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Física III
4º Período de Química Licenciatura
Turma 2 - Quarta-feira
Prática V: - Osciloscópio de Raios Catódicos
16/09/2009
Materiais:
Gerador : ICEL Manaus GV 2002 FUNCTION SIGNAL GENERATOR
Multímetro: HGL DIGITAL-MULTIMETER 2000N
Osciloscópio: POLITERM 20MHz OSCILLOSCOPE
Painel eletrônico: ICEL Manaus – ELETRONIC LAB 130 IN ONE
Cabos e fios de ligação
Apresentação dos resultados:
Tabela 1- Valores dos picos
" "VP ? "Valor efetivo (pico a pico) "
"1ª "17 V "6,34 V "
"2ª "14 V "5,15 V "
"3ª "12 V "4,37 V "
"4ª "10 V "3,63 V "
"5ª "6 V "2,16 V "
Tabela 2- Carga e Descarga
" "Resistor "Carga "Descarga "
"Valor nominal "10 k( "1,0 ms "1,0 ms "
"Valor efetivo "10 k( "1,2 ms "1,2 ms "
" "4,7 k( "0,6 ms "0,6 ms "
Conclusão:
Apêndices:
OSCILOSCÓPIO DE RAIOS CATÓDICOS
Apresentamos a seguir um resumo introdutório sobre o osciloscópio, que é o
principal instrumento das aulas de laboratório na primeira parte da
disciplina F-429.
Tubo de Raios Catódico:
Os tubos catódicos são tubos de vidro sob vácuo na extremidade dos quais um
revestimento de compostos de fósforo permite a visualização do ponto de
impacto de um feixe controlado de elétrons.
A visualização de imagens através de tubos catódicos faz parte de nossa
vida diária; as imagens vistas na tela da maioria dos televisores ou
monitores de computadores são efeitos visuais gerados nos tubos catódicos.
Diversos instrumentos de análise utilizam tubos deste tipo, por exemplo:
telas de visualização na ultra-sonografia, ecografia ou em radares, sonares
etc. Os osciloscópios que permitem a visualização de sinais elétricos são
de uso comum nas áreas científicas e técnicas e são baseados em tubos
catódicos.
Novas tecnologias para telas de visualização já estão disponíveis ou em
desenvolvimento (telas de cristal líquido e outras), mesmo assim os tubos
de raios catódicos continuarão presentes durante muitos anos.
Aprender a usar osciloscópios em aplicações relacionadas a circuitos de
corrente alternada e sinais eletrônicos é parte dos objetivos na disciplina
de F-429: Física Experimental IV do IFGW.
No presente texto introdutório limitamo-nos aos conceitos gerais e as
funções mais simples; procuramos descrevê-las em português, sem omitir a
nomenclatura, em inglês, que os identifica na maioria dos osciloscópios,
independentemente do modelo ou do fabricante.
O osciloscópio
O osciloscópio é um instrumento de análise de sinais elétricos que projeta
em uma tela bidimensional um ponto luminoso cujas coordenadas são
controladas pelos potenciais elétricos dos sinais de entrada. O ponto de
luz pode se deslocar no plano da tela com alta velocidade, permitindo assim
a visualização não só do ponto, mas também de sua trajetória, inclusive em
sinais de alta freqüência. Os osciloscópios obedecem a potenciais elétricos
tanto para o controle da coordenada vertical como da horizontal. É claro
que os sinais de entrada podem representar quaisquer grandezas de
interesse, por exemplo, o tempo como coordenada horizontal é a aplicação
mais comum e permite projetar, analisar e comparar sinais Yi (na coordenada
vertical) em função do tempo t (na horizontal); neste caso a varredura
horizontal é controlada por um sinal proporcional ao tempo (rampa ou "dente
de serra") que é gerado internamente.
Os dois sinais que controlam cada uma das coordenadas horizontal e vertical
do ponto na tela seguem dois caminhos diferentes, porém sincronizados entre
si. A figura abaixo ilustra a situação de um osciloscópio de dois canais de
entrada (chamados de 1 e 2 na figura) na configuração que projeta o tempo
na horizontal.
Inicialmente os sinais externos passam por atenuadores que reduzem os
sinais a faixas de amplitudes compatíveis com os pré-amplificadores do
osciloscópio ("pre-a" na figura) e adaptam as impedâncias entre as pontas
de prova e os pré-amplificadores. O quanto o sinal é atenuado é regulado no
painel do instrumento, pelo botão "VOLTS/DIV".
O circuito do gatilho ("trigger" em inglês) tem uma função muito importante
na operação do osciloscópio. Ele é responsável pela determinação do
instante certo para iniciar a varredura horizontal do ponto na tela, isto
é, determina a origem do tempo na visualização do sinal. Podemos ilustrar a
importância do gatilho observando o sinal V(t) representado na figura
abaixo em três telas que tiveram o gatilho acionado em momentos diferentes.
A tela do meio mostra o sinal "útil" projetado na tela do osciloscópio. Na
primeira tela (a esquerda) o gatilho disparou a varredura horizontal cedo,
no tempo que não havia sinal (ou quando o sinal ainda era "zero"); na
terceira tela
o gatilho veio tarde, o sinal já havia passado ou voltado ao estado "zero".
Como é determinado o instante do disparo do gatilho? O circuito recebe dos
pré-amplificadores uma réplica do sinal a ser analisado e, do painel de
controle, dois critérios para o gatilhamento: um nível de tensão do sinal
de entrada e o sinal (+ ou -) da derivada temporal da tensão (a tensão
crescente ou decrescente é condição para o gatilho). Assim o "trigger"
dispara a varredura horizontal quando ambas as condições são satisfeitas
simultaneamente.
A velocidade da varredura horizontal é fixada no painel através do botão
"segundos/divisão" (sec/div) e define o tempo de projeção do sinal no
espaço da tela. Desta forma, a medida que o ponto vai se movendo
horizontalmente na tela, os amplificadores dos canais verticais deslocam
este mesmo ponto para cima ou para baixo, conforme comanda o sinal de
entrada.
As informações para as deflexões horizontais e verticais têm que chegar ao
tubo catódico de maneira sincronizada mas como o tratamento da informação
do gatilho é mais demorada (~(s) que a amplificação nos canais verticais,
introduz-se circuitos retardadores calibrados (delay) para sincronizá-los
novamente .
A seguir apresentamos o tubo catódico que projeta na sua tela os sinais que
foram acondicionados conforme explicado acima.
AS ESTRUTURAS INTERNAS DOS TUBOS CATÓDICOS DOS OSCILOSCÓPIOS
A figura abaixo mostra as partes mais importantes das estruturas internas
de um tubo catódico para osciloscópio.
Os elétrons do feixe atingem o fósforo do revestimento interno da tela onde
sua energia cinética é parcialmente transformada em luz por fluorescência.
Desta tela os elétrons, que se repelem, migram para o revestimento interno
e condutor, de grafite, que esta ligado à alta tensão positiva, a mesma do
ânodo 3 e à fonte de alimentação externa ao tubo. A maioria das conexões
elétricas do tubo está realizada através de pinos selados situados na
extremidade oposta à tela do tubo.
O canhão de elétrons
O catodo, aquecido pelo filamento, emite os elétrons que formam o feixe. O
controle quantitativo da corrente de elétrons participantes do feixe é
realizado pelo eletrodo chamado grade e sua polarização negativa em relação
ao catodo. O número de elétrons que atingem a camada de fósforo define a
intensidade ou o brilho do ponto de luz na tela e a polarização da grade
controla esta característica.
Sucessivos ânodos com polarizações positivas crescentes (em relação ao
catodo) são usados para acelerar os elétrons e focalizá-los em um feixe
fino. O controle da qualidade do foco, a focalização é realizado pelo
ajuste fino do potencial do ânodo cilíndrico 2.
Placas defletoras
Na maioria dos osciloscópios a deflexão controlada do feixe de elétrons é
obtida pela atuação de campos elétricos gerados entre pares de placas
defletoras (horizontais e verticais) polarizadas e colocadas no caminho do
feixe.
Com esta deflexão o sistema mostra na tela um ponto luminoso que se desloca
numa trajetória Y(X) controlada pelos sinais analisados. Para permitir a
visualização da própria trajetória (e não somente do ponto) aproveita-se de
dois fenômenos interessantes:
1) A persistência das imagens na visão humana (i.e. a propriedade da visão
de manter a imagem vista durante uma fração de segundo além do tempo real
de existência do estímulo luminoso).
2) A característica dos compostos de fósforo de converter parte da energia
do feixe de elétrons em luz por fosforescência que é um fenômeno muito mais
lento (segundos ou mais) do que a fluorescência (<10-6 s). Assim a luz do
ponto do feixe na tela permanece por mais algum tempo mesmo sem estímulo.
Observe que em algumas telas de visualização com as dos radares esta
permanência do sinal luminoso é propositadamente alongada; nas televisões
este efeito é minimizado.
Retículo
Para facilitar a leitura e a quantificação dos sinais na tela do
osciloscópio, uma grade reticular é gravada e pode aparecer sobreposta à
tela; o retículo torna-se luminoso sob o efeito de uma iluminação
controlável, interna. Cuidado, em alguns osciloscópios a grade reticular e
a tela (fósforo) estão montados em planos paralelos relativamente distantes
o que pode induzir a erros por paralaxe.
OS CONTROLES DO OSCILOSCÓPIO
A variedade de funções e a flexibilidade que os osciloscópios modernos
oferecem justificam a presença de um grande número de controles nestes
instrumentos. O osciloscópio Tektronix 2245A que serve de exemplo aqui tem
no painel frontal 38 controles, botões e conectores (descritos no manual:
ref 1). Para muitas destas funções o modelo 2245A proporciona procedimentos
internos de ajuste e operação automatizados; é claro que manipulações
automatizadas em instrumentos de análise somente são úteis quando o usuário
sabe o que procura, conhece as funções disponíveis e sabe implementá-las
para a resolução do problema.
DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO:
Utilizou-se de 2 equipamento relativamente caros, a aula é
demostrativa.
Objetivo: medir a relação entre uma medição efetiva e uma medição de pico a
pico qdo se trata de sinais alternados.
1ª parte: usa osciloscópio e multímetro, faz 5 medições diferentes (5 pts)
pra fazer um ajuste linear.
2ª parte: usa osciloscópio, multímetro e gerador
A energia é medida através de um sinal alternado. A amplitude ela se
alterna de um valor até outro valor a medida q o tempo passa.
Gráfico: Variação de amplitude do potencial elétrico da tomada em
função do tempo, ela vai ta variando com o tempo. (senóide)
O tempo depende da freqüência, ex. 60Hz sai do + e vai pro – 60x.
Relação entre freqüência (f) e período (T): são inversamente
proporcionais. (F=1/T) como 1/60 não dá pra medir usando um cronometro usa-
se o osciloscópio de q forma? Ele opera na faixa d MHz 1/10^6,
Tem o msm principio de uma TV, tem um filamento por onde passa uma
corrente elétrica através de um vácuo o filamento é como uma luz
incandescente, qdo tem um vácuo o filamento solta elétrons (os e- do metal)
funciona como uma colônia de elétrons( ficam ali no ar), esses e-... fazem
uma induçao elétrica., qdo tem uma ddp entre a bateira e a tela tem ddp e
de campo elétrico.entre a tela e o filamento tem ddp e campo elétrico. Os e-
vão ter força elétrica (Coulomb) F=q*E se tem força tem aceleração, o e-
vai ser acelerado em direção a tela. A medida q ele é arrastado o campo
elétrico realiza trabalho sobre ele , W=(U=E o e- com energia transmite
essa energia para os e- do fósforo (ganha energia, excita, volta emite
energia em forma de luz).
Tubo de frente: 2 placas V e 2 H, transita o E no meio, nas H aplica
um E H, qdo isso acontece o e- faz ondas H. ele varia de tal forma q faz
uma varredura na tela H em tantos segundos. (usando as contas de mecânica)
se qr q ele saia do E e vai a outro em 3 seg vc aumenta a amplitude,do E ou
a variação do tempo dele, calcular qto tempo ele leva qm controla é o
osciloscópio(horizontal). Acompanhar a variação da amplitude de um MAX a um
MIN.
1ª parte: d pico a pico ( amplitude q tenho aproximada do meu sinal)
mede com o osciloscópio, o V efetivo(dependo do valor do pico e da relação
da media) é a media desse sinal q é dado pelo multímetro. Medir com o
osciloscópio o valor de pico.
2ª parte: carga e descarga : o tempo pra carregar e descarregar é o
msm. O tempo real. Verificar a cuba de carga e descarga do resistor e do
resistor. Fazer a continha nominal e a do medido q devem ser =. Medir com o
osciloscópio, pra o ver carregando e descarregando.
Pra gerar a onda: gerador de sinais q consegue fazer ondas senoidais,
quadradas e triangulares, a senoidal é pra 1º parte e pra 2ª quadrada pq
carrega q descarrega.
