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Uma Introdução aos Diferentes Tipos de Capacitores
Um capacitor é um componente eletrônico que armazena carga elétrica e energia em um campo elétrico. Juntamente com os resistores, os capacitores estão entre os componentes mais comuns encontrados em circuitos elétricos e eletrônicos. Eles são amplamente utilizados em equipamentos de telecomunicações, como receptores de rádio para sintonia de frequência, bem como em circuitos de temporização, osciladores e filtros. Neste artigo, abordaremos as características básicas dos capacitores, suas principais funções e os diferentes tipos e aplicações desses componentes essenciais.
Capacitores e Capacitância
Um capacitor é formado por qualquer par de condutores, sendo a forma típica duas placas paralelas, ou seja, dois condutores ou eletrodos separados por um material dielétrico de espessura uniforme. Os condutores podem ser de qualquer material que conduza eletricidade facilmente. O material dielétrico deve ser um mau condutor, isto é, um isolante. Um capacitor tem a capacidade de armazenar uma quantidade de eletricidade estática.
Campos elétricos estáticos surgem de cargas elétricas, com linhas de campo elétrico começando e terminando em cargas elétricas. Assim, a presença de cargas elétricas positivas e negativas iguais nas duas placas da Figura 2 abaixo:
Assumamos que a carga seja +Q coulombs na placa A e –Q coulombs na placa B. A propriedade deste par de placas que determina quanta carga corresponde a uma dada voltagem entre as placas é referida como capacitância, denotada por C:
C = Q / V
A unidade de capacitância é coulombs por volt ou farads (F), que é definida como a capacitância quando uma tensão de um volt aparece nas placas quando carregadas com um coulomb. Na prática, a maioria dos capacitores tem valores muito menores que um farad e são comumente expressos em microfarads (µF, 10⁻⁶ F), nanofarads (nF, 10⁻⁹ F) ou picofarads (pF, 10⁻¹² F).
Para o caso acima na Figura 1, a capacitância C é dada por:
C = εA / d
onde:
- A é a área de uma placa
- d é a distância entre as placas
- ε é a permissividade do material dielétrico entre eles
Para um capacitor ideal, a capacitância depende apenas das características físicas do dispositivo. Ao adquirir um capacitor, você deve especificar sua tensão nominal além de seu valor de capacitância. Essa classificação informa a tensão máxima que você pode aplicar ao capacitor antes que ocorra uma ruptura elétrica através do material dielétrico.
As Funções dos Capacitores em Circuitos Eletrônicos
Armazenamento de Energia
Conforme mencionado anteriormente, os capacitores são utilizados para o armazenamento de energia. Neste caso, a carga de uma corrente aplicada é armazenada dentro do capacitor e, posteriormente, liberada de volta para o circuito como corrente que pode ser utilizada.
Ao colocar um resistor em série com o capacitor, é possível controlar a taxa de carga e descarga. Este conceito é frequentemente empregado em circuitos de descarga de alta corrente, como flashes fotográficos, bem como em pequenas fontes de energia de backup para CIs de baixa potência. Adicionalmente, é utilizado para suavizar o ripple de fontes de alimentação, controlar o temporizador em circuitos integrados e modificar a forma das formas de onda.
Bloqueio DC e Acoplamento AC
Quando um capacitor é colocado em série com um caminho de sinal, ele bloqueia o CC enquanto permite a passagem dos componentes de sinal CA. Quando um capacitor é utilizado desta forma, ele é denominado capacitor de bloqueio de CC ou acoplamento de CA.
Para explicar como isso funciona – em CC, a impedância de um capacitor é idealmente infinita – nenhuma corrente flui, e os níveis de CC dentro de um sinal misto não têm permissão para passar. No entanto, se um sinal CA é aplicado, a impedância do capacitor se torna um valor finito que é dependente da frequência do sinal – o que implica que quanto maior a frequência, menor a impedância. Assim, na prática, um capacitor em série pode ser usado para acoplar dois circuitos juntos sem introduzir deslocamentos de CC indesejados no estágio seguinte; além disso, ele pode controlar quanta parte de um determinado sinal de frequência consegue passar, ou seja, controla a atenuação.
Desacoplamento e Bypass
Vamos considerar um caso em que o capacitor é colocado em paralelo com um caminho de sinal (que é para o terra). Isso tem um efeito oposto ao do capacitor de acoplamento discutido acima. Neste caso, ele atua como um capacitor de desacoplamento, permitindo que a corrente contínua prossiga ao longo do caminho, enquanto desvia os componentes de sinal de alta frequência para o terra – o capacitor atuando como um caminho de baixa impedância para o terra.
Um efeito semelhante ocorre quando um capacitor é colocado em paralelo a um determinado elemento do circuito para desviar frequências indesejadas, o que é referido como "bypass" ou desacoplamento.
O desacoplamento e o desvio são importantes quando há a necessidade de remover ruído de alta frequência indesejado e outros sinais indesejados causados por ruído aleatório ou demandas súbitas de corrente geradas por elementos de circuito acompanhantes.
Estas são apenas algumas das funções básicas dos capacitores. Existem mais funções, mas não nos aprofundaremos nelas, como, por exemplo, o uso de capacitores em redes de filtros passivos e ativos, circuitos ressonantes LC, etc.
Tipo 1: Capacitor Eletrolítico de Tântalo
Descrição
O capacitor eletrolítico de tântalo tornou-se um dos tipos de capacitor preferidos onde alta confiabilidade e longa vida útil são considerações chave.
Capacitores de tântalo contêm eletrólitos líquidos ou sólidos. O eletrólito líquido em capacitores de tântalo úmido (wet-slug) e de folha – geralmente ácido sulfúrico – forma a placa catódica (negativa). Em capacitores sólidos, um material seco, dióxido de manganês, forma a placa catódica.
O fio de chumbo do ânodo de tântalo consiste em duas partes: um chumbo de tântalo embutido, ou soldado, ao "pellet", que por sua vez é soldado a um chumbo de níquel.
Vantagens
- Tamanho pequeno para uma dada capacitância
- Boa estabilidade de capacitância em relação à temperatura
- Corrente de fuga relativamente baixa
- Boa confiabilidade quando utilizado dentro das condições nominais
- Valores úteis de capacitância em projetos compactos
Desvantagens
- Normalmente polarizado
- Mais caro que capacitores eletrolíticos de alumínio
- Sensível a surtos de corrente, tensão reversa e sobretensão
Aplicações
Capacitores de tântalo não são adequados para aplicações de armazenamento ou acoplamento de alta frequência (AF) devido à baixa resistência de isolamento e indutância interna. Acima de alguns MHz, um capacitor de tântalo atua mais como um indutor do que como um capacitor.
As aplicações dos capacitores de tântalo incluem bloqueio, desvio, desacoplamento, filtragem e temporização.
Normalmente usado como um filtro de ripple em fontes de alimentação ou como um filtro para desviar sinais de baixa frequência.
Tipo 2: Capacitor Eletrolítico de Alumínio
Descrição
Os capacitores eletrolíticos de alumínio possuem um espaço entre suas placas de folha preenchido com uma pasta química. Quando uma tensão é aplicada, uma reação química forma uma camada de material isolante na folha.
Como os capacitores eletrolíticos de alumínio fornecem altos valores de capacitância em pequenos invólucros a um preço acessível, eles são muito populares e provavelmente os encontrará em quase todos os tipos de circuitos eletrônicos.
Valores típicos de capacitância variam de aproximadamente 0,1 µF a 500.000 µF.
Vantagens
- Valores de capacitância elevados a um custo relativamente baixo
- Amplamente disponível em muitos tamanhos e tensões nominais
- Útil para filtragem de fonte de alimentação e armazenamento de energia em massa
- Boa relação capacitância-custo
- Suporta altas correntes e tensões
Desvantagens
- Normalmente polarizado
- Corrente de fuga maior que capacitores cerâmicos ou de filme
- Maior tolerância e menor estabilidade do que alguns outros tipos de capacitores
- Maior resistência interna e indutância
- Vida útil menor que alguns tipos de capacitores não eletrolíticos, especialmente em altas temperaturas
Aplicações
Eles não são adequados para aplicações de acoplamento de alta frequência devido à baixa resistência de isolamento e indutância interna.
Esses capacitores são utilizados em filtros de ripple em fontes de alimentação, acoplamento de áudio e/ou como filtro para desviar sinais de baixa frequência.
Um fator importante a se ter em mente ao lidar com este tipo de capacitor é que eles explodirão se a tensão nominal de trabalho for excedida ou a polaridade for invertida. Portanto, não se deve aplicar uma tensão AC em um capacitor eletrolítico. No entanto, se uma tensão AC for sobreposta a uma tensão DC, certifique-se de que o valor de pico não exceda a classificação de tensão.
Outra consideração importante é que capacitores eletrolíticos de alumínio não devem ser utilizados se o potencial DC estiver bem abaixo da tensão de trabalho do capacitor.
Tipo 3: Capacitor de Vidro
Descrição
Capacitores dielétricos de vidro oferecem os mais altos recursos de desempenho e confiabilidade disponíveis na indústria de capacitores.
A construção de capacitores de vidro é bastante simples. Eles consistem em apenas três elementos:
- Isolante de vidro e estojo
- Eletrodos de alumínio
- Terminais de Fio
Os capacitores são fabricados de maneira multicamadas, com os terminais sendo soldados aos eletrodos, de modo que não haja conexões de pressão que possam se soltar nem conexões de solda que possam derreter.
O dielétrico é formado como uma fita contínua de vidro com propriedades elétricas, físicas e dimensões precisamente controladas.
Os capacitores dielétricos de vidro compreendem camadas alternadas de fita de vidro e o material do eletrodo. Após a montagem, as unidades são seladas juntas por alta temperatura e pressão para formar um bloco monolítico robusto. Como os terminais são fundidos à caixa de vidro, o selo não pode ser rompido sem destruir o capacitor.
Visto que estes capacitores são de estrutura monolítica, eles não são necessariamente hermeticamente selados, pois o coeficiente de expansão térmica dos terminais não corresponde ao do invólucro.
Os capacitores de vidro podem ser encapsulados em caixas de vidro ou esmalte vítreo, devidamente protegidas contra as condições ambientais.
Os capacitores de vidro são fabricados com materiais inorgânicos e possuem alta resistência a altas temperaturas de operação, ruptura dielétrica e radiação nuclear. Capacitores de vidro não se tornam um risco tóxico quando expostos à radiação.
Vantagens
- Alta confiabilidade e estabilidade a longo prazo
- Baixa absorção dielétrica
- Alta resistência de isolamento
- Alto Q e baixa perda em altas frequências
- Bom desempenho em temperaturas elevadas
- Forte resistência à umidade, choque, vibração e radiação
Desvantagens
- Custo mais elevado do que tipos de capacitores mais comuns
- Valores de capacitância mais baixos que muitos outros tipos de capacitores
- Tamanho maior e custo mais elevado para uma dada capacitância
- Menos comuns e, por vezes, mais difíceis de encontrar do que os tipos de capacitores padrão
Aplicações
Capacitores de vidro têm tipicamente visto ampla aplicação em setores militares, com novos projetos cada vez maiores ocorrendo nos setores aeroespacial e de alto desempenho.
Capacitores de vidro são utilizados especialmente onde a confiabilidade é crítica e a substituição de uma peça defeituosa não é possível ou prática.
Capacitores de vidro possuem amplas aplicações que incluem:
- Circuitária de alta temperatura
- Moduladores
- Filtros de saída de amplificadores de RF
- Osciladores de frequência variável
- Acoplamento de amplificador
- Amostrador e retentor
- Atenuadores de Tensão
- Bias de Transistor
- Integradores de rampa
Tipo 4: Capacitor Cerâmico
Descrição
Basicamente, esses capacitores são construídos com materiais como titanato de bário para o dielétrico. Internamente, esses capacitores não são construídos como uma bobina, o que resulta em baixa indutância.
Para atender à demanda do mercado por capacitores cerâmicos de alta densidade, foram desenvolvidos os Capacitores Cerâmicos Multicamadas (MLCCs); eles incorporam múltiplas camadas impressas de placas de eletrodo feitas de finas folhas cerâmicas.
Os capacitores cerâmicos podem ser classificados em 3 tipos com base em suas características dielétricas.
Classe 1 (Ultra-Estável)
Este é o capacitor mais estável, fabricado a partir de uma mistura de titanatos. Possui um coeficiente de temperatura (TCs) muito previsível e, em geral, não apresenta características de envelhecimento.
O capacitor cerâmico ultraestável mais popular é o NP0 (negative-positive 0 ppm/°C) ou C0G (de acordo com a designação EIA).
Classe 2 (Semiestável)
Embora não sejam tão estáveis termicamente quanto os capacitores ultraestáveis, possuem uma capacitância eletrostática superior.
Todos os capacitores semissimétricos variam em valor de capacitância sob o efeito da temperatura, tensão de operação (CA e CC) e frequência.
Capacitores semiestáveis são mais adequados para aplicações onde valores de alta capacitância são essenciais, enquanto a estabilidade do fator de qualidade em função da temperatura não é uma preocupação principal.
Turma 3 (HiK)
Este tipo possui alta constante dielétrica ou capacidade eletrostática, mas apresenta baixa estabilidade, baixa absorção dielétrica e alto coeficiente de tensão, além de ser sensível à vibração.
Há uma deriva de temperatura muito baixa, um alto coeficiente de tensão de dissipação, um alto coeficiente de frequência de capacitância e uma taxa de envelhecimento significativa.
Eles apresentam baixa indutância, uma ampla gama de valores, um tamanho pequeno e possuem uma densidade maior que os cerâmicos "dipped".
Eles são geralmente mais adequados para acoplamento (bloqueio DC) e bypass de fonte de alimentação.
Tipicamente recomendado para aplicações lineares onde o desempenho e a estabilidade não são de grande preocupação.
Aplicações
Os capacitores cerâmicos são projetados principalmente para uso onde se requer um tamanho físico pequeno com capacitância elétrica comparativamente grande e alta resistência de isolamento.
Aplicações típicas para capacitores cerâmicos de propósito geral incluem:
- Acoplamento resistivo-capacitivo para áudio e radiofrequência
- RF e frequência intermediária bypass de cátodo
- Compensação de tom
- Filtragem de controle automático de volume
- Controle de volume com bypass de RF
- Acoplamento de antena
- Bypass de RF em placa de áudio
Considerações Finais
Os capacitores desempenham funções importantes em circuitos eletrônicos que vão desde funções simples como o armazenamento de energia até funções principais como o bloqueio de CC ou o bloqueio de CA.
Existem diferentes tipos de capacitores, utilizados para várias aplicações. Escolher o correto pode não ser uma tarefa tão fácil. Compreender os diversos tipos de capacitores, suas características e capacidades, fornece o conhecimento necessário para ajudá-lo a tomar uma decisão melhor ao escolher um capacitor para uma determinada aplicação.
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Perguntas Frequentes (FAQ)
A: Nem sempre. Depende do fabricante, do projeto específico e dos requisitos do cliente. Para projetos com demandas de maior confiabilidade, como eletrônicos médicos e automotivos, a inspeção óptica automatizada (AOI) é tipicamente realizada em todas as placas.
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John é um especialista experiente em sistemas elétricos, instrumentação, automação de processos e controle industrial. Ele já atuou nas áreas de instalação, manutenção, testes em fábrica e colocação em operação de equipamentos, o que lhe proporcionou uma visão prática sobre o desempenho dos sistemas industriais em ambientes operacionais reais.
