Capacitores: Como Armazenam Carga, e Como Ler, Calcular, Escolher e Usar

Um capacitor armazena carga elétrica e a libera quando o circuito precisa. Ele suaviza a tensão em fontes de alimentação, filtra ruído, define tempos junto com resistores e dá a um chip uma alimentação estável durante chaveamentos rápidos. Este artigo explica o que é um capacitor, os tipos que você vai encontrar, como ler suas marcações, como calcular carga e energia, como os capacitores se combinam em série e em paralelo, como dimensionar um capacitor para uma fonte e como escolher uma tensão nominal com segurança. Os cálculos usam números que você pode conferir no papel ou em uma planilha.

O que você precisa

Você deve ter entendido a lei de Ohm e o artigo sobre resistores neste site, porque a constante de tempo RC é usada aqui. Você precisa de um multímetro com faixa de capacitância se quiser medir componentes, e de uma pequena protoboard com bateria de 9 V ou fonte USB para testar os exemplos. Capacitores eletrolíticos têm polaridade, então, se forem ligados ao contrário, podem superaquecer ou estourar. Sempre descarregue capacitores grandes antes de tocá-los, e nunca conecte um capacitor carregado a uma bateria sem pensar na corrente.

Ilustração

Tópico 1: O que o capacitor faz

Um capacitor são dois condutores separados por um isolante, chamado dielétrico. Quando se aplica uma tensão, a carga se acumula nas placas e o capacitor armazena energia no campo elétrico entre elas. A quantidade de carga armazenada por volt é chamada de capacitância, medida em farads (F). Um farad é muito grande, então os valores práticos são escritos em microfarads (µF = 0,000001 F), nanofarads (nF) e picofarads (pF).

Carga, tensão e capacitância

A carga armazenada é Q = C × V. Um capacitor de 470 µF carregado a 25 V armazena 470 × 0,000001 × 25 = 0,01175 coulomb. Se a tensão dobra, a carga também dobra, e uma capacitância maior armazena mais carga na mesma tensão.

O capacitor bloqueia CC e deixa passar variações

Depois de totalmente carregado, o capacitor quase não puxa corrente de uma fonte CC estável. Mas uma tensão que muda faz a corrente circular, por isso o capacitor deixa passar CA, pulsos e ruído, enquanto bloqueia um nível de tensão fixo. Isso é a base da suavização e do acoplamento.

Símbolo esquemático

Em diagramas de circuito, o capacitor é desenhado como duas linhas paralelas. Capacitores polarizados, como os eletrolíticos, têm uma linha curva no lado negativo e um sinal + no lado positivo. Sempre siga a marcação de polaridade do componente.

Tópico 2: Tipos principais

Capacitores são feitos com dielétricos e construções diferentes. Cada tipo troca tamanho, custo, polaridade, estabilidade e tensão de forma diferente, então o tipo certo depende da função.

Eletrolítico de alumínio

São os cilindros grandes da foto. Oferecem capacitância alta em tamanho pequeno, de cerca de 1 µF a alguns milhares de µF, com tensões nominais de até várias centenas de volts. São polarizados, então o terminal negativo deve ir ao lado de menor tensão. A tolerância é ampla, muitas vezes ±20 por cento, e o valor cai com o tempo e o calor, por isso são usados para suavização e armazenamento de grande quantidade de energia, e não para temporização precisa.

Cerâmico

Capacitores cerâmicos são pequenos discos ou chips sem polaridade. São comuns de alguns picofarads até cerca de 10 µF em tamanho reduzido, e são estáveis em altas frequências, por isso são a escolha habitual para desacoplamento e filtragem perto de chips. Alguns tipos mudam bastante de valor com a tensão e a temperatura, então confira o código do dielétrico.

Filme e tântalo

Capacitores de filme, como poliéster ou polipropileno, não têm polaridade e são estáveis, com tolerância apertada, por isso são usados em temporização e áudio. Capacitores de tântalo são componentes polarizados e pequenos, com alta capacitância para o tamanho, frequentemente usados em circuitos de montagem em superfície, mas podem falhar gravemente se a tensão for excedida, então deixe margem de tensão suficiente.

Supercapacitor

Supercapacitores armazenam capacitância muito grande, de frações de farad a milhares de farads, com tensão baixa por célula. Eles guardam energia para backup de energia e picos curtos, mas na maioria dos aparelhos não substituem uma bateria, e a tensão deve ser limitada ao valor nominal.

Tópico 3: Lendo as marcações do componente

Capacitores eletrolíticos imprimem o valor completo, por exemplo 470 µF e 25 V. Capacitores cerâmicos e outros componentes pequenos costumam usar um código de três dígitos. Aprendendo esses dois sistemas, você consegue identificar quase todos os componentes de uma placa.

Etiqueta do eletrolítico

O corpo mostra a capacitância, a tensão nominal e, muitas vezes, a temperatura, por exemplo 470 µF 25 V 105 °C. Uma faixa na lateral marca o terminal negativo. Alguns componentes também informam a corrente de ondulação nominal, que é importante em fontes de alimentação. A nominal de 105 °C significa que o componente foi feito para durar mais em altas temperaturas do que um de 85 °C.

Código cerâmico de três dígitos

Os dois primeiros dígitos são o valor, e o terceiro é o número de zeros, em picofarads. Assim, 104 significa 10 seguido de quatro zeros, ou 100.000 pF, ou 100 nF. 472 significa 47 com dois zeros, ou 4.700 pF, ou 4,7 nF. A letra após o código indica a tolerância, por exemplo K para ±10 por cento e M para ±20 por cento.

Unidades e conversão rápida

Lembre que 1 µF = 1.000 nF = 1.000.000 pF. Uma etiqueta de 0,1 µF é igual a 100 nF, que é o mesmo que o código 104. Converter as unidades antes de comparar dois valores evita o erro de leitura mais comum.

Tópico 4: Calculando carga e energia

A carga e a energia armazenadas mostram o tamanho do capacitor e o perigo que ele pode representar. Ambas são fáceis de calcular quando a capacitância e a tensão são conhecidas.

Carga

Q = C × V. Para 470 µF a 25 V, Q = 0,01175 C, ou 11,75 milicoulombs. Use as mesmas unidades em todo o cálculo: farads vezes volts dão coulombs, e microfarads vezes volts dão microcoulombs.

Energia

E = ½ × C × V². Para 470 µF a 25 V, E = 0,5 × 0,00047 × 625 = 0,147 J. Essa quantidade é suficiente para dar um choque doloroso ou danificar um circuito se for liberada de repente. Descarregue um capacitor grande por um resistor de algumas centenas de ohms antes de manuseá-lo.

Tempo de carga

Um capacitor carregado por um resistor atinge cerca de 63 por cento da tensão da fonte após uma constante de tempo, τ = R × C. Um resistor de 1 kΩ com 1.000 µF dá τ = 1 segundo. Após cinco constantes de tempo, o capacitor está carregado o suficiente para a maioria das finalidades.

Tópico 5: Capacitores em série e em paralelo

Capacitores se combinam de maneira oposta à dos resistores. Em paralelo, as capacitâncias se somam, e em série o total é menor que o menor deles. A tensão nominal também muda quando os capacitores são combinados, então ambas devem ser verificadas.

Paralelo

Para capacitores em paralelo, C_total = C1 + C2 + C3. Por exemplo, 100 µF e 220 µF em paralelo dão 320 µF. Cada capacitor recebe a tensão total, então cada um deve ter tensão nominal acima da tensão da fonte. Capacitores em paralelo são uma forma comum de aumentar a capacitância para deixar a fonte mais estável.

Série

Para capacitores em série, 1 ÷ C_total = 1 ÷ C1 + 1 ÷ C2. Dois capacitores de 100 µF em série dão 50 µF. A tensão se divide entre eles de forma inversa à capacitância, então o capacitor menor recebe a maior parte da tensão. A série é usada para aumentar a tensão nominal, mas em circuitos de alta tensão são necessários resistores de equilíbrio.

Confira a classificação de cada componente

Antes de combinar componentes, verifique a tensão em cada capacitor e a polaridade. Um par de eletrolíticos em série com a orientação invertida vai falhar. Sempre confirme a tensão em cada componente, e não apenas a tensão da fonte.

Tópico 6: Suavizando uma fonte de alimentação

Um retificador converte a CA da rede elétrica em pulsos CC. Um capacitor de suavização colocado depois preenche as lacunas entre os pulsos, deixando a saída quase constante. O tamanho do capacitor depende da corrente da carga e da ondulação aceitável.

Fórmula da ondulação

A ondulação pico a pico é aproximadamente ΔV = I ÷ (f × C), onde I é a corrente da carga, f é a frequência da ondulação e C é a capacitância. Um retificador de onda completa na rede de 50 Hz produz uma ondulação de 100 Hz.

Exemplo de cálculo

Uma carga de 0,5 A em uma fonte de onda completa com 4.700 µF dá ΔV = 0,5 ÷ (100 × 0,0047) = 1,06 V. Se o projeto aceita uma ondulação de cerca de 1 V, 4.700 µF são suficientes. Para reduzir a ondulação pela metade, é preciso aproximadamente o dobro da capacitância, então 9.400 µF dariam cerca de 0,5 V.

Escolha a tensão com margem

Uma fonte retificada que atinge um pico de cerca de 17 V a partir de um transformador de 12 V CA precisa de capacitores com tensão nominal acima desse pico, com margem. Uma nominal de 25 V é uma escolha comum, pois fica bem acima de 17 V e deixa espaço para variações da rede.

Tópico 7: Escolhendo um capacitor para um circuito real

O valor é apenas uma parte da escolha. Tensão nominal, tipo, temperatura nominal e corrente de ondulação são todos importantes, e uma escolha errada pode fazer o componente falhar cedo ou até estourar.

Tensão nominal

Escolha uma nominal de pelo menos 1,5 a 2 vezes a maior tensão que o capacitor vai enfrentar. Capacitores eletrolíticos perdem vida rapidamente se operam perto da tensão nominal e em alta temperatura. Um capacitor de 16 V em uma fonte de 12 V está no limite, enquanto um de 25 V tem margem segura.

Corrente de ondulação e temperatura

Eletrolíticos esquentam por causa da corrente de ondulação. Um componente com nominal de ondulação baixa demais vai trabalhar quente, secar e falhar. Escolha um com nominal de ondulação mais alta e de 105 °C para fontes de alimentação, e mantenha-o longe de fontes de calor como reguladores.

Desacoplamento perto do chip

Coloque um pequeno capacitor cerâmico, muitas vezes de 100 nF, o mais perto possível de cada pino de alimentação de chip. Esse capacitor fornece os picos de corrente curtos que o chip precisa durante chaveamentos rápidos, e impede que esse ruído chegue ao resto da placa.

Tópico 8: Capacitores em outros circuitos

Capacitores trabalham junto com resistores, transistores e sensores. Estes exemplos mostram como a mesma ideia aparece em circuitos muito diferentes.

Temporização RC

Um resistor de 100 kΩ ligado em série com um capacitor de 10 µF tem τ = 100.000 × 0,00001 = 1 segundo. Temporizadores, reset com atraso e circuitos de pisca simples usam essa relação, então mudar R ou C muda o atraso.

Desacoplamento e bypass

Um capacitor cerâmico de 100 nF colocado entre os pinos de alimentação de um chip desvia o ruído de alta frequência para o terra. Um eletrolítico maior é ligado em paralelo para suprir mudanças de carga mais lentas. Juntos, eles dão ao chip uma alimentação estável.

Filtros

Um capacitor e um resistor formam um filtro passa-baixas. Sinais abaixo da frequência de corte passam, e frequências mais altas são atenuadas. A frequência de corte é f = 1 ÷ (2π × R × C), que para 1 kΩ e 1 µF dá cerca de 159 Hz.

Tópico 9: Medição e erros comuns

Capacitores são facilmente danificados e facilmente lidos de forma errada. Alguns hábitos evitam a maioria dos problemas, especialmente com eletrolíticos grandes.

Descarregue antes de medir ou manusear

Um capacitor carregado pode manter energia perigosa mesmo depois que a fonte é desligada. Descarregue-o por um resistor de algumas centenas de ohms antes de tocar nos terminais ou medi-lo. Nunca curto-circuite os terminais com uma chave de fenda.

Meça a capacitância com a energia desligada

Retire o capacitor do circuito ou solte um dos terminais. Outros componentes ligados em paralelo vão alterar a medição. Eletrolíticos costumam medir abaixo do valor da etiqueta, e componentes velhos ou com vazamento podem medir normalmente, mas falhar quando submetidos a carga.

Erros comuns

Erros comuns incluem instalar um eletrolítico ao contrário, esquecer que capacitores em paralelo se somam, usar uma nominal próxima demais da tensão de trabalho, ler 104 como 104 µF e esquecer a tolerância do próprio capacitor quando o circuito depende de um valor exato.

Prática na protoboard

Monte um pequeno circuito e confira os valores com um multímetro. Use uma bateria de 9 V ou uma fonte USB de 5 V, um resistor de 100 kΩ, um eletrolítico de 10 µF, um cerâmico de 100 nF, um diodo e um pequeno LED.

1. Leia a marcação de cinco capacitores, anote cada valor e tensão, depois converta tudo para µF antes de comparar.

2. Carregue um eletrolítico de 10 µF através de 100 kΩ a partir de uma fonte de 9 V, meça quanto tempo leva para chegar a cerca de 6,3 V, e compare com τ = 1 segundo.

3. Ligue 100 µF e 220 µF em paralelo, meça o total e compare com 320 µF.

4. Monte um retificador de meia onda com um diodo e um capacitor de suavização de 1.000 µF, e meça a ondulação na saída de 5 V.

5. Descarregue um capacitor com segurança através de um resistor e confirme que a tensão está próxima de zero antes de removê-lo.

Próximos passos

Depois dos capacitores, estude indutores, que armazenam energia em um campo magnético, e depois circuitos RLC, em que resistores, capacitores e indutores se combinam para filtrar e sintonizar sinais. Registre cada cálculo e sempre confira a tensão nominal e a polaridade antes de ligar o circuito.

Resumo

Um capacitor armazena carga em um campo elétrico. Seu valor depende da área e do dielétrico, e é escrito em µF, nF ou pF, com polaridade e tensão. Use Q = C × V e E = ½ × C × V² para carga e energia, some as capacitâncias em paralelo e combine em série com a fórmula do inverso, e dimensione um capacitor de suavização com ΔV = I ÷ (f × C). Escolha a tensão nominal com margem, observe a polaridade e descarregue a carga antes de manusear componentes grandes.