Capacitores

Depois de aprendermos o básico sobre os resistores e os diodos, entenderemos como os capacitores funcionam, eles estão presentes na maioria dos circuitos, assim como os resistores, então entenderemos o que eles são e como eles funcionam. Em uma placa você poderá ver capacitores com esse aspecto, no entanto há outros modelos que veremos mais adiante.

O que é um Capacitor?

Um capacitor é um componente que reage a passagem da corrente acumulando cargas elétricas, ele surgiu da necessidade de armazenamento de energia elétrica para ser usada posteriormente. O capacitor é fabricado com placas metálicas separadas por um material dielétrico, ou seja, são duas placas condutoras com um material isolante entre elas.

Como funciona um Capacitor?

Quando a corrente elétrica percorre o capacitor, uma tensão é aplicada entre as placas condutoras, sendo que um lado armazenará cargas positivas e outro lado armazenará cargas negativas, um campo elétrico será gerado dentro capacitor e será este o responsável pelo armazenamento das cargas.

Em suma, a função do capacitor é armazenar cargas elétricas para descarregar posteriormente, como uma bateria depois de carregada. Mas qual é a diferença entre um capacitor e uma bateria? Apenas o fato de que as baterias armazenam energia por reação química, enquanto capacitores armazenam por campo elétrico.

O funcionamento do capacitor pode ser ilustrado com o gif abaixo, como você pode ver, a chave do circuito é fechada e o capacitor é carregado, em seguida é fechada a chave que liga o capacitor a outro objeto que deve ser energizado pelo capacitor, no entanto não vemos esse objeto, mas pode ser um LED, por exemplo.

A capacidade de armazenar cargas é denominada de capacitância (C), com unidade de medida de armazenamento dada por farad (F) em homenagem ao físico Michael Faraday. 
A fórmula da capacitância é dada por:

Essa fórmula representa que a tensão entre as placas de um capacitor é proporcional à carga que o mesmo é capaz de armazenar. Também é importante ressaltar que a capacitância é proporcional às propriedades geométricas do capacitor analisado.

E para cálculo da energia E armazenada pelo capacitor, podemos calcular a área desse gráfico da seguinte forma:

Sabemos que para cálculo da área de um triângulo retângulo, utilizamos a fórmula de base x altura dividido por dois, então o cálculo para definição de energia será:

Enquanto o capacitor está sendo carregado, a corrente na carga é reduzida de forma proporcional, pois o capacitor realiza o procedimento de armazenar tensão.
A fórmula para cálculo da tensão sobre a carga pode ser dada em:

 

A finalidade da constante de tempo (T) é para determinar em quanto tempo o capacitor irá atingir a carga máxima. A constante T, por sua vez, pode ser definida com a fórmula:

E para cálculo da corrente total que percorre o circuito, temos a seguinte fórmula:


A fórmula para quando o capacitor atinge o nível de saturação, ou seja, quando atinge o seu limite de capacitância, pode ser descrita como abaixo:

Quando o capacitor está descarregado, a carga armazenada nele é o equivalente a zero, quando a chave do circuito se fecha e o capacitor entra em contato com a fonte, a carga em seu interior aumenta rapidamente, no entanto, depois de um tempo a carga se mantém constante, isso indica que o capacitor atingiu o seu limite de carga, ou seja, está no seu 100%.

O mesmo acontece com a tensão, assim que o contato do circuito é fechado a tensão aumenta até atingir um valor constante.

Quando o capacitor entra no modo de descarga, toda a carga é eliminada rapidamente, deixando o capacitor novamente descarregado.

Além das principais fórmulas para cálculos de tensão sobre os capacitores, é relevante saber os cálculos para associações em série ou paralela, pois assim como os resistores, os capacitores também podem ser interligados com essas configurações. Você poderá notar que as fórmulas são parecidas com as do resistor, no entanto será o inverso do cálculo para série e paralela.

Para cálculo de capacitância equivalente de uma associação em série, utilizaremos a seguinte equação:

E para calcular a capacitância equivalente de uma associação em paralelo, realizaremos o seguinte cálculo:

Qual é a função de um Capacitor?

Como mencionado, a função do capacitor é armazenar carga elétrica que será descarregada posteriormente. O período em que o capacitor está sendo carregado é denominado de Regime Transitório, sendo que quando está completamente carregado ou descarregado, é chamado de estado de Regime Permanente.
No mercado o capacitor pode ser encontrado com diferentes formas e finalidades, variando de acordo com a carga de armazenamento desejada.

Tendo ciência da relevância dos capacitores em um projeto eletrônico, veremos os principais modelos de capacitores:

 

Capacitor eletrolítico: Esse modelo de capacitor normalmente é polarizado, com faixas em seu corpo indicando qual é o lado positivo e o lado negativo, o negativo usualmente é demarcado por uma faixa prateada com inscrições de “-“ em seu corpo. Ele pode ser encontrado em diversas tensões e capacitâncias. Esse capacitor apresenta a desvantagem da corrente reversa.
Capacitor de Poliéster:  O capacitor de poliéster conta com constante dielétrica elevada e é muito utilizado em projetos de corrente contínua, a desvantagem é que por vezes é gerada uma indutância parasita. Normalmente não é utilizado em aplicações de elevada corrente. Esse capacitor não é polarizado.
Capacitor cerâmico: O modelo cerâmico é de tamanho reduzido, com baixo valor de capacitância e baixa resistência, o capacitor desse tipo não é polarizado.
Capacitor de Tântalo: O capacitor de tântalo, assim como o eletrolítico, é polarizado. Esse modelo apresenta maior frequência e estabilidade se comparado aos outros modelos.
Capacitor de Mica: Esse modelo de capacitor não é polarizado, conta com o dielétrico produzido de silicato e normalmente é utilizado em aplicações de alta frequência.
Capacitor variável: O capacitor variável, como o nome sugere, possibilita o uso em diferentes capacitâncias, atualmente são utilizados os modelos digitais, mas é comum que ainda sejam encontrados em equipamentos de solda, ferramentas odontológicas, cirúrgicas, entre outras.
Capacitor de óleo e papel: Esse tipo de capacitor não é mais fabricado, ele era utilizado nos primórdios da eletrônica, o mesmo era produzido com fitas de alumínio enroladas por um papel embebido por óleo.  
Capacitor de Policarbonato: O modelo de policarbonato apresenta estabilidade térmica, e é comumente utilizado para a fabricação de filtros e circuitos de temporização de frequência fixa. Esse capacitor é difícil de ser encontrado e muitas vezes é substituído pelo modelo de polipropileno.
Capacitor de Polipropileno:  O capacitor de polipropileno é sensível ao calor, tendo tolerância de no máximo 85°C, no entanto é capaz de operar em altas frequências e potências, sendo bastante utilizado em alto-falantes e fontes de alimentação com comutação.
Capacitor de Poliestireno: Esse capacitor normalmente é utilizado em projetos de rádio devido ao baixo nível de distorção de sinal.
Supercapacitor ou Ultracapacitor: O supercapacitor permite um grande armazenamento de carga elétrica, a sua fabricação é diferente da de outros capacitores, pois ao invés de contar com um dielétrico como todos os outros, a tecnologia para armazenamento de carga é diferente, esse modelo utiliza princípios eletroestáticos e eletroquímicos, combinando o funcionamento de um capacitor e de uma bateria. Esse modelo de capacitor pode ser encontrado com capacitâncias de 12000F.
Capacitor Trimmer: Esse tipo de capacitor permite o ajuste fino da capacitância, ele conta com um pequeno parafuso que quando girado promove a alteração do valor.
Capacitor Mylar: Igual ao capacitor de poliéster, sendo o capacitor mylar apenas uma marca de capacitores de poliéster que se popularizou.
Feed Through: Um capacitor de passagem é utilizado como redutor de frequência, esse modelo é instalado diretamente no painel de metal, diminuindo a indutância de aterramento e tendo insignificante indutância de chumbo.
Capacitor SMD: Os capacitores SMD apresentam funcionamento semelhante ao capacitor comum, no entanto são de tamanho reduzido, sendo próprios para uso em projetos de pequena escala.

 

Exemplo de uso de um Capacitor

O capacitor é muito utilizado em projetos, como vimos anteriormente, há muitos modelos disponíveis no mercado e com vários valores, cabendo ao projetista escolher a melhor opção para o seu projeto.

Um dos usos frequentes do capacitor é em retificadores, em conjunto com o diodo, para maior compreensão sobre o funcionamento dos diodos, verifique o nosso tutorial anterior sobre diodos.

O diodo, por si só, retifica a corrente de forma que é criada a onda pontilhada acima, esse e é um exemplo de retificador de onda completa, em resumo, se eu tenho um circuito de corrente alternada, o diodo permitirá a passagem da corrente em apenas um sentido (eu prometo detalhar melhor os processos de retificação em outro tutorial), nesse caso vamos focar no capacitor que descarregará a corrente lentamente, como mostrado na linha contínua, dessa forma a onda se torna mais próxima de uma reta.

Além do uso em retificadores, os capacitores são frequentemente utilizados em flashes de câmeras fotográficas, armazenando carga elétrica e descarregando subitamente, pela mesma razão pode ser utilizado em aparelhos de som.
Ademais, os capacitores podem ser utilizados outros circuitos eletrônicos como forma de estabilização de tensão e em projetos de eletrônica de potência, sustentando a tensão depois do chaveamento.
Os capacitores também são bastante utilizados em forma de mega capacitores, realizando a correção do fator de potência com base no uso da energia reativa, além de auxiliar na partida de motores.
Também vale a pena citar o uso dos capacitores em osciladores, sensores, filtros de ruído, sintonizadores de rádio, fontes de alimentação, divisores de frequência em sistemas de áudio, aceleradores de partículas, banco de capacitores em subestações, entre outros.

 

Conclusão

Nesse tutorial, vimos o que são os capacitores, qual é a função de um capacitor, por qual razão ele é utilizado, as principais fórmulas para cálculo dos seus efeitos, os tipos de capacitores e alguns dispositivos que fazem uso desse componente tão essencial para a eletrônica. Entendemos que os capacitores agem como pilha, armazenando a energia que será utilizada posteriormente, com a diferença de usar o princípio de campo elétrico para armazenamento.
Espero que esse tutorial tenha tirado suas dúvidas sobre a utilidade do capacitor, mas se você tiver mais dúvidas, deixe nos comentários.

Até o próximo tutorial :)