Nos tutoriais anteriores, discutimos a criação de um laboratório de eletrônica e aprendemos conhecimentos rudimentares sobre resistores. Continuando com a discussão sobre componentes passivos, vamos falar sobre o capacitor.
Comecemos com um circuito fictício
Imagine um circuito puramente resistivo acionado por uma fonte de tensão ideal ou uma fonte de corrente ideal. Em tal circuito ideal fictício, componentes puramente resistivos (de circuito de carga puramente resistivo) têm quedas de tensão fixas em pouco tempo. Depois que o circuito é alimentado, as quedas de tensão nos componentes tornam-se constantes e correntes constantes fluem através deles o tempo todo.
Vamos voltar à realidade
Praticamente nenhum circuito eletrônico ou elétrico se comporta como o nosso circuito fictício. Não existem componentes puramente resistivos (mesmo os resistores mostram alguma reatância), fontes de tensão ideais ou fontes de corrente ideais. Mesmo que um circuito resistivo seja alimentado por uma fonte de tensão constante ou por uma fonte de corrente constante, ele passa por um estado transitório antes de atingir um estado fixo e estável. Assim, todos os circuitos e seus componentes na aplicação de uma tensão ou corrente experimentam mudanças de tensão ou corrente através deles. Um curso pode atingir um estado estável somente após algum tempo.
Circuitos DC e sinais DC
Em termos gerais, os sinais elétricos podem ser classificados como sinais DC e AC. Qualquer fonte de tensão ou corrente é um dispositivo de dois terminais que pode conduzir corrente em duas direções em qualquer circuito. Um circuito CC é um circuito no qual a corrente flui apenas em uma direção a partir da fonte de tensão ou corrente que o aciona. Assim, os sinais DC podem ser definidos como sinais elétricos com polaridade fixa e nos quais a tensão e a corrente mudam apenas em uma direção. Não há inversão de polaridade ou mudança na direção da corrente na fonte que aciona o circuito.
Praticamente, DC é um termo generalizado. Também pode se referir a um componente DC de um sinal elétrico ou ao comportamento DC de um componente elétrico ou eletrônico. Um sinal DC pode ter tensão ou corrente variando com o tempo, mas nunca envolve a inversão da polaridade da tensão ou a inversão da direção da corrente.
Circuitos CA e sinais CA
Uma fonte de tensão que fornece tensão na qual a polaridade continua invertendo alternativamente é chamada de fonte de tensão CA. Da mesma forma, uma fonte de corrente que fornece corrente na qual a direção continua alternada é chamada de fonte CA. Um circuito alimentado por uma fonte de tensão CA ou uma fonte CA tem uma inversão de polaridade de tensão e tendência de corrente alternativamente. Tais circuitos, onde a tensão e a corrente mudam de direção periodicamente, são chamados de circuitos CA. Um sinal CA pode ser definido como um sinal elétrico no qual a polaridade da tensão e a direção da corrente se alternam periodicamente. A tensão e a corrente aumentam para um valor de pico, caem para zero invertendo a direção, aumentam novamente para um valor de pico na direção oposta e depois caem para zero, invertendo a direção. Isso continua até que o sinal permaneça ativo.
Sinais, circuitos CC e circuitos CA
As mudanças na magnitude (e direção) da tensão e da corrente são todas para o bem. Se os sinais não mudarem com o tempo, eles não terão utilidade prática. Afinal, a eletrônica trata do processamento de sinais elétricos. Os circuitos CC processam sinais elétricos nos quais a tensão e/ou a corrente mudam apenas em uma direção. Os circuitos CA processam sinais elétricos nos quais a tensão e a corrente mudam de magnitude e continuam mudando de direção alternativamente.
Mais oposição à atual: capacitância e indutância
Materiais e componentes eletrônicos semelhantes mostram alguma oposição natural ao fluxo de corrente. Isso é definido por “resistência”. Eles também se opõem a qualquer mudança na magnitude e na direção da corrente. Isso é definido como “indutância”. A indutância vem de um campo magnético oposto induzido em materiais e componentes eletrônicos em resposta à mudança ou corrente alternada.
Da mesma forma, materiais e componentes eletrônicos apresentam oposição à corrente devido a campos elétricos opostos induzidos devido à retenção ou armazenamento de portadores de carga por eles. Isso é definido como “capacitância”. A resistência permanece presente em circuitos CC e CA e apresenta comportamento de sinal semelhante aos sinais CC e CA. Somente circuitos CA ou CC com sinais CC pulsantes mostram a indutância e a capacitância. Em circuitos CC envolvendo sinais CC constantes, a indutância e a capacitância não são muito significativas (e também são indesejadas).
Enquanto a resistência dissipa energia elétrica na forma de calor, a indutância e a capacitância armazenam temporariamente energia elétrica na forma de campos magnéticos e elétricos, respectivamente, e a devolvem ao circuito novamente na forma de energia elétrica. Portanto, não há perda de energia devido à indutância ou capacitância, ao contrário do caso da resistência.
Capacitância
Capacitância é a propriedade de materiais ou componentes eletrônicos pelos quais eles podem armazenar carga elétrica temporariamente. Capacitância é a quantidade de carga armazenada por uma entidade eletrônica por unidade de volt de diferença de potencial aplicada.
C = Q/V
Onde,
C = Capacitância (em Farad)
Q = Carga armazenada (em Coulombs)
V = Tensão aplicada (em Volts)
Obviamente, um componente com maior capacitância pode armazenar uma quantidade mais significativa de carga por unidade de tensão aplicada. Nem todos os materiais ou componentes podem armazenar carga em resposta a uma diferença de potencial aplicada. Alguns materiais isolantes especiais que podem polarizar em resposta à diferença de potencial aplicada apresentam capacitância. Esses materiais eletrônicos são chamados de materiais dielétricos ou simplesmente dielétricos. Felizmente, o ar ou o vácuo podem servir como meio dielétrico, permitindo que o campo elétrico se estabeleça entre dois condutores em resposta a uma tensão aplicada.
Os dispositivos projetados para armazenar carga em um campo elétrico em resposta à diferença de potencial aplicada (tensão) são chamados de capacitores. O capacitor mais simples pode ser duas placas metálicas (eletrodos) separadas por ar ou vácuo. Se as duas placas estiverem em curto, elas nada mais são do que um fio de conexão. A presença de ar ou vácuo, meio dielétrico, entre as placas torna este conjunto capaz de armazenar carga elétrica com alguma diferença de potencial (tensão).
Portanto, qualquer capacitor é uma configuração de dois eletrodos (materiais condutores) separados por um meio dielétrico. A unidade de capacitância é Farad (Coulomb/Volt), em homenagem a Michael Faraday. A propriedade de um meio dielétrico que determina a carga armazenada por unidade de volume na aplicação de tensão unitária é chamada de permissividade. A permissividade do espaço livre ou vácuo é uma constante chamada permissividade absoluta igual a 8,85×10-12 Farad/Metro. A permissividade de um meio dielétrico em relação à permissividade absoluta é chamada de permissividade relativa ou constante dielétrica. A capacitância de um capacitor depende da permissividade do meio dielétrico usado nele, da forma, tamanho e construção do capacitor.
Unidade de capacitância
Farad é uma unidade muito grande para expressar a capacitância padrão. Assim, a capacitância dos capacitores padrão é expressa em submúltiplos de Farad como Microfarad (10-6F), Nanofarad (10-9F) e Picofarad (10-12F).
Análise de sinal de capacitores
Vejamos primeiro o comportamento de um capacitor em um circuito CC. Os capacitores são projetados para armazenar carga temporariamente em um circuito. O circuito DC mais simples com um capacitor pode ser um capacitor conectado a uma fonte de tensão por meio de uma chave. Um resistor (lembre-se dos resistores de sangramento) pode ser conectado em paralelo ao capacitor por meio de outra chave para descarregar o capacitor.
Inicialmente, não há diferença de potencial no capacitor e vamos supor que nenhuma carga seja inicialmente armazenada no capacitor. Quando a fonte de tensão é conectada ao capacitor, uma diferença de potencial de igual tensão é aplicada ao capacitor. Em resposta a uma tensão aplicada, o meio dielétrico do capacitor começa a se polarizar e a armazenar carga na forma de um campo elétrico. A equação a seguir fornece a carga que o capacitor pode armazenar:
Q = CV
Portanto, a corrente através do capacitor é dada pela seguinte equação:
eu = dQ/dt
= d(CV)/dt
= CdV/dt
E a tensão no capacitor é dada pela seguinte equação:
dV = eu/C . dt
Então, ∫dV = 1/C * ∫i.dt
= 1/C * 0∫t eu.dt
Carregamento do capacitor
A tensão no capacitor é proporcional à carga armazenada por ele e inversamente proporcional à capacitância do capacitor. A carga não é armazenada instantaneamente dentro do capacitor em resposta a uma tensão aplicada. Quando a tensão é aplicada ao capacitor, ela atua como um curto-circuito e a corrente máxima flui através dele. A corrente através do capacitor diminui exponencialmente com a carga armazenada por ele e a tensão através dele aumentando na mesma taxa. A corrente através do capacitor cessa quando a tensão através do capacitor aumenta igual e oposta à tensão aplicada. Agora, o capacitor atua como um circuito aberto e nenhuma corrente flui através dele enquanto uma tensão igual e oposta se desenvolve através dele. Portanto, a corrente flui através do capacitor apenas até que a tensão nele mude. Uma vez que a tensão através do capacitor se torna constante (igual e oposta à tensão aplicada), não há corrente fluindo através dele. A tensão através do capacitor permanece mesmo quando nenhuma corrente flui através dele, pois a taxa de variação da tensão através do capacitor é proporcional à corrente e inversamente proporcional à capacitância; quanto maior a capacitância de um capacitor, mais lenta será a taxa de mudança de tensão (aumento de tensão) através dele.
Descarga do capacitor
Uma vez que o capacitor tenha tensão igual e oposta, ele está totalmente carregado, retendo uma carga igual a CV, e nenhuma corrente flui através dele. Não haverá mudança na corrente ou tensão através do capacitor até que a tensão aplicada seja alterada ou variada. Portanto, em um circuito CC constante, o capacitor ficará totalmente carregado (exponencialmente) e eventualmente se tornará um circuito aberto. Agora, ele precisa ser descarregado por curto-circuito em seus terminais ou por meio de um resistor de sangramento. De qualquer forma, uma corrente de descarga flui através do capacitor na direção oposta da corrente de carga. Assim como a corrente de carga, a corrente de descarga é inicialmente máxima e diminui exponencialmente. A tensão no capacitor também diminui exponencialmente junto com a corrente de descarga. A corrente de descarga cessa quando a tensão no capacitor é reduzida a zero.
O capacitor no circuito AC
Agora, vamos supor que a fonte de tensão seja CA. Como fonte de tensão senoidal, a tensão aplicada será dada pela seguinte equação:
V = Veu pecado (ωt)
Onde,
V = tensão da forma de onda em um instante
Veu = Tensão de pico da forma de onda
ω = Frequência da forma de onda
t = instante de tempo
A seguinte equação fornecerá a corrente através do capacitor:
i = CdV/dt
= Cd(Veu sin(ωt))/dt
=ωCVeu cos(ωt)
= eueu cos(ωt) onde eueu =ωCVeu
= eueu pecado (ωt + 90°)
A oposição à corrente pelo capacitor é chamada de reatância capacitiva. A seguinte equação dá isso:
Xc = V/I
=Veu/EUeu OU Vrms/EUrms
= 1/ωC
Podemos então ver que a corrente através do capacitor de um circuito CA conduz a tensão em 90° ou 1/4 da frequência à medida que a tensão aplicada aumenta até o valor de pico, o capacitor carrega e a corrente de carga diminui exponencialmente do valor máximo para zero enquanto o a tensão no capacitor aumenta exponencialmente, aumentando igual e oposta à tensão aplicada. Assim, no ângulo de fase de 90° do sinal de tensão aplicado (1/4 da frequência do sinal), a corrente de carga através do capacitor foi reduzida a zero (do máximo) e a tensão através do capacitor aumentou de zero ao pico tensão.
À medida que a tensão aplicada cai do valor de pico para zero, uma corrente na direção reversa flui através do capacitor, que sobe de zero até um valor máximo. A tensão no capacitor cai junto com a tensão aplicada, reduzindo a zero e descarregando o capacitor. Portanto, em um ângulo de fase de 180° do sinal de tensão aplicada (1/2 da frequência do sinal), a corrente de descarga (aqui, corrente na direção reversa devido à diminuição da tensão aplicada) flui na direção oposta, subindo de zero a o valor máximo e a tensão no capacitor caem do valor de pico para zero.
Agora, o sinal de tensão aplicado inverte a polaridade e a tensão aplicada aumenta de zero até o valor de pico na direção oposta. Isso novamente inicia o carregamento do capacitor, aumentando a tensão através do capacitor igual e oposta à tensão de pico (na direção reversa) e reduzindo a corrente através do capacitor do valor de pico para zero. Assim, em um ângulo de fase de 270° do sinal de tensão aplicado (3/4 da frequência do sinal), a tensão através do capacitor aumentou para um valor de pico com polaridade oposta, e a corrente através do capacitor fluindo na direção oposta cai para zero do valor de pico (na direção reversa).
À medida que a tensão aplicada cai do valor de pico para zero na polaridade reversa, uma corrente flui através do capacitor em uma direção positiva, aumentando de zero para um valor de pico, e a tensão através do capacitor (na polaridade reversa) cai do valor de pico para zero. Isso descarrega o capacitor. Assim, em um ângulo de fase de 360° do sinal de tensão aplicado (conclusão de um ciclo do sinal CA), a tensão através do capacitor caiu novamente para zero, descarregando o capacitor, e a corrente através do capacitor aumentou novamente para o pico valor em uma direção positiva. A resposta CA de um capacitor pode ser ilustrada através do seguinte diagrama de sinais:
Gráfico mostrando tensão e corrente através de um capacitor em um circuito CA (Imagem: Tutoriais de Eletrônica).
O comportamento do sinal de um capacitor pode ser resumido da seguinte forma:
1) Um capacitor destina-se a armazenar temporariamente carga em um circuito, que retorna ao circuito ao descarregar. A carga armazenada é devolvida como uma corrente de descarga na direção oposta da corrente de carga.
2) Sempre que a tensão aplicada a um capacitor em qualquer direção aumenta, o capacitor é carregado. A corrente que passa por ele diminui exponencialmente e a tensão que passa por ele aumenta exponencialmente até se igualar à tensão aplicada. Ao carregar, a tensão no capacitor se desenvolve oposta à tensão e corrente aplicadas, sempre na direção da tensão aplicada (e oposta à tensão desenvolvida no capacitor).
3) Sempre que a tensão aplicada a um capacitor em qualquer direção diminui, o capacitor descarrega. A corrente através dele aumenta exponencialmente e a tensão através dele diminui exponencialmente até que o capacitor esteja totalmente descarregado ou descarregado até o nível mais baixo, dependendo da queda no sinal aplicado. Ao descarregar, a tensão através do capacitor se desenvolve ao longo da direção da tensão inicialmente aplicada. A corrente está sempre na direção oposta à tensão inicialmente aplicada (tensão de carga).
4) A corrente flui através do capacitor até que a tensão aplicada a ele mude. O aumento da tensão carrega o capacitor e a diminuição da tensão descarrega o capacitor. A tensão através do capacitor permanece mesmo que nenhuma corrente flua através dele até ser descarregada devido a uma diminuição na tensão aplicada, ou descarregada através de um resistor (ou carga), ou por curto-circuito.
5) Em um circuito CA ou em resposta a um sinal CA, a corrente através do capacitor sempre conduz a tensão através dele em 90°. A corrente através do capacitor depende não apenas da capacitância e da taxa de variação da tensão, mas também da frequência do sinal aplicado.
6) A oposição à corrente por um capacitor (reatância capacitiva) é inversamente proporcional à sua capacitância e à frequência da tensão aplicada. Quanto maior a capacitância de um capacitor, menor será sua reatância capacitiva. Da mesma forma, quanto maior a frequência do sinal de tensão aplicado, menor é sua reatância capacitiva. O capacitor atua como um circuito aberto para um sinal DC constante após carregar até um nível de pico. Portanto, um capacitor pode ser usado para bloquear sinais DC ou componentes DC de sinais elétricos. Da mesma forma, devido à dependência da frequência da reatância capacitiva, os capacitores podem ser usados para filtrar as frequências do sinal CA.
7) Como os capacitores armazenam carga temporariamente, eles são usados em memórias elétricas.
No próximo artigo, discutiremos diferentes tipos de capacitores e suas aplicações.