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Introdução ao Capacitor



Introdução

Os capacitores são componentes muito utilizados para o desenvolvimento de circuitos eletrônicos com diversas funcionalidades, variando principalmente o seu tipo, a sua capacidade de carga e a sua disposição no circuito. Independente de ser um circuito simples ou um circuito mais complexo, a grande maioria dos circuitos possui um capacitor em seu esquema. A BlackBoard UNO R3, a ASUS Tinker R/BR e a BBC micro:bit, por exemplo, possuem capacitores em seus circuitos, da mesma maneira que o Módulo Digitator e a Fonte Ajustável para Protoboard também possuem. Ou seja, o capacitor é um componente essencial para a grande maioria dos circuitos, e é um componente que deve ser conhecido por todos os iniciantes da área da eletrônica.

Neste tutorial você vai aprender sobre como capacitores são feitos e como funcionam, além de alguns conceitos sobre sua unidade de medida, algumas aplicações e circuitos típicos.

Conceitos Básicos

Um capacitor é um componente elétrico passivo capaz de armazenar energia elétrica em um campo elétrico. O capacitor é definido pela sua capacitância, em Farads, medida entre seus terminais condutores. Esses terminais são constituídos de dois materiais condutores, normalmente metálicos, que são separados por um material dielétrico, sendo, entre outros, semicondutores, papel, vidro e ar.

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Campo Elétrico no Capacitor
Fonte: Mundo Educação

Modelos

Existem diversos tipos de capacitores. Dentre os mais utilizados, estão o eletrolítico, o cerâmico e o de poliéster.

É importante saber que todos os capacitores possuem uma limitação de tensão de alimentação e, caso haja uma sobretensão em sua alimentação, o componente será permanentemente danificado, além de provavelmente comprometer o resto do circuito. Logo, ao escolher um capacitor para o seu projeto, é recomendado escolher uma tensão máxima de pelo menos duas vezes a tensão de operação. Ou seja, para um circuito de 5 V, é preferível usar um capacitor de 10 V ou mais. Para entender melhor sobre as consequências da sobretensão, assista o vídeo da Sparkfun Electronics.

Capacitor Eletrolítico

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Capacitores Eletrolíticos
Fonte: Alibaba

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.

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Construção e Símbolo de Capacitor Eletrolítico
Fonte: WikiPedia

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

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Capacitores Cerâmicos
Fonte: Murata

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.

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Construção de Capacitores Cerâmicos
Fonte: Wikipedia

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).

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Código de Capacitância
Fonte: Components101

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

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Capacitores de Poliéster
Fonte: CapCompo

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).

Axial
Construção Axial
Fonte: Electronics Tutorials
Radial
Construção Radial
Fonte: Electronics Tutorials

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

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Capacitores de Tântalo
Fonte: Wikipedia

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

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Capacitores Variáveis
Fonte: Sinequanon

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.

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Variação na Distância do Rotor ao Estator
Fonte: Wikipedia

Unidade

A unidade de medida de capacitores é o Farad (F), que corresponde à capacidade de carga em energia elétrica de um componente, onde a tensão (diferença de potencial elétrico) é igual a 1 Volt (V) quando está carregado com uma carga elétrica igual a 1 Coulomb (C). Coulomb é a unidade de carga elétrica, sendo ela, por definição, o transporte de 1 Ampere (A) em 1 segundo.

O Farad pode ser subdividido em múltiplos da escala decimal, onde cada casa decimal possui um nome, como pode ser observado na imagem abaixo.

tabela-farad
Escalas Decimais de "Farad"
Fonte: Wikipedia

Equações

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.

calculo-cap

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.

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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:

calc-tensao

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

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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.

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Circuito "RC"

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.

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

cal-unload

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

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Curva de Carga e Descarga
Fonte: Ebah

Associação de Capacitores

Assim como resistores, os capacitores podem ser dispostos em uma associação em série ou em paralelo. Entretanto, os comportamentos das disposições para capacitores e para resistores são completamente opostos.

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.

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Associação em Paralelo
Fonte: Learn Sparkfun

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.

calc-cap-series
Associação em Série
Fonte: Learn Sparkfun

Aplicações

Não é a toa que os capacitores são muito populares em circuitos elétricos, já que eles podem ser utilizados em diversas disposições e atuar de diversas maneiras. Dentre os mais utilizados, estão os filtros capacitivos, coupling e decoupling, armazenamento de energia, entre outros.

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.

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Filtro Passa Baixa
Fonte: Saber Elétrica
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Filtro Passa Alta
Fonte: Saber Elétrica
passa-faixa
Filtro Passa Alta
Fonte: Saber Elétrica

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.

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Armazenamento de Energia de Capacitores
Fonte: Learn Sparkfun

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.

cap-coupling
Capacitor em Série para Coupling
Fonte: Learning About Electronics

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.

cap-decoupling
Capacitores em Paralelo para Decoupling
Fonte: EAGLE Academy

Conclusão

Neste tutorial abordamos várias noções sobre capacitores, como algumas de suas aplicações, funcionalidades e seus principais modelos. Deste modo, pudemos observar a sua importância e indispensabilidade no mundo da eletrônica.

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