Apostila sobre capacitores

O Capacitor
Componente eletrônico constituído de duas placas condutoras, separadas por um
material isolante. É um componente que, embora não conduza corrente elétrica entre seus
terminais, é capaz de armazenar energia elétrica, sendo esta sua principal característica.
É constituído por 2 placas condutoras denominadas Armaduras, que são separadas por
um material isolante chamado Dielétrico. Ligados à estas placas condutoras (as armaduras)
estão os terminais para conexão do capacitor com outros componentes de um circuito elétrico.
A Capacitância (C) é a capacidade de acumulação de cargas elétricas no capacitor,
quando aplicamos em seus terminais determinada tensão. Sua capacitância é determinada
pelas dimensões das placas e pela distância de uma em relação à outra, ou seja, é diretamente
proporcional à área das armaduras e inversamente proporcional à espessura do Dielétrico.
Unidades de Medida da capacitância: Farad (F), Microfarad (µF), Nanofarad (ηF) e
Picofarad (ρF). A quantidade de cargas (Q, em Coulomb) que um capacitor pode armazenar
depende da tensão (V, em Volts) e de sua capacitância (C, em Farad) entre seus terminais:
Q=V.C
Quando uma Tensão Contínua é aplicada às placas do capacitor, através dele não se
verifica nenhuma passagem de corrente, devido à presença do dielétrico. Por outro lado, ocorre
uma acumulação de carga elétrica nas placas de tal forma que, a placa ligada ao pólo negativo
do gerador acumula elétrons enquanto que a placa ligada ao pólo positivo do gerador fica com
falta elétrons. Este fenômeno é chamado de Polarização do Dielétrico.
Quando a tensão aplicada é interrompida, a carga acumulada mantém-se devido ao
campo elétrico que se forma entre as placas. Se as placas forem curto-circuitadas, encostandose os dois terminais de ligação, uma rápida passagem de corrente é produzida e o capacitor se
descarrega, retornando à condição inicial.
Quando uma corrente contínua é aplicada a um capacitor, a tensão leva certo tempo
para atingir o valor máximo. Portanto, no capacitor, a corrente está adiantada em relação à
tensão. O tempo necessário para que o capacitor se carregue totalmente depende das
resistências do circuito.
Para um circuito RC em série, quanto maior o valor do resistor e do capacitor, mais
tempo leva para que o capacitor carregue-se totalmente. A medida da velocidade de
crescimento da tensão no capacitor é dada pela constante de tempo (τ) do circuito.
VC = Vcc . (1 – e
–t/τ
)
τ=R.C
Onde:
VC – Tensão do Capacitor
e – n° de Euller ou base do logaritmo neperiano (e = 2,72)
t – tempo decorrido após o fechamento da chave.
Gráfico Vc x t
Gráfico i x t
Com um intervalo de tempo igual a R.C, o capacitor terá o valor de 63,2% da tensão da
fonte. Com 3.R.C, o capacitor estará com aproximadamente 95% de carga e com 5.R.C, estará
com 99,3%, quando consideramos como carga total para efeitos práticos. A tabela abaixo
mostra alguns pontos notáveis na curva de carga do capacitor.
Constante de tempo
RC
2RC
3RC
4RC
5RC
1–e
–t/τ
(tensão no capacitor)
63,2 % Vcc
86,5 % Vcc
95,0 % Vcc
98,2 % Vcc
99,3 % Vcc
E assim, acontece da mesma forma quando submetemos um capacitor a uma
descarga através de um circuito RC, como mostra a figura abaixo:
Supondo que o capacitor esteja completamente carregado, ao fecharmos a chave S1,
ele iniciará sua descarga através do resistor R, e a tensão no capacitor poderá ser calculada
com a seguinte equação:
VC = Vatual. (e
–t/τ
)
Onde:
V atual – tensão que está acumulada no capacitor no instante do fechamento da chave.
VC – Tensão do Capacitor
e – n° de Euller ou base do logaritmo neperiano (e = 2,72)
t – tempo decorrido após o fechamento da chave.
Reatância Capacitiva
Quando uma Tensão Alternada é aplicada a um capacitor, seu comportamento é a
conseqüência direta do que ele manifesta no caso de uma Tensão Contínua.
O Dielétrico é submetido a solicitações alternadas, pois variam de sinal rapidamente e
sua polarização muda com o mesmo ritmo. Se a freqüência aumenta, o Dielétrico não pode
seguir as mudanças com a mesma velocidade com que ocorrem, e assim, a polarização
diminui, o que acarreta uma redução da capacitância. Portanto, devido ao fato de que a
capacitância tende a diminuir com o aumento da freqüência, os capacitores Styroflex e
cerâmicos são os únicos que podem ser empregados em alta freqüência (Amplificadores e
Osciladores). Com as Tensões Alternadas, produzindo o fenômeno de sucessivas cargas e
descargas, verifica-se uma circulação de corrente, embora esta não flua diretamente pelo
Dielétrico.
Assim, chega-se a uma das principais aplicações dos capacitores: a de separar a
Corrente Alternada da Corrente Contínua, quando estas se apresentam simultaneamente.Em
geral: o capacitor comporta-se como um circuito aberto em corrente contínua e como uma
resistência elétrica em corrente alternada.
A reatância capacitiva (Xc) é calculada por:
Xc =
1
2 . π .f .C
Onde:
F – Freqüência (Hz)
C – Capacitância (F)
Xc – Reatância Capacitiva (Ω)
A Tensão e a Corrente num circuito contendo Reatância Capacitiva é determinada por:
Vc = Xc . Ic
Tipos de Capacitores
O que determina o tipo do capacitor é o seu Dielétrico. Pode ser do tipo:
- Axial (1 terminal em cada extremidade).
- Radial (2 terminais na mesma extremidade).
Tipo
Papel
Mica
Styroflex
Folha de Poliéster
Poliéster Metalizado
Policarbonato Metalizado
Cerâmico Tipo I
Cerâmico Tipo II
Eletrolíticos de Alumínio
Eletrolíticos de Tântalo
Dielétrico
Papel Parafinado
Folhas de Mica
Tiras de Poliestireno
Folhas de Poliéster
Folhas de Poliéster
Folhas de Policarbonato
Disco Cerâmico
Disco de Titanato de Bário
Óxido de Alumínio
Óxido de Tântalo
Armadura
Folhas de Alumínio
Folhas de Alumínio
Folhas de Alumínio
Folhas de Alumínio
Alumínio Depositado
Alumínio Depositado
Prata Depositada
Prata Depositada
Folhas de Alumínio
Tântalo Metalizado
Fixa de Valor
1ηF – 10µF
1ρF – 22ηF
4.7ρF – 22ηF
1ηF – 1µF
10ηF – 2.2µF
10ηF – 2.2µF
0.5ρF – 330ρF
100ρF – 470ρF
0.47ρF – 220000µF
2.2µF – 220µF
Faixa de Tensão
150 – 1000V
200 – 5000V
25 – 630V
100 – 1000V
63 – 1000V
63 – 1000V
63 – 500V
15 – 1000V
4 – 500V
3 – 100V
Disposição das placas:
Associações de Capacitores
Associação em Série
A Capacitância Total diminui, pois há um aumento efetivo da distância entre as placas.
Para calcular a Capacitância Total em Paralelo:
1= 1+ 1+ 1
CT C1 C2 Cn
CT = C1 . C2
C1 + C2
(para 2 capacitores)
Associação em Paralelo
A Capacitância Total aumenta, pois aumenta a área de placas que recebem cargas.
Para calcular a Capacitância Total em Série:
CT = C1 + C2 + Cn
Tensão de Trabalho
Há um limite para a tensão que pode ser aplicada a um capacitor qualquer. Se for
aplicada uma tensão alta, haverá uma corrente que forçará uma passagem através do
Dielétrico. O capacitor entra em curto-circuito e é descarregado. A tensão máxima a ser
aplicada a um capacitor é chamada de Tensão de Trabalho e não deve ser ultrapassada.
Capacitores eletrolíticos
Consiste em uma folha de alumínio como armadura positiva, onde por um processo
eletrolítico, forma-se uma camada de óxido de alumínio que serve como dielétrico, e um fluído
condutor, o eletrólito que impregnado em um papel poroso, é colocado em contato com uma
outra folha de alumínio de maneira a formar uma armadura negativa. O conjunto é bobinado,
sendo a primeira folha de alumínio ligada ao terminal positivo e a outra ligada a uma caneca
tubular, encapsulado todo o conjunto, e ao terminal negativo.
Os capacitores eletrolíticos, por apresentarem o dielétrico como uma fina camada de
óxido de alumínio e em uma das armaduras um fluido, constituem uma série de altos valores
de capacitância, mas com valores limitados de tensão de isolação e terminais polarizados.
Leitura de capacitores
Os capacitores eletrolíticos apresentam seu valor nominal e polaridade inscrita no
próprio componente. Alguns outros capacitores apresentam uma codificação é um tanto
estranha mesmo para os técnicos experientes, (e ainda mais difícil de compreender para o
técnico novato.) Observemos o exemplo abaixo:
-12
O valor do capacitor,"B", é de 3300 pF (picofarad = 10
F) ou 3,3 nF
-9
-6
(nanofarad = 10 F) ou 0,0033 µF (microfarad = 10 F). No capacitor "A", devemos acrescentar
mais 4 zeros após os dois primeiros algarismos. O valor do capacitor, que se lê 104, é de
100000 pF ou 100 nF ou 0,1µF.
Capacitores usando letras em seus valores
O desenho acima, mostra capacitores que tem os seus valores impressos em
-9
nanofarad (nF) = 10 F. Quando aparece no capacitor uma letra "n" minúscula, como um dos
tipos apresentados ao lado por exemplo: 3n3, significa que este capacitor é de 3,3nF. No
exemplo, o "n" minúsculo é colocado ao meio dos números, apenas para economizar uma
vírgula e evitar erro de interpretação de seu valor.
-12
Para transformar em picofarad, pegamos 0,000.000.003.3F e dividimos por 10 ,
resultando 3300pF. Alguns fabricantes fazem capacitores com formatos e valores impressos
como os apresentados abaixo. O nosso exemplo, de 3300pF, é o primeiro da fila.
Note nos capacitores seguintes, o aparecimento de uma letra maiúscula ao lado dos
números. Esta letra refere-se a tolerância do capacitor, ou seja, o quanto que o capacitor
pode variar de seu valor em uma temperatura padrão de 25°C. A letra "J" significa que este
capacitor pode variar até ±5% de seu valor, a letra "K" = ±10% ou "M" = ±20%. Segue na
tabela abaixo, os códigos de tolerâncias de capacitância.
Até 10pF
Código
Acima de 10pF
±0,1pF
B
±0,25pF
C
±0,5pF
D
±1,0pF
F
±1%
G
±2%
H
±3%
J
±5%
K
±10%
M
±20%
S
-50% -20%
Z
+80% -20%
ou +100% -20%
P
+100% -0%
Agora, um pouco sobre coeficiente de temperatura "TC", que define a variação da
capacitância dentro de uma determinada faixa de temperatura. O "TC" é normalmente
expresso em % ou ppm/°C ( partes por milhão / °C ). É usado uma seqüência de letras ou
letras e números para representar os coeficientes. Observe o desenho abaixo.
Os capacitores acima são de coeficiente de temperatura linear e definido, com alta
estabilidade de capacitância e perdas mínimas, sendo recomendados para aplicação em
circuitos ressonantes, filtros, compensação de temperatura e acoplamento e filtragem em
circuitos de RF. Na tabela abaixo estão mais alguns coeficientes de temperatura e as
tolerâncias que são muito utilizadas por diversos fabricantes de capacitores.
Código
Coeficiente de temperatura
NPO
-0± 30ppm/°C
N075
-75± 30ppm/°C
N150
-150± 30ppm/°C
N220
-220± 60ppm/°C
N330
-330± 60ppm/°C
N470
-470± 60ppm/°C
N750
-750± 120ppm/°C
N1500
-1500± 250ppm/°C
N2200
-2200± 500ppm/°C
N3300
-3300± 500ppm/°C
N4700
-4700± 1000ppm/°C
N5250
-5250± 1000ppm/°C
P100
+100± 30ppm/°C
Outra forma de representar coeficientes de temperatura é mostrada abaixo. É usada
em capacitores que se caracterizam pela alta capacitância por unidade de volume
(dimensões reduzidas) devido à alta constante dielétrica sendo recomendados para
aplicação em desacoplamentos, acoplamentos e supressão de interferências em baixas
tensões.
Os coeficientes são também representados exibindo seqüências de letras e números,
como por exemplo: X7R, Y5F e Z5U. Para um capacitor Z5U, a faixa de operação é de
+10°C que significa "Temperatura Mínima", seguido de +85°C que significa "Temperatura
Máxima" e uma variação "Máxima de capacitância", dentro desses limites de temperatura,
que não ultrapassa -56%, +22%. Veja as três tabelas abaixo para compreender este exemplo
e entender outros coeficientes.
Temperatura
Mínima
X
Y
Z
-55°C
-30°C
+10°C
Temperatura
Máxima
2
4
5
6
7
+45°C
+65°C
+85°C
+105°C
+125°C
Variação Máxima
de Capacitância
A
±1.0%
B
±1.5%
C
±2.2%
D
±3.3%
E
±4.7%
F
±7.5%
P
±10%
R
±15%
S
±22%
T -33%, +22%
U -56%, +22%
V -82%, +22%
Capacitores de Cerâmica Multicamada
Capacitores de Poliéster Metalizado usando código de cores
A tabela a seguir, mostra como interpretar o código de cores dos capacitores abaixo.
No capacitor "A", as 3 primeiras cores são: laranja, laranja e laranja, correspondem a 33000,
equivalendo a 33 nF. A cor branca, logo adiante, é referente a ±10% de tolerância. E o
vermelho, representa a tensão nominal, que é de 250 volts.
1ª - algarismo
2ª - algarismo
3ª - n° de zeros 4ª - tolerância
5ª - tensão
PRETO
0
0
-
± 20%
-
MARROM
1
1
0
-
-
VERMELHO
2
2
00
-
250V
LARANJA
3
3
000
-
-
AMARELO
4
4
0000
-
400V
VERDE
5
5
00000
-
-
AZUL
6
6
-
-
630V
VIOLETA
7
7
-
-
-
CINZA
8
8
-
-
-
BRANCO
9
9
-
± 10%
-