Com a crescente redução do consumo dos componentes eletrônicos, as correntes nos circuitos tornam-se cada vez mais tênues e com isso mais difíceis de medir. A maioria dos multímetros comuns não consegue medir com precisão correntes na faixa de poucos microampères e o que não dizer das correntes na faixa dos nanoampères. O circuito apresentado pode usar instrumento próprio ou excitar diretamente um multímetro servindo como multiplicador de escalas de corrente, alcançando na faixa mais sensível um fundo de 100 nA.
Correntes de bilionésimos de ampères (nanoampères) são comuns em muitos circuitos eletrônicos, dificultando a realização de sua medida com os instrumentos tradicionais como, por exemplo, os multímetros.
Como a medida de uma corrente pode ser muito importante para diagnosticar uma falha ou mesmo fazer um ajuste surge a necessidade de se ter na bancada um instrumento que meça correntes desta grandeza ou mesmo adaptar um instrumento comum.
O que descrevemos é um amplificador de corrente que serve tanto para excitar um instrumento indicador comum (microamperímetro) como um multímetro possibilitando a medida de correntes de fundo de escala de até 100 nA na posição de maior sensibilidade.
A base do circuito é um amplificador operacional com FET e sua alimentação de 9V com baixo consumo estende bastante a vida útil da bateria.
Na nossa versãi damos 4 escalas com fundos de 100 nA, 1 uA, 10 uA e 100 uA já que estes são valores que normalmente não são alcançados por instrumentos comuns tais como multímetros.
Características:
- Escalas: 4 (100 nA, 1 uA, 10 uA e 100 uA)
- Tensão de alimentação: 9 V
- Tensão de saída: 1 V (para o fundo de escala)
- Consumo: menor que 1 mA
Como Funciona
Na saída do circuito temos uma tensão de 1 V para o fundo de escala desejado. Na configuração normal, usando um microamperímetro de 100 uA de fundo de escala, podemos ligar um trimpot e um resistor de modo a usá-lo com um voltímetro.
No entanto, se o leitor quiser usar o seu próprio voltímetro pode fazê-no tanto na escala de fundo de 100 uA como 1 V se ele as tiver.
O amplificador operacional é então ligado como um amplificador de tensão com ganho 100, ganho este dado pelo resistor de realimentação entre os pinos 2 e 6 do operacional e o resistor R1.
O sinal consiste na tensão que aparece sobre um resistor selecionado pela chave de escalas, e que depende justamente da intensidade da corrente neste resistor.
Assim, para uma corrente de 100 nA, se o resistor selecionado for de 100 k ohms, a tensão que aparece sobre ele é de 0,01 Volt o que, com o ganho 100 do amplificador nos leva a uma saída de fundo de escala de 1 V.
Para uma corrente de 10 nA de fundo de escala, o resistor selecionado será de 10 k ohms quando não aparecerá uma tensão de também 0,01 volt sobre ele, gerando na saída uma tensão de 1 V, que corresponde ao novo fundo de escala.
Um importante ponto a ser considerado é que devido a elevadíssima resistência de entrada do amplificador operacional, não temos efeito sensível dele sobre a corrente a ser medida, o que é importante para se garantir a precisão do circuito.
Lembramos finalmente, que a precisão da medida vai depender justamente da precisão dos resistores selecionados. Será interessante usar resistores de 1 ou 2% de precisão nesta função e também para os que determinam o ganho do amplificador.
Para estes, existe uma alternativa que consiste em se trocar o resistor de realimentação de 390 k ohms por um resistor de 330 k ohms em série com um trimpot multivoltas de 100 k ohms e se fazer o ajuste do circuito para se obter a precisão desejada.
A medida de corrente é feita com o instrumento em série com o circuito, conforme mostra a figura A.
A necessidade de se interromper o circuito para se realizar esta medida a torna pouco comum, já que nem sempre fazer isso é simples. O que se faz na maioria dos casos é procurar no circuito um resistor de valor conhecido por onde passa a corrente e medir a queda de tensão nele, conforme mostra a figura B.
Aplicando-se a Lei de Ohm (I = V/R) pode-se calcular facilmente a corrente sem a necessidade de se interromper o circuito. No entanto, existem casos em que este resistor não existe e aí temos a necessidade de fazer a medida pelo modo tradicional.
Montagem
Na figura 1 temos o diagrama completo do Nanoamperímetro.
A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 2.
A seleção de escala admite duas opções: uma chave seletora ou ainda bornes onde serão conectadas as pontas de prova. A escolha depende do leitor já que não é muito simples em nossos dias encontrar uma chave de 1 pólo x 4 posições.
Além dos resistores de precisão, os demais componentes não são críticos.
O circuito pode ser instalado numa caixinha plástica com ou sem o instrumento indicador conforme a versão.
Prova e Uso
Para provar será necessário gerar uma corrente de valor conhecido. Ligue então o medidor na escala de 10 uA no circuito da figura 3.
Ligue o circuito e antes de colocar as pilhas no suporte, ajuste P1 para indicação de nulo na saída.
Com o circuito em funcionamento a indicação deve ser de uma saída de 0,3 V já que a corrente será de ordem de 3 uA.
Para fazer o ajuste você pode ligar no circuito da figura 3 um multímetro que alcance a escala maior, conforme mostra a figura 4.
Este ajuste será feito para sua versão com trimpot de ganho em série com o resistor entre os pinos 6 e 2 do operacional apenas.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI-1 - CA3140 - Circuito integrado com FET de entrada
D1, D2 - 1N4148 - diodos de silício de uso geral
Resistores: (1/8W, 5%)
R1 - 3,9 k ohms
R2 - 100 ohms
R3 - 1 k ohms
R4 - 10 k ohms
R5 - 100 k ohms
R6 - 390 k ohms
R7 - 5,6 k ohms
P1, P2 - 10 k ohms
Capacitores:
C1 - 220 nF - poliéster
C2 - 330 nF - poliéster
Diversos:
M1 - 100 uA - microamperímetro - ver texto - ou voltímetro de 1 V
B1 - 9 V
S1 - Interruptor simples
S2 - Chave de 1 pólo x 4 posições - ver texto
Placa de circuito, impresso, botão para a chave seletora, pontas de prova, fios, conector de bateria, solda, etc.
