Fonte de referência C.C.
(Ajustável de alta precisão)

Rosamaria Wu Chia Li
wuchiali@iq.usp.br
Mary Sanae Nakamura
Jonas Gruber
jogruber@iq.usp.br

Artigo originalmente publicado em Química Nova, 19(3), 311 (1996), revista da Sociedade Brasileira de Química
e, a seguir, na revista SABER ELETRÔNICA  309/1998 - www.sabereletronica.com.br - rsel@edsaber.com.br .

O autor e responsável pelo site www.feiradeciencias.com.br agradece aos autores acima (envio dos originais) e ás revistas citadas pelas autorizações concedidas para a reprodução desse artigo; agradece ainda, em nome dos alunos e professores que se utilizam desse site, a confiança aqui depositada. Esperamos que esse precedente sirva de estímulo a outros autores que queiram nos prestigiar. 

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Apresentação
Descrevemos a montagem de uma fonte de referência de tensão de alta precisão, capaz de fornecer qualquer valor entre 0 V e 5,0 Vcc. Funciona com bateria comum de 9 V. Sua baixa resistência de saída, tipicamente 500 ohms, garante excelente estabilidade e imunidade a ruídos. Um exemplo de aplicação é como referência para registradores X - Y.

Objetivo
Equipamentos eletrônicos capazes de fornecer potenciais constantes pré-selecionados são muito comuns nos laboratórios de eletroquímica e são genericamente denominados potenciostatos. Um exemplo de construção de um potenciostato/galvanostato (fonte de corrente constante), para fins de eletrossíntese orgânica foi por nós publicado há alguns anos. Esses aparelhos são projetados para manterem um determinado potencial constante entre um eletrodo de trabalho e um eletrodo de referência, fazendo uso de um terceiro eletrodo (auxiliar) através do qual o instrumento aplica uma tensão de magnitude tal que garanta a estabilidade do potencial do eletrodo de trabalho.

Entretanto, em algumas aplicações, especialmente as que envolvem calibração de equipamentos, tais como conversores analógico-digitais, registradores X-Y etc., faz-se necessário o emprego de uma fonte de tensão de referência, permitindo ajuste preciso da tensão de saída e alta estabilidade da mesma.

Nos experimentos de voltametria cíclica, empregamos um registrador X-Y (PAR modelo RE0074) que apresenta uma chave seletora para cada eixo coordenado, possibilitando através de suas 5 posições, selecionar o ganho do amplificador interno, de modo que se possa registrar o voltamograma com um número de mV/cm conhecido. No entanto, como o fator de multiplicação entre as diversas posições é de uma ordem de grandeza, muitas vezes o registro se apresenta com tamanho menor que o desejado, e a mudança de escala não é factível, urna vez que nesse caso o registro ultrapassa os limites do papel.

Apesar de o registrador oferecer uma opção de ganho variável, permitindo o livre ajuste do tamanho do voltamograma através de um potenciômetro, perde-se nessa modalidade o valor da escala utilizada. Esse valor é muitas vezes importante para a determinação de certos parâmetros eletroquímicos.

Achamos de interesse projetar e construir uma fonte de referência de tensão portátil que seria empregada para permitir a determinação da escala (número de mV/cm),. sempre que o     registrador fosse utilizado nestas circunstâncias. Assim, após o registro do voltamograma, o operador pode aplicar uma tensão precisamente conhecida, tanto nos terminais de entrada do amplificador X como Y, registrando no canto do papel dois segmentos ortogonais que permitirão facilmente determinar as escalas dos eixos coordenados.

A Figura, a seguir, ilustra um esboço de um voltamograma genérico acompanhado do registro dos segmentos correspondentes a uma tensão de 200 mV aplicada nos eixos X e Y.

A conversão para corrente (eixo Y) pode ser calculada através da lei de Ohm (i = U/R). sabendo-se o valor da resistência interna do gerador de onda triangular.

Circuito esquemático completo da fonte de referência

Descrição do circuito eletrônico
Empregamos como regulador de tensão o circuito integrado LM317A (Q1) da National Semicondutor. Trata-se de um regulador ajustável da 3 terminais capaz de fornecer em sua saída tensões entre 1,2 e 37 V com uma corrente da ordem de 1,5 A e estabilidade melhor que 0.3 %. A tensão de saída pode ser pré-fixada pelos valores dos resistores (R1) e (R2), segundo a equação:

  V_saída = 1,25(1 + R1/R2) + I_aj.R1

onde I_aj é igual a 100 microampères e a parcela  I_aj.R1 pode ser considerada desprezível (6,8 mV) nesta aplicação.

Os valores de R1 e R2, por nós selecionados fornecem uma tensão de saída igual a 1,56 V, aplicada a um divisor resistivo formado por um ‘trimpot’ de precisão (R4) e um potenciômetro (R3) de 10 voltas, em cujo eixo foi fixado um ‘dial’ dotado de trava com menor divisão de escala correspondente a 0,02 voltas.

A calibração foi feita com o cursor do potenciômetro (R3) no fim da décima volta e ajustando (R4) de modo a obter 1,000 V como tensão de saída, medida com o auxilio de um multímetro digital Beckman modelo 3050.

Convém ressaltar que, alimentando o circuito com uma bateria comercial de 9 V, é possível, mediante adequada escolha dos valores de (R1) e (R2), obter tensões estabilizadas de até 5,0V ou mais.
A fim de poder monitorar o estado da bateria de 9 V, projetamos um circuito simples que indica através de um único diodo emissor de luz (LED) bicolor (representado por D2 e D3) as seguintes situações representadas na tabela abaixo.

Conforme ilustrado, no circuito esquemático acima, diodos zener de 6,1 V (Z1) e 3,1 V (Z2) foram conectados em série com as bases dos transistores (Q2) e (Q3), responsáveis pelo acendimento do LED bicolor (D2) e (D3), respectivamente.

Devido à queda de aproximadamente 0,7 V sobre o diodo base-emissor de cada transistor, as tensões de comutação aumentam para 6,8 e 3,8 V. A função do diodo (D1) é impedir que as duas cores acendam simultaneamente sempre que a bateria apresentar uma tensão maior que 6,8 V

Assim, quando (Q2) estiver conduzindo e a cor verde estiver acesa, não haverá tensão suficiente no anodo de (Z2). para levar (Q3) à saturação, e a cor vermelha permanecerá apagada.

Como interruptor geral utilizamos urna chave de pressão (CH1), normalmente aberta, conectada em série com o terminal positivo da bateria.

Material
Resistores (W, 1/3 W, 1 %)
R1 ¾ 68
R2 ¾ 270
R3 ¾  500: trimpot, 15 voltas
R4 ¾  500: potenciômetro 10 voltas
R5, R6 ¾ 10k
R7, R8 ¾ 470

Semicondutores
Q1 ¾ LM 317A
Q2, Q3 ¾ BC558
D1 ¾ 1N4001
D2/D3 ¾  LED bicolor
Z1 ¾ diodo zener 6,1 V
Z2 ¾  diodo zener 3,1 V

Capacitores (tântalo)
C1 ¾ 10 mF/16V
C2 ¾ 1 mF/16V

Diversos
CH1 ¾ interruptor de pressão normalmente aberto
B1 ¾  bateria de 9 V

 Montagem
O aparelho foi montado sobre uma placa de circuito impresso padrão e alojado num gabinete plástico de (7 x 8,5 x 5) cm.
No painel frontal foram fixados o potenciômetro de 10 voltas com o ‘dial’ de precisão, o interruptor de pressão e o LED bicolor.
No painel lateral, a saída foi feita via dois conectores do tipo ‘banana’.

 Aferição do aparelho
Foram medidas com um multímetro digital Beckman modelo 3050 as tensões de saída para 11 posições diferentes no ‘dial’, começando com 0,00 e incrementando uma volta de cada vez até totalizar 10,00 voltas.
Os resultados dos testes de aferição indicaram que as tensões de saí­da apresentaram um desvio máximo de ± 0.001V com relação ao valor se­lecionado no ‘dial’ conforme ilustrado na tabela abaixo.
Esse desvio reflete a precisão do aparelho, uma vez que a menor divisão do ‘dial’ (0,02 voltas) corresponde a 0,002 V.

Tensões de saída versus número de voltas do ‘dial’

A estabilidade térmica da ten­são de saída foi verificada entre 4 ^oC e 50 ^oC e foi de ± 0,001 V,entre 0,000 V e 1,000 V.

Diversas aferições feitas nos últimos dois anos demonstraram que não há necessidade de calibrações freqüentes.

REFERÊNCIAS
J. Gruber; V.L. Pardini e H. Viertler, Química Nova, 15, 83 (1992).
Instituto de Química da Universidade de São Paulo - Caixa Postal 26077 - CEP 05599-970 - São Paulo - S.P.