Atividade prática materiais eletricos

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CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER 
ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA 
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
DISCIPLINA DE MATERIAIS ELÉTRICOS 
 
 
 
 
 
 
 
ESTUDO DO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR 
CAPACITIVO 
 
 
 
 
 
 
 
 
ALUNO - FERNANDO EMÍLIO CORADI 
PROFESSOR – MAURO PORTO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELO HORIZONTE - MG 
2017 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
 
1 INTRODUCAO ................................................................................................................ 1 
2 DESENVOLVIMENTO .....................................................................................................2 
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO..........................................................................................................2 
2.1.1 PROCESSO DE CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR............................................................3 
2.2 TIPOS DE CAPACITORES..........................................................................................................................5 
2.3 TIPOS DE APLICAÇÕES DOS SENSORES CAPACITIVOS....................................................................9 
2.4 VANTAGENS DE UTILIZAR SENSORES CAPACITIVOS..................................................................10 
 
3 CONCLUSÕES .................................................................................................................11 
 
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................12 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
1 INTRODUCAO 
Entre os componentes que figuram entre os mais utilizados dentro da eletrônica, estão os 
capacitores, que são capazes de armazenar energia na forma de campo elétrico no seu processo 
de carga, liberando essa energia no processo de descarga. 
Os sensores capacitivos são projetados para operar gerando um campo eletrostático e 
detectando mudanças neste campo, que acontecem quando um alvo se aproxima da face ativa. 
As partes internas do sensor consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um retificador 
de sinal, um circuito de filtragem e um circuito de saída. 
Na ausência de um alvo, em um sensor capacitivo digital, o oscilador está inativo. Quando 
o alvo se aproxima, a capacitância do circuito é modificada, e ao atingir um valor determinado, 
ativa o oscilador que ativa o circuito de saída, comutando seu estado. 
Partindo do mesmo princípio, que a capacitância de um capacitor (sensor) depende da 
distância entre duas placas, do material dessas duas placas e do dielétrico entre elas, temos o 
sensor capacitivo analógico, onde se uma das placas for móvel, podemos associar à sua posição 
um valor de capacitância que pode ser usado para processar informações sobre a distância em 
que ela se encontra. 
São largamente utilizados para diversos fins, tanto em aplicações de corrente contínua, 
como temporizadores, retificadores, e em corrente alternada para correção do fator de potência, 
filtros passivos, entre outros. 
Como os capacitores são usados basicamente para armazenar energia, alguns cuidados 
devem ser tomados para garantir que trabalhem sempre dentro das suas especificações, evitando 
sobreaquecimento que em alguns casos pode até causar a explosão do componente. 
 
 
 
Figura 1 – Exemplos de sensores capacitivos. 
 
 
 
 
 
 
2 DESENVOLVIMENTO 
2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Basicamente, o capacitor consiste em 2 placas metálicas condutoras, separadas por um 
isolante dielétrico, sendo que esse dielétrico pode ser encarado como um material isolante 
qualquer, que em alguns casos dá nome ao capacitor (capacitores cerâmicos, de mica, de 
poliester, etc). 
 
 
Figura 2 – Exemplos de capacitores comuns no mercado. 
 
Todo capacitor tem um parâmetro denominado capacitância, cuja unidade é o Farad (F), 
que determina quanta carga ele é capaz de armazenar. Como 1 Farad (1F) é considerada uma 
capacitância muito grande, o mais comun é vermos componentes com subunidades do Farad, 
como microFarad (µF), nanoFarad (nF) ou mesmo picoFarad (pF). 
A tendência é que quanto maior a capacitância, maior as dimensões do capacitor, 
aumentando também os cuidados em seu manuseio. Há também uma tensão máxima impressa 
no capacitor, essencial para garantir a isolação do dielétrico e manter o funcionamento do 
dispositivo. 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 – Comparação de tamanho de diversos valores de capacitores eletrolíticos. 
 
Outra característica importante dos capacitores, é o seu processo de carga e descarga, 
que garante que a energia acumulada seja descarregada um tempo depois em outra parte do 
circuito. 
 
Figura 4 – Simbologia de capacitores. 
2.1.1 PROCESSO DE CARGA E DESCARGA DE UM CAPACITOR 
Analisando em corrente contínua, temos que um capacitor ligado a uma bateria, tende a 
acumular cargas pelo efeito do campo elétrico. A placa loga ao polo positivo acumula cargas 
positivas, assim como a placa ligada ao polo negativo que acumula cargas negativas. Essas 
cargas não chegam a se combinar graças ao isolante (dielétrico) que separa as placas(também 
chamadas de armaduras), garantindo que o capacitor esteja em condições normais de 
 
 
 
 
funcionamento, não se tornando em um curto-circuito e sim um acumulador de cargas. A 
distância entre as placas também é determinante para o valor final da capacitância. 
 
 
Figura 5 – Funcionamento básico de um capacitor ligado a bateria, com acúmulo de 
cargas nas placas condutoras paralelas. 
 
Enquanto conectado na bateria, o capacitor passa pelo processo de carga. Utiliza-se uma 
resistência em série com o capacitor para controlar seu tempo de carga, dependente da constante 
T equacionada abaixo: 
 
T = R x C 
 
Onde T é a constante de carga dada em segundos, R a resistência em série dada em 
Ohms, e C a capacitância em Farads. O processo de descarga é análogo, ou seja, obedece o 
mesmo equacionamento.Veja abaixo um exemplo simples de carga e descarga de capacitores. 
Com a chave na posição abaixo, verificamos o processo de carga, já que temos uma corrente 
fluindo da bateria para o capacitor, limitada pelo resistor R,e nesse caso com constante de carga 
T = 1s. 
 
Figura 6 – Processo de carga de um capacitor. 
 
 
 
 
Com o capacitor já carregado, troca-se a posição da chave e o capacitor se desconecta 
da bateria, passando-se a descarregar no resistor de 10 kΩ. 
 
 
Figura 7 – Processo de descarga de um capacitor. 
 
Há uma curva característica que descreve a carga e descarga de um capacitor, ilustrando 
também o significado da constante de carga. 
 
 
Figura 8 – Curva característica de carga e descarga de um capacitor. 
 
Verifica-se pelo gráfico, que o capacitor carrega mais rapidamente até a constante de 
carga T, corresponde a 63% da carga. Depois dessa marca, vemos que demora mais tempo para 
completar a capacidade máxima de carga do dispositivo. Para uma carga total, estima-se um 
tempo de 5XT, ou seja, para o exemplo anterior, o tempo total de carga é 5 segundos. 
2.2 TIPOS DE CAPACITORES 
CAPACITOR CERÂMICO 
 
 
 
 
São capacitores apolares, cujo dielétrico é feito de cerâmica. Geralmente possuem um 
encapsulamento de esfera achatada. Como tratam-se em sua maioria de capacitores muito 
pequenos, usa-se com uma codificação especial para obter seu valor nominal de capacitância. 
 
 
Figura 9 – Interior de um capacitor cerâmico. 
 
Um capacitor cerâmico tem 3 algarismos na sua carcaça, sendo os dois primeiros 
significativos, e o último um multiplicador de base 10. Para obter o valor do capacitor, 
considera-se os dois primeiros algarismos e acrescenta-se tantos zeros quanto forem indicados 
noterceiro algarismo. No exemplo abaixo, temos 12.000 pF, ou seja, 12 nF de capacitância. 
 
 
Figura 10 – Representação de um capacitor cerâmico. 
 
CAPACITORES DE POLIÉSTER 
São também apolares, geralmente maiores que os de cerâmica, e com a capacitância já 
impressa na resina externa. 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Exemplos de capacitores de poliéster. 
 
No entanto, há também fabricantes que optam pelo código de cores semelhante ao usado 
em resistores convencionais. 
 
 
Figura 12 – Tabela de cores de capacitores de poliéster. 
 
CAPACITOR ELETROLÍTICO 
Usado em circuitos de corrente contínua, o capacitor eletrolítico é polarizado, ou seja, 
há um terminal específico para o positivo e outro para o negativo dentro do circuito. Nesse tipo 
de capacitor, as informações mais importante estão impressas na capa plástica que envolve o 
dispositivo. A faixa de cor diferenciada indica o terminal negativo do capacitor. Inverter essa 
polarização pode ser perigoso, já que o capacitor corre o risco de sofre danos, e até explodir, 
mesmo em condições que seriam adequadas para seu funcionamento na polarização correta. 
 
 
 
 
 
 
Figura 13 – Exemplo de capacitor eletrolítico. 
 
O aspectro construtivo desse capacitor segue o modelo de camadas metálicas, isoladas 
com dielétrico, feito dessa vez em forma de espiral no interior do dispositivo. 
 
 
Figura 14 – Aspectro construtivo do capacitor eletrolítico. 
 
Polarizar corretamente o capacitor é essencial para garantir seu funcionamento. Em caso 
de sobreaquecimento, o capacitor vai inflar sua parte superior, que é chanfrada para aliviar a 
pressão interna. Em casos mais graves, ocorre a explosão desse chanfro, podendo causar 
acidentes. Abaixo é possível observar a diferença entre um capacitor normal (à esquerda), e um 
comprometido (à direita), onde é possível observar o chanfro de segurança inflado por 
condições impróprias de trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 15 – Comparação entre um capacitor normal e outro danificado. 
2.3 TIPOS DE APLICAÇÕES DOS SENSORES CAPACITIVOS 
Os sensores capacitivos são bastante dinâmicos, podendo ser aplicados em várias 
situações onde há necessidade de detectar, de forma precisa, objetos ou materiais de natureza 
não metálica. Veja alguns tipos de aplicações. 
· Controle de nível; 
· Detectar o conteúdo de caixas em linha de produção; 
· Controle do nível de grãos em silos; 
· Monitorar a concentração do pó de arroz em silos; 
· Contagem de garrafas, cheias ou vazias, em linha de produção; 
· Identificar falha no envaze de produtos embalados em frascos de plástico; 
· Medidores de posicionamento com alta precisão; 
· Medidores de espessura; 
· Identificar a composição de materiais com base na permissividade; 
· Identificar posicionamento de fim de curso; 
· Contadores em linhas de produção; 
· Medição de umidade relativa; 
· Analise de óleo mineral, de soja, entre outros; 
· Sensores de pressão (utilizado na fabricação de microfones) e 
· Monitoramento da concentração de gases. 
O avanço da tecnologia tem favorecido a utilização das técnicas de sensoriamento capacitivo 
aumentando ainda mais as possibilidades de aplicações e nos mais variados produtos, como 
exemplo, telas e painéis táteis facilmente identificados em televisores, monitores de vídeo, 
computadores, tablets e smartphones. 
 
 
 
 
2.4 VANTAGENS DE UTILIZAR SENSORES CAPACITIVOS 
Os sensores capacitivos são largamente utilizados para a detecção de objetos de natureza 
metálica ou não, tais como: madeira, papelão, cerâmica, vidro, plástico, alumínio, laminados 
ou granulados, pós de natureza mineral como talco, cimento, argila, etc. Os líquidos de maneira 
geral são ótimos atuadores para os sensores capacitivos, não importando se são condutivos ou 
não, a viscosidade ou cor. Desta forma, excelentes sistemas para controle de níveis máximos e 
mínimos de líquidos ou sólidos, são obtidos com a inalação de um ou dois sensores, mesmo que 
mergulhados totalmente no produto. Mesmo para outros fins de detecção, tais como contagem 
de garrafas, caixas, pacotes ou peças, o sensor capacitivo dotado de ajuste de sensibilidade é 
extremamente versátil, resolvendo problemas de automação, de difícil solução com sistemas 
convencionais. Existem muitas vantagens na utilização de sensores capacitivos, as principais 
são: 
1. Funcionam em quaisquer condições de ambiente. 
2. Acionamento sem contato físico (existe uma distância mínima entre o sensor e o 
dispositivo a ser detectado que é suficiente para comutá-lo). 
3. Chaveamento eletrônico totalmente em estado sólido. 
4. Alta durabilidade. 
5. Manutenção praticamente inexistente. 
6. Alta velocidade de comutação. 
7. Detectam objetos com dimensões reduzidas. 
8. Possuem diversas configurações que facilitam a montagem. 
9. Alta resolução e precisão na diferenciação dos materiais. 
10. Detectam objetos e materiais líquidos, sólidos, gasosos, metais e não metais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 CONCLUSÕES 
 
A utilização de sensores é algo essencial no mundo moderno. Seja para controlar processos 
industriais, monitorar condições climáticas e ambientais, ou simplesmente facilitar 
procedimentos gerais de automatização. É largamente empregado em várias atividades. 
De forma indireta, podemos utilizá- los no sensoriamento de qualquer grandeza que possa 
ser convertida em movimento, ou em constante dielétrica. 
Devido a sua alta precisão, boa parte das aplicações destes sensores tem relação com a 
medição de precisão. 
O sensor capacitivo é muito útil quando uma resolução alta é necessária. Além de possuir 
funções que complementam certas limitações dos sensores indutivos e vice-versa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
THOMAZINI, Daniel. ALBUQUERQUE, Pedro U. B. Sensores industriais – Fundamentos 
e Aplicações. 5ª Ed. São Paulo: Erica, 2005. 222 p. 
SABER ELETRÔNICO. São Paulo: Editora Saber, n 405, outubro 2016. 
WENDLING, MARCELO. Sensores. Tese (Doutorado) Universidade Estadual, 2010. 19p. 
Entenda o funcionamento, tipos, e para que serve o capacitor. Disponível em: 
<http://www.sabereletrica.com.br> Acesso em: 01 Nov. 2017. 
Sensores capacitivos. Disponível em: <http://pt. wikipedia.org/wiki/Sensores_capacitivos> 
Acesso em: 01 Nov. 2017. 
Sensor capacitivo. Disponível em: <http://www.citisystems.com.br/sensor-capacitivo> 
Acesso em: 01 Nov. 2017.