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Como Funcionam os Capacímetros (INS577)

Os Capacímetros são instrumentos de grande utilidade na oficina de reparação e montagem de projetos eletrônicos. Existem diversas tecnologias possíveis para a elaboração dos circuitos de Capacímetros, que levam a instrumentos mais ou menos sofisticados. Neste artigo analisamos estes instrumentos com indicações que podem ser de grande utilidade para projetistas e usuários.

Conforme o nome indica, o capacímetro é um instrumento que se destina à medida de capacitâncias.

Com ele podemos testar capacitores, conferindo seus valores e detectar capacitâncias parasitas em determinados circuitos e cabos.

O principio geral dos instrumentos mais simples que medem capacitâncias está na reatância capacitiva.

Mede-se a corrente que circula num capacitor, quando aplicamos uma tensão alternada de frequência fixa, conforme a figura 1.

 

 

Fig. 1 - Princípio geral de funcionamento de um capacímetro analógico.
Fig. 1 - Princípio geral de funcionamento de um capacímetro analógico.

 

 

Sabemos, da fórmula junto ao diagrama, que a reatância apresentada e, portanto, a corrente circulante para uma frequência fixa depende exclusivamente da capacitância do componente ou circuito em teste.

Quanto maior for a capacitância, menor será a reatância e portanto, maior a corrente circulante.

No entanto, existem outros tipos de aparelhos que passaremos a analisar a seguir.

 

CIRCUITO DE TEMPO

Um tipo de instrumento usado para a medida de capacitores de grandes valores (eletrolíticos) baseia-se no tempo de descarga destes componentes.

Quando carregamos um capacitor com uma certa tensão e depois o ligamos a um resistor para a descarga, a curva de descarga, mostrada na figura 2, depende do valor do capacitor e do resistor, ou seja, da constante de tempo do circuito.

 

 

Fig. 2 - Curva de descarga de um capacitor através de um resistor.
Fig. 2 - Curva de descarga de um capacitor através de um resistor.

 

 Para um resistor de valor fixo, a descarga será tanto mais lenta, quanto maior for o valor do capacitor.

Se no circuito de descarga tivermos um temporizador que interrompa este processo depois de um tempo constante, a tensão medida entre os terminais do capacitor será tanto maior quanto maior for o valor do componente, veja a figura 3.

  

   Figura 3 – Curvas de descarga de capacitores
Figura 3 – Curvas de descarga de capacitores

 

 Assim, basta colocar o capacitor no circuito, apertar o botão que o carrega e em seguida, o de descarga.

Temporizando a descarga, basta ler a tensão e em sua função ter o valor do componente, conforme as curvas dadas.

Para um instrumento preciso é possível converter a escala do medidor de tensão diretamente em valores de capacitância.

Evidentemente, o voltímetro usado deve ter uma resistência interna muito alta, para que ele mesmo, ao se manter conectado ao circuito, não continue provocando a descarga do capacitor em teste, conforme sugere a figura 4.

 

Figura 4 – Princípio de funcionamento do capacímetro
Figura 4 – Princípio de funcionamento do capacímetro

 

 

Veja que, com este processo é possível ter um circuito simples que use um multímetro comum para a medida de capacitâncias.

Capacitores eletrolíticos acima de 10 pF podem ser testados com boa precisão utilizando-se esta técnica.

Se o multímetro for digital com impedância superior a 10 M Ω, capacitores a partir de 1 pF e até mesmo um pouco menores poderão ser testados com esta técnica.

 

CAPACÍMETRO POR REATÂNCIA

Este instrumento se baseia no princípio descrito na introdução, em que medimos a corrente alternada que circula por um capacitor, a qual depende da frequência e da capacitância.

Na figura 5 temos o circuito de um instrumento deste tipo, seu funcionamento é explicado da seguinte forma:

 

 

Fig. 5 - Diagrama de um capacímetro analógico.
Fig. 5 - Diagrama de um capacímetro analógico.

 

 

Uma fonte de tensão alternada de frequência fixa e tensão fixa é ligada à entrada do instrumento.

Nada impede que o circuito do instrumento tenha um oscilador interno de frequência fixa (que deve ser bastante estável), pois conforme vimos, a precisão do instrumento depende desta grandeza.

Outra possibilidade consiste em usar a frequência da rede de energia.

No entanto, como ela é baixa, 60 Hz, a reatância também será baixa, o que leva o instrumento a não conseguir trabalhar com capacitores de valores muito baixos, usando medidores comuns como multímetros ou microamperímetros.

Uma frequência da ordem de 1 kHz possibilita o trabalho com capacitores a partir de 1 nF ou pouco mais, dependendo da sensibilidade do instrumento, enquanto uma frequência de 100 kHz possibilita o trabalho com capacitores a partir de alguns picofarads.

O capacitor em teste é ligado ao circuito e o instrumento acusa a corrente circulante.

São usados diodos em oposição, porque a corrente que circula pelo circuito é alternada.

A escala do instrumento pode ser calculada diretamente em termos de capacitâncias, apenas indicando a frequência e tensão do sinal que deve ser aplicado.

É importante observar neste tipo de instrumento que no caso dos eletrolíticos, não devemos fazer seu teste, pois eles não operam em circuitos de corrente alternada e a tensão aplicada ao capacitor não deve superar a tensão de isolamento.

 

CAPACÍMETROS DIGITAIS

Hoje são comuns os capacímetros digitais de pequeno e grande porte, alguns com custo bastante acessível, figura 6.

  

Fig. 6 - Um capacímetro digital portátil.
Fig. 6 - Um capacímetro digital portátil.

 

 O princípio de funcionamento destes instrumentos é um pouco mais complexo do que os estudados, mas em alguns pontos existem semelhanças.

Na figura 7 temos um diagrama de blocos de um capacímetro, a partir do qual faremos a análise do seu funcionamento.

  

Figura 7 – Diagrama de blocos de um frequencímetro digital
Figura 7 – Diagrama de blocos de um frequencímetro digital

 

 Cx é o capacitor que está sendo medido: Quando ligamos o aparelho com o capacitor em teste, é aplicada uma tensão de referência ao capacitor, que o carrega.

Com o acionamento de S, (que pode ser automático), o capacitor é ligado a um circuito de descarga que consiste numa fonte de corrente constante.

A descarga de um capacitor por um circuito RC comum é exponencial, conforme verificamos na figura 8, o que não é muito conveniente para o caso de um instrumento.

 

Figura 8 – Linearizando a descarga de um capacitor
Figura 8 – Linearizando a descarga de um capacitor

 

 Para um instrumento em que procuramos relacionar o tempo de descarga com a capacitância, seria muito mais conveniente ter uma descarga linear.

Esta descarga linear pode ser obtida se um circuito que mantenha a corrente constante for ligado ao capacitor.

A tensão nos terminais do capacitor em teste, que chamaremos de V1, é aplicada a um comparador de tensão que tem na entrada de referência aplicada uma tensão que corresponde a um certo valor Vz, dado por um divisor por meio de dois resistores.

Enquanto a tensão nos terminais do capacitor (V1) se mantém maior que V2, o capacitor se mantém em descarga e um oscilador aplica com velocidade constante pulsos de contagem a um contador, que alimenta um display via um latch.

No instante em que a tensão V1 atinge o valor de V2 (tensão no capacitor igual à tensão de referência), o comparador detecta este fato e desliga o contador, que então apresenta um certo valor no display.

Ora, o valor apresentado será tanto maior quanto mais tempo levar o capacitor para descarregar, ou seja, existe uma correspondência entre os dois valores.

Escolhendo a frequência do contador de modo apropriado e a tensão usada no comparador, é possível ter uma relação direta entre o valor digital apresentado no mostrador e a capacitância do capacitor em teste.

Frequências múltiplas podem ser usadas para trocar a escala do instrumento, possibilitando assim a medida de capacitores em uma faixa muito ampla.

Da mesma forma, o chaveamento do capacitor, realizado em ciclos regulares e controlando o Iatch, permite que a carga e descarga sejam contínuas e o capacitor mantido constantemente em teste.

Na figura 9 temos o diagrama de um capacímetro comercial.

 


 

 

 

Figura 9 – Diagrama de um capacímetro comercial
Figura 9 – Diagrama de um capacímetro comercial

 

 

Este capacímetro pode medir capacitâncias entre 100 pF e 1999 µF com uma definição em escala de 3 1/2 dígitos.

 

CONCLUSÃO

O projeto e montagem de capacímetros digitais ou analógicos simples não é difícil.

O próprio leitor pode, com base em seus instrumentos, montar um circuito que lhe ajude a determinar os valores dos capacitores de sua bancada, mesmo com base num multímetro comum.

Se levarmos em conta que os capacitores são os componentes mais críticos e que mais problemas apresentam em equipamentos, por terem fugas, deteriorarem-se com o tempo como os eletrolíticos, e além disso, possuírem tolerâncias muito maiores que os demais componentes, a disponibilidade de um equipamento para testá-los não deve ser desprezada.

 

 

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