Pequena aula sobre instrumentos de medição e outros aparelhos da bancada

Essa é minha mensagem de número 1501, especial portanto.

Pequena aula sobre instrumentos de medição e outros aparelhos úteis na bancada

Já falei um pouco sobre as grandezas elétricas e suas unidades, mas como são medidas estas grandezas que muitas vezes não podemos nem ver ou sentir (sem levar choque) ? Para medirmos comprimentos e dimensões físicas, podemos usar réguas, trenas, escalas, e para pequenos valores e com maior precisão, instrumentos como paquímetros e micrômetros. Para medirmos o tempo usamos relógios e cronômetros. Para massa e peso, usamos balanças e tanto para comprimentos ou pesos podemos ver ou sentir.
No caso de medidas elétricas nem podemos ver nem sentir (a menos que goste de ficar levando choque...). Qual seriam os instrumentos usados para medir grandezas elétricas ?
Obs. o objetivo não é ensinar a utilizá-los, mas apenas descrever o que são e o que fazem.

A base de muitos instrumentos de medições elétricas é o galvanômetro. Um galvanômetro é um medidor baseado no princípio de que uma corrente elétrica passando por um condutor, cria um campo magnético ao redor que pode interagir com campos magnéticos externos. Como sabemos, campos magnéticos opostos se atraem e iguais se repelem (os pólos de dois imãs: norte com norte se repelem, sul com norte se atraem, todo mundo já brincou com isso). Se um fio conduzir uma corrente elétrica e estiver sob influência de um campo magnético ao redor dele, o campo magnético gerado pela corrente vai interagir criando uma força de atração ou repulsão. Esse princípio também é usado na construção de motores elétricos, fazendo com que a energia elétrica seja transformada em movimento (energia mecânica). O interessante é que quanto maior for a intensidade da corrente elétrica, maior será o campo magnético criado e maior a força de interação com o campo magnético externo. Há uma proporcionalidade entre a corrente e o campo magnético. Se fizermos a corrente passar por um condutor que esteja enrolado formando vários laços ou voltas, o campo magnético será multiplicado. Se essas várias voltas de condutor (fio) estiverem num suporte (bobina) que pode se movimentar de acordo com a força de interação dos campos magnéticos, poderemos visualizar quanto de corrente elétrica percorre o condutor, pois mais corrente = maior movimento, menos corrente = menor movimento ou deslocamento. Se grudarmos uma agulha ao conjunto de bobina e fio enrolado nela, poderemos ter um indicador que apontará um valor numa escala (uma régua). Ao desligar a corrente passando pelo fio da bobina, o indicador (ponteiro) deve voltar para o zero, então acrescentamos uma mola para fazer o conjunto da bobina retornar. Se essa bobina for fixada pelo meio por um eixo, então o movimento será rotacional e o medidor fará movimentos alterando o posicionamento angular do ponteiro. Um galvanômetro de bobina móvel é composto então de uma bobina giratória, rodeada por um imã permanente, com fio enrolado, preso a um eixo que somente deixa a bobina girar, uma mola pra retorno, um ponteiro preso à bobina e uma escala indicando valores. A corrente vai causar um movimento na bobina (deflexão) e consequentemente mover o ponteiro que vai indicar o valor da corrente. Um galvanômetro é um medidor de corrente. Como geralmente ele mede correntes muito baixas, da ordem de miliampéres ou mesmo microampéres, ele é chamado nesses casos de miliamperímetro ou microamperímetro. A escala vai de zero até um valor que denominamos de corrente de fundo de escala, que seria o valor máximo que o medidor poderia medir ser incorrer em dano (há um pino no final pra limitar o curso do ponteiro). Valores típicos de corrente de fundo de escala podem ser 1mA, 50uA, 100uA. Quanto menor a corrente de fundo de escala, mais sensível o medidor será.
Observe que o medidor só mede corrente contínua, de modo que a corrente só pode fluir numa direção através do enrolamento da bobina, portanto há dois terminais, um positivo (por onde entra a corrente) e um negativo (por onde sai a corrente). Se fizermos a corrente elétrica entrar pelo terminal negativo e sair pelo positivo, o movimento da bobina será inverso e poderá estragar o medidor, entortando o ponteiro. Entretanto alguns galvanômetros possuem uma escala nos dois sentidos (positiva e negativa) com o ponteiro inicialmente no centro, estes podem receber corrente nos dois sentidos e são úteis em instrumentos chamados pontes de Wheatstone (para medir resistências). Obviamente fazer passar uma corrente acima da máxima suportada pela bobina, vai fazer com que o enrolamento se queime, estragando o galvanômetro.
Como a bobina possui um enrolamento com várias espiras (voltas) e o fio é relativamente fino, ela vai apresentar uma resistência. Essa resistência representa a resistência interna do galvanômetro e pode ficar na casa dos milhares de ohms.
Com um galvanômetro podemos criar outros instrumentos de medição, como o amperímetro, o voltímetro e o ohmímetro. Quanto mais sensível for o galvanômetro, mais úteis e precisos serão os instrumentos derivados dele.
Para aumentar o valor máximo que pode ser medido por um galvanômetro (microamperímetro ou miliamperímetro), usamos uma resistência de desvio (chamada de "shunt"), assim se o miliamperímetro tiver corrente de fundo (ou final) de escala de 1mA e quisermos medir até 1 ampére, teremos colocar uma resistência em paralelo com a bobina calculada de forma tal que pela bobina passe somente até 1mA e os restantes 999mA passem pela resistência shunt. Normalmente essa resistência shunt tem valores bem baixos e pode ser de potência. Fazendo assim, conseguimos medir altas correntes, bastando apenas desviar a corrente excedente. A corrente que passa efetivamente no miliamperímetro é proporcional à corrente total e basta alterar os valores da escala do ponteiro. É fácil perceber que para a corrente desviar para a resistência shunt, esta deve ser de um valor 999 vezes menor do que a da resistência da bobina.
Para conseguirmos medir a grandeza tensão com um galvanômetro, também podemos lançar mão de resistências externas à bobina de forma a compensar o excedente de tensão que a bobina pode medir efetivamente. Se multiplicarmos o valor da resistência interna da bobina pelo valor de corrente de fundo de escala, teremos o valor da tensão de fundo de escala (corrente vezes a resistência = tensão aplicada na bobina) que faz o ponteiro se movimentar até o final da escala. Digamos que esse valor seja de 1mA x 1000 ohms = 1 volt. Nosso miliamperímetro fictício é também um voltímetro de até 1V. Mas se quisermos medir até 10V, temos que fazer com que o excedente de tensão fique em outro lugar, que também será uma resistência externa. Só que agora, ao invés de estar conectada em paralelo com a bobina, ela estará ligada em série. Calculando-se um valor de forma que dos 10 V, 9 V fiquem sobre esta resistência interna e apenas 1 V fique sobre a bobina, é fácil deduzir que a resistência interna tem que ter 9 vezes o valor da resistência da bobina. O nome desta resistência é multiplicadora (ela é maior do que a da bobina e multiplica o valor do fim da escala). Utilizando resistências de alto valor, conseguimos alterar o valor da tensão possível de ser medida. A tensão sobre a bobina será proporcional à tensão sobre o conjunto todo, bastando alterar (rescrever) os valores da escala.
É importante notar que quanto maior a resistência interna (resistência da bobina + resistência multiplicadora) do voltímetro, melhor ele será. No amperímetro é melhor ter a menor resistência interna possível (da bobina em paralelo com a shunt). Dessa forma, menor será a influência do medidor sobre o circuito sendo medido e menor o desvio do valor medido em relação ao valor real e isso depende muito da sensibilidade do galvanômetro.

Também podemos utilizar o galvanômetro para criar um medidor de resistência, só que precisaremos do auxílio de uma fonte de tensão, que na maioria das vezes é uma pilha de 1,5 V. Como a corrente elétrica diminui com a resistência elétrica de um circuito, e a corrente aumenta com a diminuição da resistência, dizemos que a corrente é inversamente proporcional à resistência. Como nosso medidor sempre mede no final das contas a corrente que efetivamente passa pela bobina, se colocarmos uma resistência em série com a bobina e ambos alimentados por uma bateria, vai haver a passagem de uma corrente elétrica. Se nosso medidor de corrente tiver uma corrente de fundo de escala de 1 mA e resistência interna de 1000 ohms, ao colocarmos um resistor de 1000 ohms em série, a corrente que passa será de 1,5 V/2000 ohms = 0,75 mA, quase perto do fim da escala. Se ligarmos 500 ohms em série, a corrente será de 1 mA, ou seja no fim da escala. Menos do que 500 ohms, a corrente passará de 1mA e o ponteiro tentará passar do fundo de escala. Se deixarmos o circuito aberto, a resistência do circuito será infinita e a corrente será zero (o ponteiro não se move). Por outro lado, nossa bobina com a resistência de 500 ohms em série e alimentada pela pilha, alcançara o valor de corrente máxima mensurável pelo medidor, qualquer valor acima de 500 ohms fará a corrente diminuir e fazer o ponteiro se mover menos. Assim é fácil perceber que a escala será invertida. Quanto maior a resistência em série com a bobina+resistor de 500 ohms, menor será a corrente. Se deixarmos apenas a bobina+resistor de 500 ohms, teremos corrente máxima. Se considerarmos que a bobina + 500 ohms seja ajustada para representar valor zero, e que só mediremos resistências que serão somadas a esse conjunto, podemos então criar uma escala onde o final é o valor zero de resistência (em curto circuito, ligando as pontas do medidor) e o local na escala onde o ponteiro estiver em repouso for o valor máximo de resistência (circuito aberto, ponteiras de prova sem ligar a nada), qualquer outro valor de resistência ligada em série vai fazer o ponteiro se mover para um ponto intermediário entre o começo e o final da escala. A única observação é que a escala não será linear como a dos medidores de corrente e de tensão. No caso, a resistência de 500 ohms usada para ajustar o final de escala (ou zero da escala de resistência) costuma ser um potenciômetro para compensar o desgaste da pilha, e calibrar o zero, juntando-se as duas pontas de prova. No caso, se a tensão da pilha cair para 1,4 V, o potenciômetro precisa ser ajustado para 400 ohms e assim conseguirmos novamente 1 mA ao juntarmos as duas pontas de prova, o circuito se feche com os 1000 ohms da bobina mais 400 ohms em série com a pilha de agora 1,4 V.
Quando temos um aparelho de medição que consegue medir corrente, tensão e resistência num único instrumento, chamamos ele de multímetro (multi medidor) e a seleção da função e escalas é feita por uma chave rotativa, que vai comutando as resistências em série ou em paralelo adequadas para cada função e fundo de escala. Além dessas funções primárias, o multímetro pode medir mais coisas, por exemplo medir tensões alternadas, onde são acrescentados circuitos retificadores ao circuito do voltímetro. O multímetro é o instrumento número 1 e essencial na bancada de eletrônica. Sem ele é quase impossível resolver algum problema num circuito.
O multímetro que descrevi acima, como um relógio de ponteiros é chamado de analógico, pois utiliza ponteiro e escalas para sabermos a medição realizada. Da mesma forma que existem relógios digitais, que apresentam os valores mostrando dígitos numéricos, também existem multímetros e medidores digitais. Basicamente os medidores digitais realizam a medição fazendo amostras do valores de tensão e fazendo uma conversão de valor analógico para digital (existem circuitos conversores A-D analógico para digital) e depois apresentados num display de cristal líquido ou leds. Um multímetro digital sempre precisa ser alimentado por uma bateria ou fonte de alimentação, um multímetro analógico somente precisa para medir resistência. Há algumas vantagens e desvantagens no uso de um ou de outro (por ex. precisão, seleção de escala automática, facilidade e rapidez de visualização, inversão de polaridade dos terminais das pontas, resistência de entrada, etc), o ideal é ter os dois tipos na bancada e ter um conjunto de instrumentos que pode às vezes ter outras funções como teste de transistores e diodos, medição de capacitores, continuidade, entre outros.

Como eu disse, não podemos ver corrente elétrica, nem tensão elétrica, mas podemos medir com o multímetro, isso é, ter um valor que represente estas grandezas. Se a grandeza medida for contínua, não importa muito saber mais do que o valor dela. Mas se ela sofrer variação com o tempo ou tiver mudanças bruscas no valor, seria interessante visualizarmos o que acontece e de que forma acontecem essas variações no valor. Além disso, essas variações podem ser muito rápidas e não podem ser captadas ou percebidas pelo multímetro. Por exemplo um ponto de um circuito pode ter uma tensão que fica variando de 0 V a 10 V umas 10 vezes por segundo. Isso vai fazer com que o ponteiro do voltímetro fique num vai vem danado e você não vai conseguir medir nada pois ele não para quieto. Ou se a taxa de variação e repetição for muito rápida, o ponteiro tende a se mover para um valor médio, correto muitas vezes, mas sem dar dicas do que está ocorrendo na realidade.
Pra essas medições, existe um instrumento muito útil chamado osciloscópio. Ele permite que vejamos o que ocorre com um sinal medido (grandeza tensão) que varia seu valor com o tempo. Mesmo variações muito rápidas podem ser visualizadas e medidas com o osciloscópio. Um osciloscópio é um instrumento muito parecido com uma televisão, principalmente com relação à tela, que é parte de um tubo de raios catódicos (uma válvula especial) que mostra imagens na parte da frente. Na TV, a tela apresenta imagens continuamente numa velocidade muito alta para nossos olhos, formada por um feixe de elétrons que bate na tela e estimula uma camada de fósforo a brilhar quando atingida. Esse feixe faz um movimento de zig zag da esquerda para direita e de cima para baixo, montando imagens. O osciloscópio vai fazer a mesma coisa, só que a imagem vai depender de duas coisas: do valor da tensão na sua entrada que vai determinar se o feixe vai ficar mais para cima ou mais para baixo da tela (sentido vertical) e da velocidade que escolhermos para fazer o movimento da esquerda para a direita (sentido horizontal). Quanto maior a tensão do sinal, o feixe tende subir, quanto menor a tensão do sinal, o feixe tende a descer. Dessa forma, colocando uma escala na tela, podemos medir o valor da tensão. Quem seleciona a velocidade do feixe no sentido horizontal somos nós e existem várias possibilidades: fazer com que o feixe (e consequentemente o ponto luminoso na tela) se desloque bem devagar o que faz aparecer só o ponto se deslocando, ou bem depressa o que engana nossa vista e faz aparecer uma linha contínua na tela. Combinando-se os dois movimentos, vertical dependente da tensão. e horizontal velocidade do feixe podemos fazer aparecer e representar como se comporta a forma do sinal medido em relação ao tempo. Novamente, colocando uma escala horizontal na tela, podemos medir o tempo e assim quanto tempo leva para o sinal medido mudar de valor e se for o caso ficar repetitivo (chamamos de periódico). Essa é a grande vantagem do osciloscópio, agora além de medir o valor do sinal, podemos ver como é o sinal, qual o valor máximo, qual o valor mínimo, a cada quanto tempo ele se repete (período e por tabela a frequência), e o legal é que podemos fazer medições e visualizar dois sinais ao mesmo tempo (tem osciloscópios com muitos canais), comparando um sinal com o outro, além de outras características úteis como por exemplo se há atraso do sinal em relação a outro, se existem ruídos ou oscilações parasitas, etc.
Da mesma forma, existe osciloscópio analógico e osciloscópio digital. A diferença é que o digital realiza novamente muitas amostragens (medições) de tensão do sinal em vários momentos, realiza as conversões analógico-digitais, guardando os valores e depois plota os pontos numa tela quadriculada, que hoje em dia é de cristal líquido como a de computadores notebook.

Muitas vezes, pra se testar um circuito eletrônico, principalmente em áudio, precisamos inserir um sinal pra que possa ser verificado o funcionamento correto das etapas e blocos que compõem um circuito. O aparelho mais usado para esse fim é um gerador de sinais de áudio, que basicamente é um circuito oscilador que pode fornecer um sinal de formato senoidal ou quadrado de diversas frequências e amplitude. A seleção de frequências e amplitudes é feita através de um dial com escala e várias chaves e botões. A faixa de frequências varia de alguns hertz a centenas de milhares de hertz (kHz). Se acontecer de haver interrupção do sinal, ou mesmo uma distorção muito significativa do sinal no circuito, podemos com a ajuda do osciloscópio descobrir a etapa com defeito ou mau funcionamento.

Outro instrumento que pode ser útil numa bancada é um instrumento pra se medir a frequência de um sinal, e é chamado de frequencímetro. Basicamente um frequencímetro é um contador digital que recebe um sinal na entrada e conta quantos ciclos de período ocorrem num determinado período de tempo e apresenta a contagem num display (a contagem representa a frequência). A faixa de frequências pode variar de alguns hertz a bilhões de hertz (giga hertz). São muito úteis para se medir e ajustar circuitos osciladores, filtros, e qualquer circuito que contenha sinais alternados.

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