Tudo que você precisa saber sobre Capacitores

Capacitores são encontrados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos, nas mais diversas formas e tamanhos. Estes componentes também são bastante críticos, devendo ser usados com muito cuidado. Entender suas especificações, conhecer os tipos existentes e suas características é de vital importância para todo o praticante da eletrônica. Neste artigo procuramos abordar tudo que há de importante nestes componentes. Os capacitores são encontrados em todos os equipamentos eletrônicos. Se bem que seu princípio de funcionamento seja muito simples, a maneira como os capacitores podem ser construídos varia bastante, o que nos leva a uma grande variedade de tipos. A finalidade básica de um capacitor é apresentar uma capacitância num circuito, ou seja, armazenar cargas elétricas e através desse armazenamento ter determinados efeitos sobre um circuito. Houve tempo em que estes componentes eram chamados ‘”condensadores” e, até hoje, alguns fazem isso, porque antigamente acreditava-se que estes componentes tenham a propriedade de “condensar” a eletricidade. Na figura 1 temos o símbolo utilizado para representar os capacitores fixos de diversos tipos e seus aspectos típicos. Denominamos capacitores fixos aqueles que têm uma capacitância determinada pela sua construção, diferentemente dos capacitores ajustáveis e variáveis que podem ter sua capacitância alterada por uma ação externa. Basicamente um capacitor é formado por dois eletrodos metálicos os quais são denominados “armaduras”, sendo elas separadas por um material isolante denominado “dielétrico”. O dielétrico pode ser o papel, vidro, poliéster styroflex, mica, ar e mesmo o vácuo. Para muitos tipos de capacitores o dielétrico dá nome ao capacitor. Assim, um capacitor de poliéster tem este material plástico como isolante. Quando ligamos às armaduras de um capacitor um gerador (uma bateria, por exemplo), a armadura ligada ao pólo positivo da pilha se carrega positivamente, enquanto que a outra carrega-se negativamente. A quantidade de cargas armazenadas na armadura positiva é a mesma que a armazenada na armadura negativa, diferindo apena quando à polaridade, conforme mostra a figura 2. Mesmo depois de retiramos a bateria do circuito, o capacitor mantém em suas armaduras as cargas elétricas e estas apresentam a mesma diferença de potencial da bateria que foi conectada. Dizemos que o capacitor se encontra carregado. Para descarregar um capacitor é preciso oferecer um percurso para que as cargas de uma armadura fluam para a outra e ocorra a neutralização. Assim, interligando as armaduras por um circuito externo, os elétrons da armadura que os tem em excesso (negativa) fluem para a positiva, ocorrendo a neutralização. Temos então a descarga do capacitor, conforme mostra a figura 3. A relação entre a quantidade de cargas (Q) que pode ser armazenada num capacitor e a tensão (V) que mantém estas cargas nas armaduras é denominada capacitância ou capacidade do capacitor (C), sendo medida em farads (F). C = Q/V Veja que, quanto maior for a tensão aplicada a um capacitor, maior é a quantidade de cargas que ele pode armazenar, pois a capacitância é constante e depende dos seguintes fatores. a) Superfície das armaduras: quanto maiores forem as armaduras, maior será a capacitância do capacitor. Nos tipos comuns, uma maneira de se obter maior capacitância, consiste em se usar armaduras flexíveis no formato de tiras, colocando entre elas o dielétrico e depois enrolando-se estas tiras de modo a ocupar pequenos espaços. Os capacitores deste tipo são denominados “tubulares”. Na figura 4 temos um exemplo de capacitor deste tipo. b) Distância de separação entre as armaduras: quanto maior for a separação entre as armaduras, menor será a capacitância. Não devemos aproximar muito as armaduras uma da outra, porque com isso, pode ocorrer a ruptura do dielétrico com tensões mais altas, ou seja, a corrente pode “saltar” entre as armaduras. A tensão máxima de um capacitor é justamente determinada pela espessura do dielétrico. c) Natureza do dielétrico ou seja, da “constante dielétrica” da substância usada como isolante. Os capacitores mais comuns, usados nas aplicações práticas são os de dielétricos de diversos tipos de plásticos (styroflex, poliéster, etc.) e os cerâmicos, além de encontrarmos os tipos de mico nas aplicações mais críticas. Temos também tipos especiais denominados eletrolíticos como os de alumínio, tântalo e nióbio que possuem dielétricos químicos, dos quais falaremos mais adiante. As principais propriedades elétricas dos capacitores são as seguintes: a) Como existe um isolamento entre as armaduras de um capacitor, entre os terminais deste componente não podem circular correntes contínuas. b) Os capacitores permitem a circulação de correntes alternadas pelo processo de carga e descarga. c) Os capacitores dificultam mais a passagem das correntes de freqüências mais baixas. Na prática é comum expressarmos a capacitância de um capacitor através de submúltiplos do farad (que é uma unidade muito grande). Temos então: Microfarad (uF) = 0,000 001 Farad = 10-6 F Nanofarad (nF) = 0,000 000 001 Farad = 10-9 F Picofarad (pF) = 0,000 000 000 001 Farad = 10-12 F Associação de Capacitores Associar capacitores é ligá-los em conjunto de modo a combinar seus efeitos num circuito. Isso pode ser feito basicamente das seguintes formas: Associação em Paralelo Dizemos que dois ou mais capacitores estão associados em paralelo quando suas armaduras positivas são interligadas e da mesma forma as armaduras negativas, conforme mostra a figura 5. A capacitância total que uma associação deste tipo apresenta depende da capacitância dos capacitores associados. Podemos, neste caso, dizer que a capacitância equivalente a uma associação de capacitores em paralelo é igual à soma das capacitâncias dos capacitores associados. Podemos escrever uma fórmula para expressar isso: C = C1 + C2 = C3 + ........... + Cn Onde: C é a capacitância equivalente C1, C2 ... Cn são as capacitâncias dos capacitores associados. Veja que todos os capacitores devem estar expressos pela mesma unidade. Propriedades da Associação de Capacitores em Paralelo: 1. Todos os capacitores ficam submetidos à mesma tensão 2. O capacitor de maior valor fica com a maior carga Associação de Capacitores em Série Dizemos que dois ou mais capacitores estão ligados ou associados em série quando a armadura positiva do primeiro fica livre, tornando-se o terminal positivo da associação. A armadura negativa do primeiro é ligada á positiva do segundo, a negativa do segundo à positiva do terceiro e assim por diante até que no último a armadura negativa fica livre e se torna a armadura negativa da associação, conforme mostra a figura 6. A capacitância total apresentada pela associação dependerá dos valores de todos capacitores associados. Podemos dizer que “o inversor da capacitância equivalente será igual à soma dos inversos das capacitâncias associadas”, ou expressando isso de uma forma matemá ou expressando isso de uma forma matemiados. Podemos dizer que "va da associaçositivo da associaç seguintes formas: armazenadatica. A capacitância total apresentada pela associação dependerá dos valores de todos capacitores associados. Podemos dizer que “o inverso da capacitância equivalente será igual à soma dos inversos das capacitâncias associadas” ou de uma forma matemática mais apropriada: 1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + .......... = 1/Cn Onde: C é a capacitância equivalente à associação C1, C2, C3...Cn são as capacitâncias dos capacitores associados. Veja que todas as capacitâncias devem estar expressas no mesmo submúltiplo do Farad ou em Farads. Exemplo de cálculo: Qual é a capacitância que se obtém quando ligamos em série capacitores de 3 µF, 12 µF e 12 µF conforme mostra a figura 7? Neste caso: C1 = 3 µF C2 = C3 = 12 µF Aplicando a fórmula: 1/C = 1/3 + 1/12 + 1/12 Reduzindo ao mesmo denominador: 1/C = 4/12 + 1/12 + 1/12 Fazendo a soma dos numerados: 1/C = 6/12 Resolvendo: C = 12/6 = 2 µF A capacitância equivalente é portanto 2 µF As principais propriedades da associação de capacitores em série são: a) A capacitância equivalente é sempre menor do que o menor capacitor associado b) Todos os capacitores ficam com a mesma carga c) O maior capacitor fica submetido à menor tensão. Tipos de capacitores Existem diversos tipos de capacitores os quais se diferenciam tanto pela técnica de construção como dos materiais. Essas diferenças dotam estes capacitores de propriedades específicas, que os torna ideais para determinados tipos de aplicação. São os seguintes os principais tipos de Capacitores: a) Tubulares de papel e óleo - Na figura 8 temos os aspectos destes capacitores que atualmente são pouco usados. Estes capacitores eram praticamente os que predominavam nos equipamentos valvulados antigos. No entanto, o papel se deteriora e passa a apresentar fugas, levando á necessidade de substituição freqüente destes componentes. Nestes capacitores, temos duas tiras de metal (alumínio) e entre elas uma tira de papel (isolante). Nos tipos de papel, utilizava-se uma folha de papel seco e nos tipos a óleo, uma folha impregnada de um óleo com características dielétricas importantes. Veja que o fato destes capacitores serem enrolados, as armaduras se comportam como uma bobina, o que os leva a apresentar uma certa indutância. Isso impede que eles sejam usados de forma eficiente em circuitos de altas freqüências. b) Capacitores planos – são capacitores em que as armaduras são planas assim como os dielétricos, como ocorre com capacitores de mica e cerâmicos mostrados na figura 9. Esta técnica permite obter capacitores com baixas indutâncias, ideais para aplicações em circuitos de altas freqüências. c) Capacitores de poliéster – trata-se de um tipo bastante comum de capacitor que utiliza uma espécie de plástico, sendo obtido colocando-se folhas de alumínio como armaduras e folhas de poliéster entre elas, para formar o dielétrico. Sua construção pode levar tanto a capacitores planos como tubulares, conforme mostra a figura 10. Para estes tipos, entretanto as características do poliéster o tornam não apropriado para aplicações em circuitos de altas freqüências. Uma variação é o poliéster metalizado, onde a armadura é feita pela deposição eletrolítica de uma fina capa de metal sobre o poliéster. d) Capacitores de papel e óleo – são construídos colocando-se entre duas folhas de alumínio papel comum ou papel embebido em óleo. São tubulares e suas características os torna apropriados apenas para aplicações em circuitos de baixas freqüências. Já não mais são utilizados nas aplicações modernas. Na figura 11 temos os aspectos típicos destes capacitores. e) Capacitores de mica – nestes capacitores duas placas de metálica são colocadas de modo a haver uma ou mais folhas de mica entre elas,formando o dielétrico. Como a mica não é flexível, estes capacitores só admitem a construção plana. Como a mica é um material muito estável e com propriedades ideais para aplicações em altas freqüências, estes capacitores são empregados em instrumentação, transmissão e outras aplicações semelhantes. Na figura 12 temos os aspectos típicos destes capacitores. f) Capacitores cerâmicos – estes são os mais comuns atualmente. Um tipo comum é tubular, se bem que suas características não sejam indutivas, é obtido a partir de um tubo oco de cerâmica sendo depositadas por meios eletrolíticos uma armadura internamente e outras externamente, conforme mostra a figura 13(a). Outro tipo é obtido com pedaços planos de cerâmicas onde as armaduras são depositadas nas faces, conforme mostra a figura 13(b). para se obter maior capacitância podem ser empilhados diversos conjuntos. Pelas suas características estes capacitores podem ser usados numa ampla gama de aplicações que vão dos circuitos de corrente contínua aos circuitos de frequências muito altas. g) Capacitores eletrolíticos – estes capacitores são construídos a partir da formação de uma camada de óxido de alumínio (eletrolíticos de alumínio) ou óxido de tântalo (para os capacitores de tântalo) numa armadura do mesmo metal. Como a camada de óxido é muito fina e tem uma constante dielétrica elevada, podem ser obtidos capacitores de valores elevados ocupando pequeno espaço. Na figura 14 temos os aspectos mais comuns para estes capacitores. Veja entretanto que, pelas suas características estes capacitores não se prestam à aplicações que envolvam sinais de freqüências elevadas. São mais usados em desacoplamento, acoplamento e filtragem de sinais de baixas freqüências. h) Outros tipos – existem outros tipos de capacitores menos comuns, com as nomenclaturas dadas pelos materiais usados nos dielétricos. Temos ainda a considerar os eletrolíticos de nióbio que começam a se tornar comuns. Capacitores SMD Os componentes para montagem em superfície (SMD) são utilizados nas montagens de equipamentos que devem ser compactos e mesmo em muitos outros, onde se deseja que o mínimo de espaço seja ocupado. Estes componentes têm reduções muito pequenas e para os capacitores isso também ocorre. Conforme mostra a figura 15 podemos encontrar capacitores de diversos tipos em invólucros SMD. A identificação destes componentes é dada por um código especial, e saber se temos diante de nós um capacitor ou outro componente exige atenção e análise ao diagrama, pois os seus aspectos são os mesmos de outros componentes como resistores, indutores, diodos, etc.