Materiais Eletro-eletrônicos Aula de Capacitores Prof.f. Edilso Pro Edilsonn A. Camarg Camargoo
Objetivos Explicar
caracterí stica stica elétrica dominante. Descrever os processos construtivos. Fazer a leitura dos valores nominais.
De qu que é formado um um ca capacitor? O cap capac aciitor é for orm mad adoo de de dua duass pla placa cass met metál áliica cass, separadas por um material isolante denominado dielétrico. Utiliza-se como dielétrico o papel, a cerâmica, a mica, os materiais plásticos ou mesmo o ar.
Aplicações Capacitores são componentes eletrônicos que armazenam energia, em forma de campo elétrico, de uma forma que podem retorna-la ao circuto sempre que necessário. Sendo assim podem ser utilizados com o fim de eliminar sinais indesejados, oferecendo um caminho mais f ácil 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 aplica ções que requerem maior precisão, tais como os capacitores que determinam a freq üência de oscila ção de um circuito, possuem tolerâncias menores.
Fundamentos dos Capacitor Um capacitor capacitor (ou condensador) é um dispositivo dispositivo eletro-eletrôni eletro-eletrônico co que serve para armazenar armazenar energia elétrica no campo elétrico existente no seu interior. Para entendermos o seu funcionamento, vamos inicialmente considerar um corpo carregado ou um gerador de cargas elétricas conectado a uma esfera condutora de raio R, imersos num meio cuja constante eletrostática eletrostática é k, conforme conforme indica indica a figura abaixo.
Fundamentos dos Capacitor Através de um condutor, a esfera será eletrizada (carregada) por contato, com uma quantidade de carga Q. Sabemos, do estudo da Eletrostática que, o potencial elétrico formado na superfície de uma esfera condutora carregada é dado pela equação:
Onde: V = potencial elétrico na superfície da esfera, em Volts (V) Q = quantidade de carga, em Coulombs (C) R = raio da esfera, em Metros (m) k = constante eletrostática do meio (9 x 109 N.m2/C2, para o vácuo)
Fundamentos dos Capacitor
Operando esta equação obtemos:
Se aumentarmos a quantidade de carga Q na esfera, verificamos que o potencial elétrico V aumenta na mesma proporção, o que nos fornece a seguinte relação matemática:
Esta constante C, que depende do raio da esfera e do meio ou da quantidade de carga Q e do potencial elétrico V, é chamada Capacitância.
Concluindo: A Capacitância expressa a habilidade de um dispositivo armazenar cargas elétricas.
Exemplo:
Calcule o raio necessário para que uma esfera condutora apresente uma capacitância de 1F, no vácuo. Sabemos que:
então: Conclui-se que para uma esfera condutora possuir uma Capacitância de 1F, no vácuo, deverá ter um raio de 9.000.000.000m, ou um diâmetro de 18 bilhões de metros, maior que o Sol. Podemos perceber que a unidade Farad é muito grande e que capacitores esféricos não são eficientes.
O Capacitor de Placas Paralelas O Capacitor de Placas Paralelas é composto por duas placas condutoras paralelas ou eletrodos (também chamadas de Armaduras) separadas por um material dielétrico de espessura uniforme. As placas condutoras podem ser de qualquer material bom condutor de eletricidade. É comum o uso do alumínio e do cobre. O dielétrico deve ser um material mau condutor (um isolante). É comum o uso de materiais plásticos e cerâmicos e de óxidos isolantes.
O Carregamento de um Capacitor O que acontece no interior do capacitor? Como ele se carrega? Consideremos um capacitor está conectado a uma fonte de corrente contínua. O pólo positivo da bateria atrai os elétrons de uma placa deixando-a mais positiva (perdeu elétrons). Esta placa, por sua vez, atrai os elétrons do pólo negativo da bateria para a outra placa, deixando-a mais negativa (recebe elétrons). Desta forma estabelece-se um fluxo de elétrons (corrente elétrica) no circuito, apesar de não haver a passagem de cargas elétricas através do dielétrico do capacitor . As duas placas ficam carregadas com iguais quantidades de carga, porém de sinais contrários. Este processo continua até que o capacitor esteja plenamente carregado, quando então o fluxo de elétrons se interrompe.
Situação 1
Situação 2
Situação 3
Capacitor Carregado
Permissividade Elétrica e Constante Dielétrica Às cargas induzidas e a conseqüente polarização do dielétrico determinam a chamada “Permissividade Elétrica” - ε. Cada material dielétrico tem seu próprio valor de Permissividade, que nos dá uma noção da sua capacidade de se polarizar. Uma medida mais prática e mais conhecida é a chamada Permissividade Relativa ou Constante Dielétrica, K. “K” é a relação entre a permissividade do dielétrico do material em uso e a permissividade do vácuo. Portanto, todos os valores de Constante Dielétrica (ou Permissividade Relativa) são relacionados à permissividade do vácuo.
Observações:
· A Constante Dielétrica K (maiúsculo), a Permissividade Elétrica ε0e a Constante Eletrostática k (minúsculo) são valores relacionados entre si pelas equações:
TABELA DA CONSTANTE DIELÉTRICA (K) PARA DIVERSOS MATERIAIS
Cálculo da Capacitância Podemos, então, relacionar as grandezas que influem na capacitância de um capacitor: · Quanto maior a área das placas do capacitor, maior quantidade de elétrons – livres podemos obter para serem deslocados para o positivo da bateria. Portanto, mais carga será armazenada e será maior a capacitância. · Quanto maior a distância entre as placas , maior será a camada dielétrica, menor será a influência de uma placa sobre a outra, menor a quantidade de carga armazenada e portanto, menor a capacitância. · Quanto maior a constante dielétrica, mais polarizável é o dielétrico e, portanto, mais carga será possível armazenar nas placas até que se estabeleça o equilíbrio de tensões entre a fonte e o capacitor. Assim, a capacitância de um capacitor depende diretamente da área das placas e do tipo de material dielétrico usado (constante dielétrica K) e inversamente da distância entre as placas.
onde: C – Capacitância, em Farad (F) K – Constante Dielétrica, adimensional A – Área das Placas, em metros quadrados (m2) D – Distância entre as placas, em metros (m)
Principais Parâmetros dos Capacitores: Antes de estudarmos os tipos de capacitores, precisamos conhecer os seus principais parâmetros - É o valor de capacitância pelo qual o capacitor é denominado e para o qual foi fabricado. O valor real da capacitância pode apresentar um desvio (uma diferença), em relação ao valor nominal. Tolerância – a Tolerância é uma faixa de variação admissível para a capacitância que o capacitor realmente apresenta. O valor da Tolerância pode ser expresso em valor percentual da capacitância nominal ou através de um intervalo de variação admissível da capacitância nominal. Exemplo: Um Capacitor de 100pF (nominal) com tolerância 10% ou ± 10pF indica que a sua capacitância real pode estar entre 90pF e 110pF. Se medirmos a sua capacitância e o valor estiver nesta faixa, o capacitor estará dentro dos parâmetros. Caso contrário, estará fora de especificação. Tensão Nominal (VN) - É a tensão contínua máxima que pode ser aplicada a um capacitor, sem que ele se danifique. Tensão de Operação (Vop) – É a tensão na qual o capacitor opera sem reduzir sua vida útil. Este valor de tensão não deve ser superior à tensão nominal do capacitor. Tensão de Pico (Vp) - É a máxima tensão que pode ser aplicada num capacitor, por curtos períodos de tempo, até 5 vezes por minuto, durante 1 hora. Resistência Paralela (RP) - O Material dielétrico inserido entre as placas de um capacitor pode ser definido como um esistor de altíssimo valor ôhmico. A existência dessa resistência é comprovada pelo fato de um capacitor, uma vez carregado, não conservar a sua carga indefinidamente, pois a carga se escoa lentamente pelo dielétrico. Resistência Série Equivalente - RSE (ESR)- A resistência série equivalente é formada pelas resistências das placas, resistências de contato dos terminais com as placas e as resistências dos próprios terminais do capacitor. O circuito equivalente simplificado de um capacitor é apresentado na figura abaixo. Capacitância Nominal (CN)
Corrente de Fuga - É o fluxo de corrente através do dielétrico. Um baixo valor de corrente de fuga indica um dielétrico de
boa qualidade. Características de Temperatura
A temperatura de operação, temperatura à qual o capacitor está submetido, geralmente
Tipos de Capacitores Existem muitos tipos de capacitores para as mais diversas aplicações. Os capacitores são classificados, geralmente, com relação ao material do seu dielétrico. Os tipos mais comuns são: • • • • • •
Capacitores Cerâmicos (disco cerâmico, tipo “plate” e multicamadas); Capacitores de Filme Plástico (de poliéster, policarbonato, polipropileno e poliestireno); Capacitores de Mica; Capacitores Eletrolíticos de Alumínio; Capacitores Eletrolíticos de Tântalo; Capacitores Variáveis;
Capacitores de Mica São fabricados alternando-se películas de mica (silicato de alumínio) com folhas de alumínio. Sendo a mica um dielétrico muito estável e de alta resistividade, estes capacitores são utilizados em circuitos que trabalham com alta frequência (etapas osciladoras de radiofrequência). Suas capacitâncias variam de 5pF a 100 nF, apresentando elevada precisão.
Processos de Fabricação
Capacitores de papel Capacitores de filtro com dielétrico de papel são volumosos e seu valor é em geral limitado a menos do que 10 µ F. Eles não são polarizados e podem suportar altas tensões. Não áh fuga apreciável de corrente através de um destes capacitores. São fabricados enrolando-se uma ou mais folhas de papel entre folhas metálicas. Todo o conjunto é envolvido em resina termoplástica. Esse tipo de componente é barato sendo aplicado em usos gerais. Para melhorar as caracter ísticas o papel pode ser impregnado com óleo , o que ocasiona:
Aumento da rigidez dielé trica. Aumento da margem de temperatura de aplicaç ão do capacitor. Aplicaç ão de altas tensões.
Capacitores poliméricos
São fabricados com duas fitas finas de plástico metalizadas numa das faces, deixando, por ém, um trecho descoberto ao longo de um dos bordos, o inferior em uma das tiras, e o superior na outra. As duas tiras são enroladas uma sobre a outra, e nas bases do cilindro são fixados os terminais, de modo que ficam em contato apenas com as partes metalizadas das tiras. O conjunto é recoberto por um revestimento isolante. Estes capacitores são empregados em baixa e média freqüência e como capacitores de filtro e, às vezes, em alta freqüência. Têm a vantagem de atingir capacitâncias relativamente elevadas em tensões máximas que chegam a alcançar os 1000 V. Por outro lado, se ocorrer uma perfuração no dielétrico por excesso de tensão, o metal se evapora na área vizinha à perfuração sem que se produza um curto-circuito, evitando assim a destruição do componente.
Capacitores Stiroflex É o primeiro capacitor a utilizar o plástico como dielétrico, neste caso o poliestireno. Este material apresenta a constante dielétrica mais baixa entre os plásticos e não sofre influência das frequências altas. Do mesmo modo dos anteriores são enroladas folhas de poliestireno entre folhas de alumínio. As principais vantagens deste tipo de capacitor são: o reduzido fator de perda, alta precisão, tolerância baixa (em torno de 0,25 %), tensões de trabalho entre 30 e 600 V.
Processos de Fabricação
Capacitores de polipropileno O polipropileno é um plástico com propriedades análogas ao polietileno, e apresenta maior resistência ao calor, aos solventes orgânicos e a radiação. O modo de fabricação é o mesmo utilizado no capacitor de poliestireno. Estes componentes são ideais para aplicação em circuitos de filtros ou ressonantes.
Capacitores de poliéster Estes componentes foram criados para substituir os capacitores de papel, tendo como principais vantagens sobre os constituídos de papel: maior resistência mecânica, não é um material higroscó pico, suporta ampla margem de temperatura (-50 °C a 150 °C) com grande rigidez dielétrica. Por apresentar variaç ões de sua capacitância com a frequência, não são recomendados para aplicacão em dispositivos que operem em frequências superiores a MHz.
Os valores típicos são de 2pF a 10 µF com tensões entre 30 e 1000 V.
Valores para capacitores de Poliester Identificação dos Capacitores de Filme Plástico:
· Leitura Direta dos valores impressos: no corpo dos capacitores de filme plástico normalmente vêm indicadas a capacitância nominal (um número), a tolerância (em letra maiúscula) e a tensão nominal (um número com unidade, geralmente). Dicas: Se o valor impresso for maior que 1 , o valor é indicado em picofarads (pF) Se o valor impresso for menor que 1 , o valor é indicado em microfarads (mF) Tolerância: Usar a tabela abaixo para a determinar a tolerância Tensão: indicada diretamente no corpo do capacitor
Código de cores Os valores de capacitância são indicados em pF. Sendo usados , em geral, nos capacitores de poliéster metalizado.
Capacitores de policarbonato Idênticos aos de poliéster com valores típicos entre 1 nF e 10 µF com tensões de trabalho entre 60 e 1200 V.
Apresentação Capacitores
de polipropileno Capacitores de poliéster Capacitores de policarbonato
Processos de Fabricação
Capacitores cerâmicos Geralmente são constituídos de um suporte tubular de cerâmica, em cujas superf ícies interna e externa são depositadas finas camadas de prata às quais são ligados os terminais através de um cabo soldado sobre o tubo. Às vezes, os terminais são enrolados diretamente sobre o tubo. O emprego deste tipo de componente varia dos circuitos de alta freqüência, com modelos compensados termicamente e com baixa tolerância, aos de baixa freqüência, como capacitores de acoplamento e de filtro. Além dos tubulares, podem ser encontrados capacitores na forma de disco e de placa quebrada ou retangular.
Capacitores cerâmicos São os mais próximos aos capacitores ideais, pois apresentam: Indutância
parasitária praticamente nula Fator de potência nulo Alta constante dielétrica Capacitâncias entre frações de pF a 1 nF Ideais para circuitos sintonizadores.
Processos de Fabricação
Apresentação
Código para capacitores cerâmicos • • • • •
Identificação da Capacitância Nominal do Capacitor C erâmico:
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Os capacitores cerâmicos geralmente podem ser identificados por: Leitura direta em picofarads (pF ou 10-12F) no corpo do capacitor. Exemplo: marcação de 8200 indica capacitância de 8200pF. Um código de 3 algarismos , sendo que os dois primeiros indicam a unidade e a dezena e o terceiro algarismo indica o número de zeros, também em picofarads (pF). Exemplo: marcação de 104 indica capacitância de 100.000pF.
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Capacitores cerâmicos
Identificação quanto as características de temperatura Nos capacitores tipo TC (temperatura compensada) pode aparecer impresso no capacitor o coeficiente de temperatura (ex: NPO e N) ou um código equivalente (ex: NPO = C) Nos capacitores tipo GP (uso geral) e GMV (mínimo valor garantido) os capacitores são identificados com siglas diversas, conforme tabela abaixo. A gama de temperatura indica que se a temperatura variar na faixa dada, há uma variação da capacitância que é a dada pela letra indicativa da faixa de variação da capacitância. A figura abaixo apresenta dois exemplos.
Identificação da tensão nominal:
A tensão nominal nos capacitores cerâmicos geralmente pode: · Ser impressa diretamente no corpo do capacitor, em V ou kV · Não ser impressa (identificação por catálogo do fabricante). Geralmente 500V para os maiores e 100V para os mini-discos.
Capacitores Cerâmicos “Plate”: Plate é um tipo de capacitor cerâmico cujas principais vantagens e características são: tamanho ultra reduzido, grande estabilidade no valor da capacitância, baixo custo e uma estreita faixa de tolerância (+/-2% nos capacitores tipo TC). Na tabela abaixo estão resumidos os principais dados dos tipos de capacitores plate mais comuns. A principal diferença entre os capacitores de disco cerâmico e os capacitores plate é que estes possuem placas retangulares de cobre em vez de placas c irculares de prata.
Aspécto físico
Capacitores Cerâmicos Multicamadas Os capacitores cerâmicos multicamadas (multilayer) são construídos a partir da superposição de finas camadas de material dielétrico cerâmico com metal depositado sobre suas superfícies formando uma espécie de “sanduíche”. Daí a denominação de multicamadas. As camadas metálicas individuais são conectadas umas às outras através de uma terminação metálica onde são soldados os terminais de capacitor,
Capacitores eletrolíticos São aqueles que, com as mesmas dimensões, atingem maiores capacitâncias. São formados por uma tira 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 eletr ólito, ao qual se sobrepõe uma segunda lâmina de alumínio em contato elétrico com o papel. Os capacitores eletrolíticos são, utilizados em circuitos em 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
Capacitores eletrolíticos de alumínio Componentes normalmente utilizados para grandes capacitâncias (1 µF a 20.000 µF) O dielétrico consiste em uma película de óxido de alumínio (Al2O3) finíssima que se forma sobre o polo positivo , quando sobre o capacitor se aplica uma tensão contínua. As principais desvantagens deste tipo de componente são a sua elevada tolerância (chegando a 100 % maior que o valor nominal, e 10 % no sentido negativo) e o fato de ser altamente influenciado pela temperatura tanto na capacitância como na resistência de perda.
Identificação
Identificação dos Capacitores Eletrolíticos:
Geralmente os capacitores eletrolíticos trazem suas características nominais de capacitância, tensão e tolerância, diretamente impressas no corpo do capacitor. A capacitância nominal vem impressa em microfarads (mF ou 10-6F).
Apresentação Capacitores eletrolíticos (alumínio)
Processo de Fabricação
Capacitores eletrolíticos de tântalo Componentes de constituição idêntica aos Capacitores eletrolíticos de alumínio. O dielétrico utilizado é o óxido de tântalo (Ta2O5) que reduz a dimensão destes capacitores em relação aos outros eletrolíticos. Estes componentes apresentam baixas tolerâncias (20 %), tem baixa dependência com a temperatura com máxima tensão de operação de 120 V, mas são mais caros .
Capacitores eletrolíticos de tântalo Os capacitores eletrolíticos de tântalo assemelham-se aos capacitores de alumínio mas, mesmo alcançando as mesmas capacitâncias, são de tamanho menor. Emprega-se o tântalo no lugar do alumínio, para a lâmina, e o eletrólito é uma pasta ou líquido. Seu emprego é aconselhável sobretudo como capacitor de acoplamento para estágios de baixas freqüências, graças ao seu baixo nível de ruído, muito inferior ao do capacitor de alumínio. Além do tipo tubular, é encontrado também em forma de "gota".
Processo de Fabricação
Identificação dos Capacitores de Tântalo:
Geralmente estes capacitores trazem o valor de sua capacitância impressa diretamente no corpo, em microfarads (mF ou 10-6F). A tensão nominal e a polaridade geralmente vêm impressas
Capacitores Eletrolí ticos Lí quidos Capacitor que consiste de um eletrodo de metal imerso em uma solução eletrolítica. O eletrodo e a solução são as duas placas do capacitor, enquanto que uma película de óxido que se forma no eletrodo é o dielétrico. A película de dielétrico é formada pelo escoamento da corrente do eletr ólito para o eletrodo.
Capacitores ajustáveis Uma categoria importante é a dos capacitores variáveis. Nestes dispositivos, pode-se controlar a área das superf ícies condutoras submetidas ao campo elétrico, efetivamente controlando a capacitância.
Capacitores ajustáveis • Capacitor de sintonia
“Trimmers” e “Padders” São capacitores variáveis com pequenas dimensões normalmente utilizados em rádios portáteis e em diversos dispositivos eletrônicos. Tem capacitâncias máximas em torno de 500 pF. São utilizados principalmente para o ajuste do valor correto da capacitância total de um circuito. O ajuste pode ser obtido : Variando a superfície das placas Variando a distância entre as placas Variando o material do dielétrico.
“Trimmers”
• Trimmers
Observações: Para o uso adequado da tabela: 1 - Devemos considerar a CAPACITÂNCIA-: o BAIXA em pF o MÉDIA em nF o ALTA em mF 2 - Devemos considerar a TENSÃO de Operação: o BAIXA em Volts o MÉDIA em centenas de Volts (102 V) o ALTA em milhares de Volts (103 V) 3 - Devemos considerar a FREQÜÊNCIA de Operação; o BAIXA, desde corrente contínua até freqüências de milhares de Hertz (103 Hz) o MÉDIA, de milhares a milhões de Hertz (103 a 106 Hz) o BAIXA, de milhões a bilhões de Hertz (106 a 109 Hz) Exemplo de Aplicação da Tabela:
Devemos escolher um capacitor de 100nF para operar numa faixa de tensão de 250V a uma freqüência de 10kHz. Pelas características da tabela concluímos que a Capacitância é média (nF), que a tensão, na faixa de centenas de Volts é uma tensão média e que a freqüência na faixa de milhares de Hz (kHz) é uma freqüência média. Analisando a tabela, podemos utilizar no circuito um capacitor de poliéster metalizado.
Estudo Dirigido 1 - Quais são as características dos capacitores abaixo:
2. Um capacitor tem um dielétrico de mica em forma de disco com 0,8 cm de diâmetro e 0,885 mm de espessura. Achar a capacitância em pF. 3. Analisando as sentenças abaixo, escreva V nas verdadeiras e F nas falsas. a. ( ) Os elétrons circulam através do material dielétrico quando um capacitor está sendo carregado. b. ( ) O eletrólito é o material dielétrico de um capacitor eletrolítico. c. ( ) As placas num capacitor eletrolítico são oxidadas para aumentar sua área de placa efetiva. d. ( ) Os capacitores eletrolíticos são geralmente polarizados. Eles têm capacitâncias altas apesar de seus tamanhos e pesos reduzidos. e. ( ) Exceto para um surto de corrente inicial, os capacitores bloqueia corrente contínua. f. ( ) A perda de energia em um capacitor deve-se exclusivamente as perdas na resistência dos terminais e placas. g. ( ) O óxido de metal pode ser utilizado como dielétrico de um capacitor.
