Capacitor Basics, Working and Different Types of Capacitors with Their Applications in Circuits

Capacitors – a palavra parece sugerir a ideia de capacidade, que de acordo com o dicionário significa “a capacidade de segurar algo”. É exatamente isso que um condensador faz – ele retém carga elétrica. Mas o que o torna um componente comum em quase todos os circuitos eletrônicos? Vamos quebrar o material por trás dos condensadores para entender o que ele faz e como se poderia usá-los neste artigo.

O que é um condensador?

Um condensador na sua forma mais primitiva consiste em duas placas condutoras separadas por um meio dielétrico. O termo dielétrico é apenas uma palavra de fantasia para um isolante que pode ser polarizado, ou seja, formar cargas negativas e positivas em faces opostas. Quando a tensão é aplicada através destas duas placas, a corrente flui através das placas condutoras. Um lado recebe carga positiva (falta de elétrons) e o outro lado recebe carga negativa (excesso de elétrons). Estamos todos familiarizados com o fato de que, ao contrário das cargas atraem, então como as placas são carregadas de forma oposta, as cargas nas placas atraem.

Lembrar que existe um isolante entre as placas, então as cargas não podem ‘fluir’ para se equalizar e ficam (idealmente) presas em um estado de atração mútua e permanecem colocadas. E é assim que os condensadores desempenham a sua função mais básica – retenção ou armazenamento de carga.

Símbolo dos condensadores

Desde que os condensadores tenham duas placas metálicas paralelas como discutido acima, o seu símbolo representa o mesmo tipo de símbolo. Pelo menos é fácil de desenhar

Num caso prático, os condensadores já não são apenas duas placas com um espaço entre elas, no caso dos electrolíticos de alumínio as duas placas assumem a forma de folha metálica enrolada com um espaçador entre elas num tubo.

O segundo conjunto de símbolos representa os condensadores polarizados, ou seja, aqueles que definiram terminais positivos e negativos por desenho interno. A inversão acidental destes terminais resultará quase certamente numa falha espectacular (especialmente para espécimes maiores), ejectando pedaços de papel e folha de alumínio do local da falha e cheirando na maioria das vezes muito mal.

Capacitância e Classificação de Tensão para um Condensador

Capacitores são medidos em Farads; o seu nome vem do famoso electroquímico britânico, Michael Faraday. A unidade de capacitância, de pé para Coulomb por Volt. A Coulomb (pronuncia-se ‘koo-lom’) é a unidade S.I. para carga, e um Volt, como sabemos, é a unidade para tensão ou diferença de potencial. Isso faz do Farad a quantidade de carga armazenada por Volt de diferença de potencial. Esta forma simples de olhar matematicamente para um condensador presta-se a uma vasta gama de interpretações, manifestada por muitas equações matemáticas mortalmente complexas coisas como integrais e expoentes e vetores que nós engenheiros usaremos enquanto trabalhamos com condensadores, que é algo muito além do escopo deste artigo. No entanto, vamos entrar num pouco de matemática interessante que nos vai ajudar a desenhar circuitos com condensadores mais tarde no artigo

Obviamente, o Farad (um Coulomb por Volt) é uma unidade muito grande para a maioria dos fins práticos (uma vez que o Coulomb em si é uma grande quantidade de carga, como você já deve saber), por isso a maioria dos condensadores (excepto os muito grandes) são medidos em microfarads, ou um milionésimo (0.000001) de um Farad. Suponha que você tenha um condensador que leia 25V 10uF (o prefixo ‘u’ significa micro, é uma corrupção do símbolo grego µ (‘mu’) que significa ‘micro’) na tampa externa de plástico. Como a tampa (abreviatura no mundo eletrônico para capacitores) é classificada para 10uF, ela pode conter uma carga de dez micro coulombs (ou seja, dez milionésimos de um Coulomb, 0,000010 C) por volt de tensão através de seus terminais. Isto significa que, à tensão máxima de 25V, o condensador pode manter uma carga de 25V x 10uF, que funciona como 0,000250 Coulombs.

Lembro-me que disse tensão ‘máxima’. A tensão máxima é provavelmente a classificação mais importante no condensador. Ele diz-lhe quanta voltagem um condensador pode suportar através dos seus terminais antes de ir KABOOM………!

Trabalho de um condensador

Basicamente o que está a acontecer dentro de um condensador é que o isolador entre essas placas está a passar por um processo chamado ‘quebra dieléctrica’, o que significa que o isolador já não pode isolar, uma vez que a voltagem através do isolador é demasiado alta para que possa continuar a ser um isolador. A física subjacente é algo fora do escopo, mas tudo o que você precisa saber para entender porque isso acontece é que nenhum isolante é perfeito, ou seja, até um certo ponto. Mesmo a ponte mais forte desmorona se estiver sobrecarregada. O que acontece aqui é semelhante. Para reduzir a ruptura, você pode aumentar a distância entre as duas placas, mas isso vem com um trade-off – capacidade reduzida, já que as placas estão mais afastadas e as cargas não atraem tanto como quando estão mais próximas – muito parecido com a forma como os ímãs se comportam.

Uma boa regra geral seria usar tampas classificadas para uma tensão 50% maior do que a que o seu circuito poderia esperar ver. Isto deixa uma ampla margem de segurança. Por exemplo, se você precisar de uma tampa para desacoplar (não se preocupe, o desacoplamento é explicado mais tarde no artigo) um trilho de alimentação de 12V, você poderia escapar usando um capacitor de 16V, mas usar um capacitor de 25V é recomendado uma vez que lhe dá uma ampla margem de segurança. Muito bem, você descobriu!! Sim 25V não é, claro, 25% maior que 12V, mas 18V não é um capacitor padrão – você não vai encontrar nenhum com essa tensão nominal. O mais próximo é 25V.

Diferentes tipos de condensadores

A razão para as gamas de tensão de ruptura deve-se ao material utilizado como dieléctrico, que é também a base sobre a qual os condensadores são classificados:

Capacitores Electrolíticos de Alumínio

Estes são provavelmente os tipos de condensadores mais reconhecíveis. Eles vêm em latas metálicas distintas com bainha plástica, com voltagem e capacitância claramente indicadas e uma faixa branca para indicar o cátodo. O nome vem do fato de que, como mencionado acima, as ‘placas’ são feitas de folha de alumínio quimicamente gravada. O processo de gravura torna o alumínio poroso (muito parecido com uma esponja) e aumenta muito a sua superfície, aumentando assim a sua capacidade. O dielétrico é uma fina camada de óxido de alumínio. Estes condensadores são preenchidos com óleo que age como um electrólito, daí o nome. Os condensadores electrolíticos são polarizados devido à sua construção interna. Eles têm uma grande capacitância em comparação com outros membros da família dos capacitores, mas voltagens muito mais baixas. Você pode esperar ver eletrolíticos entre 0.1uF a monstros como 100mF e com tensões nominais de alguns volts a cerca de 500V. Suas resistências internas, entretanto, tendem a ser altas.

OBSERVAÇÃO: A resistência interna nos capacitores é devida aos materiais dos quais a tampa é feita – por exemplo, a resistência da folha de alumínio ou a resistência dos condutores.

Capacitores de cerâmica

Estas são tampas com um dielétrico de cerâmica. Como o limite de ruptura do dielétrico de cerâmica é bastante alto, você pode esperar ver tampas de cerâmica com tensões de ruptura loucas como 10kV. No entanto, a capacidade tende a ser baixa, na gama de picofarads (0,000000000001F) a algumas dezenas de microfarads. São geralmente muito menores do que outros tipos de condensadores, como mostra a figura. Eles também têm resistências internas muito pequenas.

Capacitores de cerâmica identificadores

O valor de uma capacitância cerâmica não será mencionado diretamente no capacitor de cerâmica. Haverá sempre um número de três dígitos seguido de uma variável; vamos aprender como identificar o valor usando esses números. Considere o seguinte capacitor.

Como você pode notar, esses três dígitos são divididos em dois dígitos e o terceiro é o multiplicador. Neste caso, 68 é o dígito e 3 é o multiplicador. Portanto, 68 deve ser multiplicado por 10^3. Simplificando, 68 é seguido de 3 zeros. Assim o valor deste condensador será 68000 pF. Note que a unidade deve ser sempre pF. Similarmente um condensador com código 220 significa que é 22 Pico farad, já que 10^0 é 0.

A tensão nominal do condensador pode ser encontrada usando a linha sob este código. Se houver uma linha então o valor de voltagem é 50/100V se não houver linha então é 500V.

Os valores mais comuns dos condensadores utilizados juntamente com a sua conversão no Pico Farad, Nano Farad e microfarad é dado abaixo.

Capacitores de filme

Como o nome sugere, o dieléctrico nestes condensadores é uma película plástica, frequentemente plásticos familiares como o mylar e o poliéster. Eles têm as mesmas propriedades das tampas cerâmicas, altas tensões de ruptura (devido ao comportamento dos polímeros plásticos) e baixas capacitâncias. A única diferença é que eles tendem a ser ligeiramente maiores, embora pareçam superficialmente como as tampas cerâmicas. A resistência interna é comparável às tampas cerâmicas.

Capacitores de tântalo e nióbio

Estas tampas enquadram-se tecnicamente na categoria electrolítica dos condensadores. Aqui, o eletrólito é um material sólido feito de óxidos de tântalo ou nióbio. Têm uma resistência interna muito baixa para uma determinada capacitância, no entanto são menos imunes à sobretensão em comparação com outros tipos (a cerâmica tem o melhor) e tendem a ir ao rubro sem muito aviso e com muito fumo preto desagradável.

Capacitores para fins especiais

Estas tampas incluem tampas de prata – mica, tampas com classificação X e Y, etc. Os condensadores com classificação X e Y, por exemplo, são construídos para filtragem de linha – construção mais robusta e com classificações de tensão mais elevadas, também com baixas capacitâncias, para reduzir a corrente que passa através dela se a tensão CA for aplicada e para limitar a energia armazenada na tampa se a tensão CC for aplicada.

Supercapacitores e ultracapacitores

Levam os condensadores a um nível totalmente novo, com capacidades largamente aumentadas, por vezes na gama de centenas de Farads! Isto é possível por causa de alguma química inteligente. Supercapacitores e ultracapacitores fazem a ponte entre os condensadores e as baterias químicas. Eles vêm em voltagens muito baixas, no entanto.

E esses são praticamente todos os tipos comuns de capacitores que você pode encontrar comumente no mundo da eletrônica.

Como se comportam os condensadores em circuitos

Uma primeira tarefa útil seria aprender como calcular as reservas de energia num condensador, que é dada pela fórmula,

E = 1/2CV2

Onde E é a energia armazenada em Joules, C é a capacitância em Farads e V é a voltagem em Volts. Note que esta equação toma a forma de muitas outras equações Newtonianas para energia, um ovo de Páscoa puro!

Supondo que você tenha uma capa nominal para uma voltagem de 50V e com uma capacitância de 1000uF, a energia armazenada a 50V completa seria:

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V * 50V

Que funciona como uma mísera 1,25J de energia armazenada.

Esta situação revela uma grande desvantagem dos condensadores como dispositivos de armazenamento de energia – a energia armazenada para um determinado tamanho é muito baixa, uma bateria do mesmo tamanho teria pelo menos mil vezes mais energia armazenada! No entanto, as tampas têm resistências internas muito mais baixas do que as baterias químicas, o que lhes permite despejar toda a energia armazenada rapidamente. O curto-circuito de uma bateria só faria com que ela aquecesse devido à energia dissipada pela resistência interna, mas o curto-circuito de um condensador só criaria algumas faíscas, uma vez que toda a carga é despejada de uma só vez sem danificar o condensador.

Segundo, há uma outra fórmula pura que relaciona tensão, corrente e capacitância:

I/C = dV/dt

Onde I é a corrente fornecida ao condensador em amperes, C é a capacitância em Farads e dV/dt é a taxa de mudança de tensão através dos terminais do condensador. Pense nisto em termos da sua unidade – volts por segundo para uma dada corrente e capacitância. Não se preocupe com o pequeno ‘d’, é apenas uma forma matemática de dizer ‘até ao limite zero’.

Digamos que tem uma fonte de alimentação que cospe uma tensão constante de 5V a uma corrente constante de 1mA, depois ao rearranjar a equação podemos encontrar o tempo necessário para carregar um condensador 100uF a 5V:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0.001A

dt = 0.5 segundos

Então o condensador carregaria até 5V em 0.5 segundos. (Lembre-se que um capacitor só pode carregar até a tensão máxima que lhe é fornecida, nunca mais, eles não podem magicamente ‘criar’ tensão.)

Este comportamento previsível de um capacitor o torna muito útil para gerar atrasos de tempo, por exemplo, com um pequeno circuito adicional. Você pode reorganizar a equação para obter tempo.

Agora para o bom material – circuitos capacitores reais!

Comportamento do Capacitor em Circuitos

Comecemos simples – as diferentes formas de ligação dos capacitores. É muito semelhante a conectar dois resistores – você pode conectá-los em série ou em paralelo.

Capacitores em Paralelo

A figura abaixo mostra três capacitores conectados em paralelo, com todos os respectivos terminais positivos e negativos conectados juntos (assumindo que as tampas estejam polarizadas). A capacitância total deste arranjo é simplesmente a soma de todas as capacitâncias de todos os condensadores do circuito. Isto faz sentido, uma vez que ligar as placas condensadoras em paralelo aumenta a área de superfície, aumentando a capacitância.

A tensão máxima que este tipo de arranjo pode suportar é a tensão do condensador mais pequeno, uma vez que na tensão é comum a todas as tampas.

Um exemplo deve esclarecer isto. Supondo que você tenha dois capacitores, um com as classificações 25V 470uF e o outro 35V 1000uF. A capacitância total seria 470uf + 1000uF = 1470uF. No entanto, a tensão máxima que você poderia colocar através deste banco (um monte de capacitores conectados juntos pode ser chamado de ‘banco’ de capacitores) seria de apenas 25V. Se você colocar algo mais alto que isso através deste banco, as faíscas voariam, já que você excede a voltagem máxima do capacitor de 25V.

Capacitores em série

Conectar capacitores em paralelo é particularmente útil quando você quer uma grande capacitância e você tem apenas valores pequenos. Juntando aquelas tampas de valores menores em paralelo, eventualmente você obterá o valor maior e fará o trabalho, assumindo que você esteja atento à voltagem.

Agora colocar os capacitores em série é um pouco mais complicado. A capacitância é dada pela fórmula:

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Onde C1, C2…Cn são as capacitâncias de cada condensador usado no circuito.

A tensão que o banco pode agora lidar é a soma de todas as tensões nominais.

Se lhe for dada uma tensão nominal para 10V 1uF e uma tensão nominal para 50V 10uF, então a tensão que o banco pode suportar em série é 10V + 50V = 60V. A capacitância funciona para ser 0,9091uF.

Tensão do condensador vs Tempo

E se quisermos carregar um condensador? Podemos simplesmente ligá-lo através de uma fonte de tensão, como na figura abaixo. O que aconteceria aqui é que no momento em que a fonte de tensão é conectada, assumindo que a tampa está completamente descarregada, as cargas se acumulam nas placas, levando a um pico de corrente muito grande (em teoria, infinito!) limitado apenas pela resistência interna do condensador. Isto não é desejável, é claro, se a sua fonte de alimentação for algo como uma bateria. Uma idéia sensata seria adicionar uma resistência em série com o condensador e a fonte de tensão para limitar a corrente como na figura, e voilá! Você tem algo que os engenheiros chamam de circuito RC, ‘R’ para resistor e ‘C’ para capacitor!

Este circuito mostra algum comportamento interessante. Quando a tensão é ligada ao lado do resistor marcado ‘I’, a tensão no condensador sobe lentamente uma vez que a corrente é limitada. O gráfico parece algo assim:

O mais matematicamente inclinado dos meus telespectadores reconheceria a forma da inclinação – assemelha-se à da função exponencial!

Lembras-te como eu disse que as tampas poderiam ser usadas para gerar atrasos de tempo? Esta é uma maneira de fazer isso sem uma fonte de corrente constante (que precisa de algum circuito adicional). Como o tempo necessário para atingir uma determinada tensão é previsível se conhecermos a capacitância, tensão e resistência, podemos criar circuitos de atraso de tempo.

O produto de resistência e capacitância, RC, é conhecido como a constante de tempo do circuito. Este parâmetro torna-se útil na determinação real do tempo para atingir uma determinada tensão com precisão, como mostra a figura do gráfico abaixo.

No gráfico pode-se ver que o condensador atinge 63% da tensão aplicada em uma constante de tempo, e assim por diante.

Este é o princípio que o temporizador de todas as estações 555 usa, embora as equações de desenho sejam um pouco diferentes.

Outra aplicação interessante dos circuitos RC é a filtragem do sinal, ou seja, a remoção de um sinal eléctrico de uma frequência indesejada de um circuito. O circuito RC leva um determinado tempo para carregar e descarregar de uma fonte. Se aplicarmos uma onda periódica com um período de tempo maior que RC, então o mesmo sinal apareceria na saída com muito pouca distorção. No entanto, ao aumentar a frequência, o sinal continua a mudar de polaridade mais rapidamente do que o circuito pode carregar e descarregar, e eventualmente após um certo ponto, o sinal desaparece, e tudo o que lhe resta é uma corrente contínua limpa! Isto é chamado de atenuação do sinal. Como você pode ver, um circuito RC age como um filtro que bloqueia sinais AC (mesmo os sobrepostos em DC, ou seja, tendo um offset DC) além de uma certa frequência. Este tipo de filtro é chamado de filtro passa-baixo, ou seja, deixa passar frequências baixas mas não deixa passar frequências altas.

Capacitores em circuitos Ac

Capacitores comportam-se de uma forma interessante quando colocados em circuitos AC. Eles podem ser pensados como resistências dependentes da freqüência, do ponto de vista do sinal. Como visto acima, o circuito RC bloqueia toda a CA de um sinal, mas o que acontece quando um condensador é conectado em série com uma fonte de tensão CA? Exatamente o contrário!

Desde que o condensador seja apenas duas placas metálicas separadas por um isolante, ele não deixa passar nenhuma corrente DC. No entanto, um sinal Ac tem tensões em constante mudança, por isso uma placa vê uma tensão em mudança e induz a carga oposta na outra placa, como mostra a figura:

Esta tem o efeito global de deixar a corrente ‘passar’ através do condensador a frequências relativamente altas. A adição de uma resistência em paralelo com a saída faz um filtro passa-alto, ou seja, um filtro que deixa passar apenas altas frequências e bloqueia todos os sinais DC.

A ‘resistência AC’, ou impedância, de um condensador, é dada pela fórmula:

XC = 1/(2*π*f*C)

Onde XC é a reactância ou impedância capacitiva, f é a frequência e C é a capacitância. Você pode usar esta fórmula para calcular a ‘resistência’ virtual que um condensador tem em um circuito AC.

Onde Capacitores são encontrados na natureza

Okay, isso foi teoria suficiente. Vamos ver os muitos usos dos condensadores.

O primeiro lugar que você pode esperar ver capacitores estão em fontes de alimentação de todos os tipos como filtros e para desacoplamento. Eles atuam como reservatórios de carga – fornecendo corrente rápida quando a carga precisa.

Aqui estão duas fotos de osciloscópio que mostram o efeito de não ter e ter um condensador através dos cabos de uma fonte de alimentação. Como você pode ver, ter capacitores reduz drasticamente o ‘ruído’ nos trilhos da fonte de alimentação, protegendo assim peças delicadas de picos repentinos de tensão.

Também são chamados de capacitores de ‘desacoplamento’, pois ‘desacoplam’ seções do circuito através do qual são montados a partir da fonte de alimentação. Às vezes, os cabos de alimentação em uma placa de circuito podem ser bastante longos e ter uma alta indutância e resistência. Isto pode levá-los a fornecer menos corrente do que o normal. Ter um condensador no final da linha de alimentação é como ter uma ‘bateria’ temporária menor através do dispositivo, fornecendo explosões de corrente quando necessário e carregando quando o dispositivo consome pouca energia.

Você pode usar a fórmula I/C = dV/dt para calcular a capacitância necessária para remover a ‘ondulação’ da tensão dos terminais de alimentação de energia.

Se tiver uma fonte de alimentação cuja tensão varia de 11,5V a 12V (ondulação) a cada 10ms, o que é comum em dispositivos alimentados pela rede devido à frequência de 50Hz, e precisa de colocar uma tampa através dos terminais para suavizar a tensão. Se a corrente de carga neste caso for 1A, então podemos reordenar a fórmula desta forma para descobrir a capacitância:

(I * dt)/dV

Onde I é a corrente de carga, dt é o período de tempo do ruído, e dV é a tensão de ondulação. Substituindo os valores, encontramos que precisamos de uma capacitância de 20000uF. Agora isto pode parecer muito, mas você poderia escapar com muito menos. O valor obtido serve apenas como orientação.

Na vida real pode encontrar vários tipos e valores de condensadores através de traços de potência, isto é para reduzir o conteúdo de ruído em muitas frequências e ter a tensão mais suave possível.

Outro uso de condensadores estão em filtros complicados como este:

Mas um filtro mais simples seria o filtro RC, um filtro interessante é descrito aqui.

Todos conhecem a placa do microcontrolador Arduino. Uma ferramenta versátil, mas nunca se perguntou porque é que as saídas analógicas cuspem um sinal digital PWM? Isso é porque elas foram projetadas para serem usadas com uma rede de filtragem externa para suavizar a tensão PWM para uma tensão verdadeiramente analógica. Isto pode ser feito com peças tão simples como um resistor de 1K e um condensador de 10uF. Experimente!

Um outro uso, como mencionado acima, é o tempo. Um oscilador simples pode ser construído usando uma porta NAND (tente descobrir porque AND gates não funcionam), um resistor e um condensador.

Assumindo que inicialmente não há tensão através do condensador, as entradas NAND (que são amarradas juntas) vêem perto de 0V através delas, e liga a saída. A tampa agora carrega através do resistor. Quando atinge o limiar ‘alto’ do portão, a saída gira para baixo e a tampa agora descarrega. Este ciclo continua a produzir uma saída de onda quadrada com uma frequência dependente dos valores de R e C.

Finalmente, outro uso interessante de condensadores é o armazenamento de energia. É claro que os capacitores não são adequados para baterias, mas para algumas aplicações que precisam da energia rapidamente, as tampas são as melhores para o trabalho.

Dispositivos como bobinas (mais podem ser encontrados na web) precisam de um grande pulso de corrente para acelerar o projétil, então capacitores de alta tensão são usados para propósitos como este, muitas vezes com classificações como 450V 1500uF, que podem armazenar quantidades significativas de energia.