Como medir a corrente com um osciloscópio

Medir a corrente é uma tarefa simples - tudo o que você precisa fazer é conectar um multímetro ao circuito que deseja medir e o medidor fornece um valor limpo para usar. Às vezes, você não pode realmente 'abrir' o circuito para colocar um multímetro em série com o que você deseja medir. Isso também é resolvido de forma bastante simples - você só precisa medir a tensão em uma resistência conhecida no circuito - a corrente então é simplesmente a tensão dividida pela resistência (da lei de Ohm).

As coisas ficam um pouco complicadas quando você quer medir sinais de mudança. Isso está à mercê da taxa de atualização (número de amostras por segundo) do multímetro, e o ser humano médio pode compreender apenas algumas mudanças em uma tela por segundo. Medir CA se torna um pouco mais simples se o multímetro tiver uma medição de tensão RMS (a tensão RMS é a tensão de um sinal CA que transmitiria a mesma quantidade de energia que uma fonte CC dessa tensão produziria). Isso é estritamente limitado a sinais periódicos (ondas quadradas e similares estão estritamente fora de questão, a menos que a medida RMS seja 'verdadeira'; mesmo assim, não há garantias sobre a precisão da medição). A maioria dos multímetros também são filtrados em passa-baixas, o que impede a medição de CA acima de algumas centenas de Hertz.

Como usar o osciloscópio para medir a corrente

O osciloscópio preenche a lacuna entre a percepção humana e os valores estáveis ​​de um multímetro - ele exibe uma espécie de "gráfico" de tensão-tempo de um sinal, que permite uma melhor visualização dos sinais variáveis ​​em comparação com um conjunto de números variáveis ​​em um multímetro.

Medir sinais com frequências de até vários gigahertz também é possível, desde o equipamento adequado. No entanto, o osciloscópio é um dispositivo de medição de tensão de alta impedância - ele não pode medir correntes como tal. O uso de um osciloscópio para medir correntes requer a conversão de uma corrente em tensão e isso pode ser feito de algumas maneiras.

1. Usando um Resistor Shunt

Esta é talvez a maneira mais simples de medir a corrente e será discutida aqui em detalhes.

O conversor de corrente em tensão aqui é o humilde resistor.

O conhecimento básico nos diz que a tensão em um resistor é proporcional à corrente que flui por ele. Isso pode ser resumido pela lei de Ohm:

V = IR

Onde V é a tensão através do resistor, I é a corrente através do resistor e R é a resistência do resistor, todos em suas respectivas unidades.

O truque aqui é usar um valor de resistor que não afete o circuito geral que está sendo medido, uma vez que a queda de tensão no resistor shunt faz com que menos tensão caia no circuito em que ele está colocado. Uma regra geral seria usar um resistor que é muito menor do que a resistência / impedância do circuito sendo medido (dez vezes menos em um bom ponto de partida) para evitar que a corrente no circuito sendo medido seja influenciada pelo shunt.

Por exemplo, o transformador e o MOSFET em um conversor DC-DC podem ter uma resistência total (DC) de dezenas de miliohms, colocando um grande (digamos) resistor de 1Ω resultaria na queda da maior parte da tensão através do shunt (lembre-se de que para resistores em série, a proporção da tensão caiu entre os resistores é a proporção de suas resistências) e, portanto, uma maior perda de potência. O resistor apenas converte a corrente em voltagem para medição, então a potência não faz nenhum trabalho útil. Ao mesmo tempo, um pequeno resistor (1mΩ) deixaria cair apenas uma pequena (mas mensurável) tensão nele, deixando o resto da tensão para fazer um trabalho útil.

Agora, tendo selecionado um valor de resistor, você pode conectar o aterramento da sonda ao aterramento do circuito e a ponta da sonda à resistência shunt, conforme mostrado na figura abaixo.

Existem alguns truques legais que você pode usar aqui.

Supondo que seu shunt tenha uma resistência de 100mΩ, uma corrente de 1A resultaria em uma queda de tensão de 100mV, nos dando uma 'sensibilidade' de 100mV por amp. Isso não deve causar problemas se você for cuidadoso, mas muitas vezes 100mV é tomado literalmente - em outras palavras, confundido com 100mA.

Este problema pode ser superado definindo sua configuração de entrada para 100X - a ponta de prova já está atenuando 10X, então adicionar mais 10X ao sinal traz de volta a 1 V por amp, ou seja, a entrada é 'multiplicada' por 10. A maioria dos osciloscópios vem com este recurso de ser capaz de selecionar a atenuação de entrada. No entanto, pode haver escopos que suportam apenas 1X e 10X.

Outro pequeno recurso útil é ser capaz de definir as unidades verticais que estão sendo exibidas na tela - o V pode ser alterado para A, W e U, entre outros.

As coisas ficam complicadas quando você não consegue colocar o shunt na parte inferior. O aterramento do osciloscópio é conectado diretamente ao aterramento, portanto, supondo que sua fonte de alimentação também esteja aterrada, conectar o grampo de aterramento da ponta de prova a qualquer ponto aleatório no circuito causará um curto-circuito nesse ponto ao aterramento.

Isso pode ser evitado fazendo algo chamado medição diferencial.

A maioria dos osciloscópios tem uma função matemática, que pode ser usada para realizar operações matemáticas na (s) forma (s) de onda exibida (s). Observe que isso não altera o sinal real de forma alguma!

A função que usaremos aqui é a função de subtração, que exibe a diferença de duas formas de onda selecionadas.

Como a tensão é simplesmente a diferença de potencial entre dois pontos, podemos conectar uma ponta de prova a cada ponto e conectar os grampos de aterramento ao aterramento do circuito, conforme mostrado na figura.

Exibindo a diferença entre os dois sinais, podemos determinar a corrente.

O mesmo truque de 'atenuação' usado acima também se aplica aqui, mas lembre-se de mudar os dois canais.

Desvantagens de usar resistor shunt:

Existem algumas desvantagens de usar o resistor de derivação. O primeiro é a tolerância, que pode chegar a 5%. Isso é algo que deve ser considerado com certa dificuldade.

O segundo é o coeficiente de temperatura. A resistência dos resistores aumenta com a temperatura, o que resulta em uma queda maior de tensão para uma determinada corrente. Isso é particularmente ruim com resistores shunt de alta corrente.

2. Usando uma sonda de corrente

Sondas de corrente pré-fabricadas (chamadas de 'pinças de corrente'; elas se prendem a fios sem interromper circuitos) estão disponíveis no mercado, mas você não vê muitos amadores usando-as por causa de seu custo proibitivo.

Essas sondas usam um de dois métodos.

O primeiro método é o uso de uma bobina enrolada em torno de um núcleo de ferrite semicircular. A corrente no fio, em que a sonda foi presa, gera um campo magnético na ferrita. Isso, por sua vez, induz uma tensão na bobina. A tensão é proporcional à taxa de variação da corrente. Um integrador 'integra' a forma de onda e produz uma saída que é proporcional à corrente. A escala de saída é normalmente entre 1mV e 1V por amp.

O segundo método usa um sensor Hall imprensado entre dois semicírculos de ferrite. O sensor Hall produz uma voltagem proporcional à corrente.

3. Um método rápido e sujo

Este método não requer componentes extras além de um escopo e uma sonda.

Este método é muito parecido com o uso de uma sonda atual. Passe o fio de aterramento da sonda ao redor do fio que carrega a corrente a ser medida e conecte o grampo de aterramento à ponta da sonda.

A voltagem produzida é novamente proporcional à taxa de variação da corrente, e você precisa fazer algumas contas na forma de onda (ou seja, integração; a maioria dos osciloscópios tem isso no menu 'matemática') para interpretá-la como uma corrente.

Eletricamente falando, a ponta de prova em curto basicamente forma um loop de fio que atua como um transformador de corrente, conforme mostrado na figura.

Conclusão

Existem vários métodos para medir a mudança das formas de onda atuais usando um osciloscópio. O mais simples é usar um shunt de corrente e medir a tensão nele.