Baixe Capacitores Introdução Definição Tipos de Capacitores Aplicação do e outras Traduções em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! Capacitores Introdução O capacitor se parece um pouco com uma bateria. Embora funcionem de maneira totalmente diferente, tanto os capacitores 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 pilha, reações químicas produzem elétrons em um terminal e absorvem 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 luminosidade, até apagar assim que o capacitor estiver totalmente 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 devido a pequena espessura do dielétrico ser extremamente fina. Uma das principais características de um capacitor 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 "+" (mais), mas pode ser que o terminal com indicação seja o negativo. A faixa de valores pode variar de 1µF a milhares de µF. Esse tipo de capacitor é usado principalmente em fontes de alimentação, para diminuir 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. 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 Capacitores de tântalo são capacitores eletrolíticos que usam um material chamado de tântalo para os eletrodos. Grandes valores der capacitância similares ao de alumínio podem ser obtidas. Capacitores de tântalo são superiores ao de alumínio no que se refere à temperatura e freqüência de operação. Usualmente o símbolo "+" é usado para 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) 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 diodos são chamados de diodos de capacitância variável, varactores ou varicaps. Qualquer diodo exibe esse efeito, mas dispositivos vendidos especificamente como varactores têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem especificamente dimensionado para maximizar a capacitância. Em um 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. 0 0 0 1 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 Contínua, capacitores são freqüentemente usados para separar circuitos Corrente alternada de corrente continua. Este método é conhecido como acoplamento AC. Capacitores também são usados na correção de fator de potência. Tais capacitores freqüentemente vêm como três capacitores conectados como uma carga trifásica. Geralmente, os valores desses capacitores não são dados pela sua capacitância, mas pela sua potência rea�va 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 descarregá-las em um determinado momento específico. 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 determinada. Na antena há um receptor que sintoniza inúmeras estações graças ao circuito ressonante. Esse circuito transforma corrente alternada em corrente contínua e é constituído basicamente por um capacitor variável que fica em paralelo com uma bobina. Para cada valor de capacitância 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 contínuas e alternadas de baixas freqüências e facilitar a passagem 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 capacitância ou capacidade é a 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 numa determinada freqüência. Sua unidade é dada 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, pode-se 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. Para um determinado material, a sua capacitância depende somente de suas dimensões. Quanto maior for o material, maior capacitância ele terá. A capacitância verifica-se sempre que dois 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 sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas: Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de carga causa uma 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. A capacitância de um capacitor, é uma constante característica 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 componentes, associados de diferentes maneiras. Uma forma simples de abordar esse tipo de problema é considerar a associação dos componentes de um mesmo tipo. Assim como os aparelhos em geral, os capacitores podem ser 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 obje�vo 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 capacitor e assim sucessivamente. Para determinar a capacitância equivalente de uma associação de dois ou mais capacitores. Em um circuito de capacitores montados em paralelo todos serão expostos à mesma tensão. Para acharmos a sua capacidade total (Ceq) usamo a seguinte fórmula: 0 0 0 1 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 placas inferiores estão com o mesmo potencial negativo. Portanto, 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 associação em paralelo, a capacitância equivalente 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 ambos será a mesma e a capacitância equivalente será , o dobro da capacitância de um dos capacitores; • Para uma associação em paralelo de capacitores teremos