Capacitor

O Capacitor é um componente eletrônico muito simples, porém com grande utilização em circuitos. Construtivamente falando, o capacitor é um elemento composto de duas placas (condutores), entre as quais existe algum isolante (dielétrico), pode ser ar, mica, plástico, óxido ou qualquer material que impeça a passagem de corrente elétrica.

A figura a seguir mostra a variedade de capacitores que existem no mercado.

Capacitores de todos os tipos

Princípio de Funcionamento

O capacitor tem a capacidade de armazenar em suas placas, cargas elétricas opostas. Portanto, a carga total de um capacitor é zero. A propriedade que um capacitor tem de armazenar energia elétrica na forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância (C), a qual é a quantidade de cargas (Q) armazenadas em um determinado potencial elétrico (V) existente entre os terminais:

Como pode ser visto na equação acima, a Capacitância é a razão entre as cargas armazenadas nos terminais do capacitor e a diferença de tensão entre os as placas deste. A medida de Capacitância é em Farand (F) e pode ser definida como o armazenamento de um Coulomb sobre a diferença de potencial de 1 volt.

Capacitor de Placas Paralelas

A equação abaixo exprime que a capacitância C de um capacitor construído com placas paralelas com área A, e distância entre placas igual a d é:

Onde:
C - Capacitância em Farands
ε0- é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre
εr - é a constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.

Energia

A energia (conforme SI, medida em Joules) armazenada em um capacitor, é igual ao trabalho feito para carregá-lo. Considere um capacitor com capacitância C, com uma carga +q em uma placa e -q na outra. Movendo um pequeno elemento de carga dq de uma placa para a outra contra a diferença de potencial V = q/C necessita de um trabalho dW:

Nós podemos descobrir a energia armazenada em um capacitor integrando essa equação. Começando com um capacitor descarregado (q=0) e movendo carga de uma placa para a outra até que as placas tenham carga +Q e -Q, necessita de um trabalho W:

Associação de Capacitores

Os capacitores podem ser associados em série ou paralelo. Na associação em série, a corrente é igual em todos os capacitores, porém a tensão se divide inversamente proporcional a capacitância. Como pode ser visto na figura abaixo.

A capacitância Ceq (equivalente) pode ser calculada pela formula acima.

Na associação em paralelo, todos os capacitores recebem a mesma tensão porém a corrente se divide entre eles na razão direta da capacitância. Abaixo, é mostrada a configuração paralela e a forma como se pode calcular a capacitância equivalente do circuito capacitivo Ceq.

Na associação mista de capacitores, tem-se capacitores associados em série e em paralelo. Nesse caso, o capacitor equivalente deve ser obtido resolvendo-se o circuito em partes, conforme a sua configuração. Por isso, calcule antes a associação de capacitores em série para após efetuar o cálculo dos capacitores em paralelo.

Circuitos com Capacitores

Quando um capacitor é ligado a uma fonte externa as placas se carregam com cargas opostas. Se a fonte for de corrente contínua haverá circulação de corrente até que o capacitor se carregue, após isso, a tensão no capacitor se iguala a da fonte e a corrente elétrica é extinta. Porém, se o capacitor for ligado a uma fonte de corrente alternada, a polaridade das placas se alternam conforme a tensão da fonte se alterna, com isso se tem um fluxo de corrente proveniente da carga e descarga do capacitor. A equação abaixo descreve esse comportamento:

Reatância capacitiva

Ao se conectar um Capacitor em uma fonte alternada, cada mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor, provocando a circulação de uma corrente. A oposição que o capacitor apresenta à passagem desta corrente sob regime AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a freqüência do sinal AC. A reatância capacitiva é dada por:

Onde:

• X_C = reatância capacitiva, medida em ohms
• f = freqüência do sinal AC, em Hertz - Hz
• C = capacitância medida em Farands F

É denominada reatância pois o capacitor reage a mudanças na tensão, ou diferença de potencial.

A reatância capacitiva é inversamente proporcional à freqüência do sinal. Como sinais DC (ou CC) possuem freqüência igual a zero, o capacitor comporta-se como um circuito aberto, após um determinado tempo, em que o capacitor está carregando. Para correntes alternadas (AC) com freqüências muito altas, a reatância, por ser muito pequena, pode ser desprezada em análises aproximadas do circuito.

Impedância Complexa de um Capacitor

Z - impedância complexa do capacitor
j - número complexo
f - freqüência
C - capacitância
A reatância capacitiva é o componente imaginário negativo da impedância.

Aplicações

O capacitor é um componente usado em quase topo tipo de dispositivo eletrônico. Ele permite armazenar cargas elétricas na forma de um campo eletrostático e mantê-la durante um certo período, mesmo que a alimentação elétrica seja cortada. Os capacitores são usados nas fontes de alimentação, nas placas-mãe e em inúmeros outros componentes.

A função mais comum é retificar e estabilizar a corrente elétrica, evitando que variações possam danificar qualquer dispositivo. É justamente por causa dos capacitores que nunca devemos tocar nos componentes internos da fonte de alimentação sem os cuidados adequados. Pode-se levar um choque considerável, mesmo que a fonte esteja desligada da tomada. Na figura a seguir, é mostrada uma fonte com filtro capacitivo onde o capacitor tem a finalidade de filtrar os 120Hz decorrentes da retificação da onda de 60 Hz.

A onda de tensão sobre a carga fica como na figura abaixo:

As memórias de acesso aleatório RAM (Random Access Memory) utilizam capacitores para armazenar os bits, mais precisamente existe um capacitor para cada bit, certamente essa é a aplicação que mais utiliza capacitores no mundo. Os bits são armazenados dos capacitores da seguinte forma: capacitor carregado representa o bit 1 e capacitor descarregado representa bit 0. Devido ao seu tamanho e valores de tensão envolvidos os dados ficam armazenados nos capacitores por apenas alguns milésimos de segundo, isso acarreta a necessidade de reescrita dos dados de tempo em tempo. É por motivo que as memorias RAM construídas com capacitores são ditas voláteis.