No tutorial anterior, aprendemos sobre o comportamento do sinal e a função de um capacitor em um circuito. Um capacitor armazena carga elétrica na forma de campo eletrostático em resposta a uma tensão aplicada. Ele carrega sempre que a tensão aplicada aumenta (em relação à tensão da corrente através do capacitor), permitindo uma corrente de carga até que a tensão através dele seja igual e oposta à tensão aplicada. Ele descarrega sempre que a tensão aplicada diminui (em relação à tensão da corrente através do capacitor), permitindo uma corrente de descarga através dele na direção oposta até que a tensão através dele seja igual e oposta à tensão aplicada. O capacitor retém tensão quando não há mudança na tensão ou quando é deixado em circuito aberto. O capacitor permite a passagem de corrente apenas quando a tensão nele varia. Para tensões CC constantes, torna-se um circuito aberto, não permitindo a passagem de corrente.
Fatores que determinam a capacitância de um capacitor
Qualquer capacitor é basicamente duas placas condutoras separadas por um meio dielétrico. A equação a seguir fornece a capacitância de um capacitor:
C=ε*A/d
Onde,
C = Capacitância do capacitor
ε = Permissividade absoluta do meio dielétrico
A = área de superfície (em metros2) de placas condutoras paralelas entre si
d = distância entre as placas condutoras
A capacitância de um capacitor é proporcional à permissividade absoluta do material dielétrico utilizado e à área superficial efetiva das placas condutoras (a área superficial da placa condutora é a menor entre as duas). Ao mesmo tempo, é inversamente proporcional à distância entre as placas condutoras. A permissividade absoluta de um meio dielétrico está relacionada à permissividade absoluta do espaço livre pela seguinte equação:
ε = ε0 * εR
Onde,
ε = Permissividade absoluta do material dielétrico
ε0 = Permissividade absoluta de espaço livre ou vácuo
εR = Permissividade relativa do meio dielétrico (para espaço livre ou vácuo)
Construção prática de um capacitor
Qualquer capacitor é projetado para atingir uma capacitância nominal, mantendo o tamanho do capacitor o menor possível. Portanto, os fabricantes tentam atingir a capacitância máxima na construção. A capacitância de um capacitor pode ser maximizada das três maneiras a seguir:
1) Usando um meio dielétrico adequado – A permissividade absoluta do ar seco é aproximadamente igual à do espaço livre. Se a permissividade absoluta do espaço livre for considerada 1, a do ar seco será 1,0006. Ao usar um material dielétrico com maior permissividade absoluta, a capacitância de um capacitor pode ser aumentada muitas vezes. Há uma variedade de materiais que são usados como meio dielétrico em capacitores. Alguns dos materiais dielétricos comumente usados estão listados na tabela a seguir com sua permissividade relativa (constantes dielétricas):
Usando um material dielétrico adequado, como a mica, no lugar do ar seco, a capacitância pode ser aumentada de 5 a 7 vezes.
2) Aumento da área de superfície – Quanto mais as superfícies das placas condutoras forem paralelas entre si, maior será a capacitância. Uma forma de aumentar a área de superfície são os capacitores multiplacas. Em um capacitor multiplacas, as superfícies condutoras são projetadas como múltiplas folhas condutoras conectadas a um condutor comum. Os dois arranjos de folhas condutoras são emparelhados de modo que, em um dos condutores, apenas uma superfície das folhas externas permaneça em contato com o meio dielétrico. Em contraste, com o outro condutor, ambas as superfícies das folhas externas permanecem em contato com o meio dielétrico.
Imagem mostrando a construção de um capacitor multiplacas
Um capacitor de nove placas é mostrado na imagem acima. Um dos terminais do capacitor acima possui cinco placas, enquanto o outro terminal possui quatro placas conectadas. O capacitor acima tem oito vezes maior área de superfície, portanto, oito vezes maior capacitância. A equação a seguir fornece a capacitância de um capacitor multiplacas:
C = ε * (n-1) *A/d
Onde n é o número de placas no capacitor multiplacas e A é a área de superfície de cada placa.
3) Redução da distância entre placas – A capacitância pode ser aumentada minimizando a distância entre as placas. No entanto, este aspecto tem limitações práticas (como corrente de fuga).
Tipos de capacitores
Os capacitores são classificados pelo material dielétrico utilizado em sua construção. Há uma variedade de materiais dielétricos usados na construção de capacitores. Alguns dos tipos comuns de capacitores estão a seguir –
1) Papel
2) Mica
3) Filme Plástico
4) Vidro
5) Cerâmica
6) Eletrólito
7) Semicondutor
8) Variável
Capacitores polarizados e não polarizados
Embora a maioria dos capacitores possa ser conectada em um circuito sem considerar a polaridade da tensão aplicada a eles, os capacitores eletrolíticos têm um terminal positivo e um terminal negativo. O eletrodo positivo do capacitor eletrolítico deve ser conectado apenas ao terminal positivo de uma bateria (sentido da corrente que entra no capacitor) e o eletrodo negativo ao terminal negativo de uma bateria (sentido da corrente que sai do capacitor). Devido à sua polaridade fixa em qualquer circuito, os capacitores eletrolíticos são chamados Capacitores Polarizados. Os demais tipos de capacitores, que não necessitam de conexão em polaridade fixa, são chamados Capacitores Não Polarizados. Capacitores polarizados podem ser usados apenas em aplicações DC.
Principais indicadores de desempenho de um capacitor
Assim como os resistores ou outros componentes eletrônicos, os capacitores também apresentam diversas propriedades elétricas e algumas características não ideais. Essas propriedades e características podem ser uma consideração importante ao selecionar o capacitor de um circuito. O mesmo pode ser considerado um indicador-chave de desempenho de um capacitor. Os KPIs associados aos capacitores são os seguintes –
1) Capacitância Nominal – Capacitância nominal de um capacitor é a capacitância que deveria ser oferecida por um capacitor. Esta é a propriedade mais importante de um capacitor e está marcada em seu corpo junto com a tensão de trabalho. A capacitância real fornecida pelo capacitor pode não ser igual à capacitância nominal, pois a capacitância muda com a frequência do sinal aplicado e a temperatura ambiente. A capacitância nominal dos capacitores padrão é expressa em Microfarad (10-6F), Nanofarad (10-9F) e Picofarad (10-12F).
2) Tensão de trabalho – A Tensão de Trabalho, ou Tensão de Trabalho DC, é a tensão contínua máxima que um capacitor pode operar sem quebrar ou danificar. Geralmente é a classificação de tensão CC marcada no corpo de um capacitor junto com sua capacitância nominal. Os sinais CA são geralmente níveis de tensão RMS especificados. O nível de tensão de pico de qualquer sinal CA é 1,414 vezes a tensão RMS. Portanto, ao usar um capacitor em um circuito CA, sua tensão de trabalho é comparável à tensão de pico do sinal CA e não à tensão RMS. Selecionar um capacitor com tensão de trabalho pelo menos 1,5 vezes ou duas vezes a tensão especificada para um determinado circuito é sempre seguro. As tensões de trabalho mais comuns para capacitores padrão são 6,3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 30 V, 35 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 200 V, 250 V, 400 V, 450 V, 500 V e 1000 V.
3) Tensão de formação – Tensão de formação ou tensão de teste é a tensão máxima que o capacitor pode suportar. Ele pode ser encontrado na ficha técnica do capacitor fornecido pelo fabricante. Um capacitor raramente deve ser exposto à sua tensão de teste.
4) Tolerância – Tolerância indica a variação da capacitância real de um capacitor em relação à sua capacitância nominal. Normalmente, os capacitores têm uma capacitância de 10% ou 5%. Alguns capacitores podem ter uma tolerância tão baixa quanto 1%. A tolerância dos capacitores pode variar entre 20% e 80% dependendo da aplicação pretendida. A tolerância dos capacitores é expressa como um valor mais ou menos em Picofarad para capacitores de baixo valor. Em contraste, é expresso como uma variação percentual na capacitância para capacitores de alto valor.
5) Corrente de fuga – Corrente de fuga é uma pequena quantidade de corrente que vaza através do meio dielétrico do capacitor devido ao forte campo eletrostático em suas placas. A corrente de fuga é geralmente em nano amperes. Está relacionado à constante dielétrica (permissividade relativa) do meio dielétrico utilizado no capacitor. Quanto menor for a constante dielétrica, maior será a corrente de fuga.
A corrente de fuga conta para o fator de dissipação de um capacitor. Geralmente, a corrente de fuga é muito baixa, muitas vezes indicada como isolamento ou resistência de fuga nas folhas de dados. É modelado como uma resistência paralela vazando corrente através do capacitor puro. Em capacitores eletrolíticos, a corrente de fuga é bastante significativa e geralmente é indicada explicitamente em suas folhas de dados como “corrente de fuga”.
A corrente de fuga é um indicador importante quando um capacitor deve ser usado para acoplar circuitos ou armazenar carga. Um capacitor que deve ser usado para acoplamento ou armazenamento de carga deve ter corrente de fuga mínima. A corrente de fuga, por mais baixa que seja, é sempre suficiente para descarregar totalmente o capacitor ao longo do tempo, sem qualquer tensão aplicada.
6) Polarização – É sempre importante observar a polarização no caso de capacitores eletrolíticos. O terminal positivo de um capacitor polarizado deve sempre ser conectado a uma conexão positiva e um terminal negativo a uma conexão negativa. O terminal negativo dos capacitores polarizados é geralmente indicado por uma faixa preta, faixa ou setas em um lado do capacitor. Conectar um capacitor eletrolítico na polaridade reversa gerará uma tensão reversa, resultando em uma grande corrente de ruptura que pode danificar o capacitor permanentemente.
7) voltagem inversa – A tensão reversa é um indicador associado a capacitores polarizados. É a tensão máxima (ou a soma de todas as tensões de ondulação de pico CC e CA) na polaridade reversa que o capacitor polarizado pode suportar. Qualquer tensão na polaridade reversa além da 'Tensão reversa' do capacitor polarizado pode danificá-lo permanentemente.
8) Corrente Ondulada – A corrente de ondulação é o valor RMS máximo da corrente CA que o capacitor pode suportar. Geralmente é indicado para frequência de 120 Hz e temperatura de 85°C até especificação em contrário. A corrente de ondulação através de um capacitor aumenta com o aumento da frequência e a diminuição da temperatura ambiente.
9) Classificação de temperatura – Os capacitores geralmente possuem uma faixa de temperatura de trabalho entre -55°C a 125°C. A faixa de temperatura operacional depende especificamente do tipo de capacitor. Da mesma forma, os capacitores de plástico têm uma faixa de baixa temperatura de -30°C a 70°C, e os capacitores eletrolíticos têm uma faixa de temperatura operacional de -40°C/-55°C a 85°C. As mudanças de temperatura afetam a capacitância real do capacitor, provocam ondulação da corrente através dele e podem estressar o capacitor, impondo desafios ambientais. Por exemplo, em temperaturas tão baixas quanto -10°C, a gelatina eletrolítica dos capacitores eletrolíticos começa a congelar. Da mesma forma, outros meios dielétricos também sofrem tensões devido a mudanças na temperatura ambiente.
10) Coeficiente de temperatura – Assim como os resistores, os capacitores têm coeficientes de temperatura positivos ou negativos. O coeficiente de temperatura dos capacitores é expresso em partes por milhão (PPM) por grau centígrado. O coeficiente de temperatura positivo é geralmente expresso pela letra P seguida por uma classificação em PPM/°C, como P100 indica um coeficiente de temperatura positivo igual a 100 PPM/°C. Da mesma forma, o coeficiente de temperatura negativo é indicado pela letra 'N' seguida por uma classificação em PPM/°C. Os condensadores podem ter um coeficiente de temperatura zero para uma gama de temperaturas, que é indicado por um coeficiente de temperatura expresso pelas letras 'NPO'.
Em alguns circuitos, onde deveria haver tolerância mínima para capacitância, capacitores com coeficientes de temperatura negativos e positivos podem ser conectados em série ou paralelo para cancelar os efeitos da temperatura na capacitância. Os capacitores de coeficientes de temperatura positivos e negativos também podem ser conectados para anular o efeito da temperatura em outros componentes de um circuito, como resistores e indutores. Ao conectar capacitores com coeficientes de temperatura positivos e negativos para cancelar os efeitos da temperatura, cálculos cuidadosos devem ser feitos para descobrir a capacitância efetiva em uma faixa de temperaturas.
11) Resistência em Série Equivalente (ESR) – A Resistência Equivalente em Série (ESR) de um capacitor é a resistência interna do capacitor devido à resistência DC das placas, a resistência efetiva do meio dielétrico e a resistência no contato do dielétrico e das placas condutoras. Esta é a resistência pura oferecida pelo capacitor, que causa perda de energia ao aquecer o capacitor durante a carga e descarga do capacitor por um sinal CA. A ESR de um capacitor é modelada como uma resistência conectada em série à capacitância pura. O ESR, assim como a capacitância, depende da frequência e serve como uma resistência dinâmica em série do capacitor.
A ESR é contada entre as perdas operacionais do capacitor. É um indicador importante porque determina a perda de energia elétrica no caso de capacitores de acoplamento e a atenuação máxima no caso de capacitores de bypass e filtro. Quanto maior a ESR, maior será a constante RC (tempo necessário para carregar ou descarregar) do capacitor, pois um capacitor com uma ESR mais alta oferecerá mais resistência à corrente de carga ou descarga.
12) Absorção Dielétrica – A absorção dielétrica refere-se à tensão residual deixada nos terminais do capacitor após a descarga completa. Geralmente, esta tensão não é significativa, mas pode ser uma preocupação séria no caso de capacitores de amostragem usados em circuitos conversores analógicos para digitais.
13) Autoindutância – A autoindutância é a indutância induzida em um capacitor em altas frequências. Esta indutância pode influenciar a impedância do capacitor em altas frequências e pode determinar quais correntes de alta frequência o capacitor será capaz de contornar. O ESR, o fator de dissipação, a absorção dielétrica e a autoindutância são contados entre as perdas operacionais de um capacitor.
Os capacitores precisam ser manuseados com cuidado. Os capacitores de alto valor (capacitância maior que 0,01 uF) usados em circuitos de alta tensão podem ter uma tensão residual ou não descarregada que pode causar um choque CC no contato. Portanto, um capacitor de alto valor deve ser descarregado causando um curto-circuito em seus terminais usando uma chave de fenda durante a solução de problemas de tais circuitos. No próximo artigo discutiremos os diferentes tipos de capacitores e suas especificações técnicas.
