Nota: Curso publicado na Revista Saber Eletrônica a partir da edição 220 de 1991.
Os profissionais e estudantes de eletrônica sabem que um instrumento dos mais importantes à sua bancada, é o " OSCILOSCÓPIO de raios catódicos" dado aos seus recursos, bem como suas possibilidades em aplicações fora da eletrônica. No entanto, além de se tratar de instrumento de custo elevado, que impede que a maioria o tenha em sua própria casa, ou na sua bancada de experimentos, existe uma grande falta de literatura sobre seu uso além da enorme limitação sobre seus ensinamentos nos cursos técnicos. Visando suprir esta dificuldade que o técnico profissional e o estudante encontram em usar este instrumento, que certamente deverá ser usado quando ele for trabalhar numa oficina de reparação bem equipada ou no laboratório de uma indústria, a Revista Saber Eletrônica, apresenta a partir desta edição um curso compacto sobre o funcionamento e o uso do OSCILOSCÓPIO. Este curso tem como objetivo, não só complementar os ensinamentos dos cursos técnicos, como também fornecer aos leitores que não tiveram acesso a estes cursos, os elementos que precisam para que sozinhos, poderem manejar corretamente este instrumento de grande utilidade. Mesmo os que já usam osciloscópio e que desejam não só reciclar seus conhecimentos como também aprender novos usos ou aplicações que não tenham sido estudadas anteriormente, certamente lucrarão muito com nosso curso. Como existem osciloscópios com todos os graus possíveis de sofisticação, com custos que podem chegar a milhões de cruzeiros para os mais complexos, nosso curso será feito em função do tipo básico, com citações, quando julgarmos necessário, dos recursos adicionais importantes que podem ser encontrados nos tipos mais elaborados. Com isso, partindo de nosso curso será muito fácil o leitor tanto entender o que existe em tipos mais avançados, como também estudar suas aplicações.
O QUE É UM OSCILOSCÓPIO
Para quem pensa que o 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 intensidades de corrente. Lembramos que 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.
Exatamente como nos tubos de raios X, os tubos de Braun, como eram chamados, se baseavam na descarga elétrica nos gases para produzir a emissão de elétrons na forma de filamentos que então resultavam na imagem numa tela.
Foi somente com a utilização de tubos de raios catódicos feitos por Wehnelt 1905 é que foi possível a industrialização deste tipo de equipamentos que até hoje encontramos, com muitos aperfeiçoamentos, é claro, nós laboratórios de eletrônica.
A finalidade de uni osciloscópio é produzir num anteparo (tela) uma imagem que seja uma representação gráfica de um fenômeno dinâmico, como por exemplo: um pulso de corrente, uma tensão que varie de valor com o tempo, a descarga de um capacitor, ou então, com o uso de transdutores apropriados, qualquer outro fenômeno dinâmico, como por exemplo: a oscilação de um pêndulo, a variação cie temperatura ou luz num local, as batidas do coração de urna pessoa, etc (figura 1).
Dependendo da aplicação os osciloscópios modernos contam com recursos próprios, o que significa que não existe uni único tipo disponível no mercado. Isso ocorre porque os fenômenos que podemos ou desejamos visualizar na tela de um osciloscópio podem ter durações que vão desde alguns minutos, até milionésimos de segundo. Da mesma forma, os fenômenos podem repetir numa certa velocidade sempre da mesma forma, ou então podem ser únicos, ocorrendo por um instante apenas uma vez (figura 2).
O osciloscópio básico, como o mostrado na figura 3, pode permitir a visualização de fenômenos que durem desde alguns segundos até outros que ocorram milhões de vezes por segundo.
A capacidade de um osciloscópio em apresentar na sua tela fenômenos muito rápidos é dada pela sua resposta de frequência. Tipos na faixa dos 20 MHz até 100 MHz são comuns e servem para o técnico reparador ou para o desenvolvimento de projetos na maioria das bancadas de indústrias.
Para podermos visualizar os fenômenos com precisão os osciloscópios possuem recursos adicionais e controles que podem variar bastante conforme o tipo.
Nos mais simples temos apenas a possibilidade de sincronizar um fenômeno com uma base de tempo (que explicaremos com funciona no curso) interna enquanto que em outros isso pode ser estendido a bases externas e em alguns casos até a circuitos de digitalização que "congelam uma imagem" para facilitar a análise posterior.
Na verdade, a existência de circuitos capazes de processar um sinal digitalmente leva a existência de osciloscópios que são verdadeiros computadores.
Estes além de poderem digitalizar uma imagem, o que significa uma facilidade maior de análise, pois podemos "paralisá-la" na tela a qualquer momento, também podem realizar cálculos em função cio que foi armazenado.
Não é difícil encontrarmos osciloscópios que além de apresentarem na sua tela uma forma de onda analisada, uma senoide por exemplo, também apresentam de forma numérica o seu valor de pico, na sua frequência, e até mesmo eventuais distorções que existam (figura 4). Mas, para nós não adianta neste momento falarmos muito do que os osciloscópios podem fazer ou que tipos existem à disposição, se nosso leitor não souber o que é um osciloscópio.
Partindo deste ponto, com a apresentação das diversas etapas e suas variações, em função do trabalho de cada um, ficará mais fácil fazer uma escolha. Para conhecermos melhor o osciloscópio devemos partir de seu elemento básico que é o TRC ou Tubo de raios Catódicos (Lembramos que já existem osciloscópios modernos que substituem este elemento por displays de cristal líquidos).
1. O TUBO DE RAIOS CATÓDICOS
Na figura 5, temos um tubo de raios catódicos que é o elemento básico do osciloscópio. Neste tubo existe um filamento (a) que é aquecido por uma baixa tensão e que se encontra próximo de um catodo (b). O catodo é feito de material alcalino de modo a fornecer muitos elétrons livres que formam uma espécie de "nuvem eletrônica" em torno deste elemento. Esta nuvem recebe o nome de "carga espacial".
Um tubo metálico é instalado defronte ao eletrodo em questão (catodo) sendo denominado tubo de Wehnelt (c). Enquanto que o catodo é ligado a uma fonte de tensão negativa para fornecer os elétrons necessários à emissão, o tubo de Wehnelt é polarizado de um modo ainda mais negativo que o catodo de modo a estabelecer uma repulsão sobre os elétrons que seriam emitidos.
Controlando a tensão aplicada ao tubo podemos deixar passar menor ou maior quantidade de elétrons, conforme a repulsão seja maior ou menor e com isso regulará intensidade do feixe que vai produzir a imagem. Trata-se, pois, do elemento do controle de brilho ou luminosidade do osciloscópio, conforme mostra a figura 6.
PONTO LUMINOSO
Um recurso encontrado em alguns osciloscópios consiste em se ligar o tubo de Wehnelt a uma entrada externa onde podemos aplicar um sinal modulador. Este sinal vai modular em amplitude o brilho da imagem, o que corresponde ao denominado "eixo Z". Para um torne externo de entrada Z ligado diretamente ao eletrodo de Wehnelt, sem amplificação alguma, 100% de modulação é obtido com uma tensão de pico de algumas dezenas de volts.
Após o cilindro (c) temos três eletrodos de igual formato (d) que são ligados a uma alta tensão positiva. Estes eletrodos possuem um formato especial que faz com que os elétrons que passam pelo cilindro (c) formem um feixe e sejam acelerados de maneira a se projetarem na tela num único ponto.
As tensões aplicadas nos eletrodos acelerados são de tal forma escalonadas que eles se comportam como uma espécie de "lente eletrônica" que pode ser ajustada para ter seu foco justamente na tela, conforme mostra a figura 7.
Um resistor variável externo ligado a estes eletrodos permite controlar o efeito desta lente e, portanto, serve de ajuste de foco para o osciloscópio.
A seguir, o feixe de elétrons passa entre duas placas horizontais (e) que são ligadas a um amplificador externo, denominado amplificador vertical ou Y (eixo Y).
É fácil entender que sendo os elétrons do feixe dotados de uma carga elétrica negativa eles podem ser desviados quando passam por um campo elétrico cujas linhas de força sejam perpendiculares a sua trajetória.
Se a placa superior da figura 8, estiver positiva em relação a inferior, o “feixe será desviado para cima.
Nos livros de eletrostática de cursos de física de nível médio o leitor encontrará as fórmulas que permitem calcular com precisão o desvio que um elétron "disparado" entre duas placas carregadas eletricamente sofre, em função da tensão entre estas placas ou da intensidade do campo elétrico.
O importante para nós é sabermos que, pela aplicação de uma tensão nestas placas podemos fazer com que o ponto na tela no qual incide o feixe de elétrons se desloque para cima ou para baixo, conforme mostra a figura 9.
Veja que, se aplicarmos uma tensão alternada nas placas, de uma frequência relativamente elevada, o ponto se deslocará para cima e para baixo na tela de uma forma tão rápida que formará uma linha vertical.
O comprimento desta linha que é mostrada na figura 10, vai depender da amplitude desta tensão alternada, ou ainda da amplificação dada pelo amplificador Y.
De modo que possibilite o trabalho com sinais de diversas intensidades, neste controle o amplificador possui ganhos numa ampla faixa de valores.
A seguir temos um par de placas colocadas verticalmente (f) que são as defletoras horizontais ou X ligadas também a um amplificador. Da mesma forma que as placas Y as placas X desviam o feixe de elétrons para a esquerda ou para a direita.
Se aplicarmos nestas placas uma tensão alternada de frequência relativamente elevada, o feixe se deslocará para a esquerda e direita tão rapidamente na tela que formará um traço contínuo horizontal, conforme mostra a figura 11.
Veja o leitor que, se combinarmos a aplicação de tensões nas placas defletoras verticais (Y) e horizontais (X) poderemos levar o feixe de elétrons a incidir em qualquer ponto da tela. A deflexão será dada pela soma vetorial das deflexões parciais dos dois grupos de placas, conforme mostra a figura 12.
Temos finalmente o eletrodo acelerador final (g) que consiste numa capa de substância má condutora de eletricidade aplicada na superfície interna do TRC e que é ligado a uma fonte de muito alta tensão, normalmente entre 600 e 3000 Volts dependendo das dimensões do tubo.
A tela, onde incide o feixe de elétrons consiste num anteparo recoberto por uma substância que se torna luminosa ao impacto destas cargas.
A emissão ocorre pela energia cinética cedidas pelos elétrons que excitam o "fósforo" causando tanto a emissão de luz como a produção de uma certa quantidade de elétrons secundários que imediatamente são atraídos pelo eletrodo de alta tensão, retornando à fonte e fechando o circuito elétrico (figura 13)
É importante observar que o fenômeno da emissão de luz pelo ponto bombardeado pelo feixe de elétrons apresenta algumas características de inércia e persistência. A inércia ocorre porque existe um certo intervalo de tempo necessário para que os elétrons entreguem sua energia ao fósforo provocando então a emissão de luz. Durante esta excitação, ocorre o fenômeno denominado fluorescência (emissão por excitação) (figura 14).
No entanto, quando cessa a excitação, a emissão de luz não cessa de imediato, pois parte da energia entregue ao fósforo é armazenada sendo então devolvida na forma de luz gradualmente, com uma queda de intensidade. Ocorre então o fenômeno denominado fosforescência (emissão da energia armazenada).
O tempo que a fosforescência dura num determinado tipo de fósforo empregado na construção de um Tubo de Raios Catódicos é muito importante na definição de sua aplicação. Se vamos observar um fenômeno lento como as batidas cardíacas de um paciente numa aplicação em eletromedicina, é interessante que o decaimento seja longo, ou seja que tenhamos um tubo de "Alta persistência" para que mesmo deslocando-se lentamente na tela, o traço deixado pelo feixe persista por alguns segundos a ponto de termos uma visão exata do fenômeno (figura 15).
Por outro lado, se vamos trabalhar com fenômenos muito rápidos, ou sinais de altas frequências, a persistência deve ser bem pequena, ou seja, devemos ter um tubo de "baixa persistência", pois senão antes que um traço gerado pelo feixe desapareça já teremos outros que o seguem, superpondo-se e confundindo a imagem. (figura 16)
Existe uma tabela que define a persistência dos fósforos segundo o tempo de decaimento. Este tempo corresponde ao intervalo que a intensidade da emissão leva para cair do máximo até 10% desse máximo.
Complementando nosso estudo dos tubos de raios catódicos não precisamos lembrar que o fato de haver vácuo no seu interior, o que significa um enorme esforço físico do material usado, pois existe uma forte pressão externa também implica em grande fragilidade para este componente que precisa ser manuseado com o máximo de cuidado.
ELEMENTOS EXTERNOS
Não precisamos dize r que o tubo de raios catódicos sozinho não é o osciloscópio, ou seja, para que ele funcione na visualização dos fenômenos que citamos no início de nossa lição precisamos de muitos circuitos adicionais externos.
Estes circuitos serão abordados na próxima lição.
OUTROS TIPOS DE DISPLAYS
Conforme explicado no início da lição, o Tubo de Raios Catódicos é o elemento tradicional dos osciloscópios que, no entanto, começa a ser substituído por displays de cristal líquido nos tipos mais modernos, alguns muito compactos, conforme mostra a figura 17.
Estes displays possuem um princípio de funcionamento completamente diferente. Neles, o sinal a ser visualizado é processado por um circuito eletrônico especial que o digitaliza, ou seja, transforma este sinal ponto a ponto em coordenadas que devem indicar os pontos a serem excitados na tela.
Estas coordenadas são então levadas a um circuito de excitação que torna escuros (ou claros) os pontos da tela que em conjunto corresponde ao sinal visualizado.
Literatura sugerida: Manual Básico de Eletrônica - L.W. Turner - Editora Hemus - 1982.
