Capacitor: Tipos de Capacitores

3 de junho de 2024 Roberto Magalhães

O que é um capacitor?

A capacitor é um componente passivo de dois terminais que armazena carga elétrica. Este componente consiste em dois condutores separados por um meio dielétrico. A diferença de potencial quando aplicada através dos condutores polariza os íons dipolo para armazenar a carga no meio dielétrico. O símbolo do circuito de um capacitor é mostrado abaixo:

Fig. 1: Símbolo de um capacitor

A capacitância ou o armazenamento potencial pelo capacitor é medido em Farads, que é simbolizado como 'F'. Um Farad é a capacitância quando um coulomb de carga elétrica é armazenado no condutor na aplicação de uma diferença de potencial de um volt.

A carga armazenada em um capacitor é dada por

Q = CV

Onde Q – carga armazenada pelo capacitor

C – Valor da capacitância do capacitor

V – Tensão aplicada ao capacitor

Observe a outra fórmula da corrente, Eu = dQ/dt

Tomando a derivada em relação ao tempo,

dQ/dt = d(CV)/dt

A partir da afirmação acima, podemos expressar a equação como

I = C (dV/dt)

À medida que você liga a fonte de alimentação, a corrente começa a fluir através do capacitor, induzindo os potenciais positivos e negativos através de suas placas. O capacitor continua a carregar até que a tensão do capacitor se equalize com a tensão de alimentação, que é chamada de fase de carga do capacitor. Uma vez que o capacitor esteja totalmente carregado no final desta fase, ele fica em circuito aberto para CC. Ele começa a descarregar quando a alimentação do capacitor é desligada. A carga e descarga do capacitor é dada por uma constante de tempo.

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A tensão no capacitor é dada por

Capacitores são amplamente utilizados em uma variedade de formulários de circuitos eletrônicos como

· armazenar cargas, como em um circuito de flash de câmera

· suavizando a saída dos circuitos de fonte de alimentação

· acoplamento de dois estágios de um circuito (acoplamento de um estágio de áudio com um alto-falante)

· redes de filtros (controle de tom de um sistema de áudio)

· atrasar aplicações (como em IC do temporizador 555 controlando o carregando e descarregando)

· sintonizar rádios em frequências específicas

· alteração de fase.

Os condutores oferecem uma resistência em série e se o capacitor for construído em estrutura tubular então alguma indutância também é induzida. O meio dielétrico entre as placas tem um limite de intensidade de campo elétrico e também passa uma pequena quantidade de corrente de fuga que resulta em uma tensão de ruptura.

Existem diferentes tipos de capacitores, eles podem ser fixos ou variáveis. Eles são categorizados em dois grupos, polarizados ou não polarizados. Os capacitores eletrolíticos são polarizados. A maioria dos capacitores de baixo valor não são polarizados. O símbolo de capacitores de cada grupo é mostrado abaixo:

Figura 2: Imagem mostrando tipos de capacitores

Construção e Tipos

Construção e Tipos:

O capacitor consiste em duas placas condutoras separadas por um meio isolante conhecido como dielétrico. A capacitância depende da área superficial das placas, da distância entre o meio dielétrico e da constante dielétrica do objeto. Quanto maior a área das placas, mais próximas elas estão entre si e quanto maior o valor da constante dielétrica maior é o valor da capacitância. Capacitores de alta capacitância agora estão disponíveis em tamanhos pequenos. Isto foi conseguido empregando uma série de técnicas, como vários conjuntos de placas, colocando as placas muito próximas umas das outras, colocando uma fina camada de dielétrico entre elas e desenvolvendo materiais dielétricos isolantes especiais.

A capacitância de um capacitor também é afetada pela forma ou estrutura dos capacitores. Os capacitores estão disponíveis em diferentes formatos, como tipo de condutor radial, que são retangulares ou cúbicos, ou tipo de condutor axial, que são tubulares ou cilíndricos.

O tipo variável de capacitores pode variar a capacitância alterando a distância entre as placas ou a área efetiva do capacitor.

Os capacitores do tipo polarizado devem ser conectados de acordo com sua polaridade, caso contrário o capacitor pode ser danificado devido à conexão incorreta.

Os capacitores de baixo valor não são polarizados e podem ser conectados de qualquer maneira. Eles não são danificados pelo calor durante a soldagem, exceto o capacitor do tipo poliestireno. Eles têm classificações de alta tensão de pelo menos 50 V, geralmente 250 V ou mais

Muitos capacitores de pequeno valor têm seu valor impresso, mas sem multiplicador, então você precisa usar experiência para descobrir qual deve ser o multiplicador!

Por exemplo:

· 0,1 significa 0,1µF = 100nF.

Às vezes, o multiplicador é usado no lugar da vírgula decimal:
Por exemplo – 4n7 significa 4,7nF.

Figura 3: Imagem de vários tipos de capacitores

O vários tipos de capacitores são dados abaixo:

1. Capacitores fixos

· Capacitores de filme como capacitor de vidro, capacitores de mica, capacitor de mica de prata, capacitor de cerâmica, capacitor de papel, capacitor de papel metalizado, capacitor de poliéster, capacitor de poliestireno, capacitor de poliéster metalizado, capacitor de policarbonato, capacitores de polipropileno, capacitores de Teflon, capacitor de porcelana.

· Capacitores eletrolíticos como eletrólito de alumínio, eletrólito de tântalo, eletrólito de alumínio-tântalo
2. Capacitores variáveis

Capacitores Fixos

1. Capacitores Fixos

a. Fcapacitores de filme

Os capacitores de filme consistem em uma família relativamente grande de capacitores, com a diferença em suas propriedades dielétricas. Estes incluem poliéster (Mylar), poliestireno, polipropileno, policarbonato, papel metalizado, Teflon, etc. Os capacitores do tipo filme estão disponíveis em faixas de capacitância de 5pF a 100uF, dependendo do tipo real de capacitor e sua classificação de tensão. Os capacitores de filme vêm em vários formatos e estilos de caixa, como:

· Enrole e preencha (oval e redondo) – O capacitor é enrolado em uma fita plástica apertada e as extremidades são preenchidas com epóxi para selá-las.

· Caixa de epóxi (retangular e redonda) – O capacitor é envolto em um invólucro de plástico moldado preenchido com epóxi.

· Metal hermeticamente selado (retangular e redondo) – O capacitor é envolto em um tubo de metal ou lata e selado com epóxi.

Nota: Todos os estilos de caso acima estão disponíveis em derivações Axial e Radial.

b. Capacitor de papel:

Os capacitores de papel são feitos de papel ou papel impregnado de óleo e camadas de papel alumínio enroladas em um cilindro e seladas com cera. Esses capacitores eram comumente usados, mas agora são substituídos por capacitores do tipo plástico ou polímero. Os capacitores de papel são volumosos, altamente higroscópicos e absorvem a umidade, o que causa perda para o dielétrico, degradando seu desempenho geral, sendo a principal desvantagem desse tipo de capacitor. As outras variantes incluem capacitor de papel impregnado de óleo, papel-poliéster e papel Kraft.

Fig. 4: Imagem de capacitores de papel

Figura 5: Imagem mostrando a construção de capacitores de papel

Capacitores Fixos – 2

c. Capacitores de papel metalizado:

Os capacitores de papel metalizado são menores em tamanho que os capacitores de papel convencionais. No entanto, esses capacitores são apropriados apenas para aplicações de baixa corrente e agora são substituídos por capacitores de filme metalizado.

Fig. 6: Imagem de Capacitores de Papel Metalizado

d. Capacitor de mica:

O capacitor de mica usa mica como meio dielétrico. A mica é de natureza inerte e, portanto, as propriedades físicas e químicas não mudam à medida que envelhece. Fornece boa estabilidade de temperatura e resistência à descarga corona, ou seja, descargas elétricas devido à ionização ao redor do condutor. Porém, o custo é muito alto e devido à vedação inadequada o capacitor fica altamente sujeito à umidade o que aumenta o fator de potência.

Fig. 7: Imagem mostrando a construção do capacitor de mica

Figura 8: Imagem de capacitores de mica

Capacitores Fixos – 3

e. Capacitor de mica prateada ou mica metalizada:

Trata-se de uma espécie de capacitor de mica que tem a vantagem adicional de reduzir a infiltração de umidade. Esses capacitores são caros e são frequentemente usados em circuitos de radiofrequência HF e VHF baixos como capacitores precisos de baixo valor, especialmente em osciladores e filtros. As razões pelas quais esses capacitores ainda estão em uso, independentemente do alto custo, grande tamanho e disponibilidade de outros capacitores de baixo custo, são devido às suas características notáveis, tais como:

· baixa tolerância de +/- 1%

· coeficiente de temperatura positivo de 35 a 75 ppm/C

· faixa maior de poucos pF a dois ou três pF

· pouca dependência de tensão,

· alta estabilidade

· Bom fator Q.

No entanto, esses capacitores não são amplamente utilizados atualmente.

Fig. 9: Imagem do capacitor de mica prateada

f. Capacitor de vidro:

Esses capacitores são fabricados com dielétricos de vidro e são muito caros, sendo usados para operação altamente precisa, estável e confiável em condições ambientais adversas. Estes são resistentes às radiações nucleares e estão disponíveis na faixa de 10pF a 1000pF.

Figura 10: Imagem do capacitor de vidro

Capacitores Fixos – 4

g. Capacitor cerâmico:

Os capacitores cerâmicos do tipo não polarizado, também conhecidos como 'capacitores de disco', são amplamente utilizados atualmente. Eles estão disponíveis em milhões de variedades de custo e desempenho. As características do capacitor cerâmico dependem de:

· Tipo de dielétrico cerâmico utilizado no capacitor que varia no coeficiente de temperatura.

· Perdas dielétricas.

As fórmulas exatas das diferentes cerâmicas utilizadas nos capacitores cerâmicos variam de um fabricante para outro. Os compostos comuns, como dióxido de titânio, titanato de estrôncio e titanato de bário, são os três principais tipos disponíveis, embora outros tipos, como capacitores de cerâmica de disco com chumbo para montagem em furo passante, revestidos de resina, capacitores de cerâmica de chip de montagem em superfície multicamadas e capacitores de cerâmica de disco sem chumbo de micro-ondas que são projetados para serem colocados em um slot na PCB e soldados no lugar.

Eles são feitos colocando placas de cerâmica revestidas de prata nos dois lados e montadas para formar o capacitor. A versão de montagem em superfície consiste em um dielétrico cerâmico no qual estão contidos vários eletrodos intercalados de metais preciosos. Esta estrutura dá origem a uma alta capacitância por unidade de volume. Os eletrodos internos são conectados às duas terminações, seja por liga de prata paládio (AgPd) na proporção de 65:35, ou prata mergulhada em uma camada barreira de níquel folheado e finalmente coberta por uma camada de estanho folheado (NiSn).

A Aliança das Indústrias Eletrônicas (EIA) classificou amplamente as cerâmicas usadas nesses capacitores em 3 classes – classe 1, classe 2 e classe 3. Quanto menor a classe, melhores são suas características gerais, mas depende do custo do tamanho. Cada classe define a faixa de temperatura de trabalho, desvio de temperatura, tolerância, etc. Os valores típicos variam de 10pF a 1uF. Os valores de capacitância são rotulados por códigos de três dígitos, onde os dois primeiros dígitos representam um número e o terceiro dígito é o dígito multiplicador.

Por exemplo: 103 significa 10*10³pF que é 0,01uF

104 que é 10*10⁴ pF que é 0,1uF

A tolerância é indicada por uma letra como j=5%, K=10% e M=20%.

Esses capacitores são comumente usados como elemento de temporização em circuitos de filtro e circuitos osciladores de balanceamento em aplicações de radiofrequência, redes de acoplamento e desacoplamento.

As três classes de cerâmica decididas pela EIA são:

a. Classe 1 – Capacitores cerâmicos classe 1 são as formas mais estáveis de capacitor cerâmico em relação à temperatura. Os compostos comuns usados como dielétricos são titanato de magnésio para coeficiente de temperatura positivo (PTC) ou titanato de cálcio para capacitores com coeficiente de temperatura negativo (NTC). Utilizando combinações destes e de outros compostos é possível obter uma constante dielétrica entre 5 e 150. Eles têm uma característica quase linear e suas propriedades são quase independentes da frequência dentro dos limites normais. Coeficientes de temperatura entre +40 e -5000 ppm/C podem ser obtidos.

Os capacitores classe 1 oferecem o melhor desempenho em relação ao fator de dissipação. Um valor típico pode ser de 0,15%. Também é possível obter capacitores classe 1 de precisão muito alta (~1%) em vez das versões mais usuais de tolerância de 5% ou 10%. Os capacitores de classe 1 de maior precisão são designados C0G ou NP0.

A EIA definiu um conjunto de códigos para ter uma forma gerenciada de desempenho do capacitor cerâmico. Os códigos dos capacitores classe 1 e classe 2 são diferentes.

Os códigos da classe 1 são os seguintes:

Fig. 11: Tabela listando códigos de classe 1 para capacitores cerâmicos

· O primeiro caractere é uma letra que fornece o número significativo da mudança na capacitância em relação à temperatura em ppm/C.

· O segundo caractere é numérico e fornece o multiplicador.

· O terceiro caractere é uma letra e fornece o erro máximo em ppm/C.

Um exemplo comum de capacitor classe 1 é um C0G. Isto tem desvio 0, com um erro de 30PPM/C.

Fig. 12: Imagem de capacitores cerâmicos classe 1

b. Classe 2 – Os capacitores de classe 2 são melhores em tamanho, mas têm menos precisão e estabilidade. Como resultado, eles são normalmente usados para aplicações de desacoplamento, acoplamento e bypass onde a precisão não é de primordial importância. Um capacitor típico de classe 2 pode alterar a capacitância em 15% ou mais em uma faixa de temperatura de -50°C a +85°C e pode ter um fator de dissipação de 2,5%. Terá precisão média a baixa (de 10% a +20/-80%). No entanto, para muitas aplicações, estes números não representariam um problema.

Os códigos da classe 2 são os seguintes:

Figura 13: Tabela listando códigos de classe 2 para capacitores cerâmicos

. O primeiro caractere é uma letra que indica a temperatura operacional mínima.

· O segundo é numérico, que fornece a temperatura operacional de ponta.

· O terceiro caractere é uma letra que fornece mudança de capacitância nessa faixa de temperatura.

Os exemplos comuns de capacitores cerâmicos classe 2 são:

· O capacitor X7R que opera de -55C a +125C com uma mudança de capacitância de até 15%.

· O capacitor Z5U que opera de +10C a +85C com uma mudança de capacitância de até +22% a -56%.

Fig. 14: Imagem de capacitores cerâmicos classe 2

c. Classe 3 – Os capacitores cerâmicos classe 3 são pequenos, com menos precisão, estabilidade e baixo fator de dissipação. Este tipo de capacitor não suporta altas tensões.

Titanato de bário que tem uma constante dielétrica de cerca de 1250 é usado como dielétrico. Uma cla típicaéO capacitor 3 mudará sua capacitância em -22% a +50% em uma faixa de temperatura de +10C a +55C. Também pode ter um fator de dissipação em torno de 3 a 5%. Terá uma precisão bastante baixa (normalmente, 20% ou -20/+80%). Portanto, os capacitores cerâmicos classe 3 são normalmente usados como desacoplamento ou em outras aplicações de fonte de alimentação onde a precisão não é de primordial importância. No entanto, eles não devem ser usados em aplicações onde existam picos, pois não suportam altas tensões.

Os capacitores cerâmicos SMT também estão disponíveis em pacotes padrão que possuem as seguintes designações fornecidas na tabela abaixo.

Figura 15: Tabela listando pacotes padrão de capacitores cerâmicos SMT

Capacitores Fixos – 5

h. Capacitores de plástico

eu. Capacitor de poliéster ou PET:

Capacitores de poliéster ou PET são capacitores de plástico disponíveis em embalagens de chumbo que substituem os capacitores de papel. Esses capacitores são feitos de filmes de poliéster de tamanho pequeno e disponíveis a baixo custo. Estes têm Tensões operacionais de até 60.000 V DC, temperaturas operacionais de até 125 °C e baixa absorção de umidade. Eles são usados principalmente como capacitores e integradores de sinais de baixa frequência. São preferidos onde o custo desempenha um papel importante porque têm tolerâncias elevadas de 5 a 10%.

Figura 16: Imagem de capacitores plásticos

ii. Capacitores de poliestireno:

Estes são capacitores de grande tamanho disponíveis em embalagens tubulares com chumbo. Possuem alta estabilidade, coeficiente de temperatura negativo (NTC), alta precisão e baixa absorção de umidade. A temperatura operacional é limitada a +85 C. Estes são principalmente preferidos para aplicações de baixa frequência, pois a estrutura tubular induz indutâncias que degradam o desempenho em altas frequências.

Figura 17: Imagem de capacitores de poliestireno

iii. Capacitor de poliimida Kapton:

Esses capacitores são semelhantes aos capacitores de poliéster ou PET feitos de filme de poliimida Kapton. Eles são caros, mas oferecem altas temperaturas operacionais de até 250 C. Esses capacitores não são adequados para aplicações de RF.

Figura 18: Imagem do capacitor de poliimida Kapton

4. Capacitores de policarbonato:

Estes são capacitores de alto desempenho que são menos afetados à medida que envelhecem. Estes são caracterizados por boa resistência de isolamento e fator de dissipação. A temperatura operacional varia de -55 a +125 C. A constante dielétrica é de 3,2% e a rigidez dielétrica é de 38 KV/mm. O fator dissipativo é 0,0007 a 50 Hz e 0,001 a 1 MHz. A absorção de água é de 0,16%. Eles são usados principalmente para aplicações de filtros, acoplamentos e temporização. Estes podem ser substituídos diretamente por Naftalato de Polietileno (PEN), Sulfeto de Polifenileno (PPS), Poliimida (PI) e Politetrafluoroetileno (PTFE).

Figura 19: Imagem de capacitores de policarbonato

v. Capacitores de polipropileno:

Eles são usados onde são exigidas tolerâncias mais altas do que os capacitores de filme PET. Eles estão disponíveis em pacotes com chumbo e são usados para operação em baixa frequência. Eles têm altas tensões operacionais e são resistentes à quebra. No entanto, eles são danificados por sobretensões transitórias ou inversões de tensão.

Figura 20: Imagem de capacitores de polipropileno

vi. Capacitor de polissulfona:

Esses capacitores são semelhantes aos capacitores de policarbonato, mas podem suportar tensão total em temperaturas comparativamente mais altas. Esses capacitores são muito caros e não estão prontamente disponíveis. A estabilidade é limitada, pois a absorção de umidade é normalmente de 0,2%

vii. Capacitor de fluorocarbono TEFLON ou PTFE:

Esses capacitores de plástico são grandes e caros. Devido às baixas perdas e maior estabilidade, estes são utilizados para algumas aplicações críticas. A temperatura operacional varia de até 250 C. O dielétrico utilizado é Politetrafluoroetileno.

Figura 21: Imagem do capacitor de fluorocarbono TEFLON ou PTFE

viii. Capacitor de poliamida:

Esses capacitores de filme plástico são grandes e caros. A temperatura operacional varia de até 200 C.

Ix. Capacitor de poliéster metalizado ou plástico metalizado:

Esses capacitores possuem filmes plásticos metalizados que proporcionam vantagem de autoaquecimento e também reduzem o tamanho do capacitor em relação ao capacitor convencional de plástico ou poliéster. No entanto, eles são limitados pela capacidade máxima de corrente. Eles estão disponíveis em embalagens com chumbo.

Figura 22: Imagem de capacitor de plástico metalizado

Capacitores Fixos – 6

1. Capacitores eletrolíticos

eu. Capacitor eletrolítico de alumínio:

Esses capacitores polarizados são feitos de filme de óxido em folhas de alumínio. Estes são mais baratos e facilmente disponíveis. A faixa de valores normalmente varia de 1uF a 47.000uF e grande tolerância de 20%. As classificações de tensão variam de até 500V. Eles possuem alta relação capacitância/volume e são usados para suavização em circuitos de fonte de alimentação ou acoplamento de capacitores em amplificadores de áudio. Eles estão disponíveis em pacotes de montagem em superfície e com chumbo. O valor da capacitância e as classificações de tensão são impressos em uF ou codificados por uma letra seguida de três dígitos. Os três dígitos representam o valor da capacitância em pF, onde os dois primeiros dígitos representam o número e o terceiro é o dígito multiplicador. Os códigos das letras são os seguintes:

Figura 23: Tabela listando código de letras para capacitores eletrolíticos de alumínio

Fig. 24: Imagem de capacitores eletrolíticos de alumínio

ii. Capacitor eletrolítico de tântalo:

Esses capacitores utilizam óxido de tântalo que permite a fabricação de eletrólitos de tamanho pequeno. Eles são mais caros que os eletrólitos de alumínio e têm tensão máxima mais baixa, até 50 V, e são preferidos onde o tamanho é importante. Seus valores típicos variam de 47uF a 470uF. Estes podem usar folhas em camadas de óxido de tântalo ou ânodo poroso com ácido sulfúrico como eletrólito entre folhas de tântalo em um eletrólito de tântalo úmido ou eletrólitos de tântalo sólidos. Seus formatos SMT estão disponíveis em pacotes padrão onde as designações de pacote foram definidas pela EIA.

Figura 25: Imagem mostrando a construção do capacitor eletrolítico de tântalo

Fig. 26: Imagem de capacitores eletrolíticos de tântalo

iii. Supercapacitor:

Supercapacitores, também chamados de capacitores de eletrólito de dupla camada, são feitos de um fino separador de eletrólito flanqueado por íons de carbono ativado. Estes têm valores de capacitância tão altos quanto a ordem de mil farads. Eles são usados como fonte de energia temporária como substituição de baterias.

Fig. 27: Imagem de Supercapacitores

Capacitores Variáveis

2. Capacitores variáveis

O tipo variável de capacitores pode variar a capacitância alterando a distância entre as placas ou a área efetiva do capacitor.

a. Capacitores de entreferro:

Esses capacitores usam ar como meio dielétrico. A distância entre as placas pode ser variada para alterar a capacitância. Os valores de capacitância oferecidos são altos e podem ser usados com altas tensões. Eles são usados para operações de alta frequência em sistemas de comunicação.

b. Capacitores de vácuo:

Esses capacitores possuem encapsulamento de vidro ou cerâmica e vácuo como dielétrico. A sua construção complexa torna-o muito caro. Teoricamente, apresentam menos perdas e são utilizados em aplicações de RF.

Fig. 28: Imagem mostrando a construção do Trimmer

Imagem mostrando o princípio de funcionamento do capacitor variável

Fig. 29: Imagem mostrando trabalhando princípio da variável capacitor

Fig. 30: Imagem de capacitores variáveis

Código de cores do capacitor

Código de cores do capacitor:

Figura 31: Imagem mostrando codificação de cores para capacitores

Um código de cores foi usado em capacitores de poliéster por muitos anos. Agora está obsoleto, mas é claro que ainda existem muitos por aí. As cores devem ser lidas como o código do resistor.

· As três faixas de cores superiores fornecem o valor em pF.

· A quarta faixa é para tolerância.

· A 5ª banda é para a classificação de tensão.

Por exemplo:

eu. marrom, preto, laranja significa 10000pF = 10nF = 0,01µF.

Nota: Não há espaços entre as faixas coloridas; portanto, duas faixas idênticas aparecem como uma faixa larga.

ii. vermelho largo, amarelo significa 220nF = 0,22µF.