Dep.to Electrónica e Telecomunicações - Universidade de Aveiro Electrónica I Trabalhos Práticos

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1 Trabalho prático nº 1: Componentes e equipamento. Resistência de entrada e saída. Circuitos RC passa-baixo e RC passa-alto. 1.1 Componentes Não é objectivo deste ponto fazer um levantamento exaustivo dos tipos de componentes de uso mais comum nos laboratórios de Electrónica. No entanto, considera-se fundamental que os alunos conheçam as principais características de alguns dos componentes passivos mais utilizados. Para informações mais detalhadas poderão ser consultados os manuais dos fabricantes Resistências As resistências podem ser fabricadas com os mais diversos tipos de material, para as mais diversas tensões e potências, apresentarem valores fixos ou variáveis e precisões diversas, entre outros factores. As resistências usadas nas aulas práticas de Electrónica são do tipo CR25 e CR37. A estas designações estão associadas um conjunto de características que importa conhecer. Tratam-se de resistências de filme de carvão (de valor fixo) que apresentam as seguintes características 1 : Tabela 1.1 Características das resistências CR25 e CR37 Tipo Tensão máx. Potência (W) Valores Tolerância (%) Série (Vrms) CR Ω - 1MΩ ± 5 E24 3 CR Ω - 1MΩ ± 5 E24 A identificação do valor das resistências é geralmente feito usando um código de cores. Nos casos das resistências do tipo CR25 e CR37 esta identificação é sempre feita deste modo, através de 4 barras, tal como indicado na Fig Figura 1.1 Resistência CR25 / CR37 (1º cor à esquerda) com valor de 10kohm. As primeiras duas cores indicam os dois primeiros dígitos do valor da resistência enquanto a terceira indica a potência de 10 pela qual devem ser multiplicados. A última, mais afastada e dourada, indica o valor da tolerância, i.e. ±5%. O código de cores é o seguinte: Tabela 1.2 Código de cores 0 Preto 1 Castanho 2 Vermelho 3 Laranja 4 Amarelo 5 Verde 6 Azul 7 Violeta 8 Cinzento 9 Branco 1 Informação obtida da Philips. 2 Estas resistências são geralmente conhecidas por resistências de 1/4W, a potência máxima que podem dissipar (indicada por outros fabricantes que não a Philips). 3 A série E24 significa que por cada década existem 24 valores diferentes. No entanto no armazém de componentes apenas se podem encontrar 12 valores por década (série E12). Estes valores começam por: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68 e 82. Pág. 1.1

2 Outros materiais usados no fabrico de resistências são diversos filmes e fios de ligas metálicas. Os filmes são usados para resistências de baixa potência e as resistências de fio metálico enrolado em substratos (tipicamente cerâmicos) em aplicações de maior potência, sendo capazes de dissipar desde alguns watt até centenas de watt. As resistências de fio metálico são têm normalmente melhores características do que as de filme metálico, e estas são por sua vez, são melhores do que as de filme de carvão. Na figura 1.2 podemos ver resistências bobinadas em substrato cerâmico para diferentes potências. Figura 1.2 Resistências bobinadas Condensadores Os condensadores são componentes passivos que armazenam energia na forma de um campo eléctrico. Tal como as resistências, os condensadores podem ser dos mais diversos tipos de material e apresentarem valores e características muito diferentes. Importa pois fazer uma referência às principais características dos 3 tipos mais usados nos laboratórios: os condensadores electrolíticos, os de poliéster e os cerâmicos. Tal deve permitir uma escolha correcta em função da aplicação desejada. Como é sabido, qualquer componente físico não apresenta um comportamento ideal. Um condensador real é melhor descrito se à capacidade que representa for associada uma indutância parasita em série e uma resistência de fugas em paralelo com o conjunto. É este modelo real que deve estar presente na escolha de um condensador. Condensadores electrolíticos Os condensadores electrolíticos usados nas aulas são de alumínio (não sólido). Os mais comuns parecem-se com pequenos cilindros, com os dois terminais do mesmo lado (condensadores com um terminal de cada lado axiais são menos usados), tal como mostra a Fig Figura 1.3 Condensador electrolítico. Os valores existentes dependem da sua tensão (i.e. da tensão máxima que pode ser aplicada aos terminais), do tipo de encapsulamento e temperatura de funcionamento permitida, entre outros factores. A título de exemplo, os valores que podem ser encontrados (para as tensões mais comuns) são 1,4 : 4 Existem condensadores electrolíticos deste tipo para tensões inferiores e superiores às indicadas. Os valores das capacidades podem ser superiores às indicadas para tensões mais baixas e inferiores para tensões mais elevadas. Pág. 1.2

3 Tabela 1.3 Valores mais comuns de condensadores electrolíticos Cnom Tensão (V) (µf) x 15 x 22 x x x 33 X 47 x x 68 X x x 100 x x 150 X x x x 220 X x x x 330 X x x x 470 X x x 680 X x x x 1000 X x x x 1500 X x 2200 X 3300 X Como características principais deste tipo de condensadores salientam-se: a) o valor elevado da capacidade, embora associada a uma tolerância também elevada (±20%); b) a elevada indutância parasita e baixa resistência de fugas, características que fazem com que a sua aplicação se limite às baixas frequências. O valor da capacidade aparece explicitamente indicado na caixa uma vez que estes condensadores apresentam, geralmente, dimensões que o permitem. IMPORTANTE: Dos condensadores existentes nos laboratórios estes são os únicos que possuem polaridade, i.e. só podem ser ligados com o terminal + (o mais comprido) à tensão mais elevada e o terminal (indicado na caixa) à tensão mais baixa. Quando ligados ao contrário estes condensadores podem explodir! Condensadores de poliéster Embora estes condensadores sejam frequentemente conhecidos por condensadores de poliéster, a designação correcta é condensadores de filme. Dentro deste grande grupo é possível encontrar vários tipos, dependendo do dieléctrico usado, sendo os mais frequentes os de poliéster (KT e MKT) e polipropileno (KP e MKP). Como características principais destes condensadores salientam-se a relativa baixa indutância parasita e a elevada resistência de fugas (R>50000MΩ para C<330nF, a 20 C). Os MKTs são usados em circuitos para acoplamento e desacoplamento e ainda em circuitos de atraso e temporais. Os KTs podem ainda ser usados para correntes elevadas. Os KPs e MKPs podem ser usados no mesmo tipo de aplicações mas como suportam tensões mais elevadas (até 2000V) são usados preferencialmente em televisores (deflecção), comutação de motores e para tensões e correntes elevadas 5. Os condensadores mais frequentes no laboratório são os MKTs de 100Vdc (50Vrms para sinal) (outras tensões possíveis são 250, 400 e 630V). Para este caso em particular, os valores existentes são: 15, 22, 33, 47, 68, 100, 150, 220, 330, 470, 680 e 1000 nf (para as tensões mais elevadas os valores mínimo e máximo indicados são inferiores). A indicação do valor da capacidade é feito em pf embora em outros tipos o valor seja expresso em µf (geralmente não existe confusão uma vez que no segundo caso o valor é sempre pequeno, raramente excedendo a unidade). A utilização do código de cores é também usada para alguns MKTs e é a mesma das resistências (neste caso o valor final é dado em pf). A Fig. 1.4 mostra um condensador de poliéster. A tolerância deste tipo de condensadores é de 10 ou 20%. 5 Existem também KPs axiais (para tensões da ordem da centena de volt que podem ser usados em circuitos sintonizadores, de grande estabilidade e/ou precisão, em filtros e em circuitos de baixas perdas, embora nestes casos seja preferível a utilização de polistireno (KSs). Pág. 1.3

4 Figura 1.4 Condensador de poliéster. Condensadores cerâmicos Os condensadores cerâmicos são aqueles que apresentam uma indutância parasita menor o que faz com que apresentem um comportamento capacitivo até muito altas frequências. Em termos de resistência de fugas ela não é tão elevada como nos de poliéster mas é também muito grande (tipicamente superior a 10000MΩ). A sua capacidade depende muito da temperatura. Em termos de aplicações estes condensadores são usados em circuitos sintonizadores e em acoplamento e desacoplamento de circuitos (é a baixa indutância parasita que os tornam preferíveis no desacoplamento das alimentações, sempre que num ponto do circuito haja variações rápidas de sinal). Em termos de tensões estes condensadores suportam tipicamente 63 ou 100V (existem também na versão de 500V) e em termos de capacidades podemos encontrar valores desde 0.47pF até 100nF, com 12 valores por década (tal como na série E12 das resistências). A indicação do valor é feita geralmente em pf, excepto em alguns em que a unidade é nf (neste caso um n aparece na indicação, sendo a sua posição coincidente com o ponto decimal). A Fig. 1.5 mostra um condensador cerâmico. A tolerância destes condensadores (e para valores de capacidade acima de 10pF) é de ±2%. Figura 1.5 Condensador cerâmico Bobinas As bobinas são o componente passivo que armazenam energia na forma de um campo magnético. Normalmente são mais difíceis de fabricar pelo que são menos utilizadas que os condensadores. No entanto, devem ser consideradas um componente como os outros que na maioria dos casos é possível comprar nas lojas de componentes electrónicos. Simplificando, há dois tipos de bobinas (também designadas indutores): bobinas para circuitos de potência e bobinas para circuitos de radiofrequência (RF). As primeiros são tipicamente volumosas e constituídos pelo enrolamento de um fio de secção generosa (dependendo da corrente máxima) em torno de um núcleo de material ferromagnético (ver Figura 1.6). O núcleo é necessário para se conseguir com muito menos espiras atingir uma dada indutância. Notar que tanto o fio como o núcleo devem estar bem dimensionados para a corrente a circular na bobina, pois há questões de dissipação de calor em ambos, e questões de saturação do núcleo (o que origina problemas de falta de linearidade). Figura 1.6 Diversos tipos de bobinas para aplicações de potência. As bobinas para aplicações RF (figura 1.7) são usualmente muito mais pequenas, onde a questão da corrente não é tão relevante, mas dadas as frequências elevadas de trabalho há problemas com Pág. 1.4

5 perdas no núcleo (que fazem baixar o seu Q- Factor de Qualidade) se este não for de ar, ou de aumento da resistência efectiva do enrolamento devido ao efeito pelicular e outros. De notar que todos os componentes têm limitações várias como, por exemplo, uma frequência de trabalho e uma corrente máxima. Há bobinas cuja posição do núcleo pode ser movimentada para assim alterar o valor da indutância. Figura 1.7 Bobinas de RF Outros componentes Outros componentes passivos (díodos e potenciómetros) e activos (transístores, OPAMPs e CIs específicos) são também usados nos laboratórios. As suas características principais serão referidas nos respectivos trabalhos ou através da folha de características do fabricante Componentes SMD ( Surface Mount Devices ) Com a necessidade de reduzir o tamanho das placas electrónicas e ao mesmo tempo automatizar o seu processo de fabrico, actualmente quase todas as placas construídas são baseadas em tecnologia de montagem de superfície (SMD). De facto os mais diversos componentes electrónicos (resistências, condensadores, díodos, transístores, circuitos integrados) têm encapsulamentos SMD que para além de serem mais pequenos, apresentam a vantagem de a sua montagem nas placas de circuito impresso poder ser realizada por Robots que apenas têm que os colocar/colar na posição certa. Tomar em consideração que conseguir enfiar os terminais dos componentes convencionais nos furos respectivos é uma tarefa muito mais complicada e muito mais lenta. Figura 1.8 Diversos componentes SMD. 1.2 Equipamento Em princípio os alunos já deveriam estar familiarizados com o equipamento disponível nos laboratórios de Electrónica. No entanto, como a experiência tem demonstrado, tal parece não acontecer pelo que aqui fica um conjunto de notas sobre equipamento, sem grandes considerações teóricas. No final os alunos realizarão algumas medidas de forma a consolidar os conhecimentos transmitidos Placa branca A placa branca é um dispositivo que permite, de um modo fácil, fazer as ligações de um circuito de forma a poder ser testado. A Fig. 1.9 mostra a placa usadas nas aulas prática. As ligações entre os diversos furos são na horizontal nas extremidade superior e inferior (duas filas em cada) e devem ser usadas para as alimentações (geralmente uma positiva, uma negativa e a massa). A zona central é constituída por dois grupos com ligações na vertical (5 furos cada) onde são feitas as ligações para Pág. 1.5

6 realizar um determinado circuito. Sempre que seja necessário ligar circuitos integrados com encapsulamento do tipo DIP (Dual-in-Line Package) estes são ligados entre os dois grupos referidos. Não existe nenhuma norma para fazer as ligações. No entanto é conveniente que estas se façam de forma natural, i.e. de modo a seguir o esquema do circuito, tal como está desenhado. A experiência diz que quanto mais limpa for a montagem mais fácil se torna a detecção de erros ou a introdução de alterações, quando necessário. Como é óbvio, não podem ser utilizados componentes SMD com estas placas! Fonte de alimentação Figura 1.9 Placa branca. A fonte de alimentação existente tem disponíveis duas saídas variáveis capazes de fornecer uma tensão entre 0 e 20V. Estas saídas estão ligadas em série pelo que se se considerar o ponto médio como referência (massa), como normalmente acontece, numa das saídas a tensão é positiva e na outra negativa. Cada uma destas saídas pode fornecer uma corrente máxima de 1A. Existe ainda uma outra saída de 5V (constante) que pode fornecer uma corrente máxima de 5A. As referências das saídas variáveis e constante não estão ligadas internamente (referências flutuantes), sendo necessário fazê-lo externamente se ambas forem usadas. Além disso nenhuma destas massas está ligada à caixa da fonte pelo que não estão ligadas à terra do edifício, embora tal possa ser feito externamente. As saídas variáveis podem ser ajustadas de duas formas: a) no modo simétricas as saídas variam simetricamente, i.e. são iguais em módulo (um dos potenciómetros faz um ajuste grosso das tensões e o outro um ajuste fino); b) no modo independentes as saídas variam separadamente (um potenciómetro ajusta a tensão positiva e o outro a negativa). Os valores podem ser ajustados através de dois indicadores de ponteiro (onde também pode ser lida a corrente que cada saída está a fornecer) embora seja preferível que este ajuste seja feito utilizando o multímetro. NOTA: No modo simétricas é conveniente verificar se as saídas têm de facto a mesma amplitude pois tal pode não acontecer devido ao natural desajuste com o tempo de utilização. Neste caso é aconselhável a sua utilização no modo independentes Multímetro O multímetro digital existente nos laboratórios é um aparelho que permite a medição de tensões e correntes (contínuas e alternas) e resistências. Em alguns casos possui facilidades adicionais como, por exemplo a medição de capacidades. A sua utilização nesta cadeira está praticamente limitada à medição de resistências (e só naqueles casos em que o conhecimento do valor nominal não é suficiente em termos de precisão) e tensões contínuas. De facto, a medição de tensões (ou correntes) alternas está limitada a sinais sinusoidais, caso em que o valor indicado (r.m.s. ou eficaz) é correcto. Para qualquer outro tipo de sinal a indicação não é correcta podendo-se, em alguns casos particulares, fazer a respectiva correcção Pág. 1.6

7 desde que se determine o correspondente factor de correcção (é o caso das ondas triangulares e quadradas). A utilização de um multímetro de verdadeiro valor eficaz (designado TRMS - True RMS em inglês) e obviamente mais caro, não sofre deste inconveniente. Outro factor que limita fortemente a utilização do multímetro é a sua largura de banda. De facto, a indicação obtida é suficientemente precisa se a frequência do sinal estiver compreendida entre tipicamente 50 Hz e os 1000 Hz para os aparelhos mais vulgares como os do laboratório de E1. Para multímetros mais evoluídos (normalmente também TRMS) é de algumas dezenas de khz, chegando às centenas de khz em aparelhos de precisão. Em qualquer dos casos, pode-se concluir que a largura debanda é sempre muito inferior ao de um osciloscópio; por estas razões a utilização do multímetro nesta cadeira não é muito recomendada, devendo preferir-se sempre o osciloscópio. Um factor que convém ter presente quando se mede uma tensão é a impedância de entrada do aparelho. O seu valor é tipicamente 10MΩ para multímetros electrónicos, um valor que se pode considerar infinito sempre que a medida é realizada em pontos de baixa impedância. Para valores na ordem das centenas de KΩ ou MΩ, é conveniente fazer a correcção do valor medido Gerador de sinais O gerador de sinais (ou de funções) possui duas saídas, uma (pulse) em que a saída é uma onda quadrada com amplitude de 5V e outra (main) em que a forma de onda pode ser seleccionada entre 3 tipos: sinusoidal, triangular e quadrada. A amplitude pode ser variada tipicamente entre 0 e 20Vpp, podendo ainda ser variado o offset (o nível dc). Para gerar sinais de amplitude muito baixa, existem botões com atenuação fixa, tipicamente -20dB e -40dB (que atenuam respectivamente o sinal por 10 e 100 vezes. A frequência máxima possível é de 2MHz, sendo ajustada através da selecção da gama e de um modo contínuo através de um potenciómetro. Sempre que o valor da frequência precise ser ajustado com precisão tal deve ser feito medindo o período do sinal no osciloscópio. Em alguns casos (quando a impedância de entrada dos circuitos for baixa) pode ser necessário que o ajuste da amplitude se faça com o gerador ligado ao circuito devido à impedância de saída do gerador ser relativamente elevada (tipicamente 50Ω). O terminal de referência do gerador de sinais (massa) encontra-se ligado à terra do edifício (bem como toda a carcaça do equipamento) através da tomada de alimentação (tipo Schuko). Esta ligação destina-se a proteger os utilizadores de apanharem choques eléctricos mas limita a utilização do osciloscópio (ver à frente) uma vez que os seus terminais não podem ser usados indistintamente, como num multímetro Osciloscópio Em electrónica o osciloscópio é o aparelho de medida por excelência. A sua utilização correcta pode não ser fácil para quem ainda tem pouca experiência com este equipamento. As notas que se seguem pretendem ser apenas uma descrição sumária de alguns pontos considerados importantes para que a sua utilização seja feita de forma mais correcta. Modos chop e alternate O componente principal de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos. O feixe de electrões gerado internamente no tubo pode ser controlado em termos de espalhamento do feixe (botão focus) e intensidade (botão intensity) de modo a que no écran o sinal apareça com um traço bem definido. A visualização de um sinal (modo y-t) 6 é feita aplicando o sinal às placas deflectoras verticais em simultâneo com um sinal de varrimento, em forma de dente de serra (gerado internamente), aplicado às placas deflectoras horizontais. A conjugação destes dois campos eléctricos aplicados ao feixe permite a visualização de um sinal no écran, tal como mostra a Fig Existe também a possibilidade de às placas deflectoras horizontais ser aplicado um sinal exterior. Neste caso é possível a visualização de um sinal em função de outro, designando-se este modo por X-Y, e que permite, p. ex., traçar a curva característica de um componente (corrente versus tensão aplicada). Pág. 1.7

8 Volt/Div Sinal de entrada Amplificador vertical TRC Canhão de electrões Feixe de electrões Écran Circuito de trigger Base de tempo Amplificador horizontal Tempo/Div Figura 1.10 Esquema de visualização de um sinal no osciloscópio. Para a visualização de dois sinais o modo de funcionamento preferencial é o modo ALTERNATE (ou ALT). Neste modo, um dos sinais é aplicado às placas deflectoras verticais num dos varrimentos e, no varrimento seguinte, é aplicado o outro sinal. O processo repete-se alternadamente várias vezes por segundo de modo que o efeito visual é o de dois sinais perfeitamente estáveis. Quando a frequências dos sinais de entrada for baixa, o número de varrimentos possível não é suficiente para manter o aspecto estável. Nestas condições deve ser usado o modo CHOP, i.e. o modo onde em cada varrimento são aplicados segmentos dos dois sinais às placas deflectoras verticais. A duração de cada segmento é de tipicamente 1ms, o que permite obter o tal aspecto estável mesmo para sinais de baixa frequência. Acoplamento A aplicação de um sinal a um osciloscópio não é feita directamente às placas deflectoras verticais mas através de um amplificador de ganho variável que, por sua vez, ataca estas placas. O sinal pode, no entanto, ser aplicado a este amplificador através de um condensador de forma a retirar a componente contínua do sinal. Neste caso diz-se que o acoplamento é AC e sem condensador o acoplamento diz-se DC. A Fig mostra esquematicamente como é feito o acoplamento do sinal de entrada. Sinal de entrada GND AC DC Amplificador vertical Placas de deflexão vertical EXT V Circuito de trigger LINE Base de tempo Figura 1.11 Acoplamento de um sinal de entrada. Placas de deflexão horizontal Preferencialmente deve ser usado o acoplamento DC pois os sinais têm geralmente, para além da componente variável no tempo, uma componente contínua (o seu valor médio) que pode ser importante. A utilização do acoplamento AC retira esta componente e, além disso, introduz alguma distorção em sinais de baixa frequência. O acoplamento AC deve ser usado quando a componente variável do sinal tiver uma amplitude muito menor que a componente contínua (e neste caso não se pode esquecer que o sinal é a soma daquela componente variável com o nível médio medido em DC) ou quando a componente contínua não for relevante para o tipo de medida em causa (é o caso da medição do ganho de um amplificador). Trigger Como já foi dito atrás, um sinal aparece estável no écran à custa de vários varrimentos por segundo. No entanto, se cada varrimento não se iniciar no mesmo ponto do sinal a visualizar não é possível Pág. 1.8

9 manter o sinal estável. Para este fim, existe no osciloscópio um circuito de trigger (disparo), cujo princípio de funcionamento é ilustrado na Fig Sinal de entrada Nível de trigger Sinal de início de varrimento Sinal de varrimento Figura 1.12 Geração do sinal de trigger. Ao circuito de trigger são aplicados dois sinais (ver Fig. 1.8). Um deles pode ser um sinal exterior (trigger externo) ou um dos sinais a visualizar (trigger interno), existindo ainda outras opções como seja o trigger pela linha (rede). O outro sinal é gerado internamente (um sinal contínuo) cuja amplitude pode ser variada externamente (nível de trigger). O circuito de trigger faz a comparação dos dois sinais de entrada e gera um impulso responsável pelo início de cada varrimento (sinal em dente de serra). Enquanto um varrimento estiver a decorrer todos os outros impulsos não geram novos varrimentos (deste modo é possível visualizar um ou vários períodos do sinal de entrada). Este modo de funcionamento do trigger é designado por modo NORMAL. Um comutador no painel do osciloscópio (slope) permite definir se a comparação é feita na subida ou na descida do sinal de entrada. Acontece que quando o sinal a visualizar for contínuo, o sinal de entrada está sempre acima ou abaixo do nível de trigger pelo que a comparação dos dois não gera impulsos, logo não há varrimentos. Nestes casos, o trigger deverá estar em modo AUTO (automático), i.e. o modo onde, decorrido um dado período de tempo e na ausência de impulsos de início de varrimento, estes são gerados automaticamente. Medição de sinais Um osciloscópio serve para medir tempos e amplitudes em sinais. É pois importante que a sua utilização se faça de modo a que as medidas sejam feitas o mais correctamente possível. Na entrada de cada canal existe associado um comutador (com posições GND, DC e AC, as duas últimas já referidas) e um botão rotativo com indicação em Volt/div. Um sinal cuja amplitude seja de x divisões possui uma amplitude de valor x vezes o valor indicado pela posição do comutador rotativo. Isto só é válido se a entrada estiver calibrada, i.e. se o potenciómetro sobre o comutador rotativo estiver todo rodado para a direita. Além disso se este botão estiver puxado para fora, o amplificador vertical tem um ganho adicional de 5 e portanto, nas condições anteriores, o sinal possui uma amplitude x/5 vezes o valor indicado em Volt/div. O que foi dito relativamente ao processo de medição de amplitudes pode ser dito relativamente à medição de um dado tempo (geralmente um período do sinal de entrada). Neste caso a base de tempo (comutador rotativo) possui uma indicação em [tempo]/div e o período de um sinal com y divisões na horizontal possui um período de y vezes a indicação em [tempo]/div. Mais uma vez esta indicação só é correcta se o respectivo botão de calibração estiver todo rodado para a direita (base de tempo calibrada). Se a base de tempo estiver calibrada mas o botão puxado para fora o período do sinal nas condições anteriores é agora de y/10 vezes a indicação do comutador rotativo. As medidas são tanto mais precisas quanto maior o número de divisões (na vertical ou na horizontal) forem consideradas nessa medida. É pois necessário proceder ao ajuste do ganho e base de tempo para que apresentem o valor mais adequado a cada medida. Além disso antes de cada medida a entrada do canal deve ser colocada na posição GND de forma a colocar a referência (0V) na posição mais conveniente. Pág. 1.9

10 Terra e massa do osciloscópio Tal como no gerador de sinais, também no osciloscópio a massa está ligada à blindagem do aparelho que, por sua vez e para efeitos de protecção dos utilizadores, está ligada à terra do edifício. Esta ligação impede que a referência da ponta de prova do osciloscópio (ver tipos e características mais à frente) possa ser ligada noutro ponto que não seja o mesmo ponto onde está ligada a referência do sinal de entrada (do gerador). Se as massas forem ligadas em sítios diferentes um curto-circuito vai aparecer nestes pontos. Pela mesma razão, na visualização de dois sinais as massas das duas pontas do osciloscópio devem ser ligadas no mesmo ponto 7. Diferença de sinais Do que ficou dito no ponto anterior, sempre que seja necessário medir a tensão aos terminais de um componente em que nenhum dos terminais está ligado à massa, tal não pode ser feito de forma directa. Nestes casos, um dos canais é ligado num dos lados do componente e o outro canal do outro lado (as massas dos dois canais devem ser ligadas na massa do gerador). Com os amplificadores de ambos os canais na mesma posição (em termos de Volt/div) e calibrados, inverte-se o canal 2 (existe um botão para o efeito) e adicionam-se os dois canais (posição ADD), obtendo-se assim a diferença dos dois, i.e. a tensão aos terminais do componente. Pontas de prova As pontas de prova são os cabos que permitem ligar o circuito ao osciloscópio. As pontas de prova usadas têm geralmente um comutador com duas posições (x1 e x10). Na posição x1, o circuito é ligado directamente à entrada do osciloscópio e o valor da amplitude medida é o valor real no circuito. Como a resistência de entrada de cada canal do osciloscópio é de apenas 1MΩ, os problemas de medição em pontos de alta impedância, referidos para o multímetro, são neste caso mais graves. Além disso, a capacidade parasita do cabo e da entrada do osciloscópio (tipicamente 20pF) fazem com que a impedância de entrada diminua com a frequência, ou seja, para a mesma amplitude do sinal a medir o valor lido no osciloscópio diminui com o aumento da frequência. Os multímetros também sofrem este efeito, e já agora, é de relembrar que a frequência máxima de operação do multímetro é muito inferior à do osciloscópio. Na posição x10, a ponta introduz em série com a entrada do osciloscópio (Ri em paralelo com Ci) uma reinsistência Rc em paralelo com uma capacidade variável Cc, tal como mostra a Fig O valor de Rc é de 9MΩ e Cc de alguns pf. Cc Vcir Vosc Rc Ponta Ri Ci Osciloscópio Figura 1.13 Esquema de uma ponta de prova x10. 7 Em princípio, sempre que seja usado o gerador de sinais, a ligação da massa do osciloscópio poderia não ser necessária uma vez que estas já estão ligadas através do circuito de terra. O problema é que esta ligação é feita por um anel de tal modo grande que as tensões de ruído induzidas (nomeadamente devido à rede de alimentação de 50Hz) podem impedir a correcta visualização do sinal. Deste modo, é sempre necessária a ligação de pelo menos uma massa de uma ponta do osciloscópio. Pág. 1.10

11 A primeira grande alteração relativamente ao caso anterior é que agora a resistência apresentada ao circuito no processo de medida é de 10MΩ (tal como o multímetro). Como consequência a amplitude do sinal na entrada do osciloscópio é de apenas 1/10 do valor no circuito. Assim, o valor real da tensão no circuito é o medido no osciloscópio (nº divisões vezes a escala) multiplicado pelo factor 10 (daí o x10 da ponta). Obviamente, com este tipo de ponta é mais difícil a medição de sinais de pequena amplitude. A grande vantagem da ponta de prova x10 é a de que, com um ajuste conveniente (Cc=Ci/9), o sinal na entrada do osciloscópio (Vosc) é sempre 1/10 do sinal a medir (Vcir), independentemente do valor da frequência, como facilmente pode ser demonstrado. Para que isto seja verdade é preciso que, com alguma frequência, se proceda à calibração da ponta de prova. Para efeitos de calibração das pontas, os osciloscópios dispõem de um sinal quadrado (tipicamente 1Vpp a 1KHz) no painel frontal. A visualização deste sinal permite que a calibração da ponta se faça, ajustando a capacidade variável (Cc) até que o sinal se pareça o mais possível com uma onda quadrada perfeita Medidas Para o circuito da Fig. 1.14, e com R1=R2=1KΩ, ajuste a tensão em B (com o osciloscópio) de forma a que a amplitude seja de 4Vpp. B R2 4Vpp 100Hz A R1 Figura 1.14 Circuito de teste. 1. Meça com o multímetro o valor da tensão em A. 2. Mantendo a mesma amplitude pico-a-pico altere a forma de onda para triangular e quadrada. Meça os novos valores da tensão em A. Conclua em função dos valores eficazes esperados. 3. Retorne ao sinal sinusoidal original. Aumente a frequência até que o valor da tensão em A desça para 1/sqrt(2) do valor anterior. Tome nota do valor da frequência. 4. Para a frequência inicial, meça com o osciloscópio a tensão em A. Aumente a frequência e verifique se é possível (com o gerador disponível) medir a frequência que provoca a mesma atenuação. Quais as conclusões que pode tirar? 5. Meça, com o osciloscópio, a tensão em R2 (com os valores de entrada indicados no esquema). Altere as resistências R1 e R2 para 1MΩ. 6. Meça os valores da tensão em A com o multímetro e com o osciloscópio com as pontas em x1 e x10. Obtenha uma estimativa dos valores da resistência de entrada dos aparelhos de medida. 7. Para cada uma das medidas anteriores aumente a frequência do sinal e meça as respectivas frequências de corte. Para cada caso, obtenha uma aproximação das respectivas capacidades de entrada. Pág. 1.11

12 1.3 Resistência de entrada e de saída Resistência de entrada O modo de medição da resistência de entrada de um circuito está ilustrado na Fig (a resistência dentro da caixa representa a resistência de entrada). A introdução de uma resistência R em série com a resistência a medir forma um divisor resistivo que permite, através da medição das tensões V1 e V2, determinar Ri. Facilmente se pode mostrar que: Ri=V2.R/(V1-V2) Notas: a) O valor de R deve ser escolhido (por tentativas) de tal modo que V2 seja próximo de metade de V1. Nestas condições o erro associado à determinação de Ri é menor. b) Nem sempre a ligação do gerador de sinal (assumindo que a resistência de entrada a medir é uma resistência para sinal) pode ser feita directamente ao circuito (por exemplo pode alterar a polarização do circuito). Nestes casos deve ser ligado um condensador entre as duas resistências de valor tal que a sua impedância, à frequência de medida, seja desprezável. V1 R V2 Vi Ri Figura 1.15 Medição da resistência de entrada Resistência de saída O processo de medição da resistência de saída é em tudo idêntico ao anterior. Neste caso mede-se o valor da tensão de saída com esta em aberto, sendo o valor medido igual a Vo 8. De seguida colocase uma resistência R na saída e mede-se o valor de Vol. O valor de Ro é dado por: Ro=(Vo-Vol).R/Vol Notas: c) O valor de R deve ser escolhido (por tentativas) de tal modo que Vol seja próximo de metade de Vo. Nestas condições o erro associado à determinação de Ro é menor. d) Nem sempre a ligação da resistência R pode ser feita directamente ao circuito (pelas mesmas razões apontadas no caso da medição da resistência de entrada). Nestes casos deve ser ligado um condensador entre a saída do circuito e a resistência R de valor tal que a sua impedância, à frequência de medida, seja desprezável. Ro Vol Vo R Ro Figura 1.16 Medição da resistência de saída. 8 Na realidade a introdução do aparelho de medida coloca na saída a sua resistência de entrada como vimos anteriormente mas esta é de tal modo elevada que, neste caso, pode ser considerada infinita. Pág. 1.12

13 1.3.3 Medidas Determinar o valor de uma resistência de valor desconhecido (fornecida pelo docente) e o valor da resistência de saída do gerador de sinais. 1.4 Circuitos RC passa-baixo e RC passa-alto Circuito RC passa-baixo 1. Dimensione um circuito RC passa-baixo que apresente uma frequência de corte (fc) de 10KHz e que, a essa frequência, o módulo da impedância seja de 10KΩ. Aproxime os valores calculados pelos valores standard mais próximos. 2. Monte o circuito e trace o diagrama de Bode aproximado da resposta em frequência. Meça a frequência de corte e o desfasamento a essa frequência. 0dB -20dB -40dB 100 1K 10K 100K 1M Figura 1.17 Resposta em frequência do circuito RC passa-baixo. 3. Com uma onda quadrada na entrada meça os tempos de subida e de descida 9. Compare os valores medidos com o valor dado por 0.35/fc. 4. Ainda com uma onda quadrada na entrada verifique a partir de que frequência é que o circuito se comporta como um integrador. Compare o valor obtido com fc Circuito RC passa-alto 5. Com os valores obtidos anteriormente para R e C, repita o ponto 2 anterior. 0dB -20dB -40dB 100 1K 10K 100K 1M Figura 1.18 Resposta em frequência do circuito RC passa-alto. 6. Com uma onda quadrada na entrada meça o tilt (Nota: neste ponto use uma frequência de 10KHz e altere o condensador para150nf). Relacione esse valor com a nova frequência de corte. 7. Com uma onda triangular na entrada (e o valor de C inicial) determine para que frequências é que o circuito se comporta como um diferenciador. Compare esse valor com fc. 9 O tempo de subida (descida) é definido como o tempo que um sinal demora a passar de 10% (90%) a 90% (10%) do valor final. Pág. 1.13