Em eletricidade e eletrônica existem os mais variados tipos de intrumentos de medição. Os mais comuns para o dia a dia são o amperímetro e o voltímetro. Hoje, com o advento da tecnologia digital, esses instrumentos foram alocados em um mesmo aparelho, e este é chamado de multímetro. Existem os mais variados tipos de multímetros. O mais comum incorpora um medidor de tensão (contínua e alternada), corrente elétrica (multímetros comuns só CC ou DC) e um ohmímetro. Esses modelos são de custo bem baixo. Os mais sofisticados, a um custo mais elevado, podem incorporar medidores de corrente AC, medidores de capacitância, indutância, frequência, bem como incorporam um testador de diodos e transístores além de outros recursos.

Neste nosso site vamos nos limitar a estudar o amperímetro e o voltímetro, do ponto de vista analógico, pois a idéia é transmitir um conhecimento básico dos princípios do funcionamento dos mesmos.

O instrumento básico usado para fabricação de amperímetros é o chamado galvanômetro de d'Arsonval. É um dispositivo composto por uma bobina com núcleo de ferro montada entre os pólos de um imã permanente. Molas helicoidais são utilizadas para amortecerem o movimento da bobina, bem como transportar a corrente elétrica até a bobina. A bobina ao ser percorrida por uma corrente elétrica, gera um campo magnético que interage com o campo magnético do imã permanente. Esta interação gera um torque, que faz com que a bobina gire em torno de seu próprio eixo. Unido a bobina móvel, temos um ponteiro que marcará a deflexão em uma escala. Como a deflexão é diretamente proporcional à corrente que percorre a bobina, temos então um medidor de corrente baseado em princípios eletromagnéticos.

Normalmente a bobina é construída com fio de cobre muito fino (mais fino que um fio de cabelo humano) e como seu comprimento é muito longo, obviamente que isto trará como resultado uma resistência à passagem da corrente elétrica. Esta resistência é que chamamos de resistência interna, R_i, de um galvanômetro como mostra a Figura 16-01. E esta resistência é de extrema importância para o projeto de amperímetros. Além do mais, todo amperímetro tem o que chamamos de fundo de escala, que nada mais é do que o valor máximo de corrente que o amperímetro pode medir.

2.a.    Ampliação de Escala

Normalmente os galvanômetros tem como fundo de escala, ou seja, a corrente máxima que é possível medir, da ordem de microampère ou miliampère. Porém, se quisermos medir correntes de maior valor, temos que fazer alguma modificação para alcançarmos nosso objetivo. Vamos supor que tenhamos um galvanômetro com I_g = 1 mA de fundo de escala e resistência interna de R_i = 50 ohms. Queremos que esse instrumento meça uma corrente de 500 mA. Uma das maneiras utilizadas é empregar o chamado circuito SHUNT, que é simplesmente acrescentar uma resistência de valor adequado em paralelo com o instrumento.

Perceba que se nosso instrumento mede 1 mA, isto quer dizer que pela resistência que colocarmos em paralelo deverá passar uma corrente de 499 mA, totalizando os 500 mA que é nosso objetivo. Então, para calcularmos o valor dessa resistência, devemos antes calcular qual a tensão que provoca a deflexão máxima em nosso miliamperímetro sem a resistência em paralelo, ou seja:

Agora sabemos que devemos ter uma resistência em paralelo com o miliamperímetro, a qual chamaremos de R_sh (resistência shunt), que possua um valor de tal forma que quando tivermos sobre ela uma diferença de potencial de 50 mV, circulará uma corrente de 499 mA.

Naturalmente que é muito fácil desenvolvermos uma equação que nos permita calcular o valor dessa resistência para qualquer instrumento. Para isso, devemos conhecer o fundo de escala do instrumento, o qual será representado por I_g. O valor da resistência interna do instrumento, representaremos por R_i. A corrente que circula pela resistência em paralelo chamaremos de I_sh. Repare que I_sh = I - I_g, onde I é a corrente que será medida pelo instrumento. Então:

Perceba que o produto R_i I_g é o valor de V_g. Então, para o nosso problema vamos calcular o valor de R_sh.

Veja como é fácil projetar um amperímetro com várias escalas apropriadas para uso no dia a dia. Na aba problemas resolvidos apresentamos um caso desses.

Outro instrumento de muita utilidade é o voltímetro. Consiste, basicamente, de um miliamperímetro ou microamperímetro associado em série a uma resistência de valor adequado, para determinar a escala que estamos interessados.

Vamos projetar um voltímetro utilizando um miliamperímetro com as mesmas características do item anterior, ou seja, 1 mA de fundo de escala e resistência interna de 50 ohms. Já sabemos que quando aplicamos uma tensão de 50 mV, nosso miliamperímetro tem a máxima deflexão, indicando que a corrente que está circulando por ele é de 1 mA. Portanto, se quisermos medir uma tensão de 10 volts, devemos colocar uma resistência em série de tal forma que sobre ela exista uma diferença de potencial de 10 - 0,05 = 9,95 volts. Como a corrente que circula é de 1 mA, então o valor da resistência série, denominada aqui de R_s, e mais uma vez usando a lei de Ohm, será:

Em instrumentos de medidas elétricas é comum definir-se uma propriedade chamada sensibilidade, S, como o inverso da corrente que o instrumento é capaz de medir em sua máxima deflexão (ou seja, fundo de escala). Mas o inverso da corrente nada mais é do que ohms por volt, Ω/V.

Desta forma, o instrumento do exemplo acima apresenta uma sensibilidade de:

Na prática, admite-se uso de um voltímetro com valor de sensibilidade igual ou superior a 20.000 Ω/V. Isto significa que nosso galvanômetro deve ser um microamperímetro com fundo de escala de 50 µA.

Veja mais aplicações práticas de instrumentos de medição clicando na aba problemas resolvidos, ou Aqui!

4.1. Caso do Amperímetro

Devemos estar atentos para o fato que quando quisermos medir uma corrente elétrica num circuito com um amperímetro, devemos abrir o circuito no ponto onde queremos realizar a medição, e inserir o amperímetro EM SÉRIE com o circuito. NUNCA coloque um amperímetro EM PARALELO com o circuito, pois devido esse instrumento, via de regra, possuir uma baixa resistência, ele colocará em curto-circuito o ponto a ser medido. Isto poderá ocasionar sérios danos ao circuito e ao próprio instrumento de medição.

Exatamente pelo fato que devemos inserir o amperímetro em série com o circuito, isto nos levará a uma imprecisão na leitura da corrente elétrica, haja vista que com o amperímetro em série, houve um aumento da resistência elétrica no circuito e consequentemente a leitura será   INFERIOR   à real.

A corrente real I que circula pelo circuito sem o amperímetro, é dada por I = V / R. Porém, como podemos ver na Figura 16-02 interrompendo o circuito e introduzindo o amperímetro em série com o circuito (entre os pontos A e P ), evidentemente que devemos acrescentar o valor de R_i a R e a corrente medida será dada por:

Portanto, como houve um acréscimo na resistência do circuito, a corrente medida pelo amperímetro será menor que a corrente real I, ou seja   I_medida < I.

4.2. Caso do Voltímetro

Como ficou evidente no item 3, quando usamos um voltímetro em determinada escala, esse instrumento apresenta um determinado valor de resistência entre seus terminais. Para medir a tensão elétrica entre dois pontos de um circuito, sabemos que o instrumento deve ficar em paralelo com os componentes que estão entre os dois pontos mencionados. Portanto, essa resistência interfirirá no resultado final da medição. Vamos entender como isso acontece.

Por inspeção no circuito da Figura 16-03 sabemos que entre os pontos a-b, considerando que não estamos com o voltímetro inserido nos pontos a-b, existe uma diferença de potencial de 10 volts (basta aplicar um divisor de tensão resistivo). Ao inserirmos o voltímetro nos pontos a-b, evidentemente que colocamos a resistência interna do instrumento em paralelo com a resistência de 4 kΩ. Supondo que o voltímetro tenha uma sensibilidade de 1.000 Ω/V e tenhamos escolhida a escala de 10volts, isto significa que a resistência interna do instrumento é de 10.000 Ω. Ora, o que temos entre os pontos a-b é um valor de resistência resultante do paralelo de 4 kΩ e 10 kΩ. Isto resulta em uma resistência de valor igual a 2.857 Ω.

Agora vamos recalcular qual será o novo valor da tensão entre os pontos a-b. Aplicando um divisor de tensão resistivo, temos:

Perceba que medimos uma tensão inferior ao valor real, ocasionando um erro bem razoável. Usando a mesma idéia, vamos supor que o instrumento utilizado tivesse uma sensibilidade de 20.000 Ω/V. Neste caso, para uma escala de 10 volts temos uma resistência interna do instrumento de 200.000 Ω. Calculando o paralelo de 4 kΩ e 200 kΩ resulta um valor igual a 3.922 Ω. Aplicando o divisor de tensão resistivo, temos:

Agora dá para entender por que devemos utilizar um instrumento com grande sensibilidade, pois isto nos permite medir valores muito próximos do valor real.