O mais completo de todos os instrumentos da bancada eletrônica que necessite de recursos para análise de circuitos e componentes é o osciloscópio. No entanto, este também é um recurso para demonstrações, experimentações e pesquisa, podendo ser utilizado em laboratórios de escolas para ensinar muito sobre eletrônica. Nesta série de artigos, estamos mostrando diversas experiências que possuem finalidades didáticas usando o osciloscópio, que são de grande utilidade para professores, estudantes ou mesmo leitores que desejem aprender por conta própria muito sobre componentes e circuitos eletrônicos.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 123 de 2007.
Conforme explicamos já no primeiro artigo desta série, com o osciloscópio podemos não apenas visualizar formas de onda de sinais, mas inclusive analisar qualquer tipo de fenômeno transitório e até levantar curvas características de circuitos e componentes.
Com alguns instrumentos adicionais como a fonte de alimentação e o gerador de funções, o osciloscópio consiste em um poderoso recurso de análise de componentes e circuitos numa bancada. Os experimentos que estamos fornecendo nesta série são uma prova disso.
Os testes descritos exigem aqui um osciloscópio de duplo traço de 40 MHz ou mais, e são realizados com componentes comuns de fácil obtenção. Para alguns destes simulamos o circuito utilizando o osciloscópio virtual do Electronics Workbench, um programa de simulação da National Instruments que, além de possibilitar a elaboração virtual do circuito, também tem instrumentos para sua simulação.
Observação do repique de contatos
Um dos problemas de sensores e mesmo interruptores comuns que usam contatos mecânicos é o repique (bouncing). Entre o instante em que ocorre o acionamento e o momento em que a corrente se estabiliza no circuito acontecem oscilações mecânicas que fazem com que o sinal oscile.
Essa oscilação pode afetar a leitura de resultados, por exemplo, em lugar de um único pulso, o circuito leitor pode ler vários, e isso é um inconveniente que deve ser eliminado com o uso de circuitos anti-repique.
O arranjo ilustrado na figura 1 permite visualizar no osciloscópio o repique em um reed-switch, quando acionado de forma regular por ímãs presos a um motor.
Usamos dois ímãs para possibilitar o balanceamento do dispositivo em que eles são montados. O ajuste do osciloscópio deve ser feito de modo que a frequência do abrir e fechar do reed-switch possa ser observada no osciloscópio da forma indicada na figura 2.
Veja que para esse experimento precisamos de uma fonte de corrente contínua, que deve fornecer de 1 a 5 V de tensão em sua saída. Evidentemente, também poderemos usar uma pilha como fonte de tensão neste caso.
Uma outra forma de obter o repique de contatos é com um micro- switch no arranjo exibido na figura 3. Os resultados para a demonstração do repique são os mesmos.
No caso da aplicação do experimento em cursos técnicos pode-se elaborar um relatório para que o repique seja explicado. Pode-se também ir além com o uso de um circuito anti-repique, cuja ação pode ser demonstrada com o mesmo arranjo.
Um exemplo de circuito anti-repique simples usando um monoestável 555 é mostrado na figura 4.
Os componentes RC da rede de tempo do monoestável devem ser dimensionados de acordo com a abertura e fechamento dos contatos do reed-switch ou microswitch que está sendo utilizado no experimento.
Velocidade de resposta de um LDR
Os LDRs não são fotossensores rápidos e isso pode ser demonstrado facilmente no experimento cujo arranjo é dado na figura 5.
Note que usamos também um motor, como no experimento anterior, agora para obter pulsos rápidos de luz que incidam no LDR a partir de uma lâmpada, por exemplo.
A forma de onda apresentada na figura 6 nos mostra que demora um bom tempo para a corrente no LDR se estabilizar, quando a luz incide e é cortada. Essa inércia pode ser calculada, possibilitando assim determinar a frequência máxima de operação de um LDR em um circuito. A fonte de corrente contínua usada no experimento deve fornecer entre 1 e 12 V e o valor do resistor no circuito pode ficar entre 1 k ohms e 22 k ohms, dependendo da intensidade da fonte luminosa empregada.
Uma ideia prática para mostrar a ação de sensores em circuitos consiste em fazer o mesmo experimento com um sensor mais rápido, como um fotodiodo ou um fototransistor.
Oscilações amortecidas
Quando um circuito RLC recebe um pulso de tensão que o excita, ele entra em oscilação. No entanto, devido à presença da resistência (R), as oscilações são amortecidas.
O grau de amortecimento depende de R e a frequência das oscilações de LC. Podemos visualizar esse fenômeno com o circuito exibido na figura 7.
O gerador de funções é ajustado para produzir pulsos retangulares entre 1 kHz e 10 kHz (dependendo de L), com um ciclo ativo de 5% a 10% e uma amplitude de 1 a 5 volts.
A imagem é ajustada para obter a tela mostrada na figura 8, obtida na simulação com o Electronics Workbench. Na figura 9 vemos diversos graus de amortecimento para o sinal gerado, dependendo do valor de R.
Lembramos que as oscilações amortecidas são muito usadas em instrumentos musicais, pois correspondem a sons conhecidos. O amortecimento rápido resulta em sons "secos" como o de blocos, enquanto que o amortecimento demorado resulta em sons como o do tambor, bumbo, triângulo e bater de taças.
Para frequências baixas, o experimento pode incluir a presença de um amplificador de áudio para que uma análise auditiva dos efeitos do amortecimento seja feita.
Conclusão
Resposta de sensores, repiques e oscilações amortecidas foram o assunto deste terceiro artigo sobre experimentos com o osciloscópio.
Conforme o leitor deve ter confirmado, o osciloscópio consiste em um excelente recurso para visualizar fenômenos e, assim, possibilitar um aprendizado muito maior sobre o modo de funcionamento de componentes e circuitos.
Na próxima edição voltaremos com mais alguns experimentos utilizando o osciloscópio.
