Voltímetro

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Voltímetro analógico.

Voltímetro (derivada da composição volt, unidade de medida da tensão, e metro, do grego μέτρον, metron, que significa medir) é um aparelho de medição de tensão ou ddp (diferença de potencial) de um circuito elétrico. Ele pode ser apresentado de duas categorias, digital e analogica. Tais categorias fazem referência a forma de medição, sendo o digital através de um processamento da ddp entre os seus dois pinos e o analógico o uso desta ddp para mover um ponteiro. O voltímetro analogico é basicamente um galvanômetro, aparelho sensível a variações elétricas, com uma alta resistência elétrica. Já o voltímetro eletrico, geralmente contido em um multímetro, funciona através de sensores e algoritmos para adquirir o valor da ddp do circuito.

História[editar | editar código-fonte]

O galvanômetro, instrumento base para os voltimetros analogicos os quais usam galvanômetros, foi criado em 1820 pelo físico dinamarquês Ørsted, sendo seu modelo conhecido como “galvanômetro de tangente” pois usava um cálculo de tangente para suas medições. Anos depois, em 1882, o biofisico francês Jacques Arsène criou um novo modelo do equipamento, o qual apresentava algumas vantagens em relação ao modelo de Ørsted como a independência do campo magnético da terra e a linearidade da escala, isso é, o ângulo de deflexão do ponteiro é diretamente proporcional à corrente percorrida. O modelo de Jacques é utilizado até hoje em alguns medidores de corrente analógicos.

Tendo sido criado mais adiante na história, o voltímetro amplificado, como o VTVM (Vacuum Tube Voltmeter, do inglês Voltímetro de Tubo de Vácuo), teve sua importância marcada pela maior sensibilidade a pequenas variações em baixas tensões, sem precisar de aparelhos muito sensíveis que em geral são mais frágeis. Esse voltimetro, como o nome sugere, consegue uma maior precisão por meio de um amplificador, que fornece energia ao voltímetro de tal forma a ampliar as variações no próprio circuito porém sem interferir significativamente no sistema. Com isso o voltímetro propriamente dito não precisa ser muito sensível uma vez que o amplificador amplia as variações. Por fim foi criado o voltímetro digital, amplamente utilizado atualmente principalmente em multímetros digitais.

Voltímetro analógico[editar | editar código-fonte]

Um voltímetro analógico é um instrumento de medição de tensão que utiliza o galvanômetro como sensor. O que caracteriza um voltímetro é a associação em série de um resistor a esse galvanômetro, o que possibilita medir uma ddp (diferença de potencial) maior do que a tensão de fundo de escala do galvanômetro, ou seja, ocorre uma potencialização da medida de ddp do galvanômetro.

O resistor adicionado também é considerado como um “divisor de tensão”, pois a tensão entre os terminais fica dividida entre o galvanômetro e o resistor como mostrado na imagem abaixo, considere R’’ como o resistor adicionado e Rg o galvanômetro.

Figura 1 - Esquema elétrico de um voltímetro voltmeter

O cálculo para a adição do melhor R’’ possível deve levar em conta a ddp máxima que se pretende medir. Essa operação se baseia na lei de ohm e na tensão aplicada ao aparelho, o que provoca queda de potencial, em ambos componentes.

Se considerarmos que a corrente (de fundo de escala) e a resistência interna do galvanômetro sejam respectivamente Ig e Rg; e quiser que uma tensão máxima (Vmax) seja medida no fim da escala, o valor do resistor (R’’) será calculado pela razão entre a tensão máxima e a corrente do galvanômetro, menos a resistência do mesmo. Segue a fórmula a seguir:

R’’ = (Vmax/Ig)-Rg

Dada à lei de ohm, para medir a tensão máxima suportada pelo voltímetro, e se considerarmos Igmax corrente máxima permitida pelo galvanômetro teremos a seguinte expressão:

Vmax = (R’’ + Rg)*Igmax

Como o voltímetro é utilizado para medir a diferença de potencial de um elemento do circuito, cada terminal do aparelho deve ser conectado em paralelo com esse mesmo elemento, por exemplo, em uma tomada é conectado cada polo do aparelho a uma entrada da tomada.

Os voltímetros porém causam alterações no circuito, sendo que o único jeito de não causar seria ter uma resistência infinita para não drenar a corrente do circuito. Esse voltímetro seria chamado de ideal, entretanto os voltímetros reais não tem essa característica e para minimizar esse efeito eles apresentam uma resistência interna muito alta, o que causa alterações desprezíveis no circuito.

Há ainda um último ponto a ser levado em conta, não se deve usar uma escala de medida no voltímetro menor do que a tensão do circuito a ser mensurado, pois isso causará danos ao galvanômetro, o que pode acarretar no mal ou no não funcionamento do aparelho. O recomendado seria usar a maior escala do voltímetro, e ir diminuindo na medida do possível, pois uma medição realizada numa escala muito alta de uma ddp muito baixa não teria precisão alguma, tendo assim que calibrar o aparelho para uma escala ideal.

VTVM e FET-VM[editar | editar código-fonte]

A sensibilidade e a resistência de entrada de um voltímetro podem ser aumentadas se a corrente necessária para mover o ponteiro do medidor é fornecida por uma fonte de energia que não seja o circuito no qual o teste é aplicado. O amplificador eletrônico entre a entrada e o medidor proporciona dois benefícios; Um robusto instrumento de bobina móvel pode ser usado, uma vez que sua sensibilidade não precisa ser alta, e a resistência de entrada pode ser aumentada, reduzindo a corrente extraída do circuito sendo testado. Voltímetros amplificados geralmente têm uma resistência de entrada de 1, 10 ou 20 megaohms, independentemente do alcance selecionado.

Uma forma popular desse instrumento usava um tubo de vácuo dentro do circuito amplificador e então foi chamado de VTVM (Vacuum Tube Voltmeter, do inglês Voltímetro de Tubo de Vácuo). Os VTVM eram quase sempre alimentados pela rede local AC (Alternating Current, do inglês corrente alternada), e portanto não eram particularmente portáteis. Atualmente esses circuitos utilizam um amplificador de estado sólido, usando transistores de efeito de campo, consequentemente FET-VM (Field-Effect Transistors Voltmeter, do inglês Voltímetro de Transistores de Efeito de Campo), que aparecem nos multímetros digitais de mão, assim como em instrumentos de mesa e laboratório.

A maioria dos VTVM e FET-VM suportam corrente DC (Direct current, do inglês corrente direta), AC (corrente alternada), e medições de resistência; Os FET-VM modernos adicionam medições de corrente e por vezes outras funções a mais. Uma forma especializada do VTVM ou FET-VM são os voltímetros AC, instrumentos utilizados para medição de voltagem da corrente alternada. Eles têm uma largura de banda muito maior, e uma sensibilidade mais aguçada que a dos dispositivos multifuncionais comuns.

Efeitos no circuito[editar | editar código-fonte]

Todo voltímetro afeta o circuito que está sendo medido de alguma maneira. Enquanto algum impacto é inevitável, ele pode ser minimizado através de um medidor bem projetado.

Como o voltímetro é sempre conectado em paralelo com o componente a ser testado, qualquer corrente que passe por dele provocará alterações na corrente do circuito, potencialmente afetando a tensão elétrica medida. Um voltímetro ideal tem resistência infinita para que ele não desvie corrente do circuito em teste. Por exemplo, em um Divisor de tensão, a resistência interna do medidor pode alterar a proporção das resistências do circuito, o que pode afetar a tensão a ser medida.

No caso de voltímetros analógicos, quanto menos corrente o dispositivo necessitar para mover o ponteiro, menor seu efeito sobre o circuito. Neles, a resistência entre seus terminais pode mudar dependendo da faixa de medição selecionada, o que também afeta no quanto o circuito será impactado. Já os digitais geralmente tem uma resistência interna fixa que independe da faixa de medição.

Para reduzir os efeitos no circuito, pode-se, no caso do voltímetro analógico, projetá-lo de forma que se minimize a corrente necessária para movimentar a agulha. Outra maneira é amplificar eletronicamente a corrente para mover o ponteiro através de um amplificador para minimizar a corrente do circuito desviada ao voltímetro.

Voltímetro Digital[editar | editar código-fonte]

Imagem 2: Multímetro digital

Os voltímetros digitais têm a necessidade de converter os dados analógicos, que são representados por valores contínuos, para uma cadeia de bits a fim de poderem ser processadas por sistemas digitais. Esta conversão é conhecida com Conversão Analógica Digital (A/D) e são feitas por aparelhos chamados transdutores.

Assim que a conversão é feita, o aparelho faz comparações periódicas do sinal de entrada com uma diferença de potencial constante, que é gerada por um dispositivo interno; e que converte as diferenças calculadas em um sinal digital que é exibido no painel de LCD. Se houver pequenas variações durante o tempo, o valor exibido ficará mudando.

Ver também[editar | editar código-fonte]

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Referências

  1. Laboratório de Eletricidade e Magnetismo: “Instrumentos de Medidas Elétricas I: Voltímetros, Amperímetros e Ohmímetros”, INSF(USP), http://www.ifsc.usp.br/~strontium/Teaching/Material2010-2%20FFI0106%20LabFisicaIII/08-InstrumentosdeMedidasEletricas-I.pdf . Consultado em 25 de março de 2017
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