Capacitores, Notas de estudo de Eletrônica

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Margarida de Carvalho Silveira

Capacitores

O capacitor é um componente constituído por dois condutores separados por um isolante. Os condutores são chamados de armaduras (ou placas) do capacitor e o isolante é o dielétrico do capacitor. Costuma-se dar nome a esses aparelhos de acordo com a forma de suas armaduras. Assim temos capacitor plano (Fig-1), capacitor cilíndrico (Fig-2), capacitor esférico etc. O dielétrico pode ser um isolante qualquer como o vidro, a parafina, o papel e muitas vezes é o próprio ar. Nos diagramas esquemáticos dos circuitos elétricos o capacitor é representado conforme mostrado na Fig-3.

Um capacitor é um componente que apresenta uma característica elétrica dominante simples, elementar, que é a apresentação de uma proporcionalidade entre corrente entre seus terminais e a variação da diferença de potencial elétrico nos terminais. Ou seja, esta característica elétrica dominante é a capacitância.

Um capacitor é o componente eletrônico que armazena energia sob a forma de campo elétrico.

Tempo de Carga e Descarga de um Capacitor

Formação de um capacitor

Um capacitor ou condensador é um dispositivo que armazena cargas elétricas. Consiste basicamente de duas placas metálicas carregadas e colocadas em paralelo, denominadas armaduras, separadas por um material isolante denominado dielétrico, por exemplo, o ar, e que a tensão “E” seja baixa o suficiente para não provocar a ruptura do isolante. A Fig-6.1 mostra o detalhe construtivo e a simbologia de um capacitor, e a Fig-6.2 mostra um capacitor em corte.

Materiais utilizados como dielétrico são: o papel, a cerâmica, a mica, os materiais plásticos ou mesmo o ar, como já foi citado.

A Fig-6.1(a) nos mostra que a placa da esquerda se torna positivamente carregada, uma vez que o terminal positivo da fonte de tensão remove elétrons suficientes para equalizar a carga nesta parte do circuito. Da mesma forma, a placa da direita se torna negativamente carregada, uma vez que o terminal negativo da bateria fornece elétrons para ela. Sendo assim, entre as placas existe um campo elétrico, cujo caminho é representado pelas linhas de força elétrica. Por conveniência estas linhas possuem as seguintes características:

a) Possuem origem em uma carga positiva e terminam em uma carga negativa;

b) (^) Entram e saem perpendicularmente à superfície da carga.

Fatores que influenciam na capacitância

Na Fig-2.1(c), observa-se que ao traçarmos um gráfico de cargas acumuladas em função da tensão desenvolvida entre as placas, será obtida uma relação linear. A constante de proporcionalidade que relaciona a carga e a tensão, isto é, a inclinação da reta, é definida como capacitância (C), dada pela fórmula:

Eq. 1

A equação 8 indica que a capacitância é determinada pelos fatores geométricos A e d e pelo tipo de dielétrico que separa as duas placas. Quando a área das placas é aumentada, a capacitância é aumentada. Da mesma forma, quando a distância entre as placas for reduzida, a capacitância aumenta. Outro fator que aumenta a capacitância é a utilização do material dielétrico com maior. Assim, o dielétrico atua como um amplificador de capacitância.

C F 0B 5 A e C F 0B 5 1/d

Este fato também é utilizado nos capacitores modernos, nos quais se usam dielétricos de grande poder de isolamento, com espessura bastante reduzida, de modo a obter grande capacitância.

As tabelas 2.1 e 2.2 apresentam a constante dielétrica e a rigidez dielétrica para os diferentes dielétricos.

Tab. 2.

Material Dielétrico Constante dielétrica (F 06 5 r ) Rigidez dielétrica (V/mm) Ar 1,0006 3. Baquelite 5 21. Vidro 6 35. Mica 5 60. Óleo 4 10. Papel 2,5 20. Borracha 3 25. Teflon 2 60.

Tab. 2.

Material Dielétrico Constante dielétrica (k) Rigidez dielétrica (kV/cm) Ar 1 30 Vidro 3,8 75 – 300 Ebonite 2,8 270 – 400 Mica 5,4 – 8,7 600 – 750 Borracha Pura 3 330 Óxido de alumínio 8,4 - Pentóxido de Tântalo 26 - Cera de abelha 3,7 1100 Parafina 3,5 600

Aplicações

Os capacitores são utilizados com a finalidade de eliminar sinais indesejados, oferecendo um caminho mais fácil pelo qual a energia associada a esses sinais espúrios pode ser escoada, impedindo-a de invadir o circuito protegido. Nestas aplicações, normalmente quanto maior a capacitância melhor o efeito obtido e podem apresentar grandes tolerâncias.

Já capacitores empregados em aplicações que requerem maior precisão, tais como os capacitores que determinam a freqüência de oscilação de um circuito, possuem tolerâncias menores.

Processos de Fabricação

Os capacitores de filme metalizado são obtidos pela deposição de uma camada de material condutor, sobre um dos lados de uma película de material flexível isolante, em geral um filme plástico de baixas perdas dielétricas, por exemplo, poliéster. Após este procedimento duas películas são enroladas uma sobre a outra, de maneira que as superfícies metalizadas não se toquem, conforme fig. 7 (a), (b) e (c). Conecta-se então um terminal a cada superfície metálica. E, o acabamento é feito com cera fundida, ou com resina epóxi, sobre o qual se faz a marcação dos valores.

Tipos de Capacitores

Como já foi dito anteriormente os capacitores são utilizados com a finalidade de eliminar sinais indesejados. Eles são usados em circuitos temporizadores, na construção de filtros, em fontes de alimentação, amplificadores, temporizadores, etc, seu uso depende para qual finalidade este componente será aplicado.

Existe uma variedade enorme de tipos de capacitores que são diferenciados pela forma como são construídos e suas aplicações. Dentre os capacitores mais conhecidos

temos: poliéster, eletrolítico, tântalo, cerâmica, polipropileno, mica, papel, stiroflex, policarbonato, alumínio, etc.

Dentre os capacitores acima mencionados temos os principais que são: os capacitores de poliéster, eletrolíticos, tântalo, cerâmica, polipropileno e mica. Sendo que os capacitores eletrolíticos são os que possuem maior valor de capacitância, por isso mesmo são largamente usados em fontes de alimentação. Já os capacitores cerâmicos por não terem internamente estruturas no formato de bobinas, são usados em altas freqüências.

a) Capacitor de Mica: Estes capacitores de mica (fig. 8) são fabricados formados por um conjunto de placas dielétricas alternando-se películas de mica (silicato de alumínio) com folhas de alumínio, e este conjunto é encapsulado em um molde de resina fenólica. Sendo a mica um dielétrico muito estável e de alta resistividade, estes capacitores são utilizados em circuitos que trabalham com alta freqüência (etapas osciladoras de radiofreqüência). Dentre os circuitos de maior utilização estão os circuitos ressonantes e os de alta tensão. Aparelhos antigos, como os rádios à válvula utilizavam muito esse tipo de capacitor.

Seus valores típicos de capacitância variam de 5 pF à 100 nF, apresentando elevada precisão. São capacitores que não apresentam grandes valores de capacitância, e não possuem polaridade. São relativamente caros.

A vantagem de se usar este tipo de capacitor é devido ao baixo coeficiente de temperatura, com isso ele tende a manter uma excelente estabilidade. E, o que favorece sua utilização em circuitos de alta tensão é a sua boa isolação.

b) Capacitor de Papel: Capacitores de filtro com dielétrico de papel (fig. 9) são volumosos e seu valor é em geral limitado a menos do que 10 mF. Estes

As principais vantagens de utilização deste tipo de capacitor são: reduzido fator de perda, alta precisão, baixa tolerância (em torno de 0,25%0 e tensões de trabalho que variam entre 30 e 600 V.

d) Capacitor de Polipropileno: O polipropileno é um plástico com propriedades análogas ao polietileno, apresentando boa resistência ao calor, aos solventes orgânicos e a radiação, com tolerância em média de + 1%. O modo de fabricação é o mesmo utilizado para o capacitor de poliestireno (ou stiroflex). Esses capacitores (fig.11) possuem folhas de polipropileno enroladas entre folhas de alumínio.

Esses capacitores são principalmente utilizados quando se necessita de baixa tolerância e ideais para aplicação em circuitos de filtros ou ressonantes.

e) Capacitor de Poliéster: Este capacitor (fig.12) foi criado para substituir o capacitor de papel. Tem como principais vantagens sobre os capacitores de papel: maior resistência mecânica, não é um material higroscópico (quer dizer: que facilmente absorve e retém umidade), suporta ampla margem de temperatura (- 50°C a 150°C) com grande rigidez dielétrica.

Por apresentar variações de sua capacitância com a freqüência, não são recomendados para aplicações em dispositivos que operem em freqüências superiores a MHz.

Seus valores típicos variam de 2 pF à 10 μF com tensões entre 30 e 1000 V e com uma tolerância que varia de + 5% à + 10%.

h) Capacitor Eletrolítico: São aqueles capacitores que com as mesmas dimensões atingem maiores capacitâncias. Eles são formados por uma tira de metal, recoberta por uma camada de óxido, que atua como um dielétrico. Sobre a camada de óxido é colocada uma tira de papel impregnado com um líquido condutor chamado eletrólito, ao qual se sobrepõe uma segunda lâmina de alumínio em contato elétrico com o papel. As figuras (a), (b), (c), (d) e (e) nos mostra o processo de fabricação do capacitor eletrolítico.

Os capacitores eletrolíticos (fig. 16) são utilizados em circuitos que ocorrem tensões contínuas sobrepostas a tensões alternadas menores, onde funcionam apenas como capacitores de filtro para retificadores, de acoplamento para bloqueio de tensões contínuas, etc.

Capacitor utilizado para grandes capacitâncias, na faixa de 1 μF à 20000 μF. Possui elevadas tolerâncias, o que pode ser uma desvantagem quando da necessidade de um circuito de alta precisão (podem ser até 100 % que o valor nominal, e 10 % no sentido negativo). Possui alta fuga de corrente elétrica se comparado a outros capacitores, e a temperatura é extremamente influente na capacitância e na perda de energia.

Vantagem: Muito utilizado em fontes de alimentação, viste que possui uma boa relação entre volume e sua capacitância. Por possuir um formato de bobina é melhor trabalhando em circuitos de baixa freqüência. É um capacitor polarizado, de modo que seus fabricantes definem seus pólos, valores de capacitância, tolerância, máxima tensão de trabalho no seu próprio “corpo”, não necessitando de códigos em geral.

j) Capacitor Eletrolítico de Tântalo: A constituição deste capacitor é idêntica a do capacitor eletrolítico de alumínio. O dielétrico utilizado é o óxido de tântalo (Ta2O (^) 5), de forma que quando é colocado esse óxido sobre uma fina camada de eletrolítico e se aplica uma tensão sobre o catodo, este composto forma uma película. O óxido de tântalo reduz as dimensões deste capacitor em relação aos outros capacitores eletrolíticos.

Os capacitores eletrolíticos de tântalo (fig. 18) assemelham-se aos capacitores eletrolíticos de alumínio e mesmo alcançando as mesmas capacitâncias, são de tamanho reduzido. Possui longa vida operacional e elevada estabilidade dos parâmetros elétricos. Sua tensão nominal vem impressa no corpo do capacitor, assim como sua polaridade. Emprega-se o tântalo no lugar do alumínio, para a lâmina, e o eletrólito é uma pasta ou líquido.

Estes capacitores apresentam baixas tolerâncias (20%), tem baixa dependência com a temperatura com máxima tensão de operação de 120 V, mas são mais caros.

Os capacitores eletrolíticos de tântalo são utilizados em circuitos onde o valor da capacitância seja constante com a temperatura e freqüência. É comum seu uso em circuitos onde há necessidade de economia de espaço.

Sobretudo, seu emprego é aconselhável como capacitor de acoplamento para estágios de baixas freqüências, graças ao seu baixo nível de ruído, muito inferior ao do capacitor eletrolítico de alumínio. Além do tipo tubular é encontrado em forma de “gota”.

Código de Cores de Capacitores

As informações relativas aos valores de capacitâncias de um capacitor podem vir expressas da forma escrita ou codificada. A forma codificada é semelhante à usada para os resistores, a outra forma que é a escrita pode ser de apresentadas de várias maneiras, as quais serão demonstrá-las posteriormente.