Volt Ohmímetro Econômico (INS344 )

Como está sua bancada em matéria de instrumentos de medida? Como você faz depois de uma montagem para verificar o funcionamento do circuito ou então o estado de um componente duvidoso, ou mesmo para consertar ”aquele radinho”? Se o que falta na sua bancada é um multímetro, mas ao mesmo tempo também falta dinheiro no seu bolso para aquisição deste instrumento por que não usar uma econômica solução alternativa? O Volt-ohmimetro que descrevemos, atendendo a solicitações de muitos leitores; neste artigo, mesmo sendo econômico, não deixa muito a desejar em relação aos tipos comerciais sendo de enorme utilidade na bancada do experimentador, do estudante e do hobista.

O multímetro é um instrumento que não pode faltar na bancada de qualquer experimentador, estudante ou hobista da eletrônica. Entretanto, pelo seu custo, estes instrumentos a cada dia que passa não são acessíveis a todos, principalmente se o leitor possui poucos recur$o$ para suas montagens. (Veja nosso livro “Os segredos no Uso do Multímetro”)

Usado na medida de tensões, correntes e resistências, o multímetro praticamente faz tudo numa bancada de trabalhos eletrônicos, podendo ser empregado desde a análise de um circuito até a prova de componentes, tais como resistores, capacitores, diodos, transformadores e transistores.

Sem um multímetro na bancada podemos dizer que o leitor fica completamente desamparado em caso de qualquer problema de funcionamento de um aparelho montado, figura 1.

Figura 1 – A falta do multímetro

Como então fazer se o instrumento é necessário mas não existe recurso para sua aquisição? A solução apresentada neste artigo pode ser considerada a ideal: monte você mesmo um instrumento de boa qualidade porém com reduzido número de componentes e consequentemente um baixo custo.

O multímetro que apresentamos neste artigo é do tipo sem instrumento por ponte, de boa precisão. Suas características são as seguintes:

Medida de tensões em 3 escalas:

a) até 1 voIt

b) até 10 volts

c) até 100 volts

Medida de resistências em 1 escala:

a) Até 220 k.

O instrumento usa circuitos integrados que lhe garantem uma precisão e sensibilidade muito grande. Veja que, enquanto um instrumento comum que usa galvanômetro de bobina móvel costuma ter uma sensibilidade na faixa dos 10 k/V aos 100 k/V. o nosso na escala de 0-1V apresenta uma sensibilidade de aproximadamente 3 M Ω, ou seja, 100 vezes maior que os multímetros comuns.

Isso nos permite associá-lo muito mais a um voltímetro eletrônico do que propriamente a um multímetro.

A alimentação do circuito pode ser feita com pilhas comuns ou através de fonte, pela rede local.

A precisão do aparelho dependerá da precisão de alguns componentes usados que citaremos oportunamente ou ainda de uma prévia comparação e aferição com um instrumento comum, conforme a disponibilidade de cada um.

Para os casos comuns, esta precisão estará normalmente entre 2 e 10% o que é mais do que suficiente para as montagens não profissionais.

O CIRCUITO

A base de nosso instrumento é um amplificador operacional do tipo 741 cujo símbolo e aspecto mais comum é mostrado na figura 2.

Figura 2 – O circuito integrado 741

Podemos analisar este circuito Levando em conta apenas o que acontece com sua saída quando sinais de determinados tipos são aplicados as suas entradas, esquecendo o que existe em seu interior (os Leitores interessados em se aprofundar no assunto podem procurar os artigos sobre amplificadores operacionais que temos publicado).

Pois bem, o amplificador operacional possui duas entradas e uma saída.

Na ausência de sinais nas entradas, o sinal da saída deve ser nulo, ou seja, não deve haver tensão de saída. Veja que este valor de tensão nulo é tomado como em relação à fonte simétrica que é usada neste caso.

São usadas então duas tensões de alimentação, uma positiva e uma negativa, de modo a termos o valor intermediário de zero volt, tomado como referência, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Fonte simétrica

Se aplicarmos um sinal na entrada não veremos seu funcionamento. inversora, assinalada com o sinal (positivo), teremos na saída do amplificador uma tensão de mesma polaridade que a da entrada. Assim, se a tensão for positiva, teremos uma saída positiva.

Se o sinal de entrada for aplicado à entrada inversora, marcada com (negativo), a polaridade do sinal de saída será oposta. Se o sinal de entrada for positivo, a saída será negativa. As duas situações são mostradas na figura 4.

Figura 4 – usando o operacional

A amplificação de um circuito deste tipo nas condições indicadas chega a ser da ordem de 90 dB, o que é demais para nós nesta aplicação.

O mais importante para nós é a impedância de entrada que pode ser obtida que é da ordem de 3 M o que significa que, num instrumento pode se obter grande sensibilidade.

Para se obter esta grande sensibilidade usamos de um artifício que será analisado a seguir quando, pela figura 5 em que damos o diagrama de blocos do aparelho, veremos seu funcionamento.

Figura 5 – Diagrama de blocos

Começamos pelo segundo bloco que representa o amplificador de entrada que tem por base o primeiro amplificador operacional 741.

A finalidade deste circuito é abaixar a impedância do sinal ou tensão que está sendo medida, sem amplificá-la, ou seja, ele trabalha com ganho unitário.

Para esta finalidade, conforme mostra a figura 6 formamos um "seguidor de tensão" ligando a saída do amplificador operacional a sua entrada inversora, fornecendo assim uma forte realimentação negativa ao mesmo.

Figura 6 – Seguidor de tensão

Este circuito serve de elemento de ligação entre a entrada do instrumento e a saída que é o "detector de nulo".

Na entrada obtemos então uma elevadíssima impedância que dá a precisão do instrumento. Na saída obtemos uma baixa impedância que facilita a operação do detector de nulo ou comparador.

A entrada do bloco analisado é ligada ao circuito do primeiro bloco que é mostrado na figura 7.

Figura 7 – Bloco de entrada

Neste circuito temos uma chave que faz a comutação de uma rede de resistores conforme a 'tensão que vai ser medida ou a resistência.

Os resistores desta rede são escolhidos de modo que na entrada do amplificador tenhamos sempre uma tensão máxima de 1 V, correspondente ao fundo de escala, já que a saída do comparador exige que tenhamos esta tensão na sua entrada, no máximo.

O terceiro bloco é o do comparador. Temos um amplificador operacional também do tipo 741 ligado de tal maneira que os dois LEDs de sua saída conduzem alternadamente, conforme a tensão da entrada inversora seja maior ou menor que a da entrada inversora.

Em suma, ele “compara" as tensões das duas entradas, fazendo acender o LED correspondente à maior ou menor. Se as tensões forem iguais, não teremos saída e os LEDs permanecerão ambos apagados.

Podemos agora reunir os três blocos e verificar o funcionamento em conjunto:

A tensão aplicada à entrada do circuito que deve ser medida, é levada ao primeiro integrado onde sua impedância é abaixada. Esta tensão não é amplificada, pois o ganho do amplificador é unitário neste caso, o que significa que temos ela mesma na saída.

Esta tensão é levada através de um potenciômetro à entrada do segundo operacional que funciona como um comparador.

Numa das entradas deste comparador colocamos uma tensão de referência de 1 V por meio de um diodo zener e de um divisor de tensão.

Na outra entrada aplicamos a tensão que deve ser medida mas pelo potenciômetro que funciona como divisor de tensão.

Pois bem, se a tensão medida tiver um valor menor que 1 V (na escala de 0 -1 V), no potenciômetro teremos uma tensão menor de modo que precisaremos encontrar uma posição sua que, permita igualar a tensão de referência.

Quando isso acontecer teremos então o zero volt na saída com os LEDs apagados.

A posição do potenciômetro depende, portanto, da relação que existe entre a tensão de referência e a tensão de entrada.

Como o operacional amplifica linearmente a tensão e o potenciômetro é linear, o potenciômetro pode ter uma escala de tensões também linear, para a medida.

A utilização do instrumento é então muito simples: basta ajustar o potenciômetro para apagar os LEDs e então ler a tensão diretamente na sua escala.

Para a medida de resistência o que se faz é tomar um divisor de tensão com um resistor conhecido e o desconhecido e medir a tensão nele. A escala do potenciômetro já é feita diretamente nestes termos.

A fonte simétrica formada por pilhas ou pela rede é mostrada na figura 8.

Figura 8 – Fontes para o circuito

O transformador deve fornecer uma corrente de pelo menos 100 mA.

OS COMPONENTES

Todos os componentes usados nesta montagem podem ser conseguidos com facilidade. Na figura 9 temos a nossa sugestão de caixa para a montagem, com as dimensões e a furação para colocação dos componentes.

Figura 9 – Sugestão de caixa

Os componentes são todos montados numa placa de circuito impresso com exceção dos controles, LEDs e dos suportes de pilhas.

Os integrados usados são do tipo com encapsulamento DIL de 8 pinos para os quais o leitor ainda inseguro nas montagens pode usar um soquete apropriado.

MONTAGEM

Use um soldador de pequena potência e ponta fina para fazer as soldagens, principalmente dos circuitos integrados que possuem terminais delicados e muito próximos.

Na figura 10 temos então o circuito completo do instrumento.

Figura 10 – Circuito completo

Na figura 11 temos a montagem completa em placa de circuito impresso.

Figura 11 – Placa para a montagem

São os seguintes os principais cuidados que o leitor deve tomar na montagem deste aparelho.

a) Comece a soldagem pelos circuitos integrados observando sua posição dada pelo marca que identifica o pino 1. Seja rápido na soldagem para evitar o aquecimento excessivo e tome cuidado para que espalhamentos de solda não coloquem em curto os terminais destes componentes.

b) Solde o diodo zener observando sua polaridade, Este diodo zener pode ser de qualquer tipo para uma tensão de 5V6. Não use outra tensão pois isso altera a escala do instrumento!

c) Os resistores RI, R2, R3, R4, R5. R7 e R8 são os mais críticos do projeto pois eles determinam a precisão do instrumento. Estes resistores devem ser preferivelmente de 5% ou mesmo 2% de tolerância. Existe a possibilidade de se usar em lugar de R8 um trimpot de 470 Ω para posterior ajuste em comparação com um multímetro comum, fixando-se a tensão no pino 3 do integrado CI-2 em 1 volt. Na soldagem destes resistores seja rápido. Solde também os demais resistores com cuidado.

d) Faça as ligações ao potenciômetro usando fio flexível de capa plástica. O potenciômetro deve ser fixado no painel firmemente e o botão deste componente deve ser de tal modo a poder ter-se uma marcação precisa na escala. Na figura 12 temos a escala sugerida que pode ser diretamente recortada da própria revista (ou xerocada).

Figura 12 – Sugestão de escala

e) Faça a ligação dos LEDs observando sua polaridade que é dada pelo seu lado achatado. Se a placa for montada com separadores apropriados, a fixação dos LEDs pode ser feita de tal modo que eles se encaixem nos furos do painel sem a necessidade de elementos auxiliares.

f) Faça a ligação dos suportes de pilhas (ou fonte) observando que sendo a fonte simétrica sua conexão ao interruptor deve ser dupla, daí a necessidade do potenciômetro ter chave dupla. Observe bem a polaridade das pílhas.

g) Complete a ligação com a chave comutadora de escalas e com os bornes. Atenção deve ser tomada com estas ligações para que não ocorram inversões capazes de prejudicar o funcionamento do aparelho.

Terminada a montagem, confira todas as ligações para posteriormente fazer uma prova de funcionamento.

PROVA E USO

O leitor deve usar pontas de provas comuns, do mesmo tipo encontrado nos multímetros para este instrumento.

Conferida a montagem, ligue o aparelho. Um dos LEDs deve acender.

A seguir, coloque a chave seletora de escala na posição de 0 -10 V e ligue uma bateria de 9 V ou ainda duas pilhas em série (3 V) entre as pontas de prova, observando sua polaridade, figura 13.

Figura 13 – Modo de testar

Vá então girando vagarosamente o potenciômetro até obter o apagamento dos dois LEDs. Neste ponto faça a leitura de tensão na escala.

Se a leitura for feita num valor muito diferente de 3/9 V e você usou um trimpot em R8, faça seu ajuste para uma leitura maís precisa. Se não usou, será conveniente trocar R8 por um resistor de mesmo valor ou próximo de modo a obter a leitura desejada.

Será conveniente verificar se as pilhas ou bateria em prova estão realmente fornecendo os 3 ou 9 V que delas se espera fazendo a medida paralelamente com um multímetro comum. (emprestado, naturalmente).

Se os LEDs não apagarem completamente, ou seja, termos a passagem direta de um para outro do brilho, isso não deve preocupá-lo pois em alguns casos o ajuste do potenciômetro pode ser crítico.

Considere a tensão na escala do potenciômetro como sendo a do ponto de transição do brilho de um LED para outro. Para verificar a escala de resistências, ligue um resistor de 1ook entre os polos (comum e Ω), e coloque a chave na posição correspondente à leitura de resistências.

Ajuste o potenciômetro para ter uma leitura conveniente na escala.

Para usar o instrumento, basta ligar o circuito em prova nos terminais correspondentes.

Na falta de ideia da ordem de grandeza da tensão medida, comece sempre com a chave na posição mais alta, ou seja, 0 -100. Só depois vá reduzindo seu fundo de escala para obter uma leitura melhor.

A maior precisão será obtida sempre no meio da escala do potenciômetro.

Lembramos também que o aparelho só mede tensões contínuas e resistências até aproximadamente 220 k. Se no ajuste não for conseguido o zeramento com o apagamento dos LEDs é porque a tensão está fora do alcance do instrumento.

O que se pode fazer com o instrumento:

Você pode realizar os seguintes tipos de prova com seu instrumento:

a) medidas de tensões em aparelhos transistorizados para a localização de defeitos. A tensão nos terminais de um transistor pode ser medida para se comprovar seu estado. Na figura 14 temos as tensões que devem ser normalmente encontradas nos terminais de um transistor.

Figura 14 – Tensões num transistor

b) Provas de componentes: neste caso, a medida de continuidade permite na escala de resistências a prova de resistores, indutores, transformadores, etc.

c) Prova de pilhas: neste caso, basta verificar-se a sua tensão lembrando que a prova feita com uma pequena carga (um resistor entre 100 e 330 Ω é sempre a melhor).

(Publicador originalmente em 1981)