P2.
f) Solde os capacitores, observando a polaridade dos eletrolíticos.
g) Solde os resistores, tomando cuidado com seus valores que são dados pelas faixas coloridas. Seja rápido na sua soldagem, pois estes componentes são delicados.
A seguir, fixe na caixa os componentes externos. Estes componentes são os potenciômetros, as chaves seletoras, o interruptor geral, os LEDs 3 e 4, e os bornes de saída.
Todos estes componentes serão ligados à placa com pedaços de fios curtos flexíveis devidamente isolados com capa plástica.
Terminada esta fase da montagem o leitor deve fazer a opção pela fonte de alimentação.
A primeira versão que leva dois suportes de 4 pilhas é ligada conforme mostra a figura 12.
Observe a polaridade das ligações e que existem três fios de conexão à placa.
A segunda versão é mostrada na figura 13.
O transformador tem um enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário de 9 + 9 V x 250 mA ou mais.
Os capacitores eletrolíticos têm uma tensão de trabalho de 16 V ou mais e os diodos são do tipo 1N4002 ou equivalentes.
Um LED como o mostrado pode ser usado para indicar que a fonte se encontra ligada.
Nesta última versão deve ser prevista a passagem do cabo de alimentação por um furo na parte traseira da caixa.
PROVA E USO
A prova deve ser feita em duas fases.
Depois de conferir a montagem, ligue o aparelho.
Para provar o gerador de áudio ligue um alto-falante ou caixa acústica entre os terminais J1 e J3. Coloque a chave S1 seletora de faixas inicialmente em Hertz (Hz) x1.
Girando o potenciômetro da escala de frequências de 15 para 150 Hz o som deve passar de muito grave para grave.
Volte o potenciômetro para a posição15. Passe a chave S1 para a posição x10. Girando o potenciômetro da posição de 15 para 150, que agora corresponderão 150 à 1 500 Hz, o som deve passar de grave para médio.
Repita a operação com a chave na posição x100. O som deve passar de médio para agudo ou mesmo sumir se o alto-falante usado não for capaz de reproduzir as frequências mais altas.
Para testar a faixa x1 000, deve ser usado um tweeter e mesmo assim o leitor só conseguirá ouvir alguma coisa provavelmente entre 15 e 18 kHz, já que este é o nosso limite normal.
A saída J2 é testada com sua ligação num amplificador, juntamente com J3 (terra). O procedimento é o mesmo.
O trimpot P2 é ajustado para se obter saídas no nível desejado. Ligue um multímetro comum na escala de tensões alternadas e ajuste o trimpot P2 para obter um sinal de 1V na frequência de 1 000 Hz.
O teste do voltímetro é feito do seguinte modo:
Ligue os terminais J4 e J5 aos polos (+) e (-) respectivamente, de duas pilhas num suporte.
A chave S2 deve ser colocada na posição x1.
Ajuste o potenciômetro P4 (associado à escala) até que os dois LEDs apaguem. (Esta operação pode ser crítica em alguns casos devido ao ganho do amplificador – para reduzir o ganho diminua R13 para 100 k ou mesmo 47 k).
O ponto em que ocorrer o apagamento dos LEDs deve corresponder aproximadamente a 3 V na escala. A precisão depende da tensão nos extremos de P1 que deverá ser de 5 V, determinados pelo valor de R12.
Os usos do aparelho são muitos:
a) MEDINDO TENSÕES
Para medir tensões contínuas sempre comece da escala mais alta, pois o excesso de tensão pode queimar o integrado. Ligue a ponta de prova vermelha (positiva) ao terminal J4 e a preta ao terminal J5.
Vá diminuindo a escala até conseguir o zeramento. Depois é só ler o valor da tensão na escala tendo em conta o fator de multiplicação dado por S2.
Na figura 14 temos o modo de se fazer a leitura de tensões num circuito transistorizado.
b) PROVA DE FONES E ALTO-FALANTES
Basta ligar o fone ou alto-falantes em prova entre os bornes J1 e J3 e varrer todas as faixas de 15 à 15000 Hz. O componente em prova deve reproduzir os sons na sua faixa.
c) PROVA DE MIXERS, AMPLIFICADORES E PRÉ-AMPLIFICADORES
Basta ligar o gerador de sinais na entrada, conforme mostra a figura 15.
O ajuste da intensidade do sinal deve ser feito em P3 para que não haja saturação do circuito em prova.
Veja que, calibrando-se a escala de P3 podemos ter um teste de sensibilidade para amplificadores.
d) MEDIDA DE POTÊNCIA
Na figura 16 temos uma maneira de se fazer a medida de potência de um amplificador usando como elementos adicionais um diodo e um resistor de 4 ou 8 Ω x 20 W ou mais (se a potência esperada do amplificador for maior).
O gerador de áudio é ajustado para uma frequência de 400 ou 1 000 Hz e colocado em sua saída máxima.
Como carga é usado um resistor de fio de 4 ou 8 Ω (conforme saída do amplificador) em lugar do alto-falante.
O diodo permite a medida de tensões contínuas. Use a escala dex10 inicialmente.
Medindo a tensão com o amplificador em máximo volume, e sendo ela V, aplique a fórmula:
P = V2/R
Onde P é a potência em watts, V a tensão medida em volts e R a resistência usada como carga.
Por exemplo, se você mediu 8 Volts num amplificador com carga de 4 Ω, faça: 8 x 8 = 64, dividindo este resultado por 4, ou seja, 64 dividido por 4 que resulta em 16 watts.
e) VERIFICAÇÃO DA CURVA DE RESPOSTA DE UM AMPLIFICADOR
A ligação usada é mostrada na figura 17.
O amplificador deverá estar com 1/2 ou 3/4 de sua potência.
Com o gerador de sinais produza todas as frequências de 15 à 40 000 Hz e anote as tensões medidas que devem manter-se no mesmo valor aproximadamente.
Nos pontos em que ela cair teremos chegado aos limites de reprodução do amplificador.
Lista de Material
CI-1 - 741 (uA741, LM741, CA3741, etc.) amplificador operacional
CI-2 - 747 (CA 3747, LM74 7, etc. ) - amplificador operacional duplo
Q1 - BD135 ou equivalente - transistor de potência
Z1 - 5V6 ou 5V1 - 400 mW - diodo zener
LED1, LED2, LED3, LED4 - LEDs vermelhos comuns
P1 – 10 k - potenciômetro duplo linear
P2 – 10 k - trimpot
P3 - 10k - potenciômetro linear simples
P4 – 22 k - potenciômetro linear simples
S1 - chave rotativa de 2 polos x 4 posições
S2 - chave rotativa de 1 polo x 3 posições
S3 - chave H 2 polos x 2 posições
C1, C5 – 1 µF x 12 V - capacitores eletrolíticos
C2, C6 - 100 nF ou 0,1 µF - capacitores cerâmicos ou de poliéster
C3, C7 - 10 nF ou 0,01uF - capacitores cerâmicos ou de poliéster
C4, C8 - 1 nF - capacitores cerâmicos ou de poliéster
R1, R2, R5 – 1 k x 1/8 W - resistores (marrom, preto, vermelho)
R3 - 3k3 x 1/8 W - resistor (laranja, laranja, vermelho)
R4 – 150 R x 1/8 W - resistor (marrom, verde, marrom)
R6 – 22 R x 1/8 W - resistor (vermelho. vermelho, preto)
R7 - 4M7 x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, verde)
R8 – 10 M x 1/8 W – resistor (marrom, preto, azul)
R9 – 520 k x 1/8 W - resistor (470 k em série com 4 7k)
R10 - 47k x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, laranja)
R11 – 270 R x 1/8 W - resistor (vermelho, violeta, marrom)
R12 – 560 R x 1/8 W - resistor (verde, azul, marrom)
R13 – 220 k x 1/8 W - resistor (vermelho, vermelho, amarelo)
R14 – 330 R x 1/8 W - resistor (laranja, laranja, marrom)
J1, J2, J3, J4, J5 - bornes para pinos banana de cores diferentes
Diversos: placa de circuito impresso, soquetes para os integrados (opcional), caixa para montagem, knobs para os potenciômetros e chaves, escala (ver texto), fios com pontas de provas e garras jacaré, fios, solda, parafusos, etc.
