Curvas IV Com Osciloscopio

7/13/2019 Curvas IV Com Osciloscopio

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Como traar curvas caractersticas corrente-tenso com osciloscpio by J.C.B. 1

O autor deste tutorial no assume qualquer responsabilidade pelos danos materiais ou pessoais causados por usoindevido do equipamento mencionado.

Este tutorial pode ser distribudo livremente, desde que no adulterado.


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Introduo -------------------------------------------------------------------------------

A presente exposio destina-se a explicar de forma sumria, como se podem traar curvascaractersticas corrente-tenso, de resistncias, condensadores no polarizados, bobines ealguns dodos, nomeadamente do tipo: rectificadores, Schottky e Zener.

Seria possvel traar este tipo de curvas de forma discreta, recorrendo a uma fonte DC, a umvoltmetro e a um ampermetro. Fazendo variar por exemplo a tenso a espaos, toma-se notada tenso seleccionada, e do valor de corrente obtido e medido para essa mesma tenso.Naturalmente, poder-se-ia igualmente fazer variar a corrente em valores determinados,anotando-se as tenses obtidas para o valor de corrente seleccionado. Depois, traando umgrfico XY em papel milimtrico (ou por exemplo numa folha de clculo feita em computador),unem-se os pontos resultantes das medies discretas, e fica-se com uma ideia da curvacaracterstica do componente observado. Este processo algo moroso, mas fica-se a conhecera resposta em corrente contnua do componente.

Contudo o mtodo para traar curvas caractersticas que se pretende expor, recorre a umafonte de sinal alterna e a um osciloscpio com 2 canais, capaz de funcionar no modo XY.


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Fonte de sinal

Para determinadas montagens, ser importante conhecer a curva de resposta de umcomponente em determinada(s) frequncia(s). Claro que isso implica que se tenha disposioum gerador de sinal capaz de providenciar um sinal em amplitude e frequncia capaz desatisfazer os requisitos.Contudo, as medies que vou apresentar foram realizadas tendo como gerador de sinal um

comum transformador destinado a ser ligado rede de distribuio de energia elctrica(230v/50Hz) e com um secundrio que apresenta uma espcie de sinusoide com 24Vpp. Oimportante que a amplitude seja suficiente para poder testar os componentes que sepretendem, nomeadamente dodos Zener. Por outro lado, evidentemente que no deve serdemasiado elevada, para no danificar os componentes a testar.Como vamos usar uma fonte de corrente alterna, h que no ser tentado a testarcondensadores polarizados, como os electrolticos ou de tntalo, pois podem rebentar.O transformador que usei, permitiria ento fazer um varrimento de -12v a +12v, aplicando aocomponente em teste esta amplitude de tenso de 24Vpp, a uma frequncia de 50Hz. Naverdade no estar disponvel toda esta amplitude pois vamos ter que inserir uma resistnciano circuito.

O medidor

Para realizar as medies, e observar de uma forma directa a curva caracterstica, vamosrecorrer a um osciloscpio. A ideia manter as coisas to simples quanto possvel, mas aquino h volta a dar, pois um osciloscpio indispensvel. Contudo, qualquer osciloscpio deduplo trao (2 canais), dever ser capaz de funcionar no modo XY, requerido para se poderemvisualizar as curvas caractersticas dos componentes a observar. O osciloscpio funcionatradicionalmente no modo YT, ou seja, no eixo dos YYs apresenta a tenso, e no eixo dos XXs representado o tempo decorrido. No modo XY ser apresentada intercesso de 2 sinaisfornecidos aos canais 1 e 2 do osciloscpio.O osciloscpio usado foi um TEK2445.

Sensor de corrente

Um osciloscpio mede de forma directa a diferena de potencial entre dois pontos (para ososciloscpios destinados a ser ligados rede elctrica, as medies so tipicamente feitastendo como referencial a terra, pois o chassis do osciloscpio a ela estar ligado). Para que umosciloscpio consiga medir correntes, recorre-se a pinas amperimtricas, ou usa-se umaresistncia shunt, inserida em srie no circuito, e aos terminais da qual se medir a tenso queser apresentada no osciloscpio. A lei de Ohm (I=V/R) nos dir a que corrente corresponde a

tenso observada aos terminais da resistncia, sendo que o valor da resistncia shunt ternaturalmente que ser conhecida.Em todas as montagens foi usada uma resistncia de 1K (1W), e esta resistncia acabou pordesempenhar no s o papel de resistncia sensora, mas tambm de limitador de corrente paraos componentes a testar. Poder-se-ia ter usado um valor dimensionado de forma propositadapara cada componente que requeresse limitao de corrente, mas como disse, a ideia manteras coisas simples.

Para alm de uma fonte de sinal alterno, osciloscpio de duplo trao com modo XY, e de umaresistncia, s falta mesmo o componente a testar e talvez uma placa de ensaios e uns cabosque possam vir a ser necessrios para facilitar as ligaes.


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Resistncia ------------------------------------------------------------------------------

Foram testadas 3 resistncias com os valores de 470Ohm, 1k, e 1k8.Na imagem seguinte apresenta-se o esquema de ligaes e a medio no canal 1 indirecta dacorrente, o trao de cima, e no canal 2, trao de baixo, apresentada a tenso aos terminais daresistncia em teste.

A medio de corrente indirecta pelo anteriormente exposto, uma vez que na verdade o quese apresenta a queda de tenso aos terminais da resistncia sensora.

No ecr do osciloscpio, em cima do lado direito e com nmero de maior dimenso,apresentam-se por vezes no decurso do presente documento, a frequncia ou a tenso deacordo com o posicionamento dos 2 traos verticais marcadores do readout.Na parte inferior do ecr e da esquerda para a direita, podem ler-se os valores seleccionados

para o canal 1 (trao vermelho no esquema) dos Volt/diviso (5v), depois V/div (5v) para o canal2 (trao azul no esquema), e no caso particular a anteceder o 5v est uma seta apontada parabaixo que significa que nesse canal o sinal foi invertido. Ainda com relevncia, mais direita apresentado o valor seleccionado na base de tempo (Tempo/diviso), que no caso de 5ms.Como o readout do osciloscpio usado no insere marcadores para a linha de referncia GNDde cada um dos canais visualizados, inseri posteriormente a inscrio GND1 e GND2 (em corbranca) sobre cada uma das respectivas linhas, que foram tidas como referncia para cada umdos 2 canais usados.

importante referir, que uma vez que estamos a pretender medir 2 sinais que partida teriamreferenciais distintos, mas o osciloscpio no tem entradas flutuantes, temos que recorrer a

uma artifcio, ligando o ponto de referncia comum (massa), entre a resistncia sensora e ocomponente a testar, mas depois no nos podemos esquecer que numa medio directa oosciloscpio vai apresentar no canal 2 o sinal invertido em relao ao que est a apresentar nocanal 1. Contudo, comum os osciloscpios terem a opo de inverter o sinal do canal 2, e aessa funo temos que recorrer para que de facto os sinais observados faam sentido.Na imagem anterior capturada do osciloscpio, pode ver-se que a corrente est em fase com atenso. Se o canal 2 no estivesse invertido, teramos um desfasamento de 180, e no fariasentido haver numa resistncia circulao de corrente no sentido inverso ao da diferena depotencial aplicada aos seus terminais.


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Resistncia 1K

Para facilitar a leitura, inseri na imagem os eixos cardinais.Na imagem apresenta-se a curva caracterstica IV de uma resistncia de 1k, e como se podeobservar a variao da corrente ocorre linearmente com a variao da tenso. Como temosuma resistncia sensora de corrente tambm de 1k, a recta assume inclinao de 45, o quesignifica que por cada unidade de tenso, temos uma variao de uma unidade de corrente,quer no sentido directo, quer no sentido inverso, pois naturalmente na metade esquerda do ecrdo osciloscpio os valores so negativos para a tenso representada, e na metade inferior doecr, os valores so negativos para a corrente apresentada, pois houve o cuidado de alinhar otrao vertical com o eixo central vertical do ecr, e o trao horizontal com o eixo centralhorizontal. Para efectuar esse procedimento, comuta-se o selector de acoplamento de entradade sinal para GND, num canal e no outro, alternadamente, e procede-se ao alinhamento decada um dos traos vertical e horizontal, com cada um dos eixos correspondentes.

Resistncia 470Ohm

Nesta imagem, temos igualmente uma variao linear, mas a inclinao da recta maisacentuada, o que traduz um aumento de quase duas unidades de corrente, por variao decada uma de tenso. Isto deve-se ao facto de termos uma resistncia sensora de corrente comvalor de 1k, e a resistncia em teste, e aos terminais da qual medida a tenso, ter perto demetade desse valor, pois de 470 Ohm.


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Resistncia de 1k8

Mais uma vez se apresenta uma variao linear, mas com um inclinao da recta menosacentuada que em qualquer das situaes anteriores, o que denuncia uma resistncia maiselevada em teste, do que a que a sensora de corrente.

Condensador ----------------------------------------------------------------------------

Os condensadores testados de acordo com esquema anterior, eram MTK, no polarizados, comvalores de 330nF e 2,2uF.


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Condensador 330nF

Na imagem do lado esquerdo, temos em cima a corrente e em baixo a tenso. A deformao nosinal da corrente em relao a uma curva mais prxima de uma sinuside, no tem relevnciapara o que se pretende expor, pois ainda assim d para perceber que a corrente se eleva comantecedncia em relao tenso, isto , a corrente est adiantada em relao tenso, etambm ser perceptvel que o desfasamento ser de aproximadamente 90, o que serconfirmado traando a curva caracterstica do condensador.

Para se poder interpretar em condies a curva caracterstica IV do condensador, apresentadana imagem da direita acima, ser talvez conveniente ter uma noo do modo como oosciloscpio trata os sinais no modo XY para traar este tipo de grfico, e posteriormente serconveniente falar um pouco sobre a representao de figuras de Lissajous.

Fonte: http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_ckt20_2.htm


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Na imagem anterior imaginemos que a curva Cosine (cosseno) representa a corrente, e a curvaSine (seno) representa a tenso. Olhando para a metade esquerda da imagem, temos umarepresentao no modo YT, que a forma como tradicionalmente o osciloscpio apresenta ossinais, e tal como as curvas seno (sinuside de cor azul) e o cosseno (sinuside de cor preta)esto desfasadas de 90, assim o esto a corrente e a tenso.Para se poder traar o grfico IV pretendido, que resultar numa figura de Lissajous, necessrio deslocar uma das cruvas de uma posio horizontal, para a vertical, de forma a

poder obter-se a intercepo de ambas que nos dar o grfico pretendido. Na imagem a curvaseno (sinuside azul), ento deslocada para um posio vertical.Agora traando linhas horizontais para o cosseno e verticais para o seno, partindo de pontosnestas que ocorram no mesmo instante, marca-se o ponto de intercepo dessas rectas nogrfico XY. Traando tantas rectas quantas as necessrias para se poderem marcar os pontosde intercepo, por unio de todos os pontos obtidos, ter-se- traado a curva caracterstica docomponente, que no exemplo da imagem resultou numa circunferncia.

De seguida mostram-se algumas das figuras de Lissajous, que representam o desfasamentoentre 2 sinais com a mesma frequncia e amplitude na 1 linha, portanto com relao defrequncia de 1:1, e na 2 linha podem ver-se as imagens quando a relao entre frequncias

presentes nos canais X e Y de 1:2, ou seja, uma o dobro da outra. Outro tipo de imagens seapresentariam conforme o rcio entre a frequncia dos sinais. Como em todos os testesefectuados no presente tutorial a frequncia da corrente foi igual da tenso (50Hz), sestamos efectivamente interessados nas imagens que so apresentadas na 1 linha.

Uma figura como a circunferncia apresentada para um desfasamento de 90, s ser perfeita,se as amplitudes dos 2 sinais forem iguais. Na imagem observada no osciloscpio vemos que acurva est achatada, fruto de um dos sinais, no caso a corrente, ser consideravelmente menorque o outro, ou seja a tenso. Mas no h na curva uma inclinao declarada para a direita oupara esquerda, que denunciariam um desfasamento superior ou inferior a 90.


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Condensador 2.2uF

Neste caso a corrente no apresenta uma deformao to significativa como para ocondensador de 330nF, e percebe-se melhor na imagem da esquerda o adiantamento de 90da corrente em relao tenso.Contudo, como o nvel da corrente metade do da tenso, continuamos a no ter umacircunferncia mais ou menos perfeita como curva caracterstica para este condensador, masmais uma vez no h uma inclinao que denuncie um desvio com significado, dodesfasamento de 90 entre corrente e tenso. Portanto, tambm aqui o achatamento da curvase deve diferena entre amplitudes dos sinais.

Bobine -------------------------------------------------------------------------------------

As bobines testadas apresentavam o valor de 52mH e 154mH, usando a montagemapresentada anteriormente.


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Bobine 52mH

Tal como no caso dos condensadores, as bobines provocam um desfasamento entre corrente etenso, mas ao contrrio dos condensadores, agora a tenso que se adianta em relao corrente, e o desfasamento entre elas tambm ser de cerca de 90.Embora o sinal visualizado para a tenso apresente perturbaes em relao ao que seesperaria ser aproximadamente uma sinuside, d para perceber o desfasamento entre sinais eo adiantamento da tenso em relao corrente.

Na informao sobre as escalas seleccionadas para volt/diviso, na imagem do lado esquerdo,v-se que o canal 1 (tenso) apresenta 500mV/div e o canal 2 (corrente) apresenta 10v/div, ecom estas escalas as amplitudes visualizadas so similares. Esta diferena nas amplitudes vairepercutir-se na apresentao do grfico XY pois ele dever ser visualizado preferencialmentecom o mesmo factor de escala para ambos os canais, como se pode ver na imagem do ladodireito, onde a escala seleccionada para ambos os canais de 5v/div. Como temos no eixo dosYYs, no modo XY, a tenso, e no eixo dos XXs a corrente, notria a diferena entre a largurae altura da elipse, uma vez que a amplitude da corrente muito maior que a da tenso.

Bobine 154mH

Agora com uma indutncia do triplo do valor da anterior, vemos na imagem da esquerda que

embora a amplitude da tenso seja similar do caso anterior, ela na verdade o dobro, poisestamos a usar uma escala em que cada quadrcula vertical tem um nvel de 1v (1v/div),enquanto no caso anterior a escala usada era de 500mV/div. A amplitude da corrente idntica


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da bobine de 52mH. O desfasamento similar, naturalmente com a tenso igualmenteadiantada em relao corrente.

Na curva caracterstica, representao no modo XY, imagem do lado direito, temos uma elipsemais larga que no caso anterior, graas maior amplitude da tenso. perceptvel uma ligeirainclinao da elipse para a direita, e analisando o quadro com as figuras de Lissajous, issoindiciar que o desfasamento entre os sinais observados, no ser exactamente de 90, mas

algo menor.

Embora a alterao de apenas um factor de escala de um dos sinais, desvirtue a relao de 1:1nas amplitudes dos sinais observados em modo XY, pode ser benfico faz-lo para realar odesfasamento existente entre eles, como se mostra na figura seguinte.

Aqui mais evidente a inclinao da elipse para a direita, sinnimo de um desfasamento inferiora 90. Como est adulterada a relao de 1:1 na escala, no se pode considerar vlida ainclinao apresentada pela elipse para efectuar uma medio directa real do desfasamentoentre os sinais.

Dodos -------------------------------------------------------------------------------------

Os dodos testados so de 3 tipos diferentes. O 1N4007 um dodo rectificador de silcio comtenso de polarizao da ordem dos 0.7v. O 1N5817 um dodo Schottky, por conseguinte,com baixa tenso de polarizao directa. Finalmente o ltimo dodo analisado, o BZX55C5V1, do tipo Zener com tenso de polarizao inversa anunciada de 5.1v.


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Dodos 1N4007 (rectificador) e 1N5817 (Schottky)

Porque as formas de onda dos sinais de corrente e tenso para os dodos rectificador (1N4007)e Schottky (1N5817) so muito semelhantes e as diferenas praticamente imperceptveis,apresentam-se aqui apenas as curvas referentes a um deles.V-se ento na imagem capturada do osciloscpio, mais esquerda, que nos meios ciclosnegativos da tenso, no h lugar passagem de corrente, pois nessa altura o dodo encontra-se inversamente polarizado. Nos meios ciclos positivos, assim que ultrapassada a tenso depolarizao directa, a corrente flui livremente pelo dodo.

NOTA:Como o osciloscpio que usei tem readout, mas as medies de tenso s so possveis derealizar ao longo do eixo vertical e no na horizontal, e o que se pretendia no presente caso era efectuarmedies de tenso no eixo horizontal, pois nele que se representa a tenso no zener; uma vez que oeixo vertical est destinado a representar a corrente; troquei os canais 1 e 2, o que resulta na

visualizao da curva IV "deitada". Assim j possvel usar os traos do readout para marcar as tensesa medir, mas temos depois que fazer o exerccio mental de imaginar a curva IV direita. Para facilitar oservio, apresento de seguida as imagens recolhidas com as medies de tenso de polarizao directae inversa, mas com as imagens rodadas de modo a ficarem posicionadas da forma tradicional, com oeixo dos XX's a representar a tenso e o dos YY's a corrente.

Na imagem do centro temos a curva caracterstica IV do dodo rectificador (1N4007), eapresenta-se no ecr do osciloscpio, a medio da tenso de polarizao directa apresentadapelo dodo, de 0.68v.

Na imagem direita temos a curva caracterstica de um dodo Schottky (1N5817) e a mediopara a polarizao directa deste dodo foi de 0.28v, pelo que facilmente se conclui que este tipode dodo entra em conduo mais rapidamente que um vulgar dodo semicondutor de silcio.


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Dodo BZX55C5V1 (Zener 5.1V)

Na imagem capturada do osciloscpio, esquerda, temos as curvas YT para a corrente etenso. Como se verifica a tenso aos terminais do Zener oscila entre os 0.75v quandodirectamente polarizado, at aos -5.30v quando inversamente polarizado. A corrente fluilivremente quando o Zener se encontra directamente polarizado, mas quando inversamentepolarizado tal s acontece quando quebrada a barreira dos -5.3v, da a sinuside estreitadana parte superior da forma de onda da corrente, pois at que se atinja esse valor de tenso, noh lugar circulao de corrente.

As imagens do centro e da direita s diferem na posio dos cursores do readout, sendo que naimagem central esto a medir a tenso de polarizao directa de 0.75v, e na imagem da direitamedem a tenso de Zener do dodo inversamente polarizado com valor de -5.30v.Pela curva caracterstica IV do dodo Zener, pode ver-se que quando directamente polarizado,comporta-se como um dodo de silcio tradicional, entrando em conduo aps os 0.75v.J inversamente polarizado, entram em conduo quando quebrada a barreira dos -5.3v,mantendo a tenso praticamente inalterada para qualquer valor de corrente que nele circule(claro que dentro dos limites que o dodo suporte).

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