Existem aplicações em que se necessita da indicação de uma grandeza qualquer como tensão, corrente, resistência, temperatura, pressão, etc. Para essa finalidade uma solução tradicional econômica é a que faz uso dos indicadores analógicos de painel. São aqueles instrumentos que possuem um ponteiro que corre numa escala indicando o valor de uma determinada grandeza naquele instante. Como funcionam esses indicadores e como usá-los é o que veremos neste artigo.
Se bem que a solução mais moderna para os indicadores de painel, tanto pela confiabilidade como pela ausência de partes móveis, esteja na eletrônica digital, ainda podemos ver em muitos equipamentos mais antigos o instrumento analógico, como os mostrados na figura 1.
Nesses instrumentos, uma agulha corre numa escala indicando o valor da grandeza desejada.
Esses instrumentos podem ser basicamente de dois tipos: ferro móvel ou bobina móvel, e operam sempre a partir de um princípio de funcionamento comum. Uma corrente elétrica que percorre uma bobina tem uma intensidade que determina a deflexão da agulha.
Assim, para usar tais instrumentos, basta converter a grandeza desejada em uma tensão ou corrente equivalente (análoga) e aplicar ao instrumento, daí a sua denominação “instrumento analógico”.
Como Funciona
Na figura 2 temos a estrutura de um instrumento de bobina móvel típico, a partir de onde explicaremos o seu princípio de funcionamento.
Uma bobina é apoiada em dois suportes, normalmente de safira para diminuir o atrito, nos tipos mais sensíveis, de modo que possa se mover livremente entre os pólos de um imã. No eixo dessa bobina é preso o ponteiro que corre sobre uma escala e existe uma mola que mantém a bobina sempre em posição tal que o ponteiro fique no início da escala.
Quando se faz circular uma corrente pela bobina o campo magnético criado que tende a interagir com o campo do imã, surgindo uma força que tende a girar a bobina. Essa força encontra a resistência da mola, de tal forma que a sua movimentação e portanto a da agulha é proporcional à intensidade da corrente.
Isso significa que, se fizermos a calibração do instrumento, podemos medir facilmente e com precisão a intensidade da corrente que circula pela bobina.
Os instrumentos feitos dessa forma são muito sensíveis, podendo indicar correntes muito fracas, da ordem de microampères ou miliampères.
Por esse motivo eles são denominados microamperímetros ou miliamperímetros. Na figura 3 temos alguns exemplos desses instrumentos.
Os microamperímetros e os miliamperímetros são especificados pela corrente que deve passar pela sua bobina para que a agulha vá até o final da escala. Assim, eles são especificados pelas suas correntes de fundo de escala.
Tipos comuns de microamperímetros e miliamperímetros de baixo custo podem ter fundos de escala que vão de 50 uA para os mais sensíveis, até 10 ou 20 mA para os menos sensíveis.
Usando o Instrumento
A função básica dos microamperímetros e miliamperímetros é medir correntes. Assim, conforme mostra a figura 4, basta ligá-los em série com o circuito por onde passa a corrente para que eles indiquem sua intensidade.
Os microamperímetros e os miliamperímetros medem correntes contínuas e, além disso é preciso observar sua polaridade: a corrente precisa circular pelo sentido correto para que o ponteiro se mova na direção certa. Se houver inversão o ponteiro força o instrumento no sentido contrário e isso pode causar danos ao mecanismo. Para saber qual é a polaridade correta, os instrumentos possuem uma marcação nos seus terminais de ligação, conforme mostra a figura 5.
Mas, como usar um microamperímetro se quisermos medir uma corrente maior do que aquela que ele alcança, ou seja, de fundo de escala? E se quisermos medir outras grandezas elétricas como a corrente e a tensão?
O Shunt
Se quisermos medir uma corrente maior do que a de fundo de escala de um instrumento, devemos ligar em paralelo uma resistência de derivação ou “shunt”, conforme mostra a figura 6.
Essa resistência desviará o excesso de corrente, multiplicando assim a escala do instrumento. Conforme mostra a figura 7, podemos usar um instrumento que tenha fundo de escala de 1 mA, ou seja, que mede de 0 a 1 mA para medir correntes até 100 mA, se ligarmos um “shunt” que desvie 99 mA.
Para calcular o valor do shunt é preciso conhecer a resistência que a bobina do instrumento tem. Assim, levando em conta que, para fazer circular uma corrente no instrumento, aplica-se uma tensão entre suas extremidades e que essa tensão é a mesma no shunt, podemos usar a seguinte fórmula, partindo da figura 8:
Rs = (Ri x Ii)/ Ir
Onde:
Rs é a resistência do shunt em ohms
Ri é a resistência interna do instrumento usado em ohms
Ii é a corrente de fundo de escala do instrumento em miliampères
IR é a corrente que deve ser desviada para o shunt em miliampères
Lembramos que Ii + IR é a nova corrente de fundo de escala do instrumento.
Exemplo de cálculo:
Desejamos usar um instrumento de 1 mA de fundo de escala e resistência interna 100 ohms para medir correntes até 100 mA. Qual deve ser a resistência do shunt para esta aplicação?
Temos: Ii = 1 mA
IR = 99 mA
Ri = 100 ohms
Rs = ?
Aplicando a fórmula:
R = (100 x 1)/99
R = 100/99 = 1,010 ohms
Evidentemente a precisão na medida vai depender da precisão do shunt. Como se trata de resistência de valor muito baixo, normalmente são usados pedaços de fio que são cortados de modo a apresentar a resistência desejada.
A Resistência Multiplicadora
Se um miliamperímetro tiver uma resistência de 100 ohms e fundo de escala de 1 mA, verificamos que, ao aplicar 100 mV neste instrumento, a corrente circulante será de 1 mA e a agulha irá até o fundo da escala.
Em outras palavras, um miliamperímetro de 0-1 mA com 100 ohms funciona como um voltímetro de 0 – 100 mV.
Se quisermos medir tensões maiores usando o mesmo instrumento, isso também é possível, como no caso das correntes, mas teremos de agregar uma resistência multiplicadora, conforme mostra a figura 9.
É fácil perceber que se quisermos ampliar a escala de nosso instrumento para medir 1 V de fundo de escala, basta levar em conta que 1 mA vão circular com 1 V aplicados se a resistência for 1 000 ohms.
R = V/I = 1/0,001 = 1 000 ohms
Assim, ligando em série com o instrumento de 1 mA/100 ohms, uma resistência de 900 ohms (o que dará um total de 1 000 ohms) teremos transformado nosso amperímetro de 0 – 1 mA em um voltímetro de 0 – 1 V, conforme mostra a figura 10.
Para calcular de forma precisa o valor da resistência multiplicadora também podemos fazer uso de uma fórmula:
Rm = V/Ii - Ri
Onde:
Rm é o valor da resistência multiplicadora em ohms
V é a tensão de fundo de escala do instrumento (tensão que desejamos medir) em volts
Ii é a corrente de fundo de escala do instrumento em ampères
Ri é a resistência do instrumento em ohms
Observe que, para aplicar qualquer das duas fórmulas, precisamos conhecer a resistência interna do instrumento. Isso é simples: basta medir com um multímetro comum, conforme mostra a figura 11.
Exemplo de cálculo:
Desejamos usar um miliamperímetro de 0-1 mA e resistência interna 50 ohms para medir tensões até 10 V. Qual deve ser o valor da resistência multiplicadora?
Temos:
V = 10 V
I = 0,001 A (1 mA)
Ri = 50 ohms
Rm = ?
Rm = 10/0,001 – 50
Rm = 10 000 – 50
Rm = 9 950 ohms
Na prática, o que se faz normalmente é ligar em série com o instrumento um trimpot de ajuste e um resistor, como mostrado na figura 12, para permitir que o fundo de escala seja obtido com mais precisão.
Assim, numa fonte de alimentação, desejando ter um instrumento para indicar sua tensão de saída, basta ligar um miliamperímetro (ou um microamperímetro) num circuito como o mostrado na figura 12 e com base num multímetro ajustar o trimpot para obter indicações iguais.
Vamos dar um exemplo de como fazer isso:
Montamos uma fonte de 0-12 V e desejamos usar um miliamperímetro 0-1 mA para indicar tensões numa nova escala de 0 – 15 V, conforme mostra a figura 13.
Podemos então abrir o painel do instrumento e desenhar ou marcar a nova escala com uma caneta preta, conforme mostra a mesma figura.
Medindo a resistência do instrumento, verificamos que ela é de 50 ohms. Aplicando a fórmula de cálculo da resistência multiplicadora, verificamos que a resistência para o circuito medir 0 -15 V será de 14 950 ohms.
O que fazemos então é ligar em série com o circuito um resistor de 10 k ohms e um trimpot de 10 k ohms. Com o trimpot no mínimo a resistência do circuito multiplicador será de 10 k ohms e no máximo de 20 k ohms. Será fácil então ajustar o trimpot para que a resistência multiplicadora total fique num ponto intermediário de 14 950 ohms.
Basta então ligar a fonte e com um multímetro comum na escala de tensões ligada na saída, conforme mostra a figura 14, ajustar o trimpot para que o seu instrumento indique a mesma tensão.
Descobrindo a Corrente de Fundo de Escala de um Instrumento
Muitos aparelhos antigos como equipamentos de som, amplificadores, fontes de alimentação, reguladores de tensão possuem instrumentos indicadores no seu painel. Se o leitor tiver um deles, pode retirar o instrumento para aproveitá-lo num projeto.
No entanto, na maioria dos casos, esses instrumentos já possuem resistências multiplicadoras ou shunts que precisam ser retirados e também não indicam qual é a sua corrente de fundo de escala. É preciso descobrir.
Para isso, use duas pilhas pequenas em série, um resistor de 220 ohms, um trimpot de 47 k ohms e um multímetro comum, ligando todos esses elementos em série, conforme mostra a figura 15.
Coloque o multímetro numa escala de correntes mais baixa. O potenciômetro, inicialmente deve estar na sua posição de máxima resistência.
Coloque as pilhas no suporte e observe a indicação do instrumento. Se a agulha tender para a a esquerda (valores abaixo de zero), inverta sua ligação. Vá girando o potenciômetro vagarosamente até conseguir que o instrumento indique sua corrente de fundo de escala. Ajuste então o multímetro para ler essa corrente, conforme mostra a figura 16.
Se a agulha não chegar ao fundo de escala é porque a corrente de fundo de escala é maior que 10 mA. Neste caso, baseie-se pela indicação que alcançar e a que o multímetro fornecer. Por exemplo, se os 10 mA for conseguido com 1/10 da escala é porque o instrumento tem fundo de escala de 100 mA.
Feita a identificação da corrente é só medir a resistência e usar o instrumento recuperado em seu projeto. Será uma boa economia!
Conclusão
O que vimos vale apenas para a utilização dos instrumentos em circuitos de corrente contínua. No entanto, com o acréscimo de alguns componentes externos também é possível usar esses instrumentos analógicos de baixo custo ou mesmo reaproveitados em circuitos de corrente alternada. Como fazer isso vai ficar para outra oportunidade.
Neste caso, não só tensões alternadas mas também sinais vindos de circuitos com sensores, como a rotação de um motor, velocidade, temperatura, etc. podem ser medidos com boa precisão, agregando um novo recurso para seu projeto mecatrônico.
Por enquanto fica a sugestão do leitor procurar nos aparelhos velhos esses instrumentos e recuperá-los descobrindo suas especificações para utilizar nos seus próximos projetos.
Ajuste de Agulha
Os instrumentos analógicos comuns possuem um parafuso de ajuste na sua parte central, conforme mostra a figura abaixo.
Atuando com uma chave de fendas bem fina sobre esse parafuso é possível colocar a agulha na posição de zero, quando ela não estiver nesse ponto. Esse ajuste pode ser necessário nos instrumentos retirados de aparelhos fora de uso, que podem estar desajustados.
