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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
RODOLFO MENDES DA SILVA PROFESSSOR: ELIANE SILVA
MACEIÓ - AL 2020
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 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.
1
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 no terceiro 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 corretamenteo 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.