Fig. 1: Imagem de um multímetro digital
Como o nome sugere, multímetros são aqueles instrumentos de medição que podem ser usados para calcular características de múltiplos circuitos. Torná-los digitais fornece saídas altamente precisas, pois, diferentemente de suas contrapartes analógicas, não há agulha cujo ponteiro deva ser descoberto. Como os medidores digitais são mais avançados do que seus antecessores? Que circuito interno existe para alimentar cálculos tão rápidos e velozes? Simplesmente conecte-o ao circuito e faça leituras na hora? O multímetro faz isso por nós. Então, vamos explorar os detalhes essenciais do multímetro que o tornam um pau para muitas (se não todas) as negociações de medições elétricas.
Invólucro Externo
Fig. 2: Imagem mostrando as várias partes da estrutura externa do multímetro
A imagem acima descreve um multímetro comumente usado. Envolto em um invólucro de plástico durável, este instrumento de medição e teste vem com um suporte opcional para deixá-lo inclinado para fins de leitura fácil.
Cada multímetro vem com algumas especificações que definem as funções e o alcance que ele pode medir. Por exemplo, aquele neste insight pode medir a tensão DC na faixa entre 400mV a 1000V e a resistência pode ser medida de 400Ohm a 400MegaOhm. Além de medir as medições convencionais de corrente, tensão e resistência, o instrumento mostrado também pode testar lógica, medir características de diodo e testar transistores para pequenos ganhos de corrente e até medir frequência. Para medir a continuidade, é fornecida uma campainha que emite um som indicando que o circuito está funcionando.
A precisão é um dos aspectos mais críticos nas especificações. Este grau de proximidade do resultado medido com o real deve ser o mais alto possível. Quanto menor a margem de desvio, maior será a precisão. Por exemplo, um multímetro medindo tensão com precisão de +/-0,6 V seria mais preciso em sua leitura quando comparado a +/-0,8 V. Frequentemente, a qualidade dos multímetros é julgada com base na precisão.
Portas de entrada e bateria
Fig. 3: Portas do multímetro
A maioria dos multímetros tem um volt e uma porta comum onde as pontas de prova são conectadas. No entanto, para medir corrente, portas adicionais são fornecidas. É a inclusão da porta de corrente de miliamperes que requer um bom circuito de proteção no multímetro, pois aplicações acidentais de alta corrente podem danificar o instrumento e causar danos ao usuário também.
Fig. 4: Bateria e fusível na parte traseira do multímetro
A parte traseira do multímetro contém uma bateria de 9V e um fusível. Colocado entre a bateria e as portas de entrada, o fusível atua como protetor de circuito, interrompendo o processo de medição quando entradas superiores à faixa suportável são aplicadas no multímetro. A bateria e o fusível são fechados por uma aba com apenas um parafuso para que possam ser facilmente trocados evitando interrupções mais longas no processo de medição. Um fusível extra é fornecido para fins de conveniência.
Estrutura interna
Fig. 5: PCB e circuito do multímetro
Não há parafusos envolvidos na abertura da caixa do multímetro, pois as seções superior e inferior são fixadas através das travas plásticas. O PCB e todos os circuitos são montados na seção superior, enquanto a seção inferior é uma fina camada de alumínio anodizado. Esta camada não condutora auxilia na dispersão uniforme do calor em casos de altas entradas de corrente no multímetro.
PCB
Fig. 6: Uma visão mais detalhada da PCB e do arranjo do circuito
O PCB contém uma variedade de vários componentes, incluindo vários tipos de resistores, capacitores, diodos e circuitos integrados. Além disso, ele hospeda a bateria, o oscilador de cristal, o PTC, o LCD e o buzzer que testa a continuidade do dispositivo em teste (DuT).
Os ICs fixados na PCB mostrada acima são:
1. LM324DG: É um IC amplificador operacional de baixa potência que funciona como comparador. Este IC possui entradas e saídas quádruplas e requer apenas uma única fonte de alimentação. Assim, fornece potência otimizada em entradas de baixa tensão.
Fig. 7: Amplificador operacional IC—LM324DG
2. HEF4070: Portas OR exclusivas quádruplas: Este IC de 14 pinos fornece funções EX-OR quádruplas com alta imunidade a ruído. Este IC é usado principalmente como comparador lógico e verificadores de paridade.
Figura 8: IC de 14 pinos – HEF4070
3. HCF4069: É um CI inversor de 14 pinos com função hexagonal. Trabalhando com um requisito de potência média, este CI inversor leva 30 ns para mudar sua saída de baixa para alta e vice-versa.
Fig. 9: Inversor de função hexagonal — HCF4069
4. TL062: Um IC de amplificador operacional JFET de 8 pinos projetado para operações de baixa potência, funciona no modo de função dupla, o que significa que pode fazer o trabalho de dois amplificadores operacionais.
Fig. 10: Circuito integrado do amplificador operacional JFET — TL062
Além de todos os ICs mencionados acima, também existe um IC cob que faz a interface com o LCD, montado na parte traseira da tela LCD.
Seletor de intervalo
Condução de anéis circulares e seleção de faixa/função
Fig. 11: LCD, PCB e botão giratório
A PCB é fixada na caixa superior do multímetro com a ajuda de parafusos. Um LCD e um botão giratório estão imprensados entre a caixa superior e o outro lado da placa de circuito impresso. Além disso, os contatos para ligar e desligar o multímetro podem ser vistos. Alguns multímetros empregam a chave rotativa para lidar com as opções de ligar e desligar, enquanto alguns exigem uma chave deslizante, como a deste insight.
O outro lado da placa de circuito impresso possui 11 anéis condutores concêntricos entre os quais as conexões são feitas e interrompidas com o auxílio do botão rotativo que funciona como uma chave. O padrão dos anéis pode variar dependendo do fabricante do multímetro e das funções listadas. Nenhum dos anéis completa um padrão circular completo, mas está quebrado em uma parte ou outra. Essas linhas também são lubrificadas para permitir o funcionamento suave da chave quando ela é girada.
A rotação do interruptor define qual parte do circuito no PCB estaria ativa e qual não estaria.
Fig. 12: Imagem do interruptor rotativo (superior) e alinhamento do anel (inferior)
Uma visão melhor de como os anéis são alinhados de acordo com o seletor de faixa/função pode ser vista acima. De facto, o interruptor rotativo não entra necessariamente em contacto com os anéis correspondentes à função perto da qual está colocado.
Por exemplo, quando o multímetro é acionado para medir resistência na faixa de 400K, o posicionamento dos contatos do interruptor pode ser visto nas imagens mostradas abaixo:
Fig. 13: Figura que mostra a posição da chave rotativa para medir a faixa de resistência de 400K
Fig. 14: Mecanismo de chave rotativa
Fig. 15: Indicador e posicionamento correspondente dos pinos
Fig. 16: Posicionamento da chave rotativa na placa de circuito impresso
Em vez de serem colocados logo abaixo do indicador de faixa, os contatos são colocados perpendicularmente a ele. As folhas de metal na parte inferior do mostrador atuam como jumpers que estabelecem interconexões entre diferentes pares de anéis condutores em cada posição. A conexão entre os anéis transmite um sinal elétrico para a PCB referente à grandeza e sua respectiva faixa a ser medida
Fig. 17: Trilha na caixa superior onde o interruptor está posicionado
Para permitir a fácil rotação do interruptor, é fornecida uma pista no interior da caixa superior, juntamente com duas pequenas esferas de metal. Essas pequenas bolas auxiliam o movimento na pista e emitem um som de “clique” sempre que o botão é girado para confirmar que o alcance, a função ou ambos foram alterados pelo usuário. O uso de pequenas bolas de metal sobre uma pista corrugada também faz com que o mostrador e, portanto, o modo do multímetro permaneça na posição mesmo se a configuração tremer ou se o multímetro cair.
LCD
Fig. 18: Visor LCD de 7 segmentos do multímetro
Fornecendo uma saída de 7 segmentos, o LCD forma uma especificação de configuração crítica do multímetro em termos dos dígitos exibidos. Como a saída do LCD é uma medida direta da resolução do multímetro, é desejável que ele mostre o máximo de caracteres possível. A exibição do LCD é medida em número de dígitos que ele pode mostrar. Os números totais que podem aparecer no LCD são definidos como contagens. . A resolução do LCD é definida pelo número de contagens junto com o dígito mais significativo. Se o dígito mais significativo for 0 ou 1, uma fração de ½ acompanha a resolução e para outros valores menores que 9 é ¾. Por exemplo, LCD com contagem de 3.999, a resolução seria 3¾.
Fig. 19: Resolução do LCD
Fig. 20: Revestimento plástico do LCD (superior) e almofadas de borracha de absorção de choque
O LCD está embutido no PCB e tem interface por meio de pinagens no próprio PCB. Uma caixa de plástico transparente cobre o LCD protegendo-o contra arranhões. Além disso, a absorção de choque é fornecida pelas almofadas de borracha firmemente fixadas na parte superior e inferior do LCD.
Trabalhando
Após ligar o instrumento, o usuário gira o botão para a função de medição desejada e seu intervalo. Correspondendo à seleção da função e do intervalo, os anéis concêntricos do PCB entram em curto. Isso por sua vez ativa aquela seção do PCB que é responsável por executar medições naquela faixa. Como é um instrumento de medição digital, um Conversor Analógico para Digital é amplamente usado para converter as medições em valores discretos.
Fig. 21: Diagrama de blocos do funcionamento do multímetro
Exceto a corrente, a maioria das medições é baseada na tensão. Por exemplo, ao medir a resistência, uma pequena quantidade de corrente é enviada através dos terminais do DuT. A queda de tensão gerada é tomada como entrada e dividida pela corrente do circuito interno para determinar a resistência.
O diagrama de blocos mostrado acima fornece uma visão geral do funcionamento do multímetro. Passada pelas pontas de prova, a entrada é analógica e entra no circuito interno em forma de onda. O sinal de entrada é primeiro condicionado e depois segue para seu respectivo circuito de medição. Além disso, ele é otimizado para seleção de faixa e enviado para um conversor analógico para digital. O conversor analógico para digital pode ser de vários tipos, dependendo das capacidades do multímetro e do fabricante envolvido. Para converter o sinal, o ADC coleta amostras da onda analógica. Para garantir a reconstrução do sinal, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a frequência do sinal analógico.
A maioria dos ADCs usados em multímetros segue o método de integração de declive duplo no qual o sinal digital é comparado a uma referência. Sua saída vai para um registro de aproximação sucessiva (SAR) que envia a saída final para a unidade de processamento e equilibra o sinal de referência para comparação otimizada. Uma entrada de clock é necessária para o contador SAR que é fornecido por um oscilador de cristal. O processamento envolvido em multímetros é geralmente limitado a somar os pulsos e é um circuito integrador.
Após a conversão de analógico para digital, a resultante é enviada para a unidade de processamento que pega os valores, decodifica sua magnitude e envia para o LCD.
Os multímetros estão em propósitos de medição eletrônica há muito tempo e espera-se que permaneçam por muito tempo e obtenham mais modificações de quantidades de medição. Os multímetros analógicos estavam inicialmente na moda, mas exigiam calibração e erro humano frequentemente causavam erros nas medições. Com medições digitais, os resultados não são apenas mais precisos, mas também podem ser resolvidos em um alto nível. De voltagem a correntes, os multímetros digitais agora podem até medir temperatura, capacitância e agora podem ter conectores RS232 para comunicação com máquinas mais inteligentes. Com novos designs sendo lançados a cada dia e ICs especializados sendo feitos para cada medição concebível, desenvolvedores inovadores continuam a colocar mais funcionalidade nos cantos apertados do multímetro enquanto operam em condições e custos de energia nominais.
