A grande variedade de códigos empregados na indicação de valores de capacitores é causa de muitas dificuldades aos técnicos eletrônicos, principalmente os menos experientes. Do mesmo modo, a medida precisa de resistores nem sempre pode ser feita convenientemente com um multímetro, dependendo do ponto da escala em que seu valor deva ser lido. O aparelho que descrevemos mede, com grande precisão, capacitâncias em três escalas ampliadas, que equivalem a 6, além de resistências (da mesma forma), constituindo-se num aparelho de grande utilidade na bancada.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 210 de 1990.
Instrumentos de precisão, além de difíceis de encontrar, são instrumentos de custo elevado, geralmente longe do alcance do pequeno técnico ou do estudante. No entanto, com componentes baratos e numa configuração não crítica, sem a necessidade de componentes de tolerâncias estreitas, pode-se construir um bom capacímetro/ohmímetro com precisão que se compara aos modelos comerciais, com 2% (ou menos) de variação entre a leitura e o valor real do componente testado.
É o que propomos neste artigo, através de um circuito bastante simples em termos do que pode fazer (já que usa, como base, apenas 3 integrados comuns) um instrumento com três escalas ampliadas que equivalem a 6.
As escalas ampliadas ocorrem porque, para duas décadas sucessivas, a escala comuta automaticamente. Temos assim a possibilidade de leitura de valores numa faixa de proporção de 1 para 100 sem a necessidade de atuar sobre a chave comutadora.
A alimentação do circuito é feita a partir da rede local através de fonte incorporada de 12 V.
A calibragem do aparelho é extremamente simples, exigindo apenas a posse de capacitores e resistores de baixa tolerância ou de valores que sejam precisamente estabelecidos através de outro instrumento.
COMO FUNCIONA
A finalidade de CI1 é gerar um pulso de pequena duração (24 ms), que satura o transistor Q2, descarregando assim totalmente o capacitor C8, cuja tensão entre as armaduras passa a 0V. Este mesmo pulso, na borda descendente, dispara o monoestável formado pelo circuito integrado CI2, que vai produzir um pulso cuja duração depende do valor de Rx ou de Cx que está sendo provado.
Este pulso ativa um gerador de corrente constante formado basicamente pelo transistor Q1, que produz em sua saída (diodo D2) uma rampa linear de tensão sobre C8, carregando este componente. Os valores dos componentes são calculados de modo que numa escala a rampa tenha seu máximo em 0,9V; se houver tendência a ultrapassar este valor ocorre uma comutação e o novo limite passa a 9,0 V.
Observe que o LED1 atua como um zener junto ao transistor Q1 e determina a regulagem de corrente, sendo este componente obrigatoriamente do tipo vermelho, cuja tensão "zener" de aproximadamente 1,6V é importante para o bom funcionamento do gerador de rampa. Os valores de 0,9V e 9,0V de fundo de escala das duas rampas que podem ser geradas, coincidem com a duração de 550 ms para a escala manual e 5,5 segundos para a escala automática do instrumento.
Exemplo: Vamos supor que na escala (1) do instrumento seja provado um capacitor Cx de 50 nF. Este capacitor é responsável pela produção de um pulso de 550 ms, que leva o ponteiro ao fundo da escala com uma tensão atingindo no ponto máximo da rampa 0,9V.
Esta tensão é mantida constante para leitura graças ao seguidor de tensão formado pelo amplificador operacional CI3a, que apresenta uma elevadíssima impedância de entrada e graças à baixa fuga de C8.
Se em lugar de Cx de 50 nF medirmos um capacitor de 500 nF, no pulso seguinte a tensão de rampa ultrapassa os 0,9V, o que faz com que o comparador de tensão, formado por Cl3b, comute, provocando a troca da escala e a largura do pulso, que passa a ser de 5,5 segundos. A tensão de rampa terá então um novo máximo de 9 V.
Se o valor do capacitor nesta medição for um pouco maior que 500 nF (o que levaria a rampa a uma tensão máxima de mais de 9,0V), isso não causará danos ao circuito, pois ele possui uma saturação em torno de 9,3 V.
Desta forma, não existe o perigo do ponteiro do instrumento bater com violência no fundo da escala, o que poderia causar danos ao sistema mecânico. As outras escalas para medidas de outras faixas de capacitâncias, inclusive eletrolíticos até 5000 µF, possuem as mesmas larguras de pulso e tensões de rampa e saturação.
MONTAGEM
Na figura 1 temos o diagrama completo do instrumento. A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 2. O instrumento M1 é de bobina móvel com 100 µA de fundo de escala, dividida conforme mostra a foto abaixo.
Se bem que os componentes não sejam críticos, alguns deles devem ser exatamente como o especificado na lista de materiais. Assim, por exemplo, os capacitores C1 e C8 devem ser de tântalo. Os demais capacitores, conforme os valores, podem ser eletrolíticos comuns de alumínio ou então de poliéster.
O LED deve ser vermelho e os diodos são do tipo 1N4148, de silício para uso geral ou equivalentes.
Os resistores são todos de 1/8 W ou 1/4 W, com tolerância normal de 10%. Eventualmente os resistores marcados com (*) na lista de material, em função da calibragem precisarão ter seus valores aumentados em 10% (com a ligação de outro resistor de valor apropriado em série) para compensar a tolerância dos capacitores C1 e C2, usados na determinação da largura do pulso gerado pelo monoestável, já que tais capacitores normalmente podem acrescentar tolerâncias de 20% e até 50% nos valores especificados.
O resistor R5 também pode precisar de alteração em função da tolerância de capacitores, devendo seu valor ser ajustado para se conseguir pulsos distanciados de 7,5 segundos.
O transformador para fonte de alimentação tem enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário de 15 + 15 V com 150 mA ou mais.
Na figura acima temos o diagrama da fonte de alimentação. Dado o baixo consumo de corrente, o integrado regulador do tipo 7812 não precisa ser dotado de radiador de calor. O capacitor de filtro é de 2 200 µF x 25 V.
Os trimpots de ajuste são comuns e a chave comutadora de faixas é rotativa de 2 polos x 2 posições, deslizante. Para os integrados, sugerimos a utilização de soquetes, o que elimina o aquecimento do componente no processo de soldagem.
Os diodos D1 e D2 não são críticos, podendo ser usados tipos comuns de silício como o 1N4148, 1N914 ou equivalentes.
CALIBRAÇÃO E USO
O instrumento possui 3 escalas ampliadas de capacitâncias nos seguintes valores:
Escala 1 = 0,001 µF a 0,05 µF (0,05 a 0,5 µF)
Escala 2 = 0,1 a 5,0 µF (5 a 50 µF)
Escala 3 = 10,0 a 500 µF (500 a 5 000 µF)
Os valores entre parênteses correspondem à ampliação.
Para os resistores temos:
Escala 1 = 1 kΩ a 50 kg (50 kΩ a 500 kΩ)
Escala 2 = 100 kΩ a 5 MΩ (5 MΩ a 50 MΩ)
A calibragem é feita da seguinte maneira:
a) Escala 1 - utilizando um capacitor de 0,05 µF, 1% ou então 2 capacitores de 0,1 µF em série como Cx. Ligue o aparelho e ajuste TP2 para máxima resistência e ajuste P1 para que ocorra a deflexão de fundo de escala.
Verifique agora com um multímetro (escala de tensões) no pino 8 de C13b se a tensão é de 0,9 V. Se não for, altere o valor de R3.
Feito isso, ligue em paralelo com Cx um capacitor de 0,002 µF (2nF) e ajuste P2 para que o ponteiro do instrumento caia bruscamente até 20% da escala (mudança automática de escala, dado o valor que excede o fundo da anterior com o acréscimo do capacitor). Este ajuste deve ser feito com o máximo de cuidado.
Substitua agora Cx por um capacitor de 0,5 µF, o que levará o ponteiro do instrumento até o fundo da escala comutada automaticamente.
P3 deve então ser ajustado para que a tensão no pino 8 do integrado C13b seja de 9 V. Se tudo estiver em ordem, proceda do mesmo modo com as outras escalas de capacitância, mas sem mais mexer em P1, P2 e P3. Se necessário altere apenas os resistores R1 e R2 correspondentes da chave seletora de faixas. Feito o ajuste das escalas de capacitâncias, as escalas de resistências estarão também calibradas.
Para usar o aparelho leve em conta que temos a comutação automática da escala. Assim, ao ligar um capacitor (ou resistor) a ser medido, a agulha do instrumento deve subir até estabilizar por alguns segundos num determinado ponto que corresponde ao valor. O ponteiro terá oscilações nos instantes em que novo pulso de leitura ocorrer, o que será indicado pelo LED aceso.
Se o ponteiro na primeira subida tender a passar o fundo de escala deve ocorrer a comutação automática. O ponteiro sofre então uma queda brusca e depois sobe novamente para parar numa outra posição que corresponde à leitura na nova escala. Este fator deve ser considerado na leitura, o que significa que o usuário deve estar atento à primeira subida do ponteiro, de modo a verificar se houve ou não comutação de escala.
A precisão obtida com o aparelho é excelente, comparando-se à de instrumentos comerciais, uma vez que a calibração tenha sido feita com componentes de pequenas tolerâncias. Na figura 4 temos as formas de onda do circuito.
