O osciloscópio é o mais útil de todos os instrumentos avançados de bancada, não havendo limite para suas aplicações, principalmente quando se pode contar com instrumental adicional de apoio. Neste caso, incluímos o gerador de funções e o gerador de sinais. Neste artigo, vamos descrever uma das mais avançadas do osciloscópio comum, que pode ser de grande utilidade para todos os profissionais da Eletrônica.
Traçador de curvas
As características de diversos dispositivos semicondutores como diodos, transistores, etc., são dadas por curvas que levam em consideração as correntes que circulam sob determinadas condições de polarização. A interpretação das características de um componente pelas suas curvas é um assunto que todos os profissionais de Eletrônica devem conhecer.
No entanto, o que muitos talvez não saibam, é que estas curvas, normalmente apresentadas na forma de gráficos em manuais técnicos e folhas de dados, não são simplesmente resultados de cálculos teóricos (ou levantadas com experimentação ponto a ponto). Estas curvas podem ser visualizadas com certa facilidade utilizando-se um osciloscópio e alguns circuitos adicionais, o que permite usar esse instrumento em mais uma útil aplicação.
De fato, podemos empregar o osciloscópio para visualizar a curva característica de um componente ou mesmo uma família de curvas e é justamente isso que vamos abordar neste artigo, ensinando como fazer.
Interpretando as curvas
As características elétricas de um componente eletrônico, qualquer que seja ele, podem ser representadas na forma de um gráfico onde plotamos a corrente que circula nesse componente em função da tensão aplicada. Assim, por exemplo, para o caso mais simples que é o de uni resistor, a corrente circulante é diretamente proporcional à tensão aplicada, resultando na curva característica deste componente que é mostrada na figura 1.
Outros componentes, tais como um diodo semicondutor ou uma lâmpada incandescente, não possuem uma característica linear, resultando em curvas características parecidas com a ilustração da figura 2. Essas curvas nada mais revelam além do que acontece com a corrente circulante no componente, quando a tensão aplicada varia.
Se levarmos em conta que vamos aplicar sinais nesses componentes, ou seja, tensões que variam, saber o que ocorre é fundamental em um qualquer projeto.
Visualizando as curvas
Vamos partir inicialmente pelo conhecimento do modo como a imagem é formada na tela de um osciloscópio, o que é apresentado na figura 3. Quando a tensão aplicada às placas de deflexão horizontal varia linearmente (uma tensão "dente de serra"), o feixe de elétrons corre da esquerda para a direita, traçando uma linha reta.
Se ao mesmo tempo aplicarmos nas placas de deflexão vertical um sinal com uma forma de onda qualquer, vide figura 4, o feixe de elétrons vai subir e descer ao mesmo tempo que se move para a direita acompanhando esse sinal e, com isso, desenhando na tela sua forma de onda.
Iniciemos agora pelo caso mais simples, que é justamente o de um resistor. Para isso, precisamos de um circuito que gere um sinal dente de serra e, evidentemente, de um osciloscópio, tudo isso ligado na forma mostrada na figura 5.
Quando o gerador de sinais "dente de serra" aplica uma tensão variável no resistor, a corrente no resistor e, portanto, no resistor de referência R aumenta linearmente. Ora, o sinal "dente de serra" controla o movimento horizontal do feixe de elétrons, pois é ligado na entrada de deflexão horizontal externa (H IN).
Por outro lado, a entrada de deflexão vertical (V IN) é ligada no resistor de referência de modo que a corrente no resistor passa a controlar o movimento para cima e para baixo do feixe de elétrons. O resultado está claro: o feixe vai se movimentar traçando uma linha reta inclinada.
Essa linha será tento mais inclinada quando maior for a corrente no resistor, ou seja, dependerá da resistência do resistor. Se em um lugar de um resistor usarmos outro tipo de componente como, por exemplo, um diodo, podemos partir do mesmo circuito conforme ilustra a figura 6.
Quando a tensão no diodo parte de zero, inicialmente a corrente sobe muito pouco, pois o diodo só começará a conduzir com aproximadamente 0,6 V (silício), o que significa que a curva traçada para a direita inicialmente sobe muito pouco, uma vez que ela depende justamente da corrente no resistor de referência. Entretanto, quando a tensão ultrapassar os 0,6 V, o diodo conduzirá intensamente tanto mais quanto maior for a corrente, fazendo com que a corrente suba e, com isso, o feixe de elétrons seja deflexionado fortemente para cima. O resultado obtido é a curva mostrada na figura 7.
Veja que na parte do sinal "dente de serra" em que ele é negativo e que, portanto, o diodo encontra-se polarizado no sentido inverso, não há corrente e a reta se mantém praticamente horizontal. Na figura 8 apresentamos o que seria visualizado se o componente fosse um diodo zener.
No momento eu que a polarização inversa atinge a "tensão zener", o componente conduz intensamente fazendo com que apareça no resistor unia tensão negativa que deflexiona fortemente o feixe de elétrons para baixo.
Família de curvas
Em alguns casos, todavia, o comportamento de uni componente não depende apenas de uma tensão variável que lhe seja aplicada, mas também de outros fatores que podem mudar como, por exemplo, a polarização. Isso ocorre com os transistores onde a corrente de coletor não é apenas função da tensão entre coletor e emissor, mas também da corrente de base.
Assim, é comum que os manuais destes componentes expressem as características através de famílias de curvas em que temos as variações das correntes de coletor em função da tensão entre coletor e emissor para diversas correntes de base. Na figura 9 mostramos essas famílias de curvas para um transistor bipolar comum.
Veja, então, que cada uma das curvas é obtida quando variamos a tensão entre coletor e emissor, mantendo fixa a corrente de base em um determinado valor. Essas famílias de curvas são muito importantes nos projetos pois permitem fixar a corrente de polarização de base para a amplificação correta dos sinais ou mesmo verificar o que acontece com o sinal aplicado no emissor, quando trabalhamos na configuração de base comum.
Usando o osciloscópio
O osciloscópio permite visualizar essas famílias de curvas, mas para isso não podemos agora contar apenas com uma fonte de sinal "dente de serra", conforme veremos a seguir.
Assim, o que fazemos no caso do transistor é empregar dois geradores (normalmente um sincronizado pelo outro) que gerem ao mesmo tempo o sinal "dente de serra" (que corresponde à variação principal da tensão) e uni sinal "em escada" que irá servir para a polarização. Observe o esquema apresentado na figura 10.
Cada ciclo do sinal "dente de serra" deverá ter a duração exata de uni "degrau de escada" que polariza o componente.
Isso significa que, durante o ciclo completo da escada, o movimento do feixe de elétrons na tela do osciloscópio irá traçar tantas curvas quanto sejam os degraus, cada uma para cada corrente de polarização correspondente. Em princípio, poderemos usar instrumentos comuns do laboratório de Eletrônica para traçar as curvas de um transistor, conforme mostra a figura 11.
Com a configuração desenhada é possível levantar a curva característica de qualquer componente.
Montagem
Outra possibilidade consiste em montar circuitos próprios que, em conjunto com o osciloscópio, possam ser usados para o levantamento de curvas características de componentes. Um primeiro circuito, relativamente simples de implementar, é o indicado na figura 12. Esse circuito gera uni sinal serra" com excursão para tensões positivas e negativas empregando componentes comuns.
Nele, o circuito integrado 555 gera o A montagem pode ser realizada em sinal de sincronismo para uni oscilador unia matriz de contato, ou em unia "dente de serra" (relaxação), feito com dois transistores complementares: (Q2 e Q3). A frequência do circuito é ajustada a P.
O componente em teste é ligado em série com o gerador e a saída ao osciloscópio é feita aplicando-se os sinais tanto na entrada vertical (Y) como horizontal (X), desligando-se o sincronismo interno. O baixo consumo do circuito possibilita sua alimentação com pilhas comuns. Dependendo da aplicação podem ser alteradas as frequências do circuito com modificação dos valores dos capacitores C1 e C4.
A montagem pode ser realizada em uma matriz de contato, ou em uma pequena placa de circuito impresso. Embora na ilustração tenhamos mostrado um transistor como o elemento do qual se deseja visualizar a família de curvas, este mesmo aparelho poderá ser usado com qualquer outro componente de dois terminais, os quais deverão ser ligados entre C e E.
Para usar este traçador, basta ajustar os ganhos dos amplificadores vertical e horizontal do osciloscópio para que a imagem traçada fique dentro dos limites da tela e ainda ajustar P 1 para um melhor desempenho.
Nota: Artigo publicado na Eletrônica Total 159 de 2014
