Cap. 2.1. Capacitores: Estrutura, Funcionamento e Características

Cap. 2.1. Capacitores: Estrutura, Funcionamento e Características

28/02/2018

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  Este artigo é a continuação da explicação dos três componentes fundamentais da eletrônica! O componente da vez é o Capacitor. Os principais tipos, os materiais utilizados na fabricação, o funcionamento e muito mais aqui, no Hardware Central!

   A finalidade de um capacitor num circuito é armazenar cargas elétricas para filtrar transientes e provocar vários efeitos, como por exemplo, alterações na qualidade do áudio reproduzido por um circuito de som. Veja abaixo a simbologia dos capacitores:

  Existem vários tipos de capacitores, como por exemplo, o capacitor variável de dupla armadura, capacitor com tomada de corrente e capacitor diferencial.

  O capacitor é encontrado em praticamente todos os circuitos. Como exemplo podemos citar a placa-mãe de um computador, de uma smart TV e até mesmo smartphones. Não existe um só tipo de capacitor e dentro de cada tipo existe centenas de modelos diferentes, cada um com tamanho, tensão, capacitância, entre outros fatores que determinam sua utilidade nos circuitos. Os principais materiais utilizados em capacitores são: tântalo, óxido de Alumínio, cerâmica, mica, poliéster e tem até capacitor de papel (este último já não é utilizado pela indústria).

  Existem ainda capacitores de vários formatos: capacitor SMD, capacitor sólido, capacitor eletrolítico, capacitor variável, entre outros. Eu irei detalhar nos próximos artigos, cada um dos principais tipos deste componente muito utilizado na eletrônica!

A ESTRUTURA BÁSICA DE UM CAPACITOR

  Todos os tipos de capacitores são baseados na mesma ideia: Dois eletrodos (também conhecidos como armaduras ou eletrodos) separadas por um material isolante, chamado de dielétrico. O dielétrico pode ser óleo, vidro, poliéster, styroflex, mica, ar, tântalo, cerâmica, vidro ou vácuo.

  O tipo de dielétrico utilizado, suas dimensões e massa influenciam diretamente no acumulo de cargas e geração do campo elétrico no capacitor. A DDP (Diferença de potencial - Tensão Elétrica) também depende das especificações do dielétrico.

  Os eletrodos do capacitor ficam muito próximos um do outro e, como um eletrodo possui cargas positivas (cátions - falta de elétrons) e o outro eletrodo cargas negativas (ânion - excesso de elétrons), essas cargas se atraem e formam um campo elétrico separado pelo dielétrico. A energia que o capacitor consegue armazenar vem deste campo e, portanto, é considerada uma energia de campo eletrostático. Veja um diagrama com a estrutura de um capacitor na imagem abaixo:

  Lembrando que a Eletrostática é o ramo da Física que estuda os fenômenos e características das cargas elétricas quando estão em repouso, e por isso que o estado de repouso ou equilíbrio de cargas é chamado de "Eletricidade Estática".

  Quando o campo elétrico supera a rigidez dielétrica do material dielétrico, há um fluxo de cargas de um polo para outro. Essa carga é medida em Coulomb (C).

  O capacitor possui a característica de se carregar rapidamente e se descarregar lentamente. Veja a curva de carga de um capacitor, abaixo:

 

A CAPACIDADE ELETROSTÁTICA DO CAPACITOR

  O capacitor pode formar um campo elétrico muito grande, e essa capacidade de condensar cargas elétricas é o que chamamos de "Capacidade Eletrostática" de um capacitor.

  Considere um corpo carregado com uma quantidade de cargas elétricas de valor "Q". Essa determinada quantidade de cargas possui um potencial "V". Se dobrar a carga deste corpo para "2Q" o potencial também será dobrado para "2V", ou seja, a carga (que é dada em Coulomb - C), é proporcional ao potencial (que é dado em Volts - V).

  Com a explicação do paragrafo anterior, podemos dizer que, a relação entre a carga elétrica e o potencial elétrico é a capacidade eletrostática do corpo. Traduzindo isso numa fórmula matemática, temos:

  Onde:

 

 > C : Capacidade eletrostática, medida em Farad (F);

 > Q : Carga elétrica, medida em Coulomb (C);

 > V : Potencial elétrico, medido em Volts (V).

 

  Sim, a Capacidade Eletrostática de um capacitor é dada em Farad (F), mas também pode ser utilizado Volts por Coulomb (V/C). Com isso, podemos concluir que a Capacitância, termo bastante conhecido, é a Capacidade Eletrostática de um capacitor.

  Abaixo, uma tabela com os prefixos do Farad mais utilizados na eletrônica:

  Abaixo, uma tabela de conversão dos submúltiplos do Farad mais utilizados:

  A Capacitância será 1 Farad quando a diferença de potencial entre as placas do capacitor for 1 Volt e a carga armazenada for 1 Coulomb.

 

  A capacitância do capacitor também pode ser dada pela fórmula:

   Onde:

 > A : Área de um lado de uma das armaduras, medido em cm²;

 > K : Constante dielétrica do material utilizado como isolante;

 > d : Separação (distância) entre as placas, medido em centímetros (cm);

 > 11,31 : Este valor é uma constante da fórmula.

 > C : Capacitância, medido em Farad (F);

 

AS ARMADURAS E O DIELÉTRICO

  Quanto maior a tensão aplicada em um capacitor, mais cargas ele poderá armazenar, mas isso também depende da superfície das armaduras.

  Quanto maior for o tamanho das armaduras, maior será a capacitância, no entanto, se a distância entre os eletrodos for grande, a capacitância cai.

  Se os eletrodos ficarem muito próximos, isso pode gerar a quebra da rigidez dielétrica com tensões altas.

  Se o dielétrico possuir uma constante dielétrica muito alta, isto é, ser muito resistente a passagem de corrente elétrica, a capacitância também cai.

  A distância mínima entre os eletrodos varia de acordo com o tamanho deles e o tipo de dielétrico utilizado na construção do capacitor.

 

  Para saber mais sobre RIGIDEZ DIELÉTRICA, POLARIZAÇÃO DIELÉTRICA, SUSCEPTIBILIDADE ELÉTRICA, PERMISSIVIDADE ELÉTRICA e materiais condutores e isolantes, clique aqui!

 

  Para calcular a energia armazenada por um capacitor, utilizamos a fórmula:

  Onde:

 > E : Energia armazenada, medida em Joule (J);

 > C : Capacitância, medida em Farad (F);

 > V : Tensão, medida em Volts (V).

 

O "DELAY" DO CAPACITOR

  Por reter cargas elétricas e libera-las filtradas, ao deixar o circuito aberto, isto é, cortar a energia vinda da fonte, um capacitor pode levar alguns instantes para se descarregar completamente e desligar todo o circuito. Isso pode ser visto em alguns aparelhos eletrônicos, como por exemplo, monitores de vídeo e TVs que, ao serem desligados de sua fonte de energia, levam alguns segundos para desligarem o LED que mostra o funcionamento do aparelho.

  O tempo que um capacitor leva para se descarregar completamente é dado pela constante de tempo e resistência. A constante de tempo é medida em CR Segundos, sendo que, C é a medida em Farads e R é a medida em Ohms. Abaixo, você vê uma tabela com as constantes de tempo de circuitos que possuem capacitância e resistência elétrica:

  A fórmula para calcular a constante de tempo de um circuito com capacitor e resistor é mostrada abaixo:

  Num circuito contendo capacitor, não pode circular tensão e corrente contínua, somente alternada. Caso você não se recorde ou não saiba o que é tensão e corrente contínua e alternada, leia o artigo sobre o assunto, basta clicar aqui!

 

O CAPACITOR EM SÉRIE COM O CIRCUITO

  Se colocarmos um capacitor em série com outro(s) componente(s) num circuito onde há tensão e corrente contínua, ele funcionará como uma barreira e não deixará passar a corrente elétrica. Não tendo tensão, não há corrente e, não tendo corrente, não há passagem de energia, ou seja, o circuito está aberto.

  Veja a representação de um capacitor ligado em série com uma lâmpada num circuito com tensão e corrente contínua:

  Em um circuito onde o capacitor está ligado em série, ele deixará a corrente e a tensão passar somente se forem na forma alternada. Desta forma, o capacitor irá filtrar transientes na onda elétrica, tornando a onda "pura". Veja o gráfico abaixo:

  Mais pra frente você verá sobre a angulação da onda e que o capacitor faz com que a corrente tenha uma defasagem de 90º da tensão.

 

O CAPACITOR EM PARALELO COM O CIRCUITO

  Caso o capacitor seja ligado em paralelo com outros componentes, isto é, com um de seus polos ligado direto ao polo negativo do circuito, como no diagrama abaixo, ele irá filtrar a tensão alternada.

  Caso o capacitor esteja em paralelo com outros componentes e no circuito esteja circulando tensão e corrente contínua, ele irá filtrar qualquer variação abrupta de carga, deixando tudo estável.

  A tensão alternada, após sair de um diodo (componente que deixa a tensão oscilando somente no polo positivo) e chegar a um capacitor em paralelo, se comportará desta forma:

  Abaixo, você vê a tensão (representada na cor vermelha) e corrente (representada na cor rosa) contínuas passando por um circuito com capacitor em paralelo:

  Por isso que os capacitores são utilizados em placas de computadores, smartphones, SmartTVs, TVs comuns e centenas de outros dispositivos que funcionam com corrente e tensão contínua. Circuitos de som, que trabalham com tensões variáveis podem conter capacitores para filtrar o sinal e alterar sons agudos, graves, etc.

 

  É válido lembrar que, os capacitores suportam um limite de surto de tensão, independente do circuito onde eles são instalados. Esse limite depende da tensão nominal que eles suportam.

  Assim como o resistor, o capacitor também oferece oposição a passagem de elétrons, mas neste caso não é utilizado o termo "resistência elétrica" mas sim "reatância capacitiva" e que também é medida em Ohm.

  Num circuito de tensão alternada, a impedância é a verdadeira resistência elétrica e é dada pela soma do valor de resistência e da reatância capacitiva e indutiva (que é mostrada no Capítulo dedicado às bobinas). Já num circuito de tensão e corrente contínua não há impedância, somente resistência, já que, capacitores (caso eles estejam em serie com outros componentes) e indutores não funcionam nestes circuitos .

  Abreviamos o termo reatância capacitiva com as letras Xc. Podemos calcular a reatância pela fórmula dada abaixo:

EXEMPLO 1:

  Em um determinado circuito temos um capacitor de 20 µF (0,00002 Farad) e frequência de 2 KHz (2.000 Hz), a reatância capacitiva deste circuito será de:

 

1 / 2 . π . 2000 . 0,00002 = 7,95 Ohms (aproximadamente)

 

  No caso de um circuito de tensão contínua, a frequência é igual a 0 Hertz. Com isso temos uma resistência (reatância capacitiva) infinita, pois na eletrônica, qualquer número dividido por zero tem como resultado um valor infinito, sendo assim, a corrente não passará pelo capacitor.

  Em circuitos de tensão alternada onde não há indutores, há apenas dois capacitores iguais, por exemplo, para saber a reatância capacitiva total, somamos os dois valores (caso os capacitores estejam em série). Caso estes dois capacitores estejam em paralelo, utilizamos a seguinte fórmula:

 Farei um artigo explicando detalhadamente a corrente e tensão alternada, o calculo do valor de reatância em circuitos com mais de dois capacitores, a reatância de circuitos onde há indutores e ressonância. Espere pra ver!

  O dielétrico de um capacitor, com o tempo, devido ao aquecimento e sua virtude de acumular e descarregar energia, começa a perder suas características originais e ganhar outras que são péssimas para o seu funcionamento: a ESR, sigla para Equivalent Série Resistance, que significa Resistência Equivalente e Série.

  Experimente colocar um resistor ligado a uma capacitor (em série) e você verá que a carga e descarga de energia do capacitor ficará mais lenta independente do valor de resistência do resistor. Se a resistência for muito alta, vai ficar quase impossível do capacitor se carregar e descarregar de forma correta, fazendo com que o ripple (os transientes) que vem junto da tensão e corrente alternada não sejam eliminados, tornando o capacitor inútil no circuito.

  O ESR nada mais é do que a resistência elétrica proporcionada pelo material que compõe o dielétrico de um capacitor. Não tem nada a ver com a reatância capacitiva. Com o passar dos anos, o capacitor vai se deteriorando devido ao fluxo de energia, as altas temperaturas que ele pode ser submetido e o calor que ele mesmo pode gerar, com isso a resistência do material aumenta, tornando suas cargas e descargas cada vez mais lentas e gerando até instabilidades em outras peças e circuitos da placa.

  Como um capacitor possui reatância capacitiva, fica ainda pior, pois o valor do ESR é somado ao da reatância, fazendo com que o capacitor fique com uma resistência cada vez mais alta. Isso não é visível para nós, tanto que, muitas vezes um circuito para de funcionar e após verificar se há manchas de queimado, de testar reguladores de tensão, resistores, diodos com multímetros e capacitores com capacímetros, não notamos nenhum problema, no entanto, ele está dentro do capacitor.

  Capacitores eletrolíticos sofrem muito com isso: as altas temperaturas  vaporizam o líquido que compõe o dielétrico do capacitor, que em muitos casos não é de boa qualidade. Podemos ver isso em fontes de alimentação de computador, onde capacitores que vazam, perdem eficiência ou estouram é comum após poucos anos de uso do equipamento. Capacitores que suportam temperaturas mais altas tendem a ter uma ESR menor e ter maior durabilidade que os capacitores que suportam uma temperatura mais baixa. Podemos citar os capacitores com coeficiente de temperatura de 105 ºC, mais duráveis que os de 85 ºC.

  É válido lembrar que a tensão do capacitor é proporcional ao ESR, isto é, quanto maior a tensão, maior o ESR, e por isso é recomendável que um capacitor danificado seja substituído por um de valores idênticos. Em circuitos que trabalham com altas frequências, a resposta do capacitor deve ser mais rápida, e quanto maior a resistência mais lento ele ficará.

  Um capacímetro, isto é, equipamento que mede a capacitância do capacitor, não é a melhor forma de medir a ESR, pois mesmo levando em conta o tempo que o capacitor leva para carregar e descarregar, as vezes, a alteração é mínima e o aparelho não consegue detectar. Para medir o ESR devemos utilizar um aparelho específico para este fim: o medidor de ESR. Ele pode ser utilizado sem ter que remover o capacitor do circuito. Veja a imagem de um medidor de ESR abaixo:

  Os valores aceitáveis de ESR para capacitores eletrolíticos comuns são apresentados abaixo:

 > Capacitores de 1 µF : ESR de até 20 Ohms (dependendo da voltagem);
 > Capacitores de 2,2 µF : ESR de até 15 Ohms (dependendo da voltagem);
 > Capacitores de 4,7 µF : ESR de até 10 Ohms (dependendo da voltagem);
 > Capacitores de 10 µF : ESR de até 5 Ohms (dependendo da voltagem);
 > Capacitores de 22 µF : ESR de até 3 Ohms (dependendo da voltagem).

 

  Capacitores de valores superiores a 47 µF devem ter uma ESR entre 1 Ohm e 0,01 Ohm. Em circuitos onde o capacitor é utilizado para eliminar ripple da tensão e corrente alternada, como é o caso dos filtros de flybacks de monitores de vídeo do tipo CRT, o ideal é uma ESR de aproximadamente 2 Ohms.

 

  Se o capacitor estiver operando em corrente alternada, há uma defasagem de corrente / tensão, conforme o gráfico abaixo, essa defasagem gera uma dissipação de potência.

  Lembrando que, Xl é a reatância indutiva gerada pelos indutores e que será estudada futuramente.

  A relação entre a reatância capacitiva e a ESR é dada pela fórmula:

   Onde:

 > tg δ é a tangente do ângulo de perda.

 

  O valor de dissipação de potência é calculado a partir do ESR para se saber as perdas na resistência ohmica de um capacitor. Observe a fórmula:

   Onde:

 > f é a frequência do sinal (em Hertz) que está passando pelo capacitor;

 > C = é a capacitância em Farads.

 

  Dependendo da forma de onda e frequência de corrente que chega no capacitor, devido a sua ESR e a reatância capacitiva, há uma corrente de ripple, fazendo com que uma parte da energia seja transformada em calor e o capacitor superaqueça. Para cada forma de onda há uma fórmula para calcular a corrente RMS de ripple (Ir). Isso é essencial em circuitos onde há capacitores não sólidos, isto é, que utilizam eletrólitos. Veja abaixo algumas fórmulas:

 

  É a capacitância que reduz, provoca ruído, danifica, não filtra o sinal elétrico e até mesmo impede o circuito de funcionar. A capacitância parasita é um mal que afeta não só capacitores, mas sim válvulas, transistores, varistores e outros componentes que internamente se comportam como capacitores e possuem uma reatância capacitiva, que para circuitos que operam em baixas frequências e capacitâncias mais altas, se torna algo prejudicial, podendo até mesmo gerar um retorno de sinal, causando ripple ou o bloqueio parcial ou completo da passagem de energia.

  Como agravante da situação ainda temos o ESR, que foi detalhado acima. O ESR somado a reatância provoca uma resistência maior ainda no circuito. Cabe ao engenheiro observar os resistores presentes no circuito e seus valores de resistência, a capacitância e a ESR do componente escolhido e as frequências de operação para que possa ser adicionado o melhor capacitor.

   A fórmula que utilizamos para calcular resistores em paralelo, utilizamos para calcular capacitores em série:

  Onde:

 > CT : Soma das divisões

 > C : Capacitor

 

EXEMPLO 2:

   Num circuito há 5 capacitores:

C1 = 100 µF

C2 = 38 µF

C3 = 50 µF

C4 = 77 µF

C5 = 150 µF

 

 

 

 

(1 / 100) + (1 / 38) + (1 / 50) + (1 / 77) + (1 / 150) = 0,0100 + 0,0263 + 0,0200 + 0,0129 + 0,0066 = (1 / 0,0758) = 13,79 µF (aprox.)

 

Para dois capacitores em série também pode ser utilizada a fórmula:

  Onde:

 > C : É o capacitor equivalente da associação em série.

 

  Quando tem-se vários capacitores de mesmo valor em série, utilizamos a fórmula:

  Onde:

 > Ct : É o capacitor equivalente da associação em série.

  Utilizamos a fórmula para calcular resistores em série para calcular capacitores em paralelo.

  Para calcular a capacitância equivalente devemos somar a capacitância de todos os capacitores em paralelo.

 

EXEMPLO 3:

  Em um circuito há dois capacitores em paralelo: um de 100 pF e outro de 333 pF. Qual a capacitância total desta associação?

 

100 + 333 = 433 pF

  Num circuito onde temos vários capacitores associados em série e paralelo, chamamos isto de associação mista.

 

EXEMPLO 3:

  Num circuito há 5 capacitores, dois em série e 3 em paralelo:

C1 = 30 nF

C2 = 200 nF

C3 = 110 nF

C4 = 75 nf

C5 = 58 nF

 

 

 

 

(1 / 30) + (1 / 200) = 0,0333 + 0,005 = (1 / 0,0383) = 26,10 nF (aprox.)

26,10 + 110 + 75 + 58 = 269,10 nF

 

Observação:

 

  Se houver capacitores com valores em pF (pico Farad), nF (nano Farad) e µF (micro Farad) misturados numa associação em série ou paralelo, você deve converter eles para valores com um mesmo prefixo, por exemplo, se houver um capacitor de 100 pF ligado em série com um capacitor de 50 nF e outro de 20 pF, você deverá converter as capacitâncias ou para nF ou para pF para poder calcular o capacitor equivalente.

  Para saber a carga elétrica total armazenada por capacitores associados em série, devemos utilizar a fórmula:

  Onde:

 > Q : É a carga total armazenada na associação (em microCoulombs);

 > Ct : Capacitância total da associação (em Farad);

 > Vf : Tensão (em volts) da fonte de alimentação.

 

EXEMPLO 4:

  Suponha que há 3 capacitores em série submetidos a uma tensão de 16 Volts. A tensão do capacitor C2 é?

  C1 = 50 µF

  C2 = 110 µF

  C3 = 27 µF

 

(1 / 50) + (1 / 110 ) +(1 / 27) = 0,02 + 0,0090 + 0,037 = (1 / 0,0660) = 15,15 µF (aprox.)

 

  Ct é 15,15 µF e a carga total armazenada é igual a: 

 

15,15 x 16 = 242,40 microCoulombs

 

  Esta é também a carga total armazenada por cada capacitor, de modo que a tensão do capacitor C2 é igual a:

242,40 / 110 µF = 2,20 Volts

 

  Quanto maior a capacitância, menor a tensão do capacitor na associação.

 

  Para capacitores em paralelo, utilizamos uma fórmula parecida. Calculamos a capacitância total da associação e multiplicamos o valor pela tensão da fonte de alimentação. O resultado é a carga, em microCoulombs.

 

EXEMPLO 5:

  Num circuito, temos 3 capacitores em paralelo submetidos a uma tensão de 25 Volts. A tensão requerida pelos capacitores é de?

 C1 = 70 µF

 C2 = 200 µF

 C3 = 12 µF

70 + 200 + 12 = 282 µF

 

  Mas, para saber a tensão que passa por C2, devemos calcular a capacitância total em série:

(1 / 70) + (1 / 200) + (1 / 12) = 0,014 + 0,005 + 0,0830 = (1 / 0.102) = 98.03 µF (aprox.)

 

  A carga armazenada é de:

98.03 . 25 = 2.450.75 microCoulombs

 

  São três capacitores, portanto a carga total será de:

3 . 2.450.25 = 7.352.25 microCoulombs

 

  A tensão de C2 é igual a:

7.352.25 / 282 = 26.07 Volts (aprox.)

 

  A tensão para os capacitores será maior que a tensão da fonte de alimentação.

Para termos certeza disto, multiplicamos 26,07 Volts pela capacitância de cada capacitor:

26.07 . 70 = 1.824.9 microCoulombs

26.07 . 12 = 312.84 microCoulombs

26.07 . 200 = 5.214 microCoulombs

 

  Somando estes valores temos:

7.351.74 microCoulombs

 

  Podemos resolver este problema de falta de tensão trocando os capacitores por modelos com uma capacitância menor, ou simplesmente aumentar a tensão da fonte e refazer os cálculos até que tudo esteja em equilíbrio.

   Aqui foi apresentado o básico sobre capacitores. Este artigo será atualizado e corrigido futuramente para que fique cada vez mais completo. Na sua opinião, Faltou alguma coisa no artigo? Gostou, quer dar sugestões? Converse com a equipe hardwarecentrallr@gmail.com. Curta, compartilhe e comente no facebook! A sua participação nos ajuda muito!

FONTES e CRÉDITOS

 

Texto, imagens e diagramas: Leonardo Ritter

Fontes: Clube do hardware; UOL Educação; Livro "Eletrônica Para Autodidatas, Estudantes e Técnicos"; cadernos de anotações sobre eletrônica; curso de eletrônica básica; Instituto Newton C. Braga; Mundo da Elétrica.

 

Última atualização: 22 de Julho de 2019.

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