Pontes de Capacitância (INS580)

Escrito por Newton C Braga

Um dos problemas que todo o praticante de eletrônica encontra é o referente à identificação e prova de capacitores de pequenos valores, como os cerâmicos, poliéster e styroflex. As marcações em códigos e eventualmente apagadas podem deixar o montador em situações difíceis em caso de montagens, reparação ou mesmo experimentação. Com as duas pontes de capacitância que descrevemos, capacitores de 10 pF a 1 ;LF podem ser testados e medidos com boa precisão.

 

O artigo é de 1996, mas ainda pode ser interessante, se bem que hoje possamos contar com capacímetros de baixo custo e até incorporados aos multímetros digitais

 

A principal vantagem do circuito que descrevemos é a de não usar indicadores caros do tipo microamperímetro.

Com componentes de baixo custo, a precisão deste instrumento dependerá somente da tolerância dos capacitores usados na calibração da escala.

A indicação é sonora (tipo ajuste de nulo) e o aparelho funciona tanto com pilhas como com bateria, o que o torna totalmente portátil.

Se você não possui um capacímetro, e o multímetro para capacitores de pequeno valor detecta apenas curtos, a montagem destas pontes de capacitância (uma delas) é indispensável.

 

CARACTERÍSTICAS:

Versão 1:

* Tensão de alimentação: 6 ou 9 V

* Consumo de corrente: 5 mA (max)

* Faixa de capacitâncias medidas: 10 pF a 1 pF

* Número de faixas: 4

 

Versão 2:

Tensão de alimentação: 3 ou 6 V

Consumo de corrente: 5 mA (tip.)

Faixa de capacitância medidas: 10 pF a 1 µF

Número de faixa: 4

 

 

COMO FUNCIONA

O principio da medida de capacitâncias por ponte pode ser facilmente entendido se considerarmos o potenciômetro P2 dos dois circuitos como duas resistências separadas pelo cursor.

Desta forma, quando a resistência Ra aumenta Rb diminui e vice-versa, o que ocorre na movimentação do cursor do potenciômetro num sentido e no outro, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Princípio de funcionamento
Figura 1 – Princípio de funcionamento

 

Se aplicarmos neste circuito um sinal de áudio, os capacitores C, e Cx (que é a capacitância do componente em prova) também formam um circuito divisor de tensão.

Supondo que C, e CX sejam iguais, ao ajustarmos o cursor do potenciômetro, quando Ra for igual a Rb teremos uma condição de equilíbrio do circuito, e nos pontos A e B do buzzer não aparece sinal algum.

Se o sinal aplicado ao circuito estiver na faixa de áudio, à medida que movimentarmos o cursor do potenciômetro ele vai diminuindo de intensidade até desaparecer, justamente na posição em que a ponte equilibra.

Se CX for diferente de 0, podemos ainda obter o equilíbrio da ponte e, portanto, cancelar o som no buzzer, desde que Ra, Rb, C, e C2 formem, nesta ordem uma proporção:

 

Ra/Rb = C1/CX

 

Isso ocorre porque as reatâncias capacitivas de C, e Cx dependem das capacitâncias, na razão inversa de seus valores.

Se colocarmos no circuito C, de valor conhecido, podemos usar diversos Cx de valores padronizados para calibrar a escala de P, e assim medir capacitâncias.

No nosso caso, de modo a abranger uma boa faixa de valores, usamos 4 valores para C, (de C2 a C5 no circuito da versão 1) selecionados por uma chave (S2), o que nos proporciona 4 escalas de medidas de capacitância.

Veja então que para ter este tipo de prova precisamos, além de tudo o que foi visto, de um gerador de sinais de áudio.

As pontes são iguais para as duas versões, mudando apenas a fonte de sinal de áudio.

Na primeira versão temos um oscilador elaborado em torno de uma porta NAND do 4093 e que tem sua freqüência ajustada em P.

Este componente deve ser ajustado para que a freqüência fique em torno de 7 kHz, que é o valor em que o buzzer tem maior rendimento.

Na segunda versão temos um circuito integrado 7555, que é a versão CMOS de baixa tensão e baixo consumo do conhecido 555 e cuja freqüência também é ajustada em P1 para o valor de maior rendimento do transdutor cerâmico.

 

MONTAGEM

Na figura 2 temos o diagrama completo da versão 1.

 

  Figura 2 – Diagrama da versão 1
Figura 2 – Diagrama da versão 1

 

 

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso para esta versão é mostrada na figura 3.

 

   Figura 3 – Placa de circuito impresso para a versão 1
Figura 3 – Placa de circuito impresso para a versão 1

 

Sugerimos que o integrado seja montado em soquete, para maior segurança e facilidade de substituição.

P1 é um trimpot, já que o ajustamos uma única vez, mas P2 deve ser um potenciômetro linear e seu botão deve ter uma escala bem ampla para facilitar a leitura e calibração.

Os capacitores pode ser todos cerâmicos ou de poliéster, exceto C5, que é um eletrolítico para 12 V ou mais de tensão de trabalho.

Se você tiver dificuldades em encontrar a chave S2, de 1 pólo x 4 posições, pode usar dois bornes e manter guardados os capacitores usados como padrão, ligando-os neste ponto quando for usar o aparelho.

O buzzer BZ é qualquer transdutor de cristal ou piezoelétrico.

Não servem alto-falantes ou dispositivos de baixa impedância.

Para conexão dos capacitores em prova podemos usar dois fios com garras, pois a presença da mão nos terminais pode afetar a leitura de valores baixos.

Todo o conjunto cabe numa caixinha plástica, conforme mostra a figura 4.

 

   Figura 4 – Sugestão de caixa para a montagem
Figura 4 – Sugestão de caixa para a montagem

 

Para a alimentação podemos usar pilhas ou bateria, sempre observando a polaridade do suporte ou conector.

Na figura 5 temos o diagrama completo da versão 2.

 

   Figura 5 – Diagrama da versão 2
Figura 5 – Diagrama da versão 2

 

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é dada na figura 6.

 

   Figura 6 – Placa para a versão 2
Figura 6 – Placa para a versão 2

 

Para o circuito integrado também sugerimos o uso de soquete.

Nos dois projetos é importante que os capacitores da ponte (C2, C3, C4, C5) sejam de boa precisão, pois eles determinarão a precisão da escala.

 

PROVA E USO

Inicialmente interligue as garras jacaré e acione S1, levando o potenciômetro P2 à posição em que o som do transdutor BZ seja mais forte.

Ajuste depois P, para que tenha mos a freqüência em que o som se torne mais intenso.

Isso vai ocorrer normalmente em torno de 5 a 7 kHz para buzzers comuns.

Feito isso, coloque a chave S2 na posição x1 para a calibração.

Para a calibração você deve contar com capacitores de valores comerciais na faixa de 2 pF a 1 nF de boa qualidade e precisão (5% ou menos).

Vá colocando um a um os capacitores entre as pontas de prova PP1 e PP2 e ajustando P2 para obter o cancelamento do som.

Marque neste ponto da escala o valor do capacitor usado.

Com os capacitores indica dos o leitor deve obter uma escala como mostra a figura 7.

 

   Figura 7 – Escalas com valores obtidos com capacitores de padrão
Figura 7 – Escalas com valores obtidos com capacitores de padrão

 

Com a calibração desta escala as demais estarão automaticamente calibradas.

Isso quer dizer que passando S2 para a posição x10 os valores que levam ao equilíbrio com Cx nas pontas de prova são 10 vezes maiores que os indicados na escala.

Na posição 3 são 100 vezes maiores e na posição 4, 1000 vezes maiores.

Comprovado o funcionamento é só usar o aparelho.

Para isso ligue o capacitor desconhecido (Cx) e tente ajustar o nulo de som em P2.

Se a posição em que isso for conseguido ficar longe do centro do cursor, mude a posição de S2.

Depois é só fazer a leitura.

Se não. houver equilíbrio, então o capacitor está aberto, em curto ou tem valor fora da faixa de alcance do aparelho, que vai de aproximadamente 10 pF a 1 µF.

 

Versão 1:

 

Semicondutores:

Cl1 - 40938 - circuito integrado CMOS

 

Resistores (1 /8 W, 5%):

R1 - 10 k Ω

P1 - trimpot de 100 k Ω

P2 - Potenciômetro linear de 10 k Ω

 

Capacitores:

C1, - 22 nF - cerâmicos ou poliéster

C2 - 100 pF - cerâmico - ver texto

C3 - 1 nF - cerâmico ou poliéster (ver texto)

C4 - 10 nF -cerâmico ou poliéster (ver texto)

C5 - 100 nF - cerâmico ou poliéster (ver texto)

C5 - 100 µF - eletrolítico de 6 ou 12 V

 

Diversos:

BZ - MP-10 ou equivalente – transdutor piezoelétrico

S1 - Interruptor simples

S2 - Chaves de 1 pólo x 4 posições (ver texto)

B1 - 6/9 V - 4 pilhas ou bateria

Placa de circuito impresso, caixa para montagem, botões para S2 e potenciômetro, suporte para pilhas ou conector de bateria, garras jacaré (PP1e PP2), fios, solda etc.

 


Versão 2:

 

Semicondutores:

CI1 - TLC555 - circuito integrado CMOS timer

 

Resistores (1/8 W, 5%)

R1 - 10 k Ω

R2 - 4,7 k Ω

P1 - trimpot de 100 k Ω

P2 - potenciômetro linear de 10 k Ω

 

Capacitores:

C1 - 47 nF - poliéster ou cerâmico

C2 - 100 pF - cerâmico (ver texto)

C3 - 1 nF - cerâmico ou poliéster (ver texto)

C4 - 10 nF - cerâmico ou poliéster (ver texto)

C5 - 100 nF - cerâmico ou poliéster (ver texto)

C5 - 100 µF - eletrolítico de 6 V

 

Diversos:

BZ - MP-10 ou equivalente – transdutor cerâmico

S1 - Interruptor simples

S2 - Chave de 1 pólo x 4 posições (ver texto)

B1 - 3 ou 6 V - 2 ou 4 pilhas pequenas

Placa de circuito impresso, caixa para montagem, botões para S2 e P2, suporte de pilhas, garras jacaré, fios, solda etc.