CURSO DE ELETRÔNICA - Circuito de Ponte Balanceada.

     Missão do Sistema SENAI

                Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

     pleno e sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho  e  a

     cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação

     de informação e a adequação, geração e difusão de tecnologia.

                A  busca  constantes  da  qualidade   e   a   preocupação   com  o

      atendimento ao cliente estão presentes nas ações do SENAI.

Introdução

O técnico ou reparador de circuitos eletrônicos utiliza, no seu dia a dia, instrumentos de medição, tais como multímetros, voltímetros e assim por diante. Entretanto, no transcorrer da vida profissional ocorrem situações em que estes instrumentos usuais não são adequados, fazendo-se necessária a utilização de instrumentos mais sofisticados.

Um bom exemplo de equipamento sofisticado com o qual os profissionais de eletrônica se deparam é a ponte de medição através das quais se pode, por exemplo, realizar uma medição precisa de valores de resistência elétrica.

Este fascículo tratará do circuito de ponte balanceada que é o princípio básico das pontes de medição, mesmo das mais sofisticadas, objetivando propiciar-lhe  conhecimentos na forma básica de operação dos equipamentos de medição de precisão.

  

  

Circuito de ponte balanceada

A ponte balanceada é um circuito destinado à determinação dos valores de resistência ôhmica desconhecidos por comparação com valores conhecidos.

O circuito de ponte balanceada utilizado com alimentação em CC é a base dos equipamentos de precisão para medição de valores de resistência elétrica.

CONFIGURAÇÃO DO CIRCUITO

O circuito de ponte balanceada se compõe basicamente de 4 resistores (dos quais 1 é desconhecido) ligados a uma fonte de CC. Cada dois resistores formam um ramal que é conectado à tensão CC, como pode ser visto na Fig.1.

Fig.1 Circuito de ponte.

Entre os pontos centrais de cada braço é colocado um instrumento de medição (normalmente um voltímetro de zero central), conforme ilustrado na Fig.2.

Fig.2 Circuito de ponte com instrumento de medição.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio de funcionamento de uma ponte balanceada baseia-se na divisão da tensão de alimentação nos dois ramais.

Suponha inicialmente que todos os valores de resistência sejam iguais, conforme mostra o circuito da Fig.3.

Fig.3 Ponte com todos os valores de resistência iguais.

No ramal da esquerda, a tensão no ponto A é a metade da tensão de alimentação V_cc, como mostrado em detalhe na Fig.4.

Fig.4 Tensão no ponto A da Fig.3.

Da mesma forma, no ramal da direita a tensão no ponto B é também a metade de V_cc, como pode ser visto no detalhe da Fig.5.

Fig.5 Tensão no ponto B da Fig.3.

O voltímetro conectado entre os dois ramais, cuja finalidade é medir a diferença de potencial entre os dois pontos, indica 0V porque estes dois pontos estão a um mesmo potencial elétrico (+5V), como se pode ver na Fig.6.

Fig.6 Indicação da diferença de potencial entre os pontos A e B.

Tendo em vista que a divisão de tensão em cada ramal depende apenas dos valores de resistência que o compõem, a mesma situação (indicação 0V) aconteceria nos circuitos mostrados na Fig.7.

Fig.7 Circuitos onde as indicações dos voltímetros são nulas.

Através da seqüência de exemplos mostrados na Fig.7, conclui-se que o voltímetro indica zero toda vez que os valores de R₃ e R₄ tiverem a mesma proporção que os valores R₁ e R₂.

 Na ponte balanceada da Fig.2, se R₁/R₃ = R₂/R₄, então o voltímetro indicará sempre zero.

A relação R₁/R₃ = R₂/R₄ é uma proporção de forma que se os valores de R₁, R₂ e R₃ forem conhecidos, o valor de R₄ pode ser determinado matematicamente:

                                                                  (1)

                                                                                               (2)

Se no lugar de R₄ coloca-se um resistor desconhecido R_x, seu valor pode ser encontrado através da equação:

                                                                                               (3)

Esta equação pode ser comprovada utilizando o exemplo apresentado na Fig.8.

Fig.8. Circuito que ilustra o uso da Eq.(3).

Através do circuito de ponte balanceada e da escolha correta dos valores dos resistores conhecidos, pode-se determinar o valor resistivo de qualquer componente que se necessite.

AS PONTES COMERCIAIS

O circuito de ponte balanceada apresentado tem a forma mais simples possível. Nos equipamentos comerciais destinados à medição de precisão de resistências, o princípio é aproveitado através de circuitos mais sofisticados.

A Fig.9 apresenta um circuito de medição de resistência mais elaborado, com recursos de medição mais adequados.

Fig.9 Exemplo de uma ponte balanceada comercial.

O circuito é utilizado da seguinte forma: o resistor desconhecido é conectado na posição R_x e na posição R_a utiliza-se um resistor conhecido (de valor tão preciso quanto possível). O circuito adquire então a configuração apresentada na Fig.10.

Fig.10 Exemplo de uma ponte balanceada comercial com R_a conhecida e R_x  desconhecida.

O cursor do potenciômetro (que fez a função de R₁ e R₂) está acoplado a uma escala no painel do equipamento, como pode ser visto na Fig.11.

Fig.11 Escala no painel do equipamento.

Uma vez conectados os resistores, a chave de seleção do instrumento é selecionada para o voltímetro (para uma primeira medição). Quando a chave de alimentação é ligada, o voltímetro fará uma indicação de tensão.

Através do cursor do potenciômetro (que determina R₁ e R₂), procura-se um ajuste em que o voltímetro se posicione em 0V. Feito isso, a chave seletora pode ser posicionada para o miliamperímetro (mais preciso) para um ajuste final. Quando o zero no miliamperímetro for ajustado, a relação entre R_x e R_a estará apresentada no dial do potenciômetro.

Exemplo 1:

         A partir da indicação da escala no painel do equipamento mostrado na figura abaixo, determine o valor de R_x .

Solução :

R_x = R_a ´ 3

R_a = 100W

R_x = 300W

Quando não é possível obter o zero no voltímetro, deve-se trocar o resistor padrão R_a de forma a obter-se condição de equilíbrio da ponte.

CURSO DE ELETRÔNICA - RESISTORES AJUSTÁVEIS

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Introdução

Os aparelhos eletrônicos, tantos destinados ao lazer (televisores, rádios etc.) como as funções técnicas e científicas (multímetros, fontes  etc.), apresentam controles que permitem ao usuário ajustar o funcionamento de forma adequada. Como exemplos desses controles, pode-se citar:

·        Aqueles dos aparelhos destinados ao lazer: controles de volume, brilho, graves e agudos.

·        Aqueles dos aparelhos científicos: controle de ajuste de zero nos multímetros.

Na realidade, esses controles estão associados a componentes eletrônicos cujo valor não é fixo, sendo ajustado de acordo com a necessidade. Os potenciômetros são exemplos típicos desse tipo de componentes. Existem ainda componentes destinados a ajustes internos no equipamento, aos quais o usuário não tem acesso. Um exemplo típico são os resistores ajustáveis.

Para que os efeitos provocados por estes componentes em um circuito eletrônico possam ser compreendidos, faz-se necessário, em primeiro lugar, conhecer estes componentes e suas características.

Este fascículo foi elaborado para facilitar o seu conhecimento e compreensão dos resistores ajustáveis e potenciômetros, visando capacitá-lo a identificar e utilizar corretamente estes componentes.

RESISTORES AJUSTÁVEIS

São resistores cujo valor de resistência pode ser ajustado, dentro de uma faixa pré-definida. A Fig.1 mostra alguns resistores ajustáveis.

Fig.1 Exemplo de resistores ajustáveis.

Estes tipos de resistores são utilizados em circuitos que exijem calibração.

Existem dois tipos de resistores ajustáveis:

·        Resistor ajustável de fio (Fig.2).

·        Trimpot (Fig.3).

Fig.2 Resistor ajustável de fio.                                     Fig.3 Trimpot.

A constituição física dos resistores ajustáveis não é preparada para suportar trocas de valor freqüentes. Este tipo de componente é utilizado em pontos de um circuito onde o ajuste é feito uma vez e não é mais alterado.

 Os resistores ajustáveis (de fio e trimpot) são usados para ajustes definitivos nos circuitos.

RESISTORES AJUSTÁVEIS DE FIO

É um resistor de fio ao qual foi acrescentado um terceiro terminal, denominado de cursor, como mostrado na Fig.4.

Fig.4 Resistor ajustável de fio.

Esse terminal móvel desliza em contato elétrico com as espiras de fio que constituem o resistor podendo ser fixado na posição desejada. Os resistores ajustáveis de fio, em geral, dissipam grande quantidade de calor porque trabalham com correntes elevadas.

Por essa razão, normalmente são montados em locais com boa ventilação, sendo ligados ao circuito através de condutores, como mostrado na Fig.5.

Fig.5 Condutores de ligação do resistor ajustável de fio.

TRIMPOT

É um tipo de resistor ajustável utilizado em pontos de ajuste onde as correntes são pequenas (da ordem de miliampères ou menos). A Fig.6 mostra dois tipos de trimpots.

Fig.6 Tipos de trimpots.

Pelo fato de dissiparem pequenas quantidades de calor, os trimpots podem ser montados no próprio circuito onde estão atuando, como ilustrado na Fig.7.

Fig.7 Montagem do trimpot numa placa de circuito impresso.

Existem trimpots verticais e horizontais, de forma a permitir uma opção para uma montagem mais adequada a cada aplicação. A Fig.8 mostra trimpots desses dois tipos.

Fig.8 Trimpot vertical e trimpot horizontal.

CARACTERÍSTICAS DOS RESISTORES AJUSTÁVEIS

Os resistores ajustáveis apresentam impresso no corpo o valor de resistência entre os dois terminais extremos, conforme ilustrado na Fig.9.

Fig.9 Indicação do valor dos resistores variáveis.

A resistência entre os terminais extremos de um resistor ajustável é a mesma, qualquer que seja a posição do cursor. Para obter-se um valor de resistência menor que o valor total de um resistor ajustável, utiliza-se um dos terminais extremos e o cursor, como mostrado na Fig.10.

Fig.10 Utilização dos terminais extremos e o cursor.

Dessa forma, a resistência ôhmica da parte utilizada será menor que a resistência de todo resistor.

Observando-se, por exemplo, um resistor ajustável de 100W entre os extremos e posicionando-se o terminal deslizante no centro, mede-se então uma resistência de 100W, como ilustrado na Fig.11.

Fig.11 Cursor posicionado no centro de um resistor ajustável de 100W.

Os outros 50W, que completam o valor total do resistor, estão na parte do resistor que não será utilizada, como pode ser visto na Fig.12.

Fig.12 Indicação do restante da resistência total do resistor ajustável.

Através do ajuste correto da posição do cursor, pode-se obter os mais diversos valores de resistência a partir de um resistor ajustável (valores sempre menores que o extremo).

Os resistores ajustáveis se comportam como dois resistores em série, com uma ligação central, como ilustrado na Fig.13.

Fig.13. Dois resistores em série compondo um resistor ajustável.

SIMBOLOGIA

Os resistores ajustáveis são representados pelos símbolos apresentados na Fig.14.

Fig.14 Símbolos dos resistores ajustáveis.

Nos esquemas, o valor ôhmico que aparece ao lado do símbolo dos resistores ajustáveis corresponde à resistência entre os terminais extremos (valor máximo).

 

 

POTENCIÔMETROS

São resistores com derivação que permite a variação do valor resistivo pelo movimento de um eixo. A Fig.15 mostra alguns tipos de potenciômetros.

Fig.15 Tipos de potenciômetros.

Os potenciômetros são usados nos equipamentos para permitir a mudança do regime de operação.

Por exemplo, o potenciômetro de volume permite o aumento ou diminuição do nível de intensidade do som. Já o potenciômetro de brilho permite o controle de luminosidade das imagens.

FUNCIONAMENTO

Entre os dois terminais extremos o potenciômetro é um resistor comum. Sobre esse resistor desliza um 3⁰ terminal, chamado de cursor, que permite utilizar apenas uma parte da resistência total do componente (de um extremo até o cursor).

SIMBOLOGIA

A Fig.16 mostra os símbolos utilizados para representar os potenciômetros, salientando o símbolo normalizado pela ABNT.

Fig.16 Símbolos dos potenciômetros.

A diferença entre os símbolos dos resistores ajustáveis e potenciômetros aparece na ponta do traço diagonal.

Os componentes cujo valor está sujeito à modificação constante (potenciômetros usados no controle de volume, por exemplo) são denominados variáveis. Nos seus símbolos aparece uma seta na ponta do traço diagonal.

         Os componentes cujo valor de resistência é ajustado na calibração e não sofre mais alteração, são chamados de ajustáveis. O resistor ajustável é um exemplo característico desse tipo de componente.

TIPOS DE POTENCIÔMETROS

Existem dois tipos de potenciômetros:

·        De fio.

·        De carbono (linear ou logarítmico).

POTENCIÔMETRO DE FIO

Sobre uma tira de fibra em forma de anel são enroladas várias espiras de fio especial (com resistividade elevada). Fixam-se terminais nas extremidades da fibra e as pontas do fio formam um resistor, conforme ilustrado na Fig.17.

Fig.17 Tira de fibra, espira de fio e terminais de um potenciômetro de fio.

Sobre o topo da fibra corre o contato móvel do cursor, que é ligado mecanicamente ao eixo do componente. O cursor é ligado ao terminal do potenciômetro, como mostrado na Fig.18.

Fig.18 Detalhes dos componentes básicos de um potenciômetro.

Os potenciômetros de fio para circuitos eletrônicos são encontrados em valores de até 22kW de resistências e potências de dissipação de até 4W.

Nos potenciômetros de fio a resistência entre o cursor e os extremos varia uniformemente com o movimento do eixo.

Se o eixo for movimentado até a metade do curso total, a resistência entre o cursor e os extremos é a metade da resistência total. Por outro lado, se o cursor for movimentado de 1/4 do curso total em relação a um extremo, a resistência entre este extremo e o cursor é 1/4 da resistência total. Entre o outro extremo e o cursor haverá portanto 3/4 da resistência, como ilustrado na Fig.19.

Fig.19 Valores de resistência para diversas posições do cursor.

Componentes com esta característica são chamados de lineares. Portanto, os potenciômetros de fio sempre são lineares.

 Nos potenciômetros lineares, a variação da resistência é proporcional ao movimento do eixo.

POTENCIÔMETRO DE CARBONO (CARVÃO)

São semelhantes aos potenciômetros de fio na sua construção. Diferem apenas em um aspecto: nos potenciômetros de carvão as espiras de fio especial (do potenciômetro de fio) são substituídas por uma camada de carbono que é depositada sobre uma superfície de material isolante, como pode ser visto na Fig.20.

Fig.20 Detalhes construtivos de um potenciômetro de carbono.

Os potenciômetros de carbono podem ser lineares ou logarítmicos. Os potenciômetros de carvão lineares são semelhantes aos de fio, ou seja, a variação da resistência entre um extremo e o cursor é proporcional ao movimento do eixo.

A variação da resistência dos potenciômetros lineares em relação à posição do cursor se apresenta conforme o gráfico da Fig.21.

Fig.21 Representação gráfica da variação da resistência com a posição do cursor   dos potenciômetros lineares.

Os potenciômetros de carvão logarítmicos se comportam de forma diferente, com respeito à relação entre posição do cursor e resistência.

Quando se inicia o movimento do cursor, a resistência sofre pequena variação. À medida que o cursor vai sendo movimentado, a variação na resistência torna-se cada vez maior.

A variação da resistência entre um extremo e o cursor é desproporcional ao movimento do eixo.

O gráfico da Fig.22 mostra como a resistência varia com relação à posição do eixo nos potenciômetros logarítmicos.

Fig.22 Representação gráfica da variação da resistência com a posição do cursor dos potenciômetros logarítmicos.

Os potenciômetros logarítmicos são usados principalmente em controles de volume.

POTENCIÔMETROS COM CHAVE

Em algumas ocasiões, utiliza-se o potenciômetro para controle de volume e ligação do aparelho. Para cumprir esta finalidade, são fabricados potenciômetros logarítmicos com uma chave presa ao eixo. A Fig.23 apresenta um potenciômetro logarítmico com chave.

Fig.23 Potenciômetro logarítmico com chave.

POTENCIÔMETROS DUPLOS

Os potenciômetros duplos são utilizados principalmente em aparelhos de som estereofônicos. Existem modelos de potenciômetros duplos em que um único eixo comanda os dois potenciômetros, e também modelos em que cada potenciômetro tem um eixo próprio. Essas concepções podem ser vistas nas Figs.24 e 25, respectivamente.

Fig.24 Potenciômetro duplo com um único eixo.

Fig.25 Potenciômetro duplo com eixo duplo.

POTENCIÔMETROS DESLIZANTES

Potenciômetros em que o movimento rotativo do eixo é substituído por um movimento linear do cursor. A Fig.26 mostra um exemplo.

Fig.26 Potenciômetro deslizante.

 

 

Aplicação dos resistores ajustáveis e potenciômetros

Os resistores ajustáveis e principalmente os potenciômetros são utilizados principalmente para obtenção de divisores de tensão com tensão de saída variável. A tensão de saída dos divisores é estabelecida pela relação entre os resistores que os compõem.

Incluindo resistores ajustáveis ou potenciômetro na constituição dos divisores, a tensão de saída torna-se variável em função da resistência com que estes elementos são ajustados. Este tipo de divisor é muito utilizado nos pontos dos circuitos que exigem calibração de ponto de operação.

De acordo com a posição do elemento variável, o divisor pode fornecer:

·        Um valor de tensão máximo.

·        Um valor de tensão mínimo.

·        Valores de tensão máximo e mínimo.

DIVISOR DE LIMITE COM TENSÃO MÁXIMA

Quando o divisor variável é colocado no extremo de referência do divisor, fornece tensões que vão desde 0V até um valor especificado menor que a alimentação, como pode ser visto na Fig.27.

Fig.27 Divisor de limite com tensão máxima.

DIVISOR COM LIMITE DE TENSÃO MÍNIMA

Quando o resistor variável é colocado no extremo da tensão de alimentação, o divisor fornece tensões que vão desde um valor mínimo até o valor da tensão de alimentação, como ilustrado na Fig.28.

Fig.28 Divisor com limite de tensão mínima.

DIVISOR COM LIMITE DE TENSÃO MÁXIMA E MÍNIMA

O resistor variável é colocado entre outros resistores fornecendo tensões entre um valor mínimo e máximo maiores que 0V e menores que Vcc, como mostrado na Fig.29.

Fig.29 Divisor com limite de tensão máxima e mínima.

ESPECIFICAÇÃO DE RESISTORES AJUSTÁVEIS E POTENCIÔMETROS

Os resistores ajustáveis são especificados por:

·        Valor e potência de dissipação para os de fio (por exemplo, resistor ajustável de 100W, 5W).

·        Valor e posição de montagem para os trimpots (por exemplo, trimpot de 10kW, trimpot de 480W horizontal). Normalmente para a montagem na vertical a posição não é especificada.

Os potenciômetros são especificados por:

·        Apenas o valor para os de fio (por exemplo, potenciômetro de fio 30W).

·        Valor, tipo, característica de resposta e chave, quando necessário, para os de carbono (por exemplo, potenciômetro de 10kW linear, potenciômetro de 470kW logarítmico, potenciômetro de 10kW logarítmico com chave).