Como funciona o capacitor (MEC070)

Um componente de vital importância para o funcionamento dos circuitos eletrônicos, e por isso encontrado em grande quantidade em qualquer equipamento é o capacitor. Com formatos e tamanhos que dependem de seu valor e função, os capacitores podem ser tão pequenos quanto um grão de ervilha ou tão grandes quanto uma garrafa de refrigerante PET de 2 litros. Veja nesse artigo o que são, como funcionam, para que servem e como ler os valores e testar capacitores como os usados em projetos mecatrônicos.

Capacitores são componentes que têm por função armazenar energia elétrica.

Os capacitores comuns são formados por duas peças de material condutor separadas por um material isolante, conforme ilustrado na figura 1.

Estrutura básica de um capacitor.
Estrutura básica de um capacitor

 

Quando uma tensão é aplicada entre estas placas condutoras, chamadas armaduras, ele se carrega: uma armadura armazena cargas positivas e a outra armazena cargas negativas.

A quantidade de cargas na armadura positiva é a mesma armazenada na armadura negativa, apenas tendo polaridade oposta.

O material isolante, denominado dielétrico normalmente dá nome ao capacitor (mica, poliéster, cerâmica, etc.).

A forma como os capacitores são construídos pode variar assim como o tamanho dependendo de quanto de carga se deseja que eles armazenem.

 

Tipos e Símbolos

Na figura 2 mostramos os principais símbolos adotados para representar os capacitores assim como os aspectos dos tipos mais comuns.

 

Simbolos e aspectos dos principais tipos de capacitores.
Simbolos e aspectos dos principais tipos de capacitores.

 

As diferenças entre os tipos são importantes, pois conforme o material usado como dielétrico, podem se manifestar propriedades específicas que tornam os capacitores ideais para determinadas aplicações.

Assim, enquanto os capacitores cerâmicos e de mica são indicados para circuitos de altas frequências, os de poliéster e eletrolíticos são indicados para aplicações em circuitos de corrente contínua e baixas frequências.

O montador eletrônico também precisa estar atento para o fato de que determinados tipos de capacitores como os eletrolíticos, são polarizados.

Isso significa que eles possuem uma armadura que sempre deve ser positiva e uma que sempre deve ser negativa.

Se eles forem ligados invertidos podem sofrer danos e até mesmo explodir em alguns casos.

 

Especificações

Ao trabalhar com capacitores nos circuitos eletrônicos o montador deve estar atento as seguintes especificações destes componentes:

 

a) Capacitância

A capacitância é medida em farads.

No entanto, os capacitores usados na maioria dos equipamentos eletrônicos comuns possuem capacitâncias muito pequenas, muito menores que 1 farad, o que torna normal o uso dos seus submúltiplos.

Na tabela dada a seguir temos os submúltiplos mais usados:

 

Submultiplos do Farad:

Unidade

Simbolo

Valor em Farads (F)

Microfarad

F

0.000 001 = 10-6 F

Nanofarad

nF

0.000 000 001 = 10-9 F

Picofarad

pF

0.000 000 000 001= 10-12 F

 

 

 

Tabela de Conversão:

Para converter

Em

Multiplique por:

Microfarads

Nanofarads

1,000

Microfrads

Picofarads

1,000,000

Nanofarads

Picfarads

1,000

Nanofarads

Microfarads

0.001

Picofarads

Microfarads

0.000 001

Picofarads

Nanofarads

0.001

 

 

Veja então que é a mesma coisa dizermos que um capacitor tem 100 nF, 0,1 µF ou 100 000 pF!

Assim como no caso dos resistores, alguns capacitores são pequenos demais para que seus valores sejam gravados de forma normal nos seus invólucros.

Encontramos então as especificações destes componentes sob a forma de códigos que o leitor deve conhecer.

Um desses códigos é o de 3 dígitos.

Este código é formado por 3 números ou dois números e uma letra.

Para o caso de três números os dois primeiros formam o valor que deve ser seguido do número de zeros dado pelo terceiro algarismo ou multiplicado pelo prefixo indicado pela letra.

 

Exemplos: 10 n = 10 nF

47p = 47 pF

103 = 10 000 pF = 10 nF

474 = 470 000 pF = 470 nF

 

Abaixo de 100 pF, apenas dois dígitos são usados.

 

Exemplo:

27 = 27 pF

 

Na figura 3 temos alguns exemplos de capacitores que usam esses códigos.

 

Capacitores cerâmicos com códigos comuns
Capacitores cerâmicos com códigos comuns

 

b) Tensão de trabalho

A capacitância de um capacitor depende da distância entre as placas e da natureza do material usado como dielétrico.

Quanto mais fino for o dielétrico, maior a capacitância, mas existe um problema que limita a espessura.

Se o isolador for muito fino ele não consegue isolar tensões elevadas.

Uma tensão acima de certo valor "fura" o dielétrico, provocando a queima do capacitor, já que ele perde sua capacidade de isolar no local em que isso ocorre.

Assim, além da capacitância os capacitores também têm indicada a tensão máxima de trabalho normalmente especificada em valores contínuos como WVDC (Working Voltage DC).

Os tipos comuns usados em eletrônica podem ter tensões de trabalho de 1 V a mais de 1000 V.

Numa aplicação prática podemos sempre usar um capacitor de mesma capacitância que o original mas com tensão maior.

O único problema que pode ocorre é que ele será também maior no tamanho o que pode dificultar sua eventual colocação numa placa de montagem.

 

Tipos

Os principais tipos de capacitores encontrados nos equipamentos eletrônicos são:

 

* Capacitores eletrolíticos

Este tipo de capacitor usa folhas de alumínio como armaduras e como dielétrico uma finíssima camada de óxido que se forma sobre as folhas por um processo eletrolítico.

Como esta camada é muito fina, podemos obter grandes capacitâncias em pequenos espaços.

Assim, os capacitores eletrolíticos se caracterizam por sua capacitância elevada sendo encontrados em valores tipicamente de 0,5 a 100 000 µF ou mais.

Os capacitores eletrolíticos são polarizados o que significa que existe uma armadura que deve ficar sempre positiva em relação a outra.

A marcação de polaridade é feita no próprio invólucro destes componentes conforme mostra a figura 4.

 

A marcação dos eletrolíticos é feita no próprio invólucro.
A marcação dos eletrolíticos é feita no próprio invólucro.

 

Os capacitores eletrolíticos são indicados para circuitos de corrente contínua e baixas frequências.

 

* Capacitores de tântalo

Os capacitores de tântalo são semelhantes aos eletrolíticos no principio de fabricação exceto pelo fato do óxido que se forma ser de outro elemento: o tântalo.

Como o óxido de tântalo tem uma constante dielétrica muito maior do que o óxido de alumínio, é possível obter grandes capacitâncias em componentes de tamanho extremamente reduzidos.

Os capacitores de tântalo também são polarizados.

 

Na figura 5 temos exemplos de capacitores de tântalo.

 

Capacitores de tântalo
Capacitores de tântalo

 

* Capacitores cerâmicos

Cerâmicas especiais como as de titânio, bário e outras são usadas como dielétricos destes capacitores que encontram aplicações em circuitos que vão de corrente contínua a altas frequências.

O tipo mais comum é o disco cerâmico que pode ser encontrado com capacitâncias de 1 pF a 470 nF tipicamente.

 

* Capacitores de poliestireno

Este capacitor está incluído na família dos tipos plásticos em que temos um filme fino de poliestireno como dielétrico.

Normalmente, este tipo de capacitor é fabricado com as folhas formando um tubo, o que lhes dota de certa indutância que limita suas aplicações em circuitos de altas frequências.

 

* Capacitores de poliéster (filme)

Um outro tipo de plástico que é muito usado na fabricação de capacitores é o poliéster que tanto pode dar origem aos tipos tubulares como planos.

Este tipo de capacitor também não é recomendado para aplicações em frequências muito altas e pode ser encontrado numa faixa de valores de 1000 pF a mais de 10 µF.

 

* Outros tipos

Muitos outros materiais que apresentam propriedades dielétricas importantes podem ser usados para fabricação de capacitores.

Por exemplo, podemos usar a mica para fazer capacitores de alta precisão para instrumentos. Capacitores que usam dielétrico de papel embebido em óleo ainda são encontrados em equipamentos antigos.

 

Onde são encontrados

O leitor deve estar familiarizado com muitos tipos de capacitores como os encontrados em motores de robôs e equipamentos ligados à rede de energia como máquinas industriais e eletrodomésticos.

No entanto, os capacitores encontrados nos equipamentos eletrônicos, além de serem diferentes, podem ser encontrados numa variedade muito maior de tipos e tamanhos.

Os capacitores são usados em muitas funções importantes nos circuitos eletrônicos como, por exemplo na determinação da freqüência de operação, em circuitos de filtros, em circuitos de tempo, na filtragem de correntes e sinais além de muitas outras.

Podemos dizer que, depois dos resistores, os capacitores são os componentes que aparecem em maior quantidade nos equipamentos eletrônicos.

 

Como Testar

Um capacitor em bom estado deve se comportar como um isolante.

Assim, quando medimos sua resistência com um multímetro, um capacitor em bom estado apresenta uma resistência infinita.

Alguns capacitores de valores altos (acima de 10 µF) podem apresentar uma pequena resistência, denominada "de fuga" que é tolerada se for acima de 1 M?.

No entanto, se qualquer resistência abaixo deste valor for medida o capacitor estará comprometido.

Uma resistência nula indica um capacitor em curto e uma resistência em baixa indica um capacitor com fugas.

O teste com o multímetro não revela se o capacitor está bom (com capacitância) a não ser quando ele tenha valores acima de uns 470 nF.

Quando testamos estes capacitores a agulha do multímetro vai até perto de zero ao tocarmos as pontas de prova para depois voltar até marcar uma resistência próxima de infinito.

Se este movimento não ocorrer dizemos que o capacitor está "aberto" ou "sem capacitância".

Na figura 6 mostramos como testar um capacitor eletrolítico com um multímetro analógico comum.

 

 

Capacitor em teste.
Capacitor em teste.

 

 

CAPACITORES VARIÁVEIS

Existem certas aplicações em que precisamos mudar a capacitância apresentada por um capacitor num circuito durante o seu funcionamento ou para efeitos de ajuste.

Um exemplo está nos receptores de rádio em que variamos a capacitância de um componente para mudar sua freqüência de operação possibilitando assim a sintonia das diversas estações.

Os capacitores que podem ter sua capacitância alterada são denominados capacitores variáveis e podem ser encontrados em dois tipos básicos: o trimmer que é um capacitor de ajuste e o capacitor variável que é um capacitor de sintonia.

 

Símbolos e aspectos

Na figura 7 mostramos o símbolo usado para representar os capacitores variáveis e os aspectos dos principais tipos encontrados nos equipamentos eletrônicos.

 

 

Capacitores variáveis e trimmers.
Capacitores variáveis e trimmers.

 

Em (a) temos um capacitor variável de tipo antigo encontrado em rádios e sintonizadores. Em (b) temos um capacitor variável de rádios modernos e em (c) alguns tipos de trimmers comuns.

 

Especificações

a) Capacitância

Capacitores variáveis e trimmers podem ser tanto especificados pela capacitância máxima que apresentam como pela faixa de capacitâncias que podem assumir.

Assim, um trimmer de 3-30 pF é um trimmer que pode ser ajustado para ter capacitâncias entre 3 pF e 30 pF.

A capacitância maior é obtida quando o componente está totalmente "fechado", ou seja, a maior área das armaduras se defronta.

Na figura 8 mostramos essas variações de capacitância e o modo do ajuste.

 

A capacitância depende da área efetiva, segundo a posição das placas móveis.
A capacitância depende da área efetiva, segundo a posição das placas móveis.

 

b) Tipo

O tipo do capacitor variável ou trimmer é especificado pelo número de seções e pelo material usado como dielétrico.

Assim, os capacitores antigos usam como dielétrico o próprio ar (não á nenhum material separando as armaduras) enquanto que tipos mais modernos usam plásticos.

 

c) Tensão

Em muitas aplicações é importante saber qual é a tensão máxima que podemos aplicar entre as armaduras do capacitor sem que ocorra o faiscamento ou o rompimento do material do dielétrico.

Em especial, esta especificação é importante em transmissores onde tensões de até milhares de volts podem aparecer entre as armaduras de um capacitor.

 

Onde eles são encontrados

Capacitores variáveis são usados principalmente em circuitos de alta freqüência tais como receptores de rádio, telecomunicações, televisores, transmissores e em muitos outros onde sinais de frequências acima de 100 kHz estão presentes e precisam ser ajustadas.

 

Como testar

O teste mais simples consiste em se verificar se as armaduras estão isoladas uma das outras que é a condição principal para que eles funcionem.

Podemos então testar um capacitor variável com o multímetro medindo sua resistência a qual deve ser infinita.

Um capacitor com resistência nula está com as placas em curto, ou encostando uma nas outras.

 

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