Capacitores: Componentes essenciais para as maravilhas eletrônicas

Introdução

Capacitores são um dos blocos de construção da eletrônica. Eles são essenciais para muitas aplicações. Como componente, os capacitores são comumente usados para armazenar energia, regular níveis de tensão, condicionamento de energia, filtragem de ruído eletrônico e acoplamento ou desacoplamento de sinais. Assim, o amplo uso de capacitores os torna um componente integrante de múltiplas indústrias. Vários sistemas industriais utilizam esses dispositivos, incluindo fontes de alimentação e controladores de motores, e sistemas de comunicação, entre outros. Este guia apresenta os capacitores, incluindo seu funcionamento básico, tipos e aplicações.

Noções básicas de capacitores

O que é um capacitor?

Um capacitor é um componente eletrônico passivo. Neste componente, um material ou camada isolante separa dois ou mais pedaços de material condutor. Esta camada isolante é chamada de dielétrico. Um capacitor pode armazenar energia em um campo eletrostático gerado por uma diferença de potencial entre os condutores. Assim, quando um condutor é submetido a uma tensão, uma carga positiva se acumulará em uma placa do capacitor, e a outra placa será carregada negativamente. A relação entre esta carga elétrica e a diferença de potencial (tensão) é chamada de capacitância e é dada em farads (F).

Quando um capacitor é conectado a qualquer fonte de tensão ou bateria, uma corrente fluirá do terminal negativo da bateria para a placa mais próxima deste terminal. A segunda placa se torna a placa carregada negativamente. De acordo com a Lei de Coulomb, os elétrons na outra placa se movem ao mesmo tempo, em direção ao terminal positivo da bateria, e esta placa se torna assim a placa positiva. O capacitor é considerado totalmente carregado quando a placa negativa mostra uma saturação de elétrons e um campo elétrico é desenvolvido entre as placas.

Um farad pode representar uma capacitância significativa; até mesmo 0,001F (1 milifarad – 1mF) é um capacitor grande. A maioria dos capacitores é classificada na faixa de pico (10^-12) a microfarad (10^-6). Saiba mais sobre os fundamentos dos capacitores.

Tipos de Capacitores

Os capacitores podem ser de capacitância fixa ou variável. Capacitores fixos possuem um valor de capacitância fixo e não ajustável.

O usuário pode ajustar os capacitores variáveis (também conhecidos como capacitores de sintonia devido às suas aplicações em sintonia de antenas e rádios), empregando meios eletrônicos ou mecânicos. Os capacitores variáveis mecânicos são compostos por dois conjuntos de placas metálicas sobrepostas: um que gira e é controlado por um eixo (rotor) e um segundo que é um conjunto estacionário (estator). Outra forma de capacitor variável mecânico é o capacitor de ajuste fino (trimmer), que possui um dielétrico de mica entre duas placas. O capacitor de ajuste fino deve ser ajustado com um parafuso.

Com base em suas características, os capacitores fixos são sub-classificados em vários tipos, cada um com suas próprias características e usos particulares. Alguns dos tipos mais comuns são listados na seguinte tabela. Saiba mais sobre os diferentes tipos de capacitores.

Categoria			Características
Capacitores Cerâmicos	Tipo SMD	Capacitores de chip cerâmico multicamadas (MLCC)	Capacitores do tipo SMD (Surface Mount Device) com dielétricos cerâmicos laminados possuem características superiores em alta frequência e resistência ao calor. Esses capacitores podem ser divididos em dois tipos, dependendo de seus dielétricos: os produtos do Tipo 1 (compensação de temperatura) têm variações mínimas na capacitância devido à temperatura, enquanto os produtos do Tipo 2 (com altas constantes dielétricas) podem suportar valores de capacitância relativamente grandes, mas têm taxas de variação consideravelmente maiores devido à temperatura do que os do Tipo 1.
	Tipo PTH	MLCC com cabo radial com chumbo	Estes são capacitores de chip cerâmico laminado revestidos com resina e ligados a fios de chumbo. Eles possuem as características dos capacitores de chip cerâmico laminado. Os fios de chumbo proporcionam benefícios como redução do estresse mecânico e térmico, além de isolamento. Uma camada de resina oferece a esses capacitores efeitos de proteção contra temperatura. Eles também são extremamente eficazes nas medidas contra o “canto” do capacitor.
		Capacitores tipo disco comchumbo (capacitores cerâmicos de alta tensão)	Esses capacitores cerâmicos em formato de disco com fios de chumbo podem suportar médias a altas tensões, até um máximo de 6 kV. Seu revestimento externo de resina está em conformidade com as especificações livres de halogênio. A linha de produtos inclui uma série padronizada de segurança, com certificações de padrões de segurança obtidas em diversos países. A série também está em conformidade com o padrão AEC-Q200, necessário para componentes passivos em todas as aplicações automotivas.
Capacitores eletrolíticos de alumínio			Esses capacitores utilizam um filme de óxido de alumínio e solução eletrolítica. Eles apresentam uma capacitância grande, mas muitos também possuem propriedades de polaridade. É essencial que esses tipos de capacitores sejam conectados na direçãocorreta (polarizados), caso contrário, podem ser danificados. A TDK oferece uma variedade de capacitores eletrolíticos de alumínio que incluem tipos de terminais radiais, axiais, terminal de parafuso e terminal de encaixe.
Capacitores de filme			Esses capacitores possuem capacidade de autocura. Eles utilizam filme plástico como dielétrico com uma camada de metalização ultrafina evaporada a vácuo. Eles podem suportar uma ampla faixa de tensões AC e DC com altas correntes e temperaturas. Portanto, os capacitores de filme são adequados para aplicações que variam de algumas centenas de watts a vários megawatts.
Capacitores cerâmicos de ultra-alta tensão			Esses são capacitores cerâmicos e podem suportar tensões ultra-altas de até 50 kV. Eles são altamente estáveis devido ao uso de cerâmicas para elétricas. Os capacitores cerâmicos de ultra-alta voltagem também são confiáveis em relação à voltagem, e suas estruturas simples oferecem excelente resistência mecânica.
Capacitores elétricos de dupla camada(EDLC / supercapacitores)			EDLCs (Electric Double-Layer Capacitors) são capacitores especiais. Eles compartilham características que estão entre um capacitor e uma bateria (bateria secundária). Eles são encontrados em dispositivos de armazenamento de energia. Os EDLCs fazem com que íons se prendam à superfície de eletrodos de carbono ativado embebidos em eletrólito. A dupla camada elétrica formada pode acumular uma carga elétrica e proporciona a esses dispositivos de armazenamento de energia uma densidade de energia e capacitância extraordinariamente grandes.

Critérios de seleção de capacitores / como selecionar o capacitor certo

Vários fatores devem ser considerados ao selecionar um capacitor adequado:

• Tamanho – Isso se aplica tanto à capacitância quanto ao volume físico. Os capacitores estão disponíveis em todos os tamanhos. Eles podem ser o maior componente em um circuito ou podem ser pequenos. Maiores capacitâncias geralmente exigem um capacitor maior.
• Tensão máxima – Cada capacitor tem uma tensão máxima classificada. Alguns capacitores podem ser classificados em 1,5V, enquanto outros podem ser classificados em 100V. O capacitor será destruído se a tensão máxima for excedida.
• Corrente de fuga – Os capacitores não são à prova de falhas. Cada dispositivo, através de seu dielétrico, pode vazar uma corrente minúscula de um terminal para o outro. Essa perda de corrente mínima (geralmente nanoamperes ou menos) é chamada de corrente de fuga. Se ocorrer vazamento, a energia armazenada no capacitor se dissipará lentamente.
• Resistência equivalente em série (ESR) – Os terminais do capacitor nunca são completamente condutivos e sempre têm baixa resistência (geralmente menos de 0,01Ω). Quando uma corrente alta passa pelo capacitor, gerando calor e perda de energia, essa resistência mínima cria dificuldades.
• Tolerância – Os capacitores não podem ter uma capacitância exata e precisa. Embora cada capacitor seja classificado para sua capacitância nominal, o valor real pode variar de ±1% a ±20% do valor desejado, dependendo do tipo.

Um exemplo típico é mostrado na figura a seguir. O código de três dígitos impresso no corpo identifica o valor do capacitor em picofarads. Os códigos de letras indicam seu valor de tolerância, como J = 5%, K = 10%, ou M = 20%. Por exemplo, o capacitor de disco cerâmico anterior com uma marcação de 154 indica que 15 são os dois primeiros dígitos do valor e 4 é o número de zeros de picofarad (multiplicador), ou seja, 150.000 pF (150nF).

• Material dielétrico – O material dielétrico tem um papel significativo durante a seleção do capacitor. Vários grupos de materiais dielétricos têm características, desvantagens e vantagens diferentes. Embora ausente nesta tabela, o ar é ocasionalmente usado como dielétrico em aplicações de alta voltagem.

Tabela: Características dielétricas

• Padrões e conformidade –  Os capacitores podem ser fabricados em conformidade com padrões aplicáveis, incluindo:
  • IEC 60384 (Refere-se a capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos; 26 partes)
  • IEC 60418 (Capacitores variáveis; 4 partes)
  • MIL 14409 (Desempenho de capacitores variáveis; 19 partes) e mais
• RoHS – A União Europeia adotou a Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS) em 2003. Embora os produtos RoHS sejam conhecidos por serem “livres de chumbo”, a diretiva também limita o uso de mercúrio, cádmio, cromo hexavalente, éter difenilo polibromado e bifenilos polibromados em produtos eletrônicos ou elétricos. A diretiva RoHS foi criada para reduzir os riscos médicos em países em desenvolvimento inundados com “lixo de alta tecnologia”.

• Fator de forma e montagem – Os capacitores são principalmente fabricados como dispositivos Through Hole (THT) ou Surface Mount (SMT).
  • Through Hole (Orifício passante – THT)

Os componentes Through Hole têm terminais longos. Esses terminais passam por furos em uma placa de circuito impresso (PCB) e são soldados do outro lado. A montagem THT garante uma conexão mecânica robusta. Os produtos Through Hole, por necessidade, devem ser proporcionalmente grandes. Atualmente, a Tecnologia de Montagem em Superfície (SMT) substituiu em grande parte o THT.

Os capacitores through hole podem apresentar uma variedade de arranjos de terminais:

• Os terminais axiais se estendem das extremidades do capacitor e ao longo do eixo, não pelas laterais.
• Os terminais radiais se estendem de uma extremidade ou lateral do capacitor em vez de ambas as extremidades.
• Os terminais volantes se estendem horizontalmente.

• Montagem em superfície (SMT)

Dispositivos de montagem em superfície utilizam terminais curtos, contatos planos, BGAs ou outras terminações para serem montados diretamente em uma placa de circuito impresso (PCB). Os dispositivos SMT são muito menores do que os capacitores THT. Como não são necessários furos perfurados, os dispositivos SMT podem ser montados com facilidade e a baixo custo.

Aplicações comuns de capacitores

• Acoplamento AC/Bloqueio DC – O capacitor permite apenas que sinais AC sejam transportados de uma seção de um circuito para outra, enquanto bloqueia qualquer voltagem estática DC. O uso principal do capacitor é separar os componentes AC e DC do sinal. Este método requer que a impedância do capacitor permaneça suficientemente baixa. A voltagem nominal do capacitor deve ser maior do que a voltagem de pico através do capacitor. O capacitor garantirá confiabilidade, pois pode suportar a voltagem da alimentação.
• Desacoplamento da fonte de alimentação – O capacitor pode separar uma seção de um circuito de outra. Quando um sinal de linha de entrada passa por um transformador e um retificador, ele se desacopla. A forma de onda resultante não é suave e pode variar de zero à voltagem máxima. Quando aplicado a um circuito, isso pode não funcionar porque uma voltagem DC geralmente é necessária.
• Filtragem de ruído AC em circuitos DC – O capacitor deve eliminar quaisquer sinais de corrente alternada em um ponto de polarização DC, trilho de alimentação ou outros nós que devem estar livres de uma determinada mudança de sinal. Ele também deve ser capaz de suportar a voltagem de alimentação e simultaneamente fornecer e absorver as quantidades de corrente causadas pelo ruído do trilho.
• Filtragem de sinal de áudio – O desempenho de RF do capacitor deve ser avaliado. Em frequências mais baixas, seu desempenho pode variar. Capacitores cerâmicos são comumente empregados nesta aplicação devido à sua alta frequência de auto-ressonância, especialmente os capacitores de montagem em superfície extremamente pequenos sem terminais que poderiam criar indutância.

A Newark fez parceria com muitos fornecedores diferentes atendendo a uma ampla variedade de portfólios de capacitores, como capacitores eletrolíticos de alumínio, redes de supressão/amortecimento de arco, capacitores de cerâmica, capacitores de filme, capacitores de mica, capacitores de óxido de nióbio, capacitores de polímero, capacitores de RF, supercapacitores, capacitores de tântalo, capacitores de metal isolante de linha de transmissão (MIM), capacitores trimmer e muito mais.

Contato da Newark no Brasil

Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: vendas@laterebr.com.br 

* Texto originalmente publicado em: link adaptado pela Equipe Embarcados.