Capacitores

 

Introdução aos capacitores

Capacitores são dispositivos passivos simples que podem armazenar uma carga elétrica em suas placas quando conectados a uma fonte de tensão

O capacitor é um componente que tem a capacidade ou “capacidade” de armazenar energia na forma de uma carga elétrica produzindo uma diferença de potencial ( tensão estática ) em suas placas, bem como uma pequena bateria recarregável.

Existem muitos tipos diferentes de capacitores disponíveis, desde pequenas esferas de capacitor usadas em circuitos de ressonância até grandes capacitores de correção de fator de potência, mas todos eles fazem a mesma coisa, armazenam carga.

Em sua forma básica, um capacitor consiste em duas ou mais placas condutoras paralelas (metal) que não estão conectadas ou se tocam, mas são separadas eletricamente pelo ar ou por algum tipo de um bom material isolante, como papel encerado, mica, cerâmica, plástico ou alguma forma de gel líquido como usado em capacitores eletrolíticos. A camada isolante entre as placas dos capacitores é comumente chamada de dielétrico .

Devido a essa camada isolante, a corrente CC não pode fluir através do capacitor, pois o bloqueia, permitindo que uma tensão esteja presente nas placas na forma de uma carga elétrica.

As placas de metal condutora de um capacitor podem ser quadradas, circulares ou retangulares, ou podem ser de forma cilíndrica ou esférica com a forma geral, tamanho e construção de um capacitor de placas paralelas, dependendo de sua aplicação e tensão nominal.

Quando usado em um circuito de corrente contínua ou CC, um capacitor carrega até sua tensão de alimentação, mas bloqueia o fluxo de corrente através dele porque o dielétrico de um capacitor é não condutor e basicamente um isolante. No entanto, quando um capacitor é conectado a uma corrente alternada ou circuito CA, o fluxo da corrente parece passar direto pelo capacitor com pouca ou nenhuma resistência.

Existem dois tipos de carga elétrica, uma carga positiva na forma de prótons e uma carga negativa na forma de elétrons. Quando uma tensão CC é colocada em um capacitor, a carga positiva (+ve) se acumula rapidamente em uma placa, enquanto uma carga negativa (-ve) correspondente e oposta se acumula na outra placa. Para cada partícula de carga +ve que chega a uma placa, uma carga de mesmo sinal sairá da placa -ve.

Então as placas permanecem com carga neutra e uma diferença de potencial devido a esta carga é estabelecida entre as duas placas. Uma vez que o capacitor atinge sua condição de estado estacionário, uma corrente elétrica é incapaz de fluir através do próprio capacitor e ao redor do circuito devido às propriedades isolantes do dielétrico usado para separar as placas.

O fluxo de elétrons nas placas é conhecido como corrente de carga do capacitor, que continua a fluir até que a tensão em ambas as placas (e, portanto, no capacitor) seja igual à tensão aplicada Vc . Neste ponto, diz-se que o capacitor está “totalmente carregado” com elétrons.

A força ou taxa desta corrente de carga está em seu valor máximo quando as placas estão totalmente descarregadas (condição inicial) e reduz lentamente em valor para zero à medida que as placas carregam até uma diferença de potencial entre as placas dos capacitores igual à tensão da fonte.

A quantidade de diferença de potencial presente no capacitor depende de quanta carga foi depositada nas placas pelo trabalho realizado pela tensão da fonte e também de quanta capacitância o capacitor possui e isso é ilustrado abaixo.

O capacitor de placas paralelas é a forma mais simples de capacitor. Pode ser construído utilizando duas chapas metálicas ou metalizadas a uma distância paralela entre si, com seu valor de capacitância em Farads, sendo fixada pela área superficial das chapas condutoras e pela distância de separação entre elas. A alteração de quaisquer dois desses valores altera o valor de sua capacitância e isso forma a base de operação dos capacitores variáveis.

Além disso, como os capacitores armazenam a energia dos elétrons na forma de uma carga elétrica nas placas, quanto maiores as placas e/ou menor sua separação, maior será a carga que o capacitor mantém para qualquer tensão entre suas placas. Em outras palavras, placas maiores, distância menor, mais capacitância.

Ao aplicar uma tensão a um capacitor e medir a carga nas placas, a razão entre a carga Q e a tensão V dará o valor da capacitância do capacitor e, portanto, é dado como: C = Q/V esta equação também pode ser re -arranjado para dar a fórmula familiar para a quantidade de carga nas placas como: Q = C x V

Embora tenhamos dito que a carga é armazenada nas placas de um capacitor, é mais exato dizer que a energia dentro da carga é armazenada em um “campo eletrostático” entre as duas placas. Quando uma corrente elétrica flui para o capacitor, ele carrega, então o campo eletrostático se torna muito mais forte, pois armazena mais energia entre as placas.

Da mesma forma, à medida que a corrente flui para fora do capacitor, descarregando-o, a diferença de potencial entre as duas placas diminui e o campo eletrostático diminui à medida que a energia se move para fora das placas.

A propriedade de um capacitor de armazenar carga em suas placas na forma de um campo eletrostático é chamada de Capacitância do capacitor. Não apenas isso, mas a capacitância também é a propriedade de um capacitor que resiste à mudança de tensão através dele.

A capacitância de um capacitor

Capacitância é a propriedade elétrica de um capacitor e é a medida da capacidade de um capacitor de armazenar uma carga elétrica em suas duas placas com a unidade de capacitância sendo o Farad (abreviado para F ) em homenagem ao físico britânico Michael Faraday.

A capacitância é definida como sendo que um capacitor tem a capacitância de Um Farad quando uma carga de Um Coulomb é armazenada nas placas por uma tensão de Um volt . Observe que a capacitância C é sempre positiva em valor e não tem unidades negativas. No entanto, o Farad é uma unidade de medida muito grande para usar por conta própria, então submúltiplos do Farad são geralmente usados, como micro-farads, nano-farads e pico-farads, por exemplo.

Unidades padrão de capacitância

·       Microfarad (μF)    1μF = 1/1.000.000 = 0,000001 = 10 -6 F

·       Nanofarad (nF)    1nF = 1/1.000.000.000 = 0,000000001 = 10 -9 F

·       Picofarad (pF)    1pF = 1/1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10 -12 F

Em seguida, usando as informações acima, podemos construir uma tabela simples para nos ajudar a converter entre pico-Farad (pF), nano-Farad (nF), micro-Farad (μF) e Farads (F), conforme mostrado.

Pico-Farad (pF)	Nano-Farad (nF)	Micro-Farad (μF)	Farad (F)
1.000	1,0	0,001
10.000	10,0	0,01
1.000.000	1.000	1,0
	10.000	10,0
	100.000	100
	1.000.000	1.000	0,001
		10.000	0,01
		100.000	0,1
		1.000.000	1,0

Capacitância de um capacitor de placas paralelas

A capacitância de um capacitor de placas paralelas é proporcional à área, A em metros 2 da menor das duas placas e inversamente proporcional à distância ou separação, d (ou seja, a espessura dielétrica) dada em metros entre essas duas placas condutoras.

A equação generalizada para a capacitância de um capacitor de placas paralelas é dada como: C =  ε (A/d) onde ε representa a permissividade absoluta do material dielétrico que está sendo usado. A constante dielétrica, ε o também conhecida como “permissividade do espaço livre” tem o valor da constante 8,854 x 10 -12 Farads por metro.

Para tornar a matemática um pouco mais fácil, esta constante dielétrica do espaço livre, ε o , que pode ser escrita como: 1/(4π x 9×10 9 ) , também pode ter as unidades de picofarads (pF) por metro como a constante dando: 8,85 pelo valor do espaço livre. Observe que o valor de capacitância resultante estará em picofarads e não em farads.

Geralmente, as placas condutoras de um capacitor são separadas por algum tipo de material isolante ou gel em vez de um vácuo perfeito. Ao calcular a capacitância de um capacitor, podemos considerar a permissividade do ar, e especialmente do ar seco, como sendo o mesmo valor do vácuo, pois são muito próximos.

Exemplo de Capacitância Nº1

Um capacitor é construído a partir de duas placas de metal condutoras de 30 cm x 50 cm, espaçadas 6 mm uma da outra, e usa ar seco como seu único material dielétrico. Calcule a capacitância do capacitor.

Então o valor do capacitor que consiste em duas placas separadas por ar é calculado como 0,221nF, ou 221pF.

O dielétrico de um capacitor

Assim como o tamanho total das placas condutoras e sua distância ou espaçamento entre si, outro fator que afeta a capacitância geral do dispositivo é o tipo de material dielétrico que está sendo usado. Em outras palavras, a “Permissividade” ( ε ) do dielétrico.

As placas condutoras de um capacitor são geralmente feitas de uma folha de metal ou um filme de metal permitindo o fluxo de elétrons e carga, mas o material dielétrico usado é sempre um isolante. Os vários materiais isolantes usados ​​como dielétrico em um capacitor diferem em sua capacidade de bloquear ou passar uma carga elétrica.

Este material dielétrico pode ser feito de vários materiais isolantes ou combinações desses materiais, sendo os tipos mais comuns: ar, papel, poliéster, polipropileno, Mylar, cerâmica, vidro, óleo ou uma variedade de outros materiais.

O fator pelo qual o material dielétrico, ou isolante, aumenta a capacitância do capacitor em relação ao ar é conhecido como Constante Dielétrica , k e um material dielétrico com uma constante dielétrica alta é um isolante melhor do que um material dielétrico com uma constante dielétrica mais baixa. . A constante dielétrica é uma quantidade adimensional, pois é relativa ao espaço livre.

A permissividade real ou “permissividade complexa” do material dielétrico entre as placas é então o produto da permissividade do espaço livre ( ε o ) e a permissividade relativa ( εr ) do material sendo usado como dielétrico e é dada como:

Permissividade Complexa

Em outras palavras, se tomarmos a permissividade do espaço livre, ε o como nosso nível base e igualarmos a um, quando o vácuo do espaço livre for substituído por algum outro tipo de material isolante, sua permissividade de seu dielétrico é referenciada a o dielétrico de base do espaço livre dando um fator de multiplicação conhecido como “permissividade relativa”, ε r . Assim, o valor da permissividade complexa, ε , será sempre igual à permissividade relativa vezes um.

Unidades típicas de permissividade dielétrica, ε ou constante dielétrica para materiais comuns são: Vácuo Puro = 1,0000, Ar = 1,0006, Papel = 2,5 a 3,5, Vidro = 3 a 10, Mica = 5 a 7, Madeira = 3 a 8 e Óxido de Metal Pós = 6 a 20 etc. Isso nos dá uma equação final para a capacitância de um capacitor como:

Um método usado para aumentar a capacitância geral de um capacitor mantendo seu tamanho pequeno é “intercalar” mais placas juntas dentro de um único corpo de capacitor. Em vez de apenas um conjunto de placas paralelas, um capacitor pode ter muitas placas individuais conectadas, aumentando assim a área da superfície, A das placas.

Para um capacitor de placas paralelas padrão como mostrado acima, o capacitor tem duas placas, rotuladas A e B . Portanto, como o número de placas do capacitor é dois, podemos dizer que n = 2 , onde “n” representa o número de placas.

Então nossa equação acima para um único capacitor de placas paralelas deve ser:

No entanto, o capacitor pode ter duas placas paralelas, mas apenas um lado de cada placa está em contato com o dielétrico no meio, pois o outro lado de cada placa forma a parte externa do capacitor. Se pegarmos as duas metades das placas e as juntarmos, efetivamente teremos apenas “uma” placa inteira em contato com o dielétrico.

Quanto a um único capacitor de placa paralela, n – 1 = 2 – 1 que é igual a 1 como C = (ε o *ε r x 1 x A)/d é exatamente o mesmo que dizer: C = (ε o *ε r * A)/d que é a equação padrão acima.

Agora suponha que temos um capacitor composto de 9 placas intercaladas, então n = 9 como mostrado.

Capacitor multiplaca

Agora temos cinco placas conectadas a um fio ( A ) e quatro placas ao outro fio ( B ). Então AMBOS os lados das quatro placas conectadas ao condutor B estão em contato com o dielétrico, enquanto apenas um lado de cada uma das placas externas conectadas a A está em contato com o dielétrico. Então, como acima, a área útil da superfície de cada conjunto de placas é de apenas oito e sua capacitância é, portanto, dada como:

Os capacitores modernos podem ser classificados de acordo com as características e propriedades de seu dielétrico isolante:

§  Baixa perda, alta estabilidade , como mica, cerâmica de baixo K, poliestireno.

§  Perda média, estabilidade média , como papel, filme plástico, cerâmica de alto K.

§  Capacitores polarizados como eletrolíticos, tântalo.

Classificação de tensão de um capacitor

Todos os capacitores têm uma tensão nominal máxima e, ao selecionar um capacitor, deve-se considerar a quantidade de tensão a ser aplicada no capacitor. A quantidade máxima de tensão que pode ser aplicada ao capacitor sem danos ao seu material dielétrico é geralmente dada nas folhas de dados como: WV , (tensão de trabalho) ou como WV DC , (tensão de trabalho CC).

Se a tensão aplicada no capacitor se tornar muito grande, o dielétrico se romperá (conhecido como ruptura elétrica) e ocorrerá um arco entre as placas do capacitor, resultando em um curto-circuito. A tensão de trabalho do capacitor depende do tipo de material dielétrico que está sendo usado e sua espessura.

A tensão de trabalho CC de um capacitor é exatamente isso, a tensão CC máxima e NÃO a tensão CA máxima como um capacitor com uma tensão nominal de 100 volts CC não pode ser submetido com segurança a uma tensão alternada de 100 volts. Uma vez que uma tensão alternada com valor RMS de 100 volts terá um valor de pico superior a 141 volts! ( √ 2  x 100 ).

Então, um capacitor que é necessário para operar em 100 volts AC deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 200 volts. Na prática, um capacitor deve ser selecionado de modo que sua tensão de trabalho seja CC ou CA seja pelo menos 50% maior do que a tensão efetiva mais alta a ser aplicada a ele.

Outro fator que afeta a operação de um capacitor é o vazamento dielétrico . O vazamento dielétrico ocorre em um capacitor como resultado de uma corrente de fuga indesejada que flui através do material dielétrico.

Geralmente, assume-se que a resistência do dielétrico é extremamente alta e um bom isolante bloqueando o fluxo de corrente contínua através do capacitor (como em um capacitor perfeito) de uma placa para a outra.

No entanto, se o material dielétrico for danificado devido a tensão excessiva ou temperatura excessiva, a corrente de fuga através do dielétrico se tornará extremamente alta, resultando em uma rápida perda de carga nas placas e um superaquecimento do capacitor, resultando em falha prematura do capacitor. Então, nunca use um capacitor em um circuito com tensões mais altas do que o capacitor é classificado, caso contrário, ele pode ficar quente e explodir.

Introdução aos Capacitores Resumo

Vimos neste tutorial que o trabalho de um capacitor é armazenar carga elétrica em suas placas. A quantidade de carga elétrica que um capacitor pode armazenar em suas placas é conhecida como valor de capacitância e depende de três fatores principais.

·    Área de Superfície  – a área de superfície, A das duas placas condutoras que compõem o capacitor, quanto maior a área, maior a capacitância.

·       Distância  – a distância, d entre as duas placas, quanto menor a distância, maior a capacitância.

·     Material dielétrico  – o tipo de material que separa as duas placas chamado de “dielétrico”, quanto maior a permissividade do dielétrico maior a capacitância.

Vimos também que um capacitor consiste em placas de metal que não se tocam, mas são separadas por um material chamado dielétrico. O dielétrico de um capacitor pode ser ar, ou mesmo vácuo, mas geralmente é um material isolante não condutor, como papel encerado, vidro, mica, diferentes tipos de plásticos etc. O dielétrico oferece as seguintes vantagens:

·       A constante dielétrica é a propriedade do material dielétrico e varia de um material para outro aumentando a capacitância por um fator de k .

·       O dielétrico fornece suporte mecânico entre as duas placas, permitindo que as placas fiquem mais próximas sem se tocarem.

·       A permissividade do dielétrico aumenta a capacitância.

·       O dielétrico aumenta a tensão máxima de operação em comparação com o ar.

Os capacitores podem ser usados ​​em muitas aplicações e circuitos diferentes, como bloqueio de corrente CC durante a passagem de sinais de áudio, pulsos ou corrente alternada ou outras formas de onda que variam no tempo. Essa capacidade de bloquear correntes CC permite que os capacitores sejam usados ​​para suavizar as tensões de saída das fontes de alimentação, para remover picos indesejados de sinais que, de outra forma, tenderiam a causar danos ou disparos falsos de semicondutores ou componentes digitais.

Os capacitores também podem ser usados ​​para ajustar a resposta de frequência de um circuito de áudio ou para acoplar estágios de amplificador separados que devem ser protegidos da transmissão de corrente CC.

Quando usado em fontes DC um capacitor tem impedância infinita (circuito aberto), em frequências muito altas um capacitor tem impedância zero (curto-circuito). Todos os capacitores têm uma tensão nominal máxima de trabalho DC (WVDC), portanto, é aconselhável selecionar um capacitor com uma tensão nominal pelo menos 50% maior que a tensão de alimentação.

Há uma grande variedade de estilos e tipos de capacitores, cada um com suas próprias vantagens, desvantagens e características. Incluir todos os tipos tornaria esta seção do tutorial muito grande, portanto, no próximo tutorial sobre A Introdução aos Capacitores , vou limitá-los aos tipos mais usados.