Introdução ao Capacitor

Capacitor Eletrolítico

Capacitores eletrolíticos são utilizados normalmente quando há a necessidade de uma grande capacitância no circuito. Eles possuem polaridade, ou seja, um terminal para alimentação positiva e um terminal para alimentação negativa, o que os tornam desprotegidos de polaridade reversa em sua alimentação, levando à destruição do material dielétrico, portanto são usados apenas em circuitos de corrente contínua.

Os terminais deste modelo de capacitor são separados por um material eletrolítico, normalmente semi líquido. Esse material eletrolítico é mantido em contato direto com os terminais metálicos, o que resulta na criação de uma camada fina de óxido, sobre o ânodo, que opera como um material dielétrico. A imagem abaixo demonstra a montagem de um capacitor eletrolítico de alumínio, como exemplo, e os principais símbolos usados em esquemas elétricos.

Outras desvantagens a serem levadas em conta, além de sua polaridade, é que altas temperaturas podem secar o material eletrolítico e diminuir a vida útil do componente, assim como esse modelo não tolera bem altas frequências.

Capacitor Cerâmico

Diferentemente de capacitores eletrolíticos, capacitores cerâmicos são utilizados para baixas necessidades de capacitância e podem ser alimentados com altos valores de tensão e em corrente alternada, pois não possuem polaridade. Além disso, são geralmente usados em circuitos com frequências elevadas.

Os capacitores cerâmicos possuem uma construção similar à dos capacitores eletrolíticos, tendo dois materiais condutores em contato com um material dielétrico. Entretanto, neste caso, o material utilizado é a cerâmica. Alguns capacitores deste modelo costumam utilizar alguns aditivos como zircônio, nióbio, magnésio, entre outros. A imagem abaixo demonstra como é feita a montagem de alguns modelos de capacitores cerâmicos.

Os capacitores deste tipo possuem um código para identificação de sua capacitância através de uma sequência de números, para informar o seu valor, e uma letra, para informar a sua tolerância. Os dois primeiros dígitos do código indicam os dois primeiros dígitos do valor e o terceiro dígito indica o multiplicador da escala em relação a picofarad, como na imagem abaixo (68 nF).

As letras indicam a tolerância que o componente pode ter em seu valor de capacitância, entre elas J = +/- 5%, K = +/- 10% e M = +/- 20%.

Capacitor de Poliéster

Os capacitores de poliéster possuem um comportamento similar ao dos capacitores cerâmicos, já que eles também não possuem polaridade. Entretanto, eles possuem uma grande abrangência em seu valor de capacitância em um encapsulamento pequeno, sendo muito utilizados para circuitos de alta potência.

O grande diferencial deste tipo de capacitor é a sua construção, que é feita de materiais plásticos, como o poliéster, poliestireno, polipropileno, entre outros. Esses materiais são dielétricos e costumam ser dispostos para a construção de duas maneiras, sendo elas radial e axial, envolvendo o material dielétrico entre conectores de metal, como nas imagens abaixo (direita radial e esquerda axial).

Três grandes vantagens deste modelo de capacitor são sua grande tolerância a altas temperaturas, ótima performance em altas frequências e sua vida útil é longa e superior à dos capacitores cerâmicos.

Capacitores de Tântalo

Capacitores de tântalo são construídos da mesma maneira que capacitores eletrolíticos, porém eles são consideravelmente raros no mercado, já que a extração/mineração de tântalo é limitada e há muitos problemas com extrações ilegais deste minério. As poucas empresas que os fabricam e os vendem têm de emitir uma certificação especial afirmando que o mesmo teve uma extração legal.

São capacitores que possuem polaridade e uma tensão limite muito inferior aos outros modelos, porém com uma grande variedade de capacitância. Além disso, o capacitor pode explodir caso aplicado a uma sobretensão ou alimentação reversa, podendo danificar o seu circuito, e o tântalo é um material que se torna tóxico quando inflamado.

Embora o capacitor de tântalo tenha um preço elevado, uma grande raridade, e todas as desvantagens mencionadas acima, ele é um capacitor muito confiável que pode trabalhar com uma faixa de temperatura elevada, e com uma vida útil maior que os demais, além de ter a melhor relação de capacitância por tamanho.

Capacitores Variáveis

Os trimmers, como são comumente conhecidos os capacitores variáveis, são capacitores que possuem uma capacitância variável ou pré-configurada através de um eixo que é movido.

A sua capacitância é alterada através da área de contato entre um rotor e um estator: conforme a área aumenta, a capacitância aumenta. Outro fator que altera o valor de capacitância é a quantidade de chapas metálicas que compõem o estator e o rotor, que influenciam proporcionalmente na variação da capacitância. A construção básica pode ser vista na imagem a seguir.

Cálculo de Capacitância

A capacitância é medida em Farads, como visto acima. Entretanto, como é calculado o valor para cada capacitor? A capacitância "C" (expressa em Farads, F) é igual à razão entre a carga elétrica armazenada "q" (expressa em Coulombs, C) e a diferença de potencial "V" (tensão, expressa em Volts, V), portanto temos a equação a seguir.

Ou seja, como visto anteriormente, para termos 1 Farad de capacitância, o componente deve ser capaz de armazenar 1 Coulomb com uma tensão de 1 Volt.

Relação de Tensão e Corrente

A relação entre tensão e corrente para resistores é um velho conhecido dos amantes da eletrônica, sendo ele o famoso "URI", onde temos a tensão "U" ou "V" (V), sendo igual à multiplicação da resistência "R" (Ohm) pela corrente do circuito "I" (A). Portanto temos U=R*I.

Agora a relação de tensão e corrente para capacitores é um pouco mais complexa, envolvendo integrais e derivadas para deduzir a fórmula de cálculo.

Dedução da Corrente

A corrente ("I") é dada pelo produto da capacitância ("C") em relação à derivada da tensão ("dV") em função do tempo ("dt"). Deste modo temos a seguinte equação.

Dedução da Tensão

A tensão é uma função deduzida através da corrente do capacitor, ou seja, se colocarmos a derivada da tensão em evidência, teremos:

Como queremos descobrir o valor de tensão do capacitor, temos que integrar a função. Deste modo temos:

Portanto, a tensão "V" é igual ao produto do inverso da capacitância "C" e da corrente "I" em função do tempo.

Carga e Descarga

A curva característica de um capacitor é a sua relação de tensão em função do tempo para a sua carga. Essa equação é deduzida de um circuito "RC", que é a ligação em série de um resistor com um capacitor, como na imagem abaixo.

Na carga, a equação da tensão do capacitor "Vc(t)" é igual à tensão máxima "Vcc" relacionada à resposta ao degrau unitário em função do tempo em relação ao valor do resistor "R" com a capacitância "C", como pode ser visto abaixo.

Já a curva de descarga é algo semelhante à fórmula da carga do capacitor, e segue a equação abaixo.

As respectivas curvas de tensão em função do tempo podem ser vistas na imagem abaixo.

Capacitores em Paralelo

Diferentemente de resistores, os capacitores, quando dispostos em paralelo, criam um valor de capacitância total "Ctot" que equivale à soma de todas as capacitâncias. A imagem a seguir demonstra como é feita a soma das capacitâncias.

Capacitores em Série

Da mesma maneira que resistores em paralelo, os capacitores em série geram uma capacitância total "Ctot" igual à soma do inverso de todas as capacitâncias. A imagem a seguir ilustra como é feita essa soma.

Filtros Capacitivos

Filtros capacitivos são muito utilizados em questões didáticas de cursos de eletrônica para demonstrar a importância que um capacitor pode ter em um circuito, além de serem muito utilizados em saídas de fontes de alimentação para que a alimentação não seja ruidosa. Abaixo seguem algumas imagens de curvas de correção dos filtros mais populares.

As imagens acima demonstram apenas alguns poucos exemplos de filtros capacitivos possíveis de serem criados em um circuito eletrônico.

Armazenamento de Energia

Os capacitores possuem uma característica de armazenamento de energia muito similar a baterias e pilhas. Entretanto, seu tempo de carga e descarga é muito rápido, o que acaba gerando uma curva de tensão em função do tempo muito famosa. O GIF abaixo demonstra a velocidade de carga e descarga de capacitores como armazenadores de energia.

Coupling e Decoupling

Capacitores de acoplamento (coupling) são utilizados em série para permitir a passagem apenas de sinais de alta frequência para a carga do sistema, como na imagem a seguir.

Capacitores de desacoplamento (decoupling), também conhecidos como capacitores de bypass, possuem a função oposta à dos capacitores de acoplamento. Eles são utilizados em paralelo para filtrar sinais de alta frequência, normalmente ruídos, para a alimentação de um carga, como na imagem abaixo.