Índice - Teoria e Funcionamento - Primeira Parte 1 - Funcionamento do Osciloscópio
Para quem pensa que osciloscópio de raios catódicos é um instrumento novo, basta dizer que ele foi inventado em 1897 por Ferdinand Braun, tendo então a finalidade de se analisar as variações com o tempo de intensidade de tensão. Em 1897 foi o mesmo ano em que J.J. Thomson mediu a carga do elétron a partir da sua deflexão por meio de campos magnéticos. Foi somente com a utilização de tubos de raios catódicos feitos por Welhnet, em 1905, é que foi possível a industrialização deste tipo de equipamento que até hoje se encontra, com muitos aperfeiçoamentos. A finalidade de um osciloscópio é produzir num anteparo uma imagem que seja uma representação gráfica de um fenômeno dinâmico, como por exemplo: Pulso de tensão, uma tensão que varie de valor com relação ao tempo, a descarga de um capacitor, etc. Pode-se também, através de um transdutor adequado, avaliar qualquer outro fenômeno dinâmico, como exemplo: a oscilação de um pêndulo, a variação da temperatura ou de luz de um ambiente, as batidas de um coração. Dependendo da aplicação, os osciloscópios modernos podem contar com recursos próprios, o que significa que não existe um só tipo no mercado. Isso ocorre porque os fenômenos que se deseja visualizar na tela pode ter duração que vai de alguns minutos até a alguns milionésimos de segundo. Da mesma forma, os fenômenos podem se repetir numa certa velocidade sempre da mesma forma, ou então podem ser únicos, ocorrendo por um só instante apenas uma vez. O osciloscópio básico pode permitir a visualização de fenômenos que durem desde alguns segundos até outro que ocorram milhões de vezes por segundo. A capacidade de um osciloscópio em apresentar em sua tela fenômenos curtíssimos é dada pela sua resposta de freqüência. Tipo os que são da faixa de 20 a 100 MHz que são os mais comuns e servem para a desenvolvimento de projetos na maioria das bancadas de indústrias. Para poder visualizar os fenômenos com precisão os osciloscópios possuem recursos adicionais e controles que podem variar bastante com o tipo. Nos mais simples tem-se apenas a possibilidade de sincronizar um fenômeno com base de tempo interna enquanto que em outros isso pode ser estendidos a bases externas e em alguns casos até há circuitos de digitalização que "congelam" a imagem para facilitar a análise posterior. Na verdade, a existência de circuitos capazes de processar um sinal digitalmente nos leva a existência de osciloscópios que são verdadeiros computadores. Estes além de poderem digitalizar uma imagem , o que significa a facilidade maior de análise, pois pode-se "paralisa-la" na tela a qualquer momento, também podem realizar cálculos em função do que foi armazenado. não é difícil de se encontrar osciloscópios que além de apresentarem na tela uma forma de onda, uma senóide por exemplo, também apresentam de forma numérica os seus valores de pico, sua freqüência, período, apresentam até mesmo eventuais distorções que existam. O osciloscópio de raios catódicos é, provavelmente, o equipamento mais versátil para o desenvolvimento de circuitos e sistemas eletrônicos e tem sido uma das mais importantes ferramentas para o desenvolvimento da eletrônica moderna. Uma de suas principais vantagens é que ele permite que a amplitude de sinais elétricos, sejam eles voltagem, corrente, potência, etc., seja mostrada em uma tela, em forma de uma figura, principalmente como uma função do tempo. O funcionamento se baseia em um feixe de elétrons que, defletido, choca-se contra uma tela fluorescente, esta, sensibilizada emite luz formando uma figura. A figura formada na tela pode ser comparada com outra, considerada ideal, desse modo pode-se reduzir a área danificada em um circuito eletrônico. A dependência com o tempo do feixe se resolve fazendo o feixe de elétrons ser defletido em um eixo de coordenadas similar ao sistema cartesiano, o que nos leva a construções gráficas bidimensionais. Por via de regra, o eixo X corresponde a deflexão do feixe com velocidade ou taxa de deslocamento constante em relação ao tempo. O eixo Y é defletido como resposta a um sinal de entrada, como por exemplo uma tensão aplicada a entrada vertical. O resultado é a variação da tensão de entrada dependente do tempo. Dispositivos de registros em função do tempo existem a muito tempo, entretanto, o osciloscópio é um equipamento de resposta muito mais rápida que os registradores eletromecânicos, pois permite resposta da ordem de microsegundos. A parte principal de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos. Este tubo necessita, entretanto, usar uma série de circuitos auxiliares capazes de controlar o feixe desde sua geração até o ponto onde este incidirá sobre a tela. Todo osciloscópio de serviço está composto das seguintes partes: Fonte de alimentação; Tubo de raios catódicos; Base de tempo; Amplificador Horizontal; Amplificador Vertical. A fonte de alimentação deve fornecer os diversos níveis de tensões c.c. exigidas pelo tubo de raios catódicos, para promover as ações de controle, aceleração, focalização e deflexão, bem como fornecer as demais tensões necessárias à operação dos demais circuitos do osciloscópio. Para acelerar o feixe de elétrons, tensões da ordem de alguns milhares de volts são necessárias, enquanto uma baixa tensão é necessária para o aquecimento do filamento o que, em geral, é conseguido por uma tensão c.a. de 6,3V proveniente de enrolamento isolado do transformador de força, de forma que o potencial de aquecimento seja próximo ao potencial do cátodo evitando, assim, a ruptura do isolamento entre o cátodo e o filamento aquecedor. Para a alimentação dos outros circuitos, diferentes níveis de tensão são exigidas, em geral nunca ultrapassando algumas dezenas de volts. Em geral a fonte fornece as seguintes tensões ao osciloscópio: Baixa tensão para o filamento do TRC; Baixa tensão para o filamento das válvulas do osciloscópio; Baixa tensão para o filamento das válvulas, ou válvulas retificadoras de alta tensão; Alta tensão para os ânodos das válvulas do osciloscópio; Alta tensão para os ânodos do TRC; Tensão muito alta para o ânodo final dos tubos de raios catódicos; Para a obtenção destas tensões, normalmente, se usa um ou dois transformadores. Estes transformadores deverão ter projeto especial de forma reduzir ao máximo o campo de dispersão magnética, já que de outra forma este campo poderia influir desfavoravelmente sobre o traço luminoso na tela do tubo de raios catódicos. Pouquíssimos circuitos requerem potência significativa, o que simplifica o projeto da fonte de alimentação, pois as diversas tensões exigidas pelos circuitos são conseguidas por meio de divisores de tensão. 1.2 - TUBOS DE RAIOS CATÓDICOS É um tipo especial de válvula na qual os elétrons emitidos do cátodo se reordenam num feixe estreito e se aceleram a alta velocidade, antes de se chocarem contra uma tela recoberta de fósforo. A tela se torna fluorescente no ponto em que o feixe eletrônico se choca e proporciona assim uma indicação visual para radar, sonar, rádio, indicadores de direção de televisão. Em geral, um TRC possui as seguintes partes ou eletrodos: Filamento; Cátodo; Grade de controle; Ânodo de focalização e aceleração; Placas de deflexão horizontal e vertical; Tela fluorescente. A figura abaixo mostra o esquema de um tubo de raios catódicos:
É o elemento responsável pela energia calorífica necessária ao desprendimento de elétrons no cátodo. Consiste de um fio trançado, de resistência adequada, alojado no interior do cátodo. Ao se aplicar nas extremidades do filamento uma tensão c.a., normalmente de 6,3V, este se incandesce, por efeito Joule, que aquece o cátodo que o recobre.
É o elemento responsável pela emissão dos elétrons ( cerca de seis bilhões de elétrons por segundo são emitidos). Consiste de um cilindro metálico recoberto de óxidos especiais, que emitem elétrons quando aquecidos . Possuem um alto potencial negativo. É o elemento que regula a passagem de elétrons procedente do cátodo em direção ao ânodo. Consiste de um cilindro metálico com um orifício circular no fundo, rodeia o ânodo. Possui o mesmo potencial que ânodo. Quando se controla o potencial desta grade verifica-se um aumento ou diminuição do brilho da imagem. 1.2.4 - ANODO DE FOCALIZAÇÃO E DE ACELERAÇÃO Possuem forma cilíndrica com pequenos orifícios para a passagem do feixe de elétrons. Possuem um alto potencial positivo (em relação ao cátodo), a fim de que os elétrons sejam acelerados a uma grande velocidade, o que tornará a tendência de se deslocarem em feixe muito maior que a tendência a se divergirem . Entre os ânodos de focalização e o de aceleração existe um campo eletrostático que atua como uma lente biconvexa, convergindo o raio a um determinado ponto. Este efeito também é observado quando um raio de luz passa por uma lente biconvexa. Esta lente eletrônica atua na distância focal do raio. OBSERVAÇÃO: O conjunto formado pelo filamento, cátodo, grade de controle e os ânodos de focalização e o de aceleração formam o que se chama de "canhão eletrônico". 1.2.5 - PLACAS DE DEFLEXÃO HORIZONTAL E VERTICAL Caso não existisse um sistema defletor do raio eletrônico, este incidiria no centro da tela , ficando imóvel naquele ponto. Que utilidade teria? Nenhuma. Mas, como se sabe, todos os pontos da tela são alcançados, e isto se deve ao sistema defletor do raio de elétrons. Todo o princípio de funcionamento da deflexão do raio está baseado no princípio da deflexão eletrostática. PRINCÍPIO DA DEFLEXÃO ELETROSTÁTICA A figura abaixo mostra um elétron ( com massa m e carga e), dirigindo-se com velocidade Vo, perpendicular ao campo uniforme E.
Trajetória de um elétron que entrou num campo elétrico uniforme Movimento é análogo ao de um projétil lançado horizontalmente no campo sob a ação da gravidade terrestre. O elétron possui carga negativa, como carga de sinais opostos se atraem, este se movimentará em direção a placa positiva, segundo a horizontal (x) e a vertical (y) dadas por:
E eliminando-se o tempo:
Quando o elétron sai do espaço entre as placas, ele continua o seu movimento ( desprezando a gravidade terrestre) em linha reta, tangente à parábola no ponto (X1,X2). Como temos vários elétrons com a mesma trajetória, temos na verdade um feixe de elétrons. No osciloscópio, a deflexão eletrostática emprega duas paredes de placas defletoras montadas em ângulo reto entre si. Quando não há campo elétrico entre as placas de cada par, o feixe de elétrons incide no centro geométrico da tela. Se for aplicado uma diferença de potencial (d.d.p.) a um par de placas, o feixe se deslocará para a placa com o potencial positivo e este desvio será tanto maior quanto maior for a d.d.p. aplicada as placas. Se for invertida a polaridade das placas, logicamente, a deflexão do feixe se dará inversamente, obedecendo às mesmas leis. Estas considerações são válidas tanto para placas horizontais quanto para placas verticais, sendo que cada uma deve atuar independente uma da outra. Se aplicarmos a um dos pares de placas uma tensão periódica, por exemplo uma tensão senoidal, o ponto na tela se deslocará continuamente (na vertical ou horizontal). Se a freqüência de tensão aplicada for baixa, poderemos ver o ponto se movendo na tela. Se, por outro lado, a freqüência for muito alta ou mesmo superior a "persistência do olho humano", observaremos na tela uma linha, mesmo que na verdade se trate de um ponto se movendo rapidamente. A tela é o estágio final de todo processo executado pelo osciloscópio, pois é nela que se visualizam as imagens que serão posteriormente analisadas. Ela pode ser circular ou retangular, com dimensões variadas que dependem da necessidade da aplicação. São de vidro e cujo o interior se deposita um material fluorescente, como o fósforo ou o sulfeto de zinco, que ao receberem o impacto do feixe de elétrons emitem luz. Os materiais fluorescentes possuem outras características que é a da fosforecência que faz com que os material continue a emitir luz mesmo depois da extinção do bombardeamento dos elétrons. O intervalo que permanece a fosforecência é chamado de persistência do fósforo. A intensidade luminosa emitida pela tela é denominada de luminância e depende dos seguintes fatores: N.º de elétrons que bombardeiam a tela; Energia com que os elétrons atingem a tela, que por sua vez dependem da aceleração dos mesmos; Tempo que o feixe permanece no mesmo ponto da tela, que depende da varredura; Características do fósforo ( dadas pelo fabricante). Portanto, alterando este fatores, podemos ter um traço luminoso com mais ou menos brilho, ser mais ou menos persistente e ainda ter cores diferentes. O quadro nos dá as propriedades de diferentes tipos de fósforo e mostra um conjunto de fatores que devem ser considerados na escolha de uma tela. No caso de uma tela de um osciloscópio, o fósforo de melhor opção é o "P31", pois possui alta luminância e média persistência.
Se um feixe de alta densidade de carga atinge o fósforo da tela por muito tempo, um dano permanente pode ocorrer "queimando-se" aquele ponto e reduzindo-se a emissão de luz. Para se prevenir este dano podemos controlar a densidade do feixe, através do controle de intensidade do foco e do astigmatismo. Outra medida é controlar o tempo de excitação através do controle do tempo/divisão. Todos os controles estão no painel do osciloscópio. Portanto, mantendo-se baixa a intensidade luminosa e breve a exposição do feixe, e assim evitamos a destruição da camada de fósforo, prolongando-se assim a vida útil do equipamento. Uma capa condutora chamada de aquadag, eletricamente ligada ao segundo ânodo, é colocada no interior do tubo com a finidade de capturar os elétrons produzidos por uma segunda emissão, que resultam do bombardeio eletrônico. Esta capa também serve como o último ânodo acelerador do feixe. Para que possam ser feitas calibrações do traço luminoso, tanto verticais, quanto horizontais, um quadriculado é colocado na tela. As linhas do quadriculado devem ficar mais próximo da camada de fósforo para evitar erros de paralaxe. Em resumo, o tubo de raios catódicos funciona da seguinte maneira: "O feixe eletrônico é produzido pelo conjunto filamento-catodo sendo depois regulado em intensidade pela grade de controle, enforcado pelo ânodo de focalização, sua aceleração é feita pelo ânodo acelerador e depois é desviado na horizontal e/ou na vertical pelas placas defletoras para finalmente se chocar com a camada fosforescente da tela permitindo assim a visualização da imagem". O circuito de base de tempo tem atuação junto às placas de deflexão horizontais pois estas placas comandam o deslocamento do feixe na direção horizontal. Este circuito é necessário para que o deslocamento do feixe na direção horizontal (eixo X) seja dependente do tempo. O circuito de tempo deve fazer o ponto luminoso se deslocar periodicamente e com velocidade constante, na direção horizontal, da esquerda para a direita, voltando o mais rapidamente possível a sua posição original, e assim sucessivamente. Para efetuar este percurso, o circuito de base de tempo proporciona ás placas horizontais uma tensão variável denominada de dente de serra. Durante o passar do tempo a tensão aumenta de valor progressivamente até atingir um ponto máximo, onde logo em seguida cai bruscamente para o seu valor inicial. O tempo transcorrido desde que se inicia a elevação de tensão até o valor máximo chama-se de tempo de exploração ou de varredura, este tempo é o mesmo tempo que o ponto leva para ir da esquerda para a direita. O tempo que vai do valor máximo até o valor inicial leva o nome de retorno, necessário para que o ponto volte da direita para esquerda novamente. Como se vê o tempo de varredura é maior que o tempo de retorno, pois o que nos interessa é reproduzir da esquerda para a direita a trajetória do ponto luminoso na tela e fazê-la voltar o mais depressa possível. Quanto menor o tempo de retorno, melhor se poderá reproduzir, na tela, o sinal que se deseja analisar. Como a freqüência da tensão em dente de serra da base de tempo é relativamente elevada, o ponto luminoso se deslocará horizontalmente pela tela com grande rapidez, de forma que o efeito óptico será igual à presença de uma linha na tela e não um ponto. O circuito de base de tempo para os osciloscópios devem proporcionar uma base de tempo de freqüência variável, pois desta forma é possível analisar uma ampla gama de frequências, desde as mais baixas, cujo comprimento de onda é muito longo, até as muito elevadas cujo comprimento de onda são extremamente curtos, Normalmente, esta possibilidade de variar a freqüência da base de tempo se processa por meio de uma chave seletora que controla um circuito RC que é capaz de realizar esta função. Existe uma grande variedade de circuitos que são capazes de fornecer ondas dente de serra. Entretanto, um problema muito comum é o fato da imagem se tornar instável na tela, o que torna a leitura difícil ou mesmo impossível de ser feita. Para se obter uma imagem estável e possível de se analisar, é preciso que a freqüência da tensão em dente de serra sincronize-se com a freqüência do sinal a medir. Quando a freqüência a medir é relativamente baixa (menor que 150KHz) este problema é de fácil solução, porém quando se trata de altas freqüência, em que os tempos são extremamente curtos é mais difícil, necessitando de circuitos mais complexos. O objetivo do amplificador horizontal é proporcionar aos sinais procedentes do circuito de base de tempo, uma amplitude suficiente para o desvio do feixe de elétrons a toda a largura da tela. O circuito do amplificador horizontal é muito similar ao do vertical. O amplificador horizontal deve amplificar tanto os sinais em dente de serra procedentes da base de tempo, como os sinais procedentes do exterior aplicados à entrada X (horizontal) que possui a maioria dos osciloscópios. O sinal horizontal a amplificar deriva-se, normalmente, da base de tempo, do exterior ou da rede (60Hz). Para sua seleção, recorre-se a um comutador de duas ou três posições que se intercala entre o amplificador horizontal e as fontes de sinais. A amplificação dos sinais em dente de serra deve ultrapassar amplamente as bordas da tela, o que permite observar com nitidez frações da curva. Os amplificadores horizontais para osciloscópios costumam estar constituídos por um seguidor catódico. Um pré-amplificador excitador de uma etapa de saída simétrica em cada seção afeta uma placa defletora horizontal. Um osciloscópio deve ser capaz de analisar sinais elétricos dos valores mais diversos. Normalmente, a sensibilidade de desvio do feixe no TRC, costuma ser de 20V/cm de altura, e de 30V/cm de altura quando for corrente alternada. É lógico pensar que quando o sinal aplicado a entrada vertical for da ordem de milivolts, por exemplo, o desvio vertical mal será notado. Portanto, é preciso ter entre entrada de sinal e as placas defletora verticais um circuito amplificador que ele a um valor adequado o sinal que se quer analisar. A sensibilidade de deflexão do osciloscópio é uma das características essenciais que valorizam o aparelho. Logo, quanto maior a sensibilidade a deflexão, melhor será o aparelho. Em osciloscópio de serviço uma sensibilidade de 10mV/cm é mais que suficiente. Geralmente, o amplificador vertical de um osciloscópio consta das seguintes partes: Atenuador ; Seguidor Catódico; Amplificador. Sua função é diminuir a amplitude do sinal de entrada quando este possuir um valor excessivo que ponha em perigo a fidelidade do sinal, ou seja, quando puder produzir alguma distorção. O circuito atenuador reduz o valor do sinal de entrada, geralmente, em 10, 100 ou 1000, vezes. A atuação do atenuador está sujeito a uma chave seletora onde, dependendo da posição em que estiver, uma determinada atenuação será dada ao sinal de entrada. Por exemplo, na posição (X2, por exemplo), é atenuado da centésima parte, e assim por diante, de modo que, mudando a posição da chave, muda o valor da atenuação. Normalmente, a atenuação do sinal é feita por divisores de tensão. Uma vez atenuado o sinal é aplicado a etapa seguinte através de um capacitor que tem a finalidade de impedir a passagem da corrente contínua e cuja tensão de ruptura deve ser elevada, da ordem de 400V. O atenuador provoca um enfraquecimento brusco dos sinais de entrada ( 10, 100, 1000 vezes). Com a intenção de suavizar esta atenuação, logo após o Atenuador se dispõe de um seguidor catódico que faz o casamento de impedâncias. A alta impedância do circuito de entrada do osciloscópio é convertida numa baixa impedância na saída, com a vantagem de que as capacitâncias parasitas no potenciômetro de ganho e as de conexões têm pouquíssima influência sobre os sinais de alta freqüência que possam aplicar-se ao osciloscópio. O amplificador consta, geralmente, de três partes:
Pré-amplificador; Circuito compensador; Amplificador final. O pré-amplificador é uma etapa amplificadora de tensão, que afeta diretamente o amplificador final, pois estão acoplados diretamente, através de uma seção de filtros ou seção corretora. O sinal, ao sair do seguidor catódico, aparece nos terminais do potenciômetro de ganho vertical, dependendo da posição do cursor deste potenciômetro, obtém-se uma maior ou menor amplificação do sinal. Uma característica que se deve levar em conta ao se projetar um pré-amplificador e o seu ganho que deve ser elevado. 1.5.3.2 - CIRCUITO COMPENSADOR Uma característica muito importante para a escolha de um osciloscópio é a largura de banda passante do amplificador vertical. quanto maior a largura de banda passante, melhor será sua qualidade. Para obter uma faixa larga não só é necessário selecionar o circuito o os componentes que o integram, mas também é preciso recorrer a uma série de corretores que se incorporam aos elementos de acoplamento entre as passagens. Os corretores são apenas filtros, cujas as características devem ser adequadas à finalidade à qual são designados. Estes filtros ou etapas compensadoras recebem o nome de compensadores de baixa freqüência se sua função é ampliar a banda passante pelo extremo das baixas frequências, ou compensadores de alta freqüência ou radiofrequência se trata de aumentar a banda passante pelo extremo das altas frequências. Podem se definir três tipos de circuitos compensadores: Compensador de baixas frequências; Compensador de altas frequências; Compensador Misto. 1.5.3.2.1 - COMPENSADORES DE BAIXAS FREQUÊNCIAS Este circuito facilita a passagem das frequências mais baixas da curva de resposta para a etapa seguinte, com um ganho mais uniforme e com menor defasagem. A constante de tempo deste circuito deve ser elevada para não diminuir o ganho nas frequências mais baixas, e evitar a distorção de fase. 1.5.3.2.2 - COMPENSADORES DE ALTAS FREQUÊNCIAS
A compensação em altas frequências permite reduzir o efeito das capacitâncias parasitas, causa principal da limitação de freqüência na parte alta da banda passante. É a junção dos compensadores da baixa freqüência com os de alta freqüência. O uso de compensadores mistos aumenta muito a largura da banda passante, pois abrange desde as baixas freqüência até altas frequências. Até aqui se viu diversas etapas do circuito amplificador vertical do osciloscópio típico, consistindo de uma etapa de atenuador, um seguidor catódico e um pré-amplificador de tensão com seus circuitos compensadores em baixa e alta freqüência. Resta agora abordar o amplificador final que é o responsável pela atuação das placas de deflexão vertical do osciloscópio.
REALIZAÇÃO: Grupo P.E.T. Engenharia Elétrica |
e 
(Esta é a equação da trajetória do elétron)