Experiência 01: OSCILOSCÓPIO

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1 ( ) Prova ( ) Prova Semestral ( ) Exercícios ( ) Prova Modular ( ) Segunda Chamada ( ) Exame Final ( ) Prática de Laboratório ( ) Aproveitamento Extraordinário de Estudos Nota: Disciplina: Turma: Aluno (a): Professor: Data: Experiência 01: OSCILOSCÓPIO 1. Objetivo Geral Conhecer o instrumento de medida chamado osciloscópio, entender seu funcionamento e aprender a realizar medições. 2. Objetivos Específicos: Habituar-se ao osciloscópio e conhecer suas funções e controles; Visualizar sinais emitidos pelo gerador de funções; Realizar medições de sinais de diversos tipos, entre eles sinais contínuos e sinais alternados; Determinar a frequência e amplitudes de um sinal; Encontrar a desafagem entre dois sinais alternados através do modo X-Y, também conhecido como Figura de Lissajous. 3. RESUMO DA TEORIA 3.1 Princípio de Funcionamento do Osciloscópio O osciloscópio é um instrumento de medição eletrônico usado para medir grandezas elétricas. Entre elas citam-se: tensões contínuas, tensões alternadas, frequências, períodos e defasagem entre sinais. O osciloscópio é um traçador de gráficos e mostra em sua tela (ecrã) sinais de tensão em função do tempo ou um sinal em função do outro, este último conhecido como modo X-Y. O Tubo de Raios Catódicos (TRC), também conhecido como cinescópio, é o principal responsável pela visualização dos fenômenos elétricos. O esquema representativo do TRC é mostrado na figura 01. Este gera um feixe de elétrons através de um conjunto de componentes denominado canhão eletrônico. O canhão eletrônico é formado por: 1. Tubo de vidro a vácuo; Página 1 de 19

2 2. Filamento: responsável pelo aquecimento do cátodo, quando percorrido por corrente elétrica; 3. Cátodo: gera ao redor de si uma nuvem de elétrons, ao ser aquecido pelo filamento; 4. Grade: controla a passagem do feixe de elétrons através de potencial negativo em relação ao cátodo. Figura 01 Esquema Representativo do TRC Fonte: [1] 1 O feixe eletrônico é gerado num cátodo aquecido que liberta uma grande quantidade de elétrons por efeito termoiônico. Em seguida, os elétrons são conduzidos em direção à grelha e depois acelerados por um ânodo com potencial positivo em relação ao cátodo. O feixe é concentrado por eletrodos de focagem e conduzido para o ecrã. A energia contida nesta massa de elétrons, ao colidir com o ecrã, é parcialmente convertida em energia luminosa, formando um ponto luminoso. O controle INT, acessível no painel frontal do osciloscópio, permite variar a diferença de potencial grelha - cátodo, deixando passar mais ou menos elétrons, e consequentemente aumentar ou diminuir a intensidade do ponto luminoso. O controle de focagem do ponto luminoso também é possível através do controle Focus, acessível no Página 2 de 19

3 painel frontal do osciloscópio, e com o qual se pode definir a nitidez do ponto no ecrã. A seguir uma breve descrição dos demais componentes mostrados na figura 01, enquanto a estrutura interna do osciloscópio pode ser visualizada pelo diagrama de blocos na figura 02. Figura 02 Diagrama de Blocos de um Osciloscópio Fonte: [1] 1. Ânodo de Pré-Aceleração: através de potencial positivo atrai e acelera o feixe; 2. Ânodo de Focagem: através de potencial menor que do Ânodo de Aceleração, cria um campo elétrico que concentra o feixe de elétrons, focalizando-o no ecrã; 3. Ânodo de Aceleração: mediante alta tensão positiva, atrai definitivamente o feixe de elétrons, fazendo-o colidir com o ecrã; 4. Ecrã ou Tela: é constituído por uma superfície de vidro revestida interiormente por fósforo. Como o fósforo é uma substância química fluorescente, quando o feixe de elétrons incide no ecrã, esta absorve a energia cinética dos elétrons e a converte em energia luminosa; 5. Placas Defletoras Verticais: quando sujeitas a uma diferença de potencial, criam um campo elétrico uniforme perpendicular às placas, que se encontram posicionadas 1 INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA. Instrumentação e Medidas: Osciloscópio Analógico. Universidade Página 3 de 19

4 horizontalmente. Desta forma estas placam deflexionam o feixe de elétrons verticalmente; 6. Placas Defletoras Horizontais: quando sujeitas a uma diferença de potencial, criam um campo elétrico uniforme perpendicular às placas, que se encontram posicionadas verticalmente. Desta forma estas placam deflexionam o feixe de elétrons horizontalmente. Através das pontas de prova, o osciloscópio é ligado ao circuito em análise sem alterar ou perturbar qualquer característica do mesmo. Estas pontas são conectadas em qualquer canal vertical, que por sua vez está ligado a um amplificador que apresenta uma impedância de entrada muito elevada. O canal vertical tem como função principal condicionar e multiplexar os sinais provenientes do canal 1 e do canal 2, de modo a produzirem uma tensão adequada para a deflexão vertical do feixe de elétrons no TRC. Esta deflexão vertical é proporcional à tensão dos sinais de entrada colocados no canal 1 e/ou no canal 2. Na figura 03 é possível visualizar os controles que permitem controlar o condicionamento e a multiplexagem dos sinais de entrada. Figura 03 Diagrama de Blocos do Canal Vertical Fonte: [1] É através dos circuitos de acoplamento que o usuário pode selecionar o tipo de sinal a ser medido no canal 1 e no canal 2: modo DC, modo AC e modo GND. Este último do Algarve: Departamento de Engenharia Electrotécnica Página 4 de 19

5 é usado para ajustar o nível de tensão zero. Os circuitos atenuadores permitem ao usuário selecionar vários fatores de deflexão vertical através do controle VOLTS/DIV. Estes atenuam a tensão de entrada para valores adequados a aplicar ao pré-amplificador. Como o próprio nome diz, determina o valor de volts por divisão no eixo vertical do ecrã. No comutador de canais, ambos os sinais de entrada são selecionados e direcionados para um único conjunto formado pelo amplificador de deflexão e pelas placas defletoras. Esta seleção é feita a partir de comandos MODE acessível no painel frontal. Dentre eles, destacam-se: visualização de apenas um canal, ou ambos ao mesmo tempo, através de CH1, CH2, CHOP e ALT, e visualização da soma dos dois canais através do controle ADD. O canal horizontal tem como função principal produzir uma tensão adequada para a deflexão horizontal do feixe de elétrons no TRC. Neste caso é possível operar com o osciloscópio em dois modos distintos: 1. Modo X-Y: a deflexão horizontal do feixe é feita por um dos sinais de entrada do canal vertical ou a partir da entrada externa, permitindo visualizar um sinal em função do outro; 2. Modo Tempo: a deflexão horizontal do feixe é feita pelo sinal em rampa de tensão gerado pela base de tempo, permitindo visualizar os sinais de entrada do canal vertical em função do tempo. Como pode ser visto na figura 02, o canal horizontal é formado pelas seguintes unidades: 1. Base de Tempo: esta permite controlar a velocidade com que o feixe faz o varrimento horizontal do ecrã através de um gerador de rampa de tensão. Este sinal em rampa é mostrado na figura 04. Página 5 de 19

6 Figura 04 Sinal de Varredura ou Sinal em Rampa de Tensão Fonte: [1] Quando este sinal é aplicado às placas de deflexão horizontal, o feixe desloca-se ao longo do ecrã com velocidade constante. O varrimento é feito da esquerda para a direita. O controle TIME/DIV permite selecionar a velocidade com que o feixe varre horizontalmente o ecrã, possibilitando assim alterar a escala de tempo horizontal. Durante o intervalo de tempo T r, o feixe de elétrons é apagado através de um sinal aplicado na grelha; 2. Circuito de Sincronismo ou de Disparo (Trigger): comanda a base de tempo e assegura que o varrimento horizontal do ecrã se inicie através de um sinal de sincronismo. Este pode funcionar em dois modos distintos: modo de disparo e modo automático. No modo de disparo, o circuito de sincronismo determina o início do varrimento horizontal do ecrã. No modo automático, um novo varrimento do ecrã é iniciado imediatamente após o anterior ter terminado. Um sinal de disparo é gerado pelo circuito de sincronismo e transmitido à base de tempo sempre que o sinal de entrada no circuito de sincronismo atinge o nível de tensão selecionado pelo comando LEVEL e de declive selecionado pelo comando SLOPE ; 3. Amplificador Horizontal. 3.2 Modo X-Y e Medidas de Defasagem Quando o osciloscópio funciona no modo X-Y, a deflexão horizontal do feixe é realizada pelo sinal do canal 1, denominado agora sinal (x), enquanto a deflexão vertical é função do canal 2, denominado de sinal (y). Quando se aplicam simultaneamente tensões em forma de onde senoidal às placas de deflexão horizontal e vertical, surgem no ecrã as figuras de Lissajous, como mostrada na figura 05. Página 6 de 19

7 Figura 05 Modo de Funcionamento X-Y Quando as tensões em forma de onda senoidal possuem a mesma frequência, a figura visualizada tem a forma de uma elipse, cuja excentricidade depende do defasamento entre os dois sinais. Um exemplo é mostrado na figura 06. Figura 06 Figura de Lissajous quando ambos os sinais possuem a mesma frequência Neste caso a defasagem entre ambos os sinais é dada pela equação abaixo: 2a θ = arcsen 2 b Quando as tensões em forma de onda senoidal possuem frequências diferentes, mas múltiplas uma da outra, a figura de Lissajous é mais complexa. A partir da figura visualizada, é possível estabelecer uma relação entre as freqüências dos dois sinais a Página 7 de 19

8 partir do número de vezes que a figura toca na linha de tangência horizontal e na vertical. Desta forma: Relação entre Frequências: F F V H N de pontos de tan gência horizontal = N de pontos de tan gência vertical = N N H V No caso da figura 05: F F V H 1 = 2 Na figura 07 é possível visualizar diversas outras figuras de Lissajous, conforme a relação entre frequências. Página 8 de 19

9 Figura 07 Diversas Figuras de Lissajous Página 9 de 19

10 Fonte: 1. Lista de Material e Equipamentos Protoboard; Jumpers; Alicates de Corte; Transformadores VCA/1 A; Gerador de Sinais; Fonte DC; Osciloscópio; Multímetro; Resistor de 390Ω - 1/4W. Resistor de 1KΩ - 1/4W; Resistor de 10KΩ - 1 / 4W; Resistor de 100K Ω - 1 / 4W; Resistor de 1M Ω - 1 / 4W; Capacitor 10nF - 250V Capacitor 100nF - 250V 5. Procedimento 5.1 Medição de Tensão Contínua Positiva a. Ligue o osciloscópio e realize os ajustes básicos (brilho, foco, etc); b. Selecione REDE ou LINE na chave de fonte de sincronismo; c. Ajuste a chave de base de tempo para 1ms/div; d. Ajuste o traço no centro da tela (será a referência); e. Conecte a ponta de prova em um dos canais (CH1 ou CH2) e posicione a chave CA- GND-DC em DC, no canal seleccionado; f. Posicione a chave de ganho vertical em 5V/div; g. Ligue a fonte DC e ajuste para 20V de saída. Use o multímetro para conferir o valor. Página 10 de 19

11 h. Conecte a ponta de prova do osciloscópio nos bornes de saída da fonte de modo que agarra de terra seja conectada ao borne negativo. Faça a leitura da tensão no osciloscópio. Obs: Vcc = nº de divisões x posição da chave seletora de ganho vertical V = x = V (Verifique com o multímetro se a tensão lida confere); i. Ajuste, com o osciloscópio, uma tensão de 2,5V, (Chave seletora de ganho vertical 5 V/div.); j. Posicione o seletor de ganho vertical para 1V/div; k. Ajuste a posição de referência do traço; l. Ajuste a tensão da fonte para 2,5Vdc com o osciloscópio. OBSERVAÇÃO: Como se vê, dependendo do valor a se medir, existe uma posição da chave seletora de ganho vertical em que se torna mais fácil a leitura. Sempre que se for realizar alguma leitura de tensão deve-se procurar colocar a chave seletora de ganho vertical em um valor mais alto e depois ir ajustando até que a leitura se torne mais fácil de realizar. Este cuidado é válido para todos os instrumentos sob risco de se danificar o aparelho. 5.2 Medição de Tensão Contínua Negativa a. Posicione o seletor de ganho vertical para 5V/div; b. Ajuste uma referência; c. Ajuste 20Vdc na fonte DC; d. Conecte a ponta de prova nos bornes de saída da fonte de modo que: e. Borne negativo => entrada de sinal da ponta de prova; f. Borne positivo => terra da ponta de prova. Faça a leitura; V= V. Observe que o traço se movimentou para a parte inferior da tela. Ajuste as tensões abaixo e preencha a tabela abaixo: Página 11 de 19

12 Tensão (medida com o multímetro) Posição da chave de ganho vertical Tabela 01 Número de divisões na tela Tensão medida com o osciloscópio 17 V -23 V 14,24 V 0,50 V 1,3 V 6,0 V -28 V 5.3 Medição de Corrente a. Ligue o osciloscópio e realize os ajustes básicos do traço (brilho, foco); b. Posicione a chave seletora de base de tempo em 1ms/div; c. Selecione CH1 ou CH2; d. Atue no controle vertical do canal escolhido e ajuste uma referência na tela; e. Selecione na chave de ganho vertical 5V/div. Faça a seguinte ligação: Página 12 de 19

13 Ajuste 20V na fonte de alimentação e aplique à entrada do circuito. Faça a leitura de tensão no osciloscópio; V = V. LEMBRETE: V = nº de divisões x posição da chave seletora de ganho. Com o valor da tensão sobre o resistor proceda ao cálculo da corrente que percorre o circuito através da Lei de Ohm. I = A. (confira com o Multímetro) 5.4 Medição de Frequência e Período a. Ligue o osciloscópio e proceda aos ajustes básicos posicionando o traço no meio da tela; b. Posicione a chave de modo de entrada em AC; c. Ajuste o gerador de sinais para as frequências especificadas nas tabelas abaixo com amplitude de 5 V para todas as formas de onda; d. Posicione a chave de modo de sincronismo em REDE; e. Conecte a ponta de prova do canal selecionado a saída gerador de sinais; f. Meça cada frequência com o osciloscópio, anorando respectivamente a posição da varredura e o número de divisões ocupadas pelo período; g. Calcule o período e a frequência. Tabela 02 Onda Senoidal Página 13 de 19

14 f (Hz) Posição de Varredura Onda Senoidal N o de divisões T f Tabela 03 Onda Quadrada f (Hz) Gerador k Posição de Varredura Onda Quadrada N o de divisões T f Tabela 04 Onda Triangular f (Hz) Gerador k Posição de Varredura Onda Triangular N o de divisões T f 5.5 Medição de Tensão Alternada a. Faça os ajustes básicos do traço (brilho, foco, etc) posicionando a chave seletora de base de tempo em 5ms/div; b. Conecte a ponta de prova no canal selecionado; c. Conecte o varivolt à rede elétrica. Posicione o cursor do varivolt de modo a obter-se a saída mínima (praticamente zero volts). d. Posicione a chave seletora de modo de entrada para a posição AC; e. Passe a chave seletora de ganho vertical para 5V/div. f. Passe a chave seletora de modo de entrada para a posição AC; g. Selecione REDE na chave de sincronismo; h. Conecte a ponta de prova aos bornes do varivolt; i. Movimente o cursor do varivolt até a metade do curso total; Para determinar as Tensões de Pico a Pico e Eficaz faça a ligação: j. Ligue o primário do transformador em 220VCA. Página 14 de 19

15 220VCA Osciloscópio k. Meça a tensão CA eficaz na saída do transformador com o multímetro. Vef = V; l. Usando o osciloscópio, procure ajustar a tensão de saída do transformador para os valores 12V (eficaz); m. Determine a tensão de pico a pico, a tensão de pico e a tensão eficaz da CA na tela. Vpp = V; Vp = V; Vef = V; OBS: A cada ajuste pelo osciloscópio confira com o multímetro. n. Desconecte a ponta de prova dos bornes do transformador; o. Desligue o osciloscópio; Faça a ligação: Ligue o primário do transformador em 220VCA. Página 15 de 19

16 220VCA Osciloscópio a. Meça a tensão CA eficaz na saída do transformador com o multímetro. Vef = V; b. Usando o osciloscópio, procure ajustar a tensão de saída do transformador para os valores 24V (eficaz); c. Determine a tensão de pico a pico, a tensão de pico e a tensão eficaz da CA na tela. Vpp = V; Vp = V; Vef = V; OBS: A cada ajuste pelo osciloscópio confira com o multímetro. d. Desconecte a ponta de prova dos bornes do transformador; e. Retire a alimentação do transformador. 5.6 Medição de Defasagem entre Sinais a. Monte o circuito abaixo conforme valores na tabela 05: Página 16 de 19

17 b. Alimente o sistema com o gerador de sinais na amplitude máxima, frequência de 60Hz e onda senoidal; c. Conecte o osciloscópio ao circuito conforme a figura; d. Confira se o comando de inversão do canal 2 está ativado (este comando serve para corrigir a inversão ocasionada pela forma de ligação da ponta de prova do canal 2; e. Identifique na tela quais são as senoides da tensão no capacitor (Vc); f. Verifique qual a relação de fase para diferentes valores de resistor e desenhe três figuras nos gráficos a seguir; Tabela 05 Medição de Defasagem C(nF) R(Ω) 2a 2b 2a/2b θ R 1 = 10 R 2 = R 3 = R 1 = 100 R 2 = R 3 = Forma de onde para capacitor em e resistor Página 17 de 19

18 Forma de para capacitor em e resistor Forma de para capacitor em e resistor g. Desconecte o Osciloscópio do circuito. Página 18 de 19

19 6. REFLEXÕES Página 19 de 19