D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
178
T
O
383
178
825
383 180
825 388
178
835
383
825
182
392
182
845
392 184
845 397
180
856
390
820
187
402
187
866
402 189
866 407
187
876
402
866
191
412
191
887
412 193
887 417
180
390
898 820
196
422
196
909
422 198
909 427
196
920
422
909
200
432
200
931
432 203
931 437
200
430
942 910
205
442
205
953
442 208
953 448
205
442
965 953
210
453
210
453 213
3.2.
N
976 976
459
988
Os Capacitores Um capacitor é um dispositivo formado por um par de condutores, geralmente na
forma de placas, esferas ou laminas, separados por um material dielétrico, que quando submetidos a uma diferença de potencial adquirem uma determinada carga elétrica. A essa propriedade de armazenamento de carga se denomina capacidade ou capacitância. O sistema internacional de unidades define a unidade como Farad (F), sendo 1 farad a capacidade de um capacitor, cujas armaduras estão submetidas à diferença de potencial de 1 volt, adquirem uma carga elétrica de 1 coulomb. A Figura 3-19 mostra a configuração do campo elétrico e as cargas em um capacitor de placas paralelas.
Introdução à Engenharia Elétri ca
89
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-19 – Campo elétrico em um capacitor de placas paralelas. O valor da capacitância pode ser calculado pela seguinte relação:
C=
Q V
Onde C é a capacitância, Q é a carga elétrica e V a diferença de potencial.
+ v(t ) i(t)
+ + + + + +
_ _ _ _ _ _
Fluxo de elétrons
Se houver variação no tempo:
q (t ) = C ⋅ v(t ) Onde C é a capacitância, q(t) é a carga elétrica que se carrega ou descarrega no tempo, C; e v(t) a diferença de potencial que varia no tempo, V. No que se refere aos aspectos construtivos, tanto a forma das placas quanto a natureza do material dielétrico é altamente variável. Existem capacitores formados por placas, geralmente de alumínio, separados por materiais cerâmicos, mica, poliéster, papel, óxidos ou até pelo ar. A capacitância de 1 farad é muito maior que a maioria dos capacitores comerciais, sendo que na prática, costuma-se usar as subunidades micro, nano e picofarads. Os capacitores feitos a partir de supercapacitores (EDLC25) são uma exceção. Eles são feitos de carvão ativado para conseguir uma grande área relativa e possuem uma separação molecular entre as placas. Assim conseguem-se capacitâncias na ordem de centenas ou milhares de farad. Um desses capacitores vem incorporado no relógio Kinetic® da Seiko™, com uma capacitância de 1/3 de farad, tornando desnecessário o uso de baterias. Também estão sendo usados em automóveis elétricos.
3.2.1.
Funções Os capacitores são usados em várias funções, algumas delas são as seguintes: Filtros; Acoplamento; Bloqueio de CC;
25
EDLC: Electric double-layer capacitors.
Introdução à Engenharia Elétri ca
90
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Passagem de CA; Desvio; Deslocamento de fase; Compensação de energia reativa; Realimentação; Isolamento; Armazenamento de energia; Sensores (umidade); Sensores de nível; Sensores de deslocamento; Memórias digitais; Supressão de ruído e; Arranque de motores. Eles podem devem ser pequenos, leves, confiáveis e robustos para operação em condições adversas. Se existe uma diferença de potencial entre dois pontos, isolados eletricamente entre si, é porque existe um campo elétrico resultante de uma diferença do tipo de carga. A força deste campo dependerá da quantidade dessas cargas. A capacitância é o conceito de armazenamento de energia em um campo elétrico, e essa depende da área, da forma, da distância entre as placas do capacitor e das propriedades do material que as separa.
Figura 3-20 - Capacitor com encapsulamento para SMT.
3.2.2.
Características dos Capacitores Quando uma corrente elétrica flui em um capacitor, uma força é estabelecida entre
duas placas paralelas separadas por um dielétrico. Essa energia é armazenada e permanece mesmo depois da entrada ter sido removida. Conectando um condutor (um resistor, fio ou até o ar) entre os terminais do capacitor, a carga do mesmo pode rebalancear as cargas, i.e., descarregar a sua energia armazenada.
Introdução à Engenharia Elétri ca
91
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
O capacitor armazena energia na forma de um campo elétrico quando aumenta a diferença de potencial entre os seus terminais, devolvendo-a quando essa diminui. A energia armazenada em um capacitor é dada pela seguinte relação:
E=
C ⋅V 2 V ⋅ Q = 2 2
Onde E é a energia (J); C é a capacitância (F); V é a tensão aplicada (V); e Q é a carga (C).
Figura 3-21 - Capacitores de potência. A constante dielétrica de um material determina a energia eletrostática que pode ser armazenada nesse material por unidade de volume para uma dada tensão elétrica. O valor da constante dielétrica expressa a relação entre um capacitor de placas separado pelo vácuo com outro cujas placas está separado por um dado dielétrico. A constante dielétrica do ar é aproximadamente igual à do vácuo (que é igual a 1). O valor do capacitor de placas paralelas pode ser calculado usando a seguinte equação que relaciona a capacitância com o tipo de material e com os fatores geométricos:
C =ε
⋅A d
Onde C é a capacitância (F); ε é a constante dielétrica de isolação; d é a distância entre as placas (m).
Introdução à Engenharia Elétri ca
92
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
l Isolante ou dielétrico
p
d
Placas condutoras
Figura 3-22 - Diagrama de um capacitor de placas paralelas. Quanto maior for a constante dielétrica, maior a capacitância e vice-versa. A Tabela 3-8 mostra os valores da constante dielétrica para vários materiais. Tabela 3-8 – Comparação entre constantes dielétricas de vários materiais usados como dielétricos em capacitores. εr
Dielétrico Ar ou vácuo
1,0
Papel
2,0 a 6,0
Plástico
2,1 a 6,0
Óleo mineral
2,2 a 2,3
Óleo de silicone
2,7 a 2,8
Quartzo
3,8 a 4,4
Vidro
4,8 a 8,0
Porcelana
5,1 a 5,9
Mica
5,4 a 8,7
Óxido de alumínio
8,4
Pentóxido de tântalo
26
Cerâmica
12 a 400 000
A constante dielétrica da maioria dos materiais é afetada pela temperatura e pela freqüência, exceto para o quartzo, Styrofoam e Teflon, cujas constantes dielétricas permanecem essencialmente constantes.
TENSÃO E CORRENTE A relação entre a tensão e a corrente elétrica em um capacitor pode ser definida a partir da seguinte equação diferencial:
i (t ) = C
dv(t ) dt
Onde i(t) é a função da corrente elétrica no tempo, A; C é a capacitância, F; v(t) é a função da tensão elétrica no tempo, V; e t é o tempo, s.
Introdução à Engenharia Elétri ca
93
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
i(t) +
C
+ v(t) Figura 3-23 - Símbolo do capacitor. Ou escrito da forma integral para a tensão elétrica:
v(t ) =
1 i (t ) ⋅ dt C∫
Das relações colocadas pode se observar que a corrente elétrica num capacitor depende da derivada da tensão, ou seja, de como varia a tensão no tempo. Já a tensão do capacitor pode ser deduzida pela integração da corrente elétrica no tempo, ou dito de outra forma, pela contagem de quantas cargas foram armazenadas ou distribuídas durante um intervalo de tempo especificado.
Comportamento em Corrente Contínua Um capacitor real em CC se comporta como um circuito aberto. Na conexão de um circuito que apresente uma diferença de potencial a um capacitor, inicia-se com um período transitório de carga, e depois de uma carga que permite ao capacitor alcançar uma diferença de potencial que anule o fluxo de corrente elétrica, alcança-se um período de regime permanente onde ele se comporta como um circuito aberto. A Figura 3-24 mostra um circuito onde um capacitor está conectado a uma bateria (CC). Após um período transitório o capacitor se carrega até os 12 V da bateria bloqueando a passagem de mais corrente. No osciloscópio pode se observar o traço superior que corresponde à tensão encima do capacitor, e o traço inferior (praticamente igual a zero, diferenciada por pequenos triângulos) que corresponde à saída de uma sonda de corrente.
Introdução à Engenharia Elétri ca
94
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Ext Trig + _ B
A _
+
+
_
2 1 12 V 0
Figura 3-24 – Circuito com carga capacitiva pura em regime permanente alimentado por fonte CC.
Comportamento em Corrente Alternada Em CA um capacitor ideal oferece uma impedância à passagem da corrente, recebendo o nome de reatância capacitiva. O valor da reatância capacitiva, denominada como XC depende da freqüência de oscilação da fonte de energia e da capacitância. A impedância (que neste caso é capacitiva) é uma grandeza fasorial, que possui módulo e ângulo (ou parte real e imaginária). No caso da reatância capacitiva pura, somente há a parte imaginária. O seu valor é dado por:
XC =
1 j ⋅ω ⋅ C
Onde XC é a reatância capacitiva, Ω, ω é a freqüência angular de oscilação (ω
= 2 ⋅ π ⋅ f ), rad/s; C é a capacitância, F; e j indica que é um componente imaginário da
impedância complexa que não apresenta parte real. Ao conectar uma tensão de alimentação senoidal v(t) a um capacitor, circulará uma corrente i(t), também senoidal, que o carregará originando nos seus terminais uma tensão do mesmo valor. Ao falar que no capacitor “circula” uma corrente, é necessário colocar que a mesma nunca atravessa o dielétrico. O que acontece é que o capacitor se carrega e descarrega no mesmo ritmo da freqüência de v(t), aparentando haver uma circulação, embora essa nunca exista. O comportamento do capacitor em CA pode se observar na Figura 3-25. Considerando que o ciclo da onda se repete de 0º a 360º (ou 0 a 2π radianos), observar que entre 0º e 90º i(t) diminui desde o seu valor máximo positivo a medida que aumenta a tensão v(t), chegando a ser zero quando essa alcança o seu valor máximo aos 90º e aos 180º. Nesse
Introdução à Engenharia Elétri ca
95
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
instante o capacitor começa a se descarregar, diminuindo vc(t). Nos 90º o capacitor está totalmente descarregado. Nos 180º o capacitor está totalmente descarregado, alcançando i(t) o valor máximo negativo.
Ext Trig + _ B
A _
+
+
_
2 1 12 V 0
Figura 3-25 – Circuito com carga capacitiva pura em regime permanente alimentado por fonte CA.
Pode se deduzir da explicação anterior que em um capacitor a corrente está “adiantada26” em 90º com respeito à tensão aplicada. Considerando uma fonte de tensão aplicada definida como:
v(t ) = V0 ⋅ sen(ω ⋅ t + β ) Desta forma, circulará uma corrente alternada adiantada de 90º (ou π/2) com respeito à tensão aplicada, valendo:
π i (t ) = I 0 ⋅ sen ω ⋅ t + β + 2 Onde I0 é o módulo da corrente inicial que é igual à relação entre a tensão inicial V0 e a reatância capacitiva XC.
I0 =
V0 XC
A corrente pode ser representada na forma polar da seguinte maneira:
ρ I = I β +π 2 26 O termo “adiantado” pode ser explicado como sendo a onda senoidal que chega à sua crista no menor tempo desde o início dos tempos da aplicação da fonte de energia. Neste caso é a corrente elétrica que já parte no seu máximo perto de t = 0 s.
Introdução à Engenharia Elétri ca
96
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
V
I 90o
β
Matematicamente pode se escrever:
Vβ ρ V I = β +π 2 = XC X C − 90 o Portanto, nos circuitos CA um capacitor ideal pode ser imaginado como uma magnitude complexa sem parte real e com a parte imaginária negativa.
X C = 0 + jX C = X C − 90 o Os capacitores reais possuem uma pequena resistência de perda no seu dielétrico, apresentando um valor para a parte real, tornando-se uma impedância capacitiva.
REDES DE CAPACITORES Quando os capacitores são conectados em série (Figura 3-26), a capacitância total equivalente é: C1
C2
Cn
Figura 3-26 - Capacitores conectados em série.
CT =
1 1 C1 + 1 C 2 + 1 C 3 + ⋅ ⋅ ⋅ + 1 C n
Ou
1 1 1 1 = + +Λ + CT C1 C 2 Cn Ou ainda: n 1 1 =∑ CT i =1 CT
Sendo que a capacitância resultante é sempre menor que a menor capacitância. Quando os capacitores estão conectados em paralelo (Figura 3-27), a capacitância total é:
Introdução à Engenharia Elétri ca
97
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
CT = C1 + C 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + C n Ou n
CT = ∑ C i i =1
Sendo que a capacitância resultante é sempre maior que a maior capacitância.
C1
C2
Ci
Cn Figura 3-27 - Capacitores conectados em paralelo. Quando uma tensão for aplicada a um grupo de capacitores conectados em série, a queda de tensão sobre a combinação é igual à tensão aplicada. A queda sobre cada capacitor individual é proporcional à sua capacitância, como mostra a seguinte relação:
VC =
VA ⋅ C X CT
Onde VC é tensão sobre o capacitor individual na série (C1, C2, ..., Cn), V; VA é a tensão aplicada, V; CT é a capacitância total da combinação, F; e CX é a capacitância do capacitor em consideração, F.
IMPEDÂNCIA Em um circuito de corrente alternada (CA), a reatância capacitiva, ou impedância, do capacitor é dado pela seguinte relação:
XC =
1 2 ⋅π ⋅ f ⋅C
Onde XC é a reatância capacitiva, Ω; f é a freqüência, Hz; e C é a capacitância, F. A corrente estará adiantada em 90º em um circuito puramente capacitivo.
Introdução à Engenharia Elétri ca
98
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Quando é conectada uma fonte de corrente contínua (CC) a um capacitor, é necessário um tempo τ para carregar o capacitor até a tensão aplicada. Este tempo é chamado “constante de tempo” e é calculado pela seguinte relação:
τ = R⋅C Onde τ é o tempo, s; R é a resistência, Ω; e C é a capacitância, F. Em um circuito consistindo de uma resistência e uma capacitância, a constante de tempo τ é definida como o tempo requerido para que a carga do capacitor atinja 63,2% da tensão aplicada. Durante a constante de tempo seguinte, o capacitor carrega mais 63,2% da diferença do valor atual com relação ao valor total. A carga em um capacitor nunca pode chegar a 100%, no entanto, é considerada como “praticamente” 100% depois de cinco constantes de tempo. Se removida a fonte de potencial, o capacitor descarregará na mesma taxa. A capacitância é expressa em microfarad (µF, ou 10-6 F) o picofarads (PF, ou 10-12 F) com uma definição de exatidão ou de tolerância. A tolerância pode ser definida como GMV27 (valor mínimo garantido), às vezes referenciado como MRV28 (valor mínimo nominal). Todos os capacitores possuem uma tensão máxima de tensão que não pode ser excedida e essa é uma combinação do valor CC mais o valor de pico AC que pode ser aplicado durante a operação.
FATOR DE QUALIDADE (Q) O fator de qualidade é definido como a relação entre a reatância do capacitor e a sua resistência interna a uma dada freqüência, e é expresso pela seguinte relação:
Q=
1 2 ⋅π ⋅ f ⋅ C ⋅ R
Onde Q é o fator de qualidade; f é a freqüência, Hz; C é o valor da capacitância, F; e R é a resistência, Ω.
FATOR DE POTÊNCIA (FP) O fator de potência é a medida preferida para descrever as perdas do capacitor em circuitos CA. O FP é a fração da potência dissipada no dielétrico do capacitor e é praticamente independe da capacitância, da tensão aplicada e da freqüência.
27 28
GMV: Guaranteed Minimum Value. MRV: Minimum Rated Value.
Introdução à Engenharia Elétri ca
99
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
RESISTÊNCIA SÉRIE EQUIVALENTE (ESR) A resistência série equivalente é expressa em ohms ou miliohm (Ω, mΩ) e é resultante das resistências dos leads de conexão e das perdas nas extremidades e no material dielétrico.
INDUTÂNCIA SÉRIES EQUIVALENTE (ESL) A indutância série equivalente pode ser útil ou prejudicial. Ela reduz o desempenho em altas freqüências, entretanto, ela pode ser útil em conjunção com a capacitância interna para formar circuitos ressonantes.
FATOR DE DISSIPAÇÃO (DF) O fator de dissipação, dado em percentual, é a relação entre a resistência série efetiva de um capacitor com a sua reatância numa determinada freqüência. Ele é o recíproco do fator de qualidade (Q) e indica a perda de energia dentro do capacitor. Deve ser tão baixa quanto possível.
RESISTÊNCIA DE ISOLAÇÃO A resistência de isolação é a resistência do material dielétrico e determina o tempo em que o capacitor, uma vez carregado, irá manter a sua carga. Um capacitor descarregado possui uma pequena resistência de isolamento, entretanto, uma vez carregado no seu valor nominal, essa aumenta para megohms. A corrente de fuga em um capacitor eletrolítico, por exemplo, não deve exceder a seguinte relação:
I L = 0,04 ⋅ C + 0,30 Onde IL é a corrente de fuga, µA; e C é a capacitância, µF.
ABSORÇÃO DO DIELÉTRICO (DA) A absorção do dielétrico é a relutância do dielétrico em fornecer os seus elétrons armazenados quando o capacitor é descarregado. É chamada freqüentemente de “memória” porque se o capacitor é descarregado através de uma resistência e se a mesma for removida, os elétrons que permaneceram no dielétrico irão se recombinar nos eletrodos, causando a aparição de uma tensão nos terminais do capacitor. A DA é testada carregando o capacitor por 5 minutos, descarregando o mesmo durante o mesmo período, então deixando o circuito aberto durante 1 minuto, após o qual é feita a leitura de tensão. A DA pode ser expressa como percentual da recuperação da tensão aplicada.
Introdução à Engenharia Elétri ca
100
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
ENVELHECIMENTO A capacitância de certos capacitores diminui com o envelhecimento dos seus componentes. Nos capacitores cerâmicos, o envelhecimento é causado pela degradação do dielétrico. O tipo de dielétrico e o ambiente de operação ou a temperatura de armazenamento são os fatores de envelhecimento mais significativos, enquanto que a tensão de operação possui um efeito pequeno comparado. O processo de envelhecimento pode ser revertido pelo aquecimento do componente acima do ponto de Courie. O envelhecimento é maior no início da vida útil do componente, estabilizando-se com o tempo. Os capacitores eletrolíticos envelhecem a medida que o eletrólito evapora. Diferente dos capacitores cerâmicos, isso ocorre perto do final da vida útil do componente.
ENCAPSULAMENTO Os capacitores possuem as suas placas arranjadas em muitas configurações, por exemplo, de forma axial ou radial. Os pequenos e baratos capacitores cerâmicos discoidais existem desde 1930 e permanecem úteis até os dias de hoje. No início da década de 1980 começaram a ser usados os encapsulamentos para montagem de superfície (SMT). Esses encapsulamentos são extremamente pequenos e não possuem leads de conexão, tendo de ser soldados diretamente nas placas de circuito impresso. Os componentes SMD evitam os indesejáveis efeitos das altas freqüências induzidos nos leads e simplificam a montagem automatizada, no entanto, dificultam a montagem manual devido ao pequeno tamanho.
Figura 3-28 – Capacitores SMD e through hole.
3.2.3.
Tipos de Capacitores Os capacitores podem ser classificados de acordo com o seu material dielétrico e a
sua configuração mecânica em: capacitores cerâmicos, de filme, de mica, de papel e eletrolíticos.
CAPACITORES CERÂMICOS Os capacitores cerâmicos são usados freqüentemente em aplicações de acoplamento e desvio (Figura 3-29). Os capacitores cerâmicos podem ser produzidos com uma grande
Introdução à Engenharia Elétri ca
101
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
variedade de valores de k (constante dielétrica). Um elevado valor de k se traduz em menor tamanho e menor estabilidade. Os capacitores de k elevado com constante dielétrica maior que 3 000 são fisicamente pequenos e podem apresentar valores entre 1 nF até muitos µF.
Uma boa estabilidade em temperatura requer capacitores com valores de k entre 10 e 200. Se for necessário um elevado valor de Q, o capacitor deve ser fisicamente maior. Os capacitores cerâmicos com variação zero com a temperatura são chamados NPO (negativepositive-zero) e possuem capacitâncias na faixa de 1,0 pF a 33 nF.
Figura 3-29 - Capacitor cerâmico multicamadas. Um capacitor N750 com compensação de temperatura é usado quando se requer de uma capacitância exata em uma grande faixa de temperaturas. O número 750 indica um decréscimo de 750 ppm na capacitância quando a temperatura aumenta em 1ºC (750 ppm/ºC). Por exemplo, pode se dizer que haverá uma diminuição de 1,5% do valor da capacitância para cada incremento de 20ºC. Os capacitores N750 são fabricados em valores de 4,0 a 680 pF.
Introdução à Engenharia Elétri ca
102
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
CAPACITORES DE FILME METALIZADO Os capacitores de filme consistem de lâminas alternadas de folha metálica e uma ou mais camadas de material plástico isolante flexível (dielétrico), na forma de fita, enrolada e encapsulada (Figura 3-30).
Figura 3-30 - Capacitores de filme enrolado.
Figura 3-31 - Capacitores de filme metalizado de poliéster e polipropileno. São construídos com lâminas finas de poliéster, policarbonato e polipropileno sobre as que se deposita alumínio, que forma as armaduras. As lâminas são empilhadas e se conectam pelas extremidades.
Introdução à Engenharia Elétri ca
103
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-32 - Capacitor de polipropileno.
CAPACITORES DE MICA Os capacitores de mica possuem pequenos valores de capacitância e são geralmente usados em circuitos de altas freqüências. Eles são construídos com camadas alternadas de uma folha metálica e de um isolamento de mica, que são empilhados e encapsulados. Outra forma de fabricação é o recobrimento de eletrodos de prata é recoberto por mica.
Figura 3-33 - Capacitores de mica. A mica possui algumas vantagens quando usada como dielétrico: baixas perdas, facilidade de esfoliação em pequenas lâminas, suporta altas temperaturas e não se degrada por oxidação em ambientes úmidos. Esses capacitores funcionam muito bem nas altas freqüências e suportam tensões elevadas. Entretanto, são caros e estão aos poucos sendo substituídos por capacitores com outros materiais.
Introdução à Engenharia Elétri ca
104
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
CAPACITORES DE PAPEL Os capacitores de papel são geralmente usados como dispositivos de arranque de motores e funcionam em 50 ou 60 Hz. Eles são fabricados com lâminas alternadas de alumínio e de papel parafinado, enroladas uma na outra. Os capacitores de papel possuem aplicações em ambientes industriais. Alguns tipos são fabricados na forma de capacitores auto-regeneráveis. A diferença dos outros é que esses são construídos depositando alumínio sobre o papel. Ante uma situação de sobrecarga que supera a rigidez dielétrica do papel, o mesmo se rompe em algum ponto, produzindo um pequeno curto-circuito entre as armaduras, mas esse curto-circuito provoca uma alta densidade de corrente pelas armaduras na zona em questão. Essa corrente funde a fina camada de alumínio que rodeia o curto-circuito, restabelecendo o isolamento entre as armaduras.
CAPACITORES ELETROLÍTICOS Os capacitores eletrolíticos fornecem alto valor de capacitância em um tamanho razoável; entretanto, eles possuem algumas desvantagens. As baixas temperaturas reduzem o seu desempenho, e as altas os fazem secar ou destruir. Os eletrólitos em si podem vazar e corroer o equipamento. O evento periódico de surtos ou picos na tensão aplicada, correntes excessivas de ripple e altas temperaturas de operação, reduzem o desempenho e a vida útil desses capacitores. Os capacitores eletrolíticos são fabricados pela formação eletroquímica de um filme de óxido em uma superfície metálica. O metal no qual o filme de óxido é depositado serve como anodo ou terminal positivo do capacitor; o filme de óxido é o dielétrico e; o catodo ou terminal negativo é um líquido condutor ou um gel. O circuito equivalente de um capacitor eletrolítico é mostrado na Figura 3-34, onde A e B são os terminais do capacitor; C é a capacitância efetiva; e L é a auto-indutância do capacitor causada pelos terminais, eletrodos e pela geometria.
Figura 3-34 - Circuito equivalente de um capacitor eletrolítico. A resistência shunt Rs (desvio de corrente) leva em conta a corrente de fuga CC. É gerado calor na resistência ESR devido à corrente de ripple e à resistência shunt pela tensão aplicada entre os terminais A e B. A ESR é devida ao sistema óxido-eletrólito cujo valor varia muito pouco exceto nas baixas temperaturas, quando aumenta de forma significativa. A impedância de um capacitor depende da freqüência (Figura 3-35). A reta de inclinação descendente e ocasionada pela reatância capacitiva XC. O ponto de máxima
Introdução à Engenharia Elétri ca
105
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
concavidade (ponto de mínimo) é praticamente uma impedância resistiva, e a parte da curva de inclinação ascendente é devida à auto-indutância do capacitor XL.
Figura 3-35 - Impedância característica de um capacitor. A corrente de fuga é a corrente contínua que passa através do capacitor quando é aplicada uma tensão contínua de polarização nos seus terminais. Ela é proporcional à temperatura e se torna significativa em altas temperaturas de operação. A corrente de fuga diminui lentamente depois que a tensão é aplicada, alcançando uma condição estacionária em torno de 10 minutos. Se um capacitor eletrolítico for conectado com a polaridade revertida, o filme de óxido é polarizado diretamente oferecendo pequena resistência para o fluxo da corrente. Isso causa aquecimento e a autodestruição do capacitor. O calor total gerado dentro de um capacitor é a soma do calor criado pela IFuga x VAplicada e pelas perdas R x I2 da ESR. A corrente alternada nominal de ripple é muito importante nas aplicações de filtros porque se ela tiver um valor excessivo produzirá um aumento da temperatura e uma diminuição da já curta vida útil do capacitor. O valor máximo da corrente de ripple é limitado pela temperatura interna e pela taxa de dissipação de calor do capacitor. Quando menor o valor da ESR e maior for a área de dissipação de calor, maior será a corrente nominal de ripple. A expectativa de vida útil de um capacitor eletrolítico duplica para cada 10ºC a menos da temperatura de operação, de forma que um capacitor operando à temperatura ambiente terá uma expectativa de vida 64 vezes que àquele mesmo capacitor operando a 85ºC. A especificação de tensão de surto de um capacitor determina a sua capacidade de agüentar grandes transientes de tensão, que geralmente ocorrem durante o período de ligação do aparelho. Os testes padronizados geralmente especificam um curto período em que o equipamento está ligado e um longo período desligado para um intervalo de 24 horas
Introdução à Engenharia Elétri ca
106
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
ou mais, e a tensão permitida de tesões de surto são geralmente 10% acima da tensão nominal do capacitor. A Figura 3-36 mostra como a temperatura, freqüência, tempo e tensão aplicada, afeta os capacitores eletrolíticos.
Figura 3-36 - Variações nas características dos capacitores eletrolíticos de alumínio, causadas pela temperatura, freqüência, tempo e tensão aplicada.
Capacitores Eletrolíticos de Alumínio Os capacitores eletrolíticos de alumínio usam alumínio como material de base (Figura 3-38). A superfície dos condutores é freqüentemente enrolada para aumentar a superfície da folha condutora em 100 vezes ou mais, resultando em capacitâncias maiores no mesmo volume.
Introdução à Engenharia Elétri ca
107
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-37 - Capacitores eletrolíticos de alumínio. Os capacitores eletrolíticos de alumínio podem agüentar até 1,5 V de tensão reversa sem apresentar danos permanentes. Tensões reversas maiores, quando aplicadas por longos períodos, levam à perda da capacitância. Tensões reversas excessivas por curtos períodos causam alguma alteração no valor da capacitância mas não levam o capacitor a falhar.
Figura 3-38 – Visão interna de um capacitor eletrolítico de alumínio. Os capacitores com grandes valores de capacitância são comumente usados nas fontes de alimentação de corrente contínua. Depois que um capacitor é carregado, o retificador para de conduzir e o capacitor descarrega na carga, como mostra a Figura 3-39, até o ciclo seguinte. Então o capacitor se carrega novamente até a tensão de pico. O ∆e é igual à tensão total de ripple de pico-a-pico, e é uma onda complexa contendo muitas harmônicas da freqüência fundamental de ripple, causando um aquecimento considerável no capacitor.
Introdução à Engenharia Elétri ca
108
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-39 – Carga e descarga de um capacitor de uma fonte retificada.
Capacitores Eletrolíticos de Tântalo Os capacitores eletrolíticos de tântalo é o tipo preferido quando se precisa ter alta confiabilidade e longa vida útil. Os capacitores de tântalo possuem três vezes melhor capacitância por eficiência de volume que os capacitores eletrolíticos de alumínio, devido a que o pentóxido de tântalo possui uma constante dielétrica três vezes maior que a do óxido de alumínio.
Figura 3-40 - Capacitores de tântalo. Nos capacitores de tântalo eletrolítico, a distância entre as placas é a espessura do filme de pentóxido de tântalo, e sendo a constante dielétrica do pentóxido de tântalo muito elevada, resultam em altos valores de capacitância. Existem basicamente três tipos de capacitores eletrolíticos de tântalo: de filme, de eletrólito sólido e de eletrólito líquido. Os capacitores de filme de tântalo são projetados para valores de tensão de até 300 V em CC. Dentre os três tipos de projeto de capacitores eletrolíticos de tântalo, o projeto na forma de filmes possui a menor capacitância por unidade de volume e é o mais adequado
Introdução à Engenharia Elétri ca
109
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
para uso em tensões elevadas e é principalmente encontrado em aparelhos antigos. Ele é muito caro e é usado somente quando os outros dois tipos não podem ser utilizados. Os capacitores de filme de tântalo são usados para operações na faixa de temperatura de -55 a +125ºC e são encontrados principalmente nos equipamentos eletrônicos industriais e militares. Os capacitores de eletrólito sólido sinterizado usam geralmente um eletrólito de dióxido de magnésio. Algumas variações dos capacitores de tântalo de eletrólito sólido encapsulam o elemento capacitivo em resinas plásticas, tais como materiais epóxi oferecendo excelente confiabilidade e alta estabilidade para equipamentos eletrônicos de consumo popular adicionado à características de baixo custo.
Figura 3-41 - Capacitor de tântalo de eletrólito sólido. Algumas outras formas de fabricação de capacitores de “tântalo sólido” usam filmes plásticos para encapsular o material ou invólucros metálicos que são enchidos de resina epóxi. Também são fabricados em encapsulamentos de plástico tubulares e retangulares. Os capacitores de tântalo de eletrólito líquido usam uma composição de pó sinterizado de tântalo. Este tipo de anodo possui uma enorme área para o seu tamanho (Figura 3-42). Os capacitores de eletrólito líquido são fabricados para até 125 V CC.
Introdução à Engenharia Elétri ca
110
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-42 – Capacitor de tântalo de anodo sinterizado hermeticamente selado.
CAPACITORES DE AR São capacitores, normalmente de placas paralelas, com dielétrico de ar e encapsulados em vidro. Como a permissividade elétrica é igual a 1, somente se conseguem valores pequenos de capacitância. São raramente encontrados, e a sua aplicação principal foram os sistemas de rádio e radar, porque eles funcionam muito bem em altas freqüências, além de apresentar pequenas perdas no dielétrico.
SUPERCAPACITORES São também conhecidos como capacitores elétricos de dupla camada, capacitores eletroquímicos de dupla camada (EDLC) ou ultracapacitores. São capacitores eletroquímicos que possuem extraordinariamente elevada densidade de energia quando comparada à dos capacitores convencionais. As capacitâncias desses podem chegar a milhares de vezes a capacitância dos maiores capacitores eletrolíticos. Por exemplo, um capacitor eletrolítico convencional pode ter a sua capacidade medida em microfarad, enquanto que um supercapacitor
do
mesmo
tamanho
pode
armazenar
muitos
farad.
Os
grandes
supercapacitores possuem capacidades de mais de 5 000 farad.
Introdução à Engenharia Elétri ca
111
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Figura 3-43 - Supercapacitores de até 3 000 F (Cortesia Maxwell Technologies29). Os supercapacitores possuem uma grande variedade de aplicações comerciais, especialmente em aplicações de “suavização” da energia e para suprir grandes cargas eventuais momentâneas. As primeiras aplicações foram em capacitores para arranque de grandes motores em tanques e submarinos, o custo tem baixado e estão começando a ser usados em caminhões a diesel e em locomotivas. Os supercapacitores são adequados para aplicações de frenagem regenerativa, onde as baterias apresentam dificuldades devido ao seu grande tempo necessário para o processo de carga.
Figura 3-44 - Exemplos de supercapacitores.
CAPACITORES VARIÁVEIS Um capacitor variável é aquele que pode alterar o valor da sua capacitância. No caso de um capacitor plano sabe-se que a capacitância depende do material, da área entre as placas condutoras e da distância entre as mesmas. Para fabricar um capacitor variável, uma dessas três variáveis pode ser construída para alterar o seu valor. Assim, pode ser construído um capacitor onde uma das placas seja móvel, variando a distância com relação
29
www.maxwell.com.
Introdução à Engenharia Elétri ca
112
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
P
E
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
à outra placa resultando em uma variação inversamente proporcional de capacitância, por exemplo. Existem teclados de computador que funcionam com este tipo de fenômeno. Alguns capacitores variáveis são mostrados na
Figura 3-45 – Espécimes de capacitores variáveis.
3.2.4.
Codificação dos Capacitores Os capacitores de valor elevado normalmente levam o seu valor de capacitância
diretamente impresso no corpo, por exemplo, 10 µF. Entretanto, os pequenos capacitores do tipo disco freqüentemente possuem tão somente a impressão de dois ou três números. Quando aparecem tão somente dois números, esses devem ser lidos como picofarads. Por exemplo, se estiver impresso o valor “47” presume-se que são 47 pF. Quando houver três números, deve se proceder analogamente à interpretação dos resistores, i.e., os dois primeiros são os primeiros dois dígitos significativos e o terceiro é o fator multiplicador. A Tabela 3-8 mostra a codificação para o terceiro dígito dos capacitores. Tabela 3-9 – Código do fator multiplicador. Terceiro Dígito
Multiplicador
0
1
1
10
2
100
3
1 000
4
10 000
5
100 000
6 (não usado)
-
7 (não usado)
-
8
0,01
9
0,1
Por exemplo, um capacitor marcado como 104 é 10 com mais 4 zeros, em PF, ou seja, 100 000 pF, ou 100 nF, ou 0,1 µF.
Introdução à Engenharia Elétri ca
113
D
I
S
P
O
S
I
T
I
V
O
S
D
E
P
R
O
C
E
S
S
A
M
E
N
T
O
Os valores de tolerância são colocados com letras como mostra a Tabela 3-10. Por exemplo, se o capacitor estiver identificado como “103J” significa 10 000 pF com tolerância de ± 5%. Tabela 3-10 – Codificação das tolerâncias dos capacitores. Símbolo
Tolerância do Capacitor
BC
± 0,02 pF
A
± 0,05 pF
B
± 0,1 pF
C
± 0,25 pF
D
± 0,5 pF
F
± 1%
G
± 2%
H
± 3%
J
± 5%
K
± 10%
M
± 20%
P
+100% ,-0%
Z
+80%, -20%
Os capacitores cerâmicos (disco ou chip) possuem a informação dos coeficientes de temperatura, adicionadas à sua descrição. Por exemplo: Z5U e X7R, e usualmente estão codificadas dentro do part number. São representações de 3 dígitos que representam a faixa de temperatura (mínima e máxima) e a tolerância (Tabela 3-11). Tabela 3-11 – Codificação do dielétrico Primeiro
Menor
Segundo
Maior
Terceiro
Variação máxima
símbolo
temperatura
símbolo
temperatura
símbolo
da capacitância
(letra)
com a variação da
(letra)
(número)
temperatura Z
+10ºC
2
+45ºC
A
+1,0%
Y
-30ºC
4
+65ºC
B
±1,5%
X
-55ºC
5
+85ºC
C
±2,2%
6
+105ºC
D
±3,3%
7
+125 ºC
E
±4,7%
F
±7,5%
P
±10,0%
R
±15,0%
S
±22,0%
T
+22%, -33%
Introdução à Engenharia Elétri ca
114