Experiência

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(
Nota:
) Prova
( ) Prova Semestral
) Exercícios
( ) Prova Modular
) Segunda Chamada
( ) Exame Final
) Prática de Laboratório
) Aproveitamento Extraordinário de Estudos
Disciplina:
Professor:
Turma:
Data:
Aluno (a):
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;
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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]
“1O 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
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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
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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. 2009.
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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.
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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 Tr, 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.
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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 
 2b 
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
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partir do número de vezes que a figura toca na linha de tangência horizontal e na vertical.
Desta forma:
Relação entre Frequências:
FV N° de pontos de tan gência horizontal N H
=
=
FH
N° de pontos de tan gência vertical
NV
No caso da figura 05:
FV 1
=
FH 2
Na figura 07 é possível visualizar diversas outras figuras de Lissajous, conforme a
relação entre frequências.
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Figura 07 – Diversas Figuras de Lissajous
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Fonte: http://www.scielo.br/img/revistas/rbef/v27n4/a12fig01.gif
1. Lista de Material e Equipamentos
Protoboard;
Jumpers;
Alicates de Corte;
Transformadores 12+12 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 CAGND-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.
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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:
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Tabela 01
Tensão (medida
com o multímetro)
Posição da chave
de ganho vertical
Número de divisões Tensão medida com
na tela
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:
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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
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f (Hz)
Onda Senoidal
Posição de
No de
Varredura
divisões
T
f
T
f
T
f
1000
5000
Tabela 03 – Onda Quadrada
f (Hz) Gerador
Onda Quadrada
Posição de
No de
Varredura
divisões
500
50k
Tabela 04 – Onda Triangular
f (Hz) Gerador
Onda Triangular
Posição de
No de
Varredura
divisões
1500
450 k
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.
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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.
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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:
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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
R1=
10
R2=
R3=
R1=
100
R2=
R3=
Forma de onde para capacitor em _____ e resistor_______
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Forma de para capacitor em _____ e resistor_______
Forma de para capacitor em _____ e resistor_______
g. Desconecte o Osciloscópio do circuito.
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6. REFLEXÕES
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