Capacitores Introdução
O capacitor se parece um pouco com uma bateria. Embora funcionem de maneira ira totalmente diferente, tanto os capacito itores como as baterias armazenam energia elétrica. Então já sabe que uma pilha (ou uma bateria, de modo mais genérico) possui dois pólos (ou terminais). Dentro da pilh pilha, a, reaç reaçõe õess qu quím ímic icas as prod produz uzem em elét elétro rons ns em um term termin inal al e ab abso sorv rvem em elétrons no outro. O capacitor é um dispositivo muito mais simples, e não pode produzir novos elétrons - ele apenas os armazena. Definição
É um componente constituído por dois condutores separados por um isolante: os condutores são chamados 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 de circuitos elétricos o capacitor é representado da maneira mostrada na Fig-3.
Um capacitor apresenta uma característica elétrica dominante que é simples, elementar. Apresenta uma proporcionalidade entre corrente entre seus terminais e a variação da diferença de potencial elétrico nos terminais. Ou seja, possui uma característica elétrica dominante com a natureza de uma capacitância. Um capacitor é fundamentalmente um armazenador de energia sob a forma de um campo eletrostático. Em um capacitor pequeno, a capacidade é pequena. Porém capacitores grandes podem armazenar uma carga considerável. Você poderá encontrar capacitores do tamanho de latas de refrigerante, por exemplo, que armazenam
carga suficiente para acender o bulbo de uma lâmpada de flash por um minuto ou mais. Quando você vê relâmpagos no céu, o que você está vendo é um imenso capacitor onde uma placa é a nuvem e a outra placa é o solo, e o relâmpago é a liberação da carga entre essas duas "placas". Obviamente, um capacitor tão grande pode armazenar uma enorme quantidade de carga. Digamos que você conecte um capacitor desta maneira:
Você tem uma pilha, uma lâmpada e um capacitor. Se o capacitor for grande, você notará que, quando conecta a pilha, a lâmpada se acenderá à medida que a corrente flui da pilha para o capacitor e o carrega. A lâmpada diminuirá sua luminosidade progressivamente até finalmente apagar, assim que o capacitor atingir sua capacidade. Então você poderá remover a pilha e substituí-la por um fio elétrico. A corrente fluirá de uma placa do capacitor para a outra. A lâmpada acenderá e então começará a diminuir cada vez mais sua lum luminos inosid idaade, at atéé apa paga garr as asssim que o ca cappac acititor or estiv stiveer tota totalm lmen ente te descarregado (o mesmo número de elétrons nas duas placas). 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). Capacitores Eletrolíticos (Capacitores Eletroquímicos)
Alumínio é o material usado para os eletrodos. Grandes valores de capacitância podem ser obtidos em comparação com o tamanho do capacitor dev evid idoo a peq eque uena na es esppes esssura ura do die dielétr létric icoo ser ex extr trem emam ameente nte fina fina.. Uma das principais principais característic características as de um capacito capacitorr eletrolítico eletrolítico é que eles tem polaridade (terminal positivo e terminal negativo). Isso significa que deveremos ter cuidado ao conecta-los ao circuito. Se o capacitor for submetido a uma tensão maior que a de trabalho ou se a polaridade for invertida ele pode ser danificado ( pode explodir!). Geralmente em um diagrama o lado positivo é indicado com um "+" (mai (mais) s),, ma mass po pode de se serr qu quee o te term rmin inal al co com m indi indica caçã çãoo se seja ja o ne nega gatitivo vo.. A faixa de valores pode variar de de 1µF a milhares de de µF. Esse Esse tipo de capacitor capacitor é us usado ado princi principal palmen mente te em fon fontes tes de alimen alimentaç tação, ão, para para dim diminu inuir ir o ripple.
Como, construtivamente esse capacitor é similar a uma bobina (é uma fita de alumínio enrolada) ele não é adequado para se usado em altas freqüências. A figura seguir mostra de diversos tipos de eletrolíticos. eletrolíticos.
Na da esquerda para a direita: 1µF (50V) diâmetro 5 mm, altura 12 mm 47µF (16V) diâmetro 6 mm, altura5 mm 100µF (25V) diâmetro 5 mm, altura11 mm 220µF (25V) diâmetro 8 mm, altura12 mm 1000µF (50V) diâmetro18 mm, altura40 mm Capacitores de Tântalo
Capacitor Capaci tores es de tân tântal taloo são cap capac acito itores res ele eletro trolíti líticos cos que usa usam m um mate ma teri rial al ch cham amad adoo de tâ tânt ntal aloo pa para ra os elet eletro rodo dos. s. Gran Grande dess va valo lore ress de der r capacitânc capa citância ia similares similares ao de alum alumínio ínio pode podem m ser obtidas. obtidas. Capacitores Capacitores de tântal tân taloo são superio superiores res ao de alumínio alumínio no que se refere refere à tem temper peratu atura ra e freqüência de operação. operação. Usualmente o símbolo símbolo "+" é usado para indicar indicar o pólo positivo. Capacitores de tântalo são um pouco mais caro que os de alumínio. São usados em circuitos que precisam que o valor da capacitância seja constante com a temperatura e freqüência
A foto mostra capacitores de tântalo. Os valores são os seguintes da esquerda para a direita:
0.33 µF (35V) 0.47 µF (35V) 10 µF (35V O símbolo "+" é usado para mostrar o terminal positivo. Capacitores Cerâmicos
Internamen Internamente te esses capacitor capacitores es não tem estrutura estrutura de bobin bobinas, as, por isso mesmo podem ser usados usados em aplicações aplicações de alta freqüência. Tipicamente Tipicamente são usado usadoss em circuito circuitoss que ate aterra rram m sinais sinais de alta freqüên freqüência cia.. Esses capacitores tem a forma de um disco. Na figura a seguir o capacitor à esquerda é de 100pF com diâmetro de cerca de 3mm. O capacitor da direita tem impresso impresso 103, significando significando 10 x 103pF que é 0.01 µF, o disco tem cerca de 6mm.
Capacitores de Filme de Poliestireno
Nestes capacitores, um filme de poliestireno poliestireno é usado como como dielétrico. Este tipo de capacitor capacitor não pode ser usado em circuitos circuitos de altas freqüências freqüências,, pois eles são construídos com estruturas de bobinas. São usados em circuitos de filtro e circuitos de tempo que operem até algumas centena de KHz ou menos. O capacitor capacitor da esquerda tem uma altura de 10 mm, mm, 5 mm de grossura, grossura, e é de 100pF. O capacitor do meio tem uma altura de 10 mm, 5.7 mm de grossura, e é de 1000pF.Estes capacitores não não tem polaridade. polaridade.
Capacitores de Filme de Poliéster
Estes capacitores usam um fino filme de poliéster como dielétrico, dielétrico, sua tolerância é de cerca ±5% to ±10% Na foto abaixo da esquerda para a direita Capacitância: 0.001 µF µF (impresso (impresso 001K) Largura: 5 mm Altura: 10 mm Espessura: 2 mm Capacitância : 0.1 µF (impresso (impresso 104K) Largura: 5 mm Altura: 11 mm Espessura: 5 mm Capacitância : 0.22 µF (impresso (impresso 22K) Largura: 13 mm Altura: 18 mm Espessura: 7
mm
Muito cuidado deve ser tomado pois diferentes fabricantes usam métodos diferentes para especificar a capacitância
Aqui estão outros capacitores de filme de poliéster
Começando da esquerda : Capacitância : 0.0047 µF (impresso (impresso 472K) Largura: 4 mm Altura : 6 mm Espessura: 2 mm Capacitância : 0.0068 µF (impresso (impresso 682K) Largura: 4 mm Altura : 6 mm Espessura: 2 mm Capacitância : 0.47 µF (impresso (impresso 474K) Largura: 11 mm Altura : 14 mm Espessura: 7 mm Estes capacitores não tem polaridade .
Capacitores de Polipropileno
São usa usados dos qua quando ndo hou houver ver nec necess essida idade de de peq pequen uenaa tol tolerâ erânci ncia. a. A capacitância destes capacitores praticamente não muda .Estes capacitores tem uma tolerância de ±1%. Na foto alguns exemplo de capacitores de polipropileno.
Capacitores de Mica
Nesses Ness es ca capa paci cito tore ress a mi mica ca é us usad adaa co como mo diel dielét étric rico. o. tem tem bo boaa estab est abilid ilidade ade por que o seu coefic coeficien iente te de tem temper peratu atura ra é peq pequen ueno. o. Tem também excelentes excelentes características de freqüência, sendo sendo usados em circuitos
ressonantes e filtros de alta freqüência . Como tem boa isolação, sendo sendo ideais para circuitos de alta tensão. Capacitores de mica mica não possuem grandes grandes valores de capacitância, e são relativamente caros .Estes capacitores não tem polaridade
Capacitores variáveis capacitores variáveis variáveis, cujas capacitâncias Há dois tipos distintos de capacitores podem ser mudadas intencionalmente e repetidamente ao longo da vida do dispositivo:
Aqueles que usam uma construção mecânica para mudar a distância entr en tree as plac placas as,, ou a su supe perf rfíc ície ie da área área da dass plac placas as su supe perp rpos osta tas. s. Esse Essess disp dispos osititiv ivos os sã sãoo ch cham amad ados os ca capa paci cito tores res de si sint nton onia ia,, ou sim simple plesm sment entee "capacitores variáveis", e são usados em equipamentos de telecomunicação para sintonia e controle de freqüências.Neste tipo de capacitor o elemento dielétrico é o próprio ar. Aqueles que usam o fato de que a espessura da camada de depleção de um diodo varia com a tensão da corrente contínua atravessando o diodo. Esses diod diodos os sã sãoo ch cham amad ados os de dio diodos dos de cap capaci acitân tância cia var variáv iável el,, va vara ract ctor ores es ou vari va rica caps ps.. Qu Qual alqu quer er diod diodoo ex exib ibee es esse se efeit efeito, o, ma mass disp dispos osititiv ivos os ve vend ndid idos os especificamente como varactores têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem especificamente dimensionado para maximizar a capacitância. Em um capacitor microfone capacitor microfone (comumente conhecido como um microfone condensador), o diafragma age como uma placa do capacitor, e as vibrações produzem alterações na distância entre o diafragma e uma placa fixa, alterando a tensão entre as placas.
Capacitor variável de sintonia de rádio
Tabela comparativa dos tipos de capacitores
Aplicação do capacitor na indústria.
Capacitores são comumente usados em fontes de energia onde elas suavizam a saída de uma onda retificada completa ou meia onda. Por passarem sinais de Corrente Alternada mas bloquearem Corrente Contín Con tínua, ua, cap capaci acitor tores es são freqüe freqüente nteme mente nte us usado adoss para para sep separa ararr circuit circuitos os Corren Corrente te alt altern ernada ada de corren corrente te con contin tinua. ua. Este Este mét método odo é con conhec hecido ido com comoo acoplamento AC . Capacitores também são usados na correção de fator de potência. potência. Tais capacitores freqüentemente vêm como três capacitores conectados como uma carga trifásica trifásica.. Geralmente, os valores desses capacitores não são dados pela sua capacitância, mas pela sua potência reativa em var. São empregados nos mais variados circuitos elétricos e desempenham sempre um papel muito importante, que é o de armazenar cargas elétricas para depois dep ois des descar carreg regá-la á-lass em um det determ ermina inado do mo mome mento nto esp especí ecífic fico. o. Eles Eles são utilizados, por exemplo, em circuitos retificadores, circuitos ressonantes e em divisores de freqüências. Em um rádio, a antena capta as ondas que são emitidas pelas estações transmissoras e cada estação possui uma freqüência determ det ermina inada. da. Na ant antena ena há um recept receptor or que sin sinton toniza iza inú inúmer meras as est estaçõ ações es graças ao circuito ressonante. Esse circuito transforma corrente alternada em corrente contínua e é constituído basicamente por um capacitor variável que fica fica em pa para rale lelo lo co com m um umaa bo bobi bina na.. Para Para ca cada da va valo lorr de ca capa paci citâ tânc ncia ia do capacitor, o receptor ajusta o aparelho de rádio ao comprimento de onda que é transmitido pela emissora de rádio, ou seja, ele sintoniza a estação de rádio que corresponde a uma freqüência de onda específica. Os capacitores têm uma propriedade que é a de bloquear correntes cont co ntín ínua uass e alte altern rnad adas as de ba baix ixas as freqü freqüên ênci cias as e faci facilit litar ar a pa pass ssag agem em de correntes alternadas de altas freqüências. Essa propriedade é utilizada para separar sons agudos de uma música, por exemplo, encaminhando esses sons para os alto-falantes que são adequados para fazer a reprodução desse tipo de
som. Esses auto-falantes são chamados de tweeter. Os sons graves são sons de baixas freqüências, e eles são reproduzidos pelos chamados woofers. Um capacitor, com capacitância e tipo adequado, faz o bloqueio dessas baixas freqüências deixando passar somente os sons de freqüências mais elevadas, que são os sons agudos. Dessa forma, ocorre a separação de sons agudos e graves. Capacitância.
A capa capacitân citância cia ou capa capacida cidade de é a grandeza grandeza elétrica de um capacitor , determinada pela quantidade de energia elétrica que pode ser armazenada em si por uma determinada tensão e pela quantidade de corrente alternada que o atravessa atravessa numa determinada determinada freqüência freqüência.. Sua Sua unida idade é dad adaa em farad (símbolo F), que é o valor que deixará passar uma corrente de 1 ampere quando a tensão estiver variando na razão de 1 volt por segundo. Assim, podese definir a expressão da capacitância com:
Onde q é a quantidade de carga, dada em Coulomb e U é o potencial eletrostático, dado em Volts Volts.. Para um determinado material, a sua capacitância depende somente de suas dimensões. Quanto maior for o material, maior capacitância ele terá. A cap apac acititân ânci ciaa ve veri rififica ca-s -see se semp mpre re qu quee do dois is condutores estejam separados por um material isolante. É possível calcular a energia potencial elétrica do corpo eletrizado, que é a área do triângulo formado no gráfico cartesiano VxQ:
ou A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sobb a fo so form rmaa de um ca camp mpoo elet eletro rost stát átic icoo é ch cham amad adaa de capacitância ou capa ca paci cida dade de (C) (C) e é me medi dida da pe pelo lo qu quoc ocien iente te da qu quan antid tidad adee de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:
Pelo Pelo Siste Sistema ma In Inte tern rnac acio iona nall de Un Unid idad ades es (SI SI), ), um ca capa paci cito torr tem tem a capaci cap acitân tância cia de um farad (F) (F) qu quan ando do um coulomb de ca carg rgaa ca caus usaa um umaa diferença de potencial de um volt (V) entre as placas. O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são
utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF). A equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron (e = 1,602 × 10−19 C). Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 µV, a equação perderia uma carga Q = 10−19 C, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias. fracionárias. A cap capaci acitân tância cia de um cap capaci acitor tor,, é um umaa co const nstant antee caract caracterí erísti stica ca do componente, assim, ela vai depender de certos fatores próprios do capacitor. A área das armaduras, por exemplo, influi na capacitância, que é tanto maior quanto maior for o valor desta área. Em outras palavras, a capacitância C é proporcional à área A de cada armadura, ou seja: A espessura do dielétrico é um outro fator que influi na capacitância. Verifica-se que quanto menor for a distância d entre as armaduras maior será a capacitância C do componente. 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 Associação de capacitores.
Em geral, os circuitos elétricos e eletrônicos são constituídos de vários compon com ponent entes, es, associ associado adoss de dif difere erente ntess ma manei neiras ras.. Um Umaa forma forma sim simple pless de abordar esse tipo de problema é considerar a associação dos componentes de um mesmo tipo. Assi Assim m co com mo os ap apar arel elho hoss em ge gera ral,l, os ca capa paci cito tore ress po pode dem m se ser r associados de vários modos, sendo os principais em série e em paralelo. Se numa associação encontramos ambos os tipos, chamaremos de associação mista. Esses são elementos de circuito elétrico que tem como principal função o armazenamento de cargas elétricas. Essas associações têm como objetivo obter a capacitância desejada. Associaçao em Paralelo
Nesse tipo de associação, os capacitores são ligados da seguinte forma: a armadura positiva de um capacitor é ligada com a armadura negativa do outro out ro cap capaci acitor tor e assim assim sucess sucessiva ivame mente nte.. Para Para det determ ermina inarr a cap capaci acitân tância cia equivalente de uma associação de dois ou mais capacitores. Em um circ circui uito to de ca capa paci cito tore ress mo mont ntad ados os em paralelo tod todos os serão serão expostos à mesma tensão. Para acharmos a sua capacidade total ( C eq eq) usamo a seguinte fórmula:
O que caracteriza esse tipo de associação é a igualdade de potencial entre as placas dos capacitores. Na ilustração, as placas superiores estão com o mesmo potencial, dado pelo pólo positivo da baterial. Da mesma forma, as plac placas as inf infer erio iore ress es estã tãoo co com m o me mesm smoo po pote tenc ncia iall ne nega gatitivo vo.. Porta Portant nto, o, as diferenças de potencial são iguais, i.e., V1=V2=V. A corrente que flui através de capacitores em série é a mesma, porém cada capacitor terá uma diferença de potencial entre seus terminais, diferente. A soma da tensão será igual a diferença de potencial total. Propriedades
Na as asso soci ciaç ação ão em pa para ralel lelo, o, a ca capa paci citâ tânc ncia ia eq equiv uivale alent ntee do conjunto, será maior do que a maior das capacitâncias utilizadas; Como as tensões são iguals nos dois capacitores em paralelo, a carga do maior capacitor será a maior das cargas; Se os capacitores ligados em paralelo forem iguais , a carga de ambo am boss se será rá a mes esm ma e a ca capa paci citâ tânc ncia ia eq equi uiva vale lent ntee se será rá , o do dobr broo da capacitância de um dos capacitores; Para uma associação em paralelo de capacitores teremos •
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Capacitores são ditos estarem em conectados em paralelo quando a diferença de potencial entre as placas de cada um deles é a mesma para todos eles. Associaçao em Série.
No caso da associação em série , é fácil concluir que são iguais as cargas acumuladas nas placas de todos os capacitores. Então, se as cargas são iguais, mas as capacitâncias são diferentes, então os potenciais também serão diferentes. Em paralelo, as placas positivas dos capacitores são ligadas entre si, bem como as negativas. Para determinar a capacitância equivalente utiliza-se as mesmas régras dos resistores em paralelo.
Propriedades
Na associação em série, a capacitância equivalente do conjunto, será menor do que a menor das capacitâncias utilizadas; Como as cargas são iguals nos dois capacitores em série, a d.d.p. do maior capacitor será a menor; Se os capacitores ligados em série forem iguais , a d.d.p. de ambo am boss se será rá igua iguall a e a ca capa paccitân itânci ciaa eq equi uiva vale lent ntee se será rá , a me meta tade de da capacitância de um dos capacitores; Para uma associação em série de capacitores teremos •
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Capacitores são ditos estarem conectados em série quando a diferença de potencial que lhes é aplicada é igual a soma da ddp entre os terminais de cada capacitor. Associações Mistas
Quando temos associações mistas na mesma área do circuito temos que separar estas em duas partes para o cálculo da capacidade total. Primeiro fazemos o cálculo da parte em série e em seguida fazemos o cálculo da parte em paralelo já contando com o resultado da parte em série, então teremos o resultado da capacidade total.
Tens Tensão ão de trab trabal alho ho da asso associ ciaç ação ão de capa capaci cito tore res s em paralela.
Considere todos os capacitores associados em paralelo eles recebem a mesma tensão aplicada ao conjunto
Capacitores em paralelo recebendo a mesma tensão de 10V.Assim, a máxima tensão que pode ser aplicada a uma associação paralela é a daquele capacitor que tem menor tensão de trabalho. Tens Tensão ão de trab trabal alho ho da asso associ ciaç ação ão de capa capaci cito tore res s em série.
Quando se aplica uma tensão a uma associação série de capacitores a tensão aplicada se divide entre eles, como ilustrado.
A distribuição da tensão nos capacitores ocorre de forma inversamente proporcional à capacitância, ou seja: · Uma maior capacitância corresponde a uma menor tensão. · Uma menor capacitância corresponde a uma maior tensão. Em uma associação série de capacitores, a tensão se distribui de forma invers inv ersam ament entee propor proporcio cional nal à cap capaci acitân tância cia dos cap capaci acitor tores. es. O cap capac acito itorr de menor capacitância fica com a maior parcela da tensão total. A de dete term rmin inaç ação ão do va valo lorr de te tens nsão ão em ca cada da ca capa paci cito torr de um umaa associação série série é fei feita ta atravé atravéss das eq equaç uações ões da ele eletro trostá státic tica.C a.Como omo forma forma de simplificação, pode-se adotar um procedimento simples e que evita a aplicação de tensões excessivas a uma associação série de capacitores. Esse procedimento consiste em se associarem em série capacitores de mesma mes ma cap capaci acitân tância cia e me mesma sma ten tensão são de trabal trabalho ho.De .Desta sta forma, forma, a ten tensã sãoo aplicada se distribui igualmente sobre todos os capacitores. A abaixo ilustra este procedimento.
