1. Introdução
Capacitores são dispositivos cuja função é armazenar carga em forma de energia elétrica.
Consiste de duas placas condutoras, colocadas lado a lado, separados por um material ou meio isolante chamado dielétrico.
A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamado de capacitância C.
A capacitância é medida pelo quociente da quantidade de carga (q) armazenada pela diferença de potencial ou voltagem (v) que existe entre as placas:
C = Q / V
Pelo sistema internacional (si), um capacitor tem a capacitância de um Farad (f) quando um Coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt entre as placas.
O Farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados os submúltiplos: " microfarad (uF), nanofarad (nF) ou picofarad (pf).
- Microfarad (uF) = 0,0000001 Farad ou 1. 10-6 F.
- Nanofarad (nF) = 0,000000001 Farad ou 1. 10-9 F.
- Picofarad (pf) = 0,000000000001 Farad ou 10-12 F.
2. Tipo de Capacitores
Capacitores são frequentemente classificados de acordo com o material usado como dielétrico. Os seguintes tipos de dielétricos são usados:
- cerâmica (valores de 4,7 pf até 2,2 uF)
- poliestireno (geralmente na escala de picofarads)
- poliéster (de aproximadamente 1 nF até 1 uF)
- polipropileno ( baixa perda, alta voltagem, resistente a avarias)
- tântalo (compacto, baixa voltagem, capacitância aproximada até 100 uF)
- eletrolítico (de alta potência, muita perda, valores de 1 uF até 10.000 uF)
- ar (muito utilizados em sintonizadores de rádio e outros aparelhos de radio freqüência)
3. Capacitores e suas marcações
Alguns capacitores apresentam uma codificação um pouco estranha para os técnicos experientes e para os técnicos novatos, difícil de compreender. Apresentaremos a seguir marcações que aparecem em diversos formatos e tipos de capacitores:
4. Capacitores de cerâmica multicamadas
São capacitores destinados a uso em altas freqüências, normalmente com o dielétrico cerâmico. Reduz a indutância parasita, elevada, no caso dos capacitores de folhas de alumínio enroladas e separadas por filme dielétrico.
5. Capacitores de poliéster metalizado
A utilização do poliéster metalizado na fabricação de capacitores tem a função de formar o dielétrico, após ser impregnado com uma camada de metal. Trabalha em altas freqüências e como desacoplador em baixa freqüência.
6. Capacitores de tântalo
Nestes capacitores o óxido de tântalo é usado como dielétrico. Possuem uma capacitância muito elevada em relação ao seu tamanho reduzido.
7. Capacitores variáveis
Os componentes descritos anteriormente são capacitores fixos, uma vez que, visivelmente, seus valores não se podem variar com facilidade. Freqüentemente, há necessidade de variar a capacitância sem retirar o capacitor do circuito como nos aparelhos sintonizadores de estações de rádio. O capacitor variável comum é acoplado a um eixo, girando-se o eixo, varia-se a área efetiva das placas, alterando-se assim a capacitância. Em virtude de o dielétrico ser o ar, a separação entre as placas devem ser relativamente grandes a fim de evitar que elas se toquem. Os valores máximos de capacitância são limitados a cerca de 500 pF, estes capacitores podem ter uma capacitância mínima de mais ou menos 10 pF. Capacitores de mica (trimmer - ajustável) usam a mica como dielétrico. A separação entre as placas é ajustada com uma chave de fenda. Esses capacitores são, de modo geral, utilizados onde a variação de capacitância é ocasionalmente necessária. Seus valores situam-se na mesma faixa dos capacitores de dielétricos a ar.
8. Capacitores eletrolíticos
Os capacitores mostrados até então, mesmo utilizando-se filmes dielétricos de pequena espessura, suas dimensões cressem em proporções gigantescas para obter capacitâncias maiores que 1uF ou 2uF. Os eletrolíticos então surgem como alternativa para se ter capacitâncias elevadas em volumes reduzidos.
O método de construção dos capacitores eletrolíticos é diferente dos demais capacitores. Nestes capacitores, têm-se os seguintes elementos: Primeira armadura: é uma folha de alumínio, a qual consiste no terminal positivo do capacitor. Dielétrico: é uma finíssima camada de óxido de alumínio, depositada sobre a primeira armadura. Esta camada de óxido é criada por um tratamento eletroquímico chamado de "oxidação anódica". Segunda armadura: é um líquido condutor de corrente elétrica (eletrólito), que entra em contato com a superfície oxidada da primeira armadura. Para melhorar o contato, é usada uma folha de papel poroso embebida com o eletrólito e uma segunda folha de alumínio, sem tratamento eletroquímico, chamada de "folha de catodo", dando origem ao "terminal negativo" do capacitor eletrolítico. Os capacitores eletrolíticos são certamente os componentes de um circuito eletrônico com menor tempo de vida operacional. Enquanto que para os semicondutores, resistores e capacitores não eletrolíticos podem-se estimar um tempo de operação superior a 50 anos, os capacitores eletrolíticos provavelmente se deteriorarão muito antes desse prazo. Mesmo assim, devido à possibilidade de elevada capacitância em pequeno volume, os capacitores eletrolíticos tradicionais continuarão a ser usados por muito tempo, principalmente para filtragem em fontes de alimentação. Assim, é importante conhecer suas limitações, de modo que seu uso nos circuitos eletrônicos seja feito com segurança. Existem desenvolvimentos importantes nesta área, com utilização de eletrólitos orgânicos de baixa reatividade, no sentido de aumentar a vida útil e confiabilidade destes componentes.
9. Associação de capacitores
Capacitores não são fabricados com todos os valores imagináveis. entretanto, há o recurso da associação destes componentes, este podem ser associados em três modos:
- Em série
- Em paralelo
- Em associação mista
9.1 Características da ligação em série - destacamos a seguir as principais características de uma associação (ligação) série de capacitores, veja figura
- A capacitãncia do conjunto é menor do que qualquer um dos valores usados na ligação e pode ser calculada com a equação
- Se todos os capacitores forem iguais, basta dividir o valor de um deles pela quantidade de capacitores da associação
- Trabalhando com dois capacitores de cada vez, basta multiplicar seus valores e dividir o resultado pela soma dos mesmos
- Quando um conjunto de capacitores em série é ligado a uma fonte de corrente contínua, todos os capacitores apresentam cargas iguais (de acordo com o processo de carga por indução), sejam quais forem suas capacitâncias
- A tensão entre os terminais do conjunto é igual à soma das tensões parciais
Ct = capacitância total ou equivalente do circuito.
C1, C2, C3, etc = capacitâncias parciais.
Ct = capacitância total da associação.
C = valor de um dos capacitores da associação.
n = quantidade de capacitores utilizados na associação série.
C1 = capacitor da posição 1 no circuito.
C2 = capacitor da posição 2 no circuito.
de acordo com a definição de capacitância, a tensão no capacitor é tanto maior quanto menor for a sua capacitância
C = capacitância em FARADS (F).
Q = carga adquirida pelo capacitor, em COULOMBS (C).
v = tensão entre as placas do capacitor, em Volts (V).
9.2 Características da ligação em paralelo - as principais características de uma associação (ligação) paralela de capacitores, são:
- Quando os capacitores são ligados em paralelo, a capacitância total é a soma das capacitancias parciais
Neste caso a tensão entre os teminais do conjunto é a mesma que existe entre os terminais de cada capacitor.
Da definição de capacitância conclui-se que cada capacitor adquire cargas diferentes (exerção quando todos tenham a mesma capacitância), diretamente proporcional à sua capacitância, e a carga total é a soma das cargas parciais, formula a seguir:
9.3 Características da ligação mista - Nas associações mistas, os resultados são combinações dos obtidos com as outras ligações etudadas,veja figura
10. Exercícios
Questão 1. Vinte capacitores de 8uF foram ligados em série. Qual a capacitância total da associação?
Questão 2. Qual a carga acumulada em cada capacitor do conjunto anterior (questão 1), considerando que o grupo foi ligado a uma fonte de 200V.
Questão 3. Um capacitor de 0,01uF e um de 0,04uF foram ligados primeiro em paralelo e em seguida em série, a uma fonte de 500V.
- a) qual a capacitância total "Ct" em cada associação?
- b) qual a carga total "Qt" em cada associação?
- c) qual a carga de cada capacitor nas duas ligações?
- d) qual a ddp em cada capacitor nos dois casos?
Questão 4. Com base no circuito abaixo, determine:
- a) a capacitância total "Ct" em cada associação.
- b) a carga total "Qt" da associação.
- c) a tensãoi entre as placas do capacitor de 15uF.
Questão 5. Com base no circuito abaixo, determine:
- a) a capacitância total "Ct" do circuito.
- b) a carga adquirida pelo capacitor de 30uF.
11. Referências
ALMEIDA, Antônio Carlos de. Caderno de Anotações. Salvador: SENAI/CEFET, 1978/2007.
CAVALCANTI, P. J. Mendes. Fundamentos de Eletrotécnica - Para Técnicos em Eletrônica. Rio de Janeiro - São Paulo - Brasil: Livraria Freitas Bastos S.A.
ELETRÔNICA, Revista Saber Eletrônica - No83 - Julho de 1979.
SANTOS, C. A. dos. Eletricidade, Magnetismo & Física Moderna. Disponível em http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/. Acesso em: 01/06/2007
VIEIRA, Juvenal A; FERNANDES, Sergio L. Rádio Sem Segredos - Fundamentos Reparos. Rio de Janeiro - Brasil: Editora Técnica Electra LTDA.