Todos os Capacitores Explicados | Como Funcionam, Como São Feitos e Para Que Servem – Transcript

00:00Todo capacitor tem a mesma estrutura básica: dois condutores separados por um isolante. Os condutores são chamados de placas ou eletrodos. O isolante é chamado de dielétrico. Quando você aplica uma tensão entre as placas, a fonte empurra elétrons para uma delas e retira da outra. Nenhuma corrente atravessa o dielétrico, porque ele é isolante. Mesmo assim, uma placa fica com excesso de carga negativa e a outra com falta. E entre elas surge um campo

00:27elétrico. E é nesse campo que a energia fica armazenada. A relação entre carga e tensão define a capacitância. C é igual à carga Q dividida pela tensão V. A unidade é o farad. Um farad é uma quantidade enorme para a maioria dos circuitos. Então, no dia a dia, usamos microfarads, nanofarads e picofarads.

00:48A capacitância depende da geometria. Em um capacitor de placas paralelas, ela é proporcional à área das placas e à permissividade do dielétrico, e inversamente proporcional à distância entre elas. Isso resume toda a engenharia de capacitores. Para ter mais capacitância, você aumenta a área, diminui o espaçamento ou usa um dielétrico com permissividade maior.

01:10Cada tecnologia que veremos é uma forma diferente de resolver esse problema. A energia armazenada é 1/2 x C x V². Dobrar a tensão quadruplica a energia e é por isso que capacitores de alta tensão, como o do flash de uma câmera, guardam muita energia mesmo com capacitância modesta.

01:29Um capacitor não é uma bateria. Uma bateria armazena energia em reações químicas e entrega tensão quase constante por muito tempo. Um capacitor armazena energia diretamente no campo elétrico e a tensão cai de forma proporcional à carga que ele entrega. Em compensação, ele pode carregar e descarregar em frações de milissegundo, milhões de vezes, sem se desgastar da mesma forma. Quando um capacitor é carregado através de um resistor, a tensão sobre ele sobe de forma

01:57exponencial. O tempo característico desse processo é a constante de tempo, igual a resistência multiplicada pela capacitância. Um resistor de 10 k ohms com um capacitor de 100 microfarads resulta em uma constante de 1 segundo.

02:12Depois de uma constante de tempo, o capacitor atinge cerca de 63% da tensão final. Depois de cinco constantes, ele está em mais de 99% e, na prática, consideramos carregado. A descarga segue a mesma lógica no sentido contrário. Esse comportamento é a base de temporizadores, filtros e de qualquer circuito em que o tempo importa.

02:34O primeiro é a resistência série equivalente, a ESR. Ela representa as perdas internas do componente e faz o capacitor aquecer quando circula corrente alternada por ele. O segundo é a indutância série equivalente, a ESL, causada pelos terminais e pela construção interna. Por causa dela, acima de certa frequência, o capacitor deixa de se comportar como capacitor e passa a se comportar como um indutor.

03:00Essa frequência é a de auto ressonância e ela explica por que um capacitor grande não resolve tudo em alta frequência. Há ainda a corrente de fuga, uma pequena corrente que atravessa o dielétrico, a tolerância do valor, a tensão máxima de trabalho e a variação da capacitância com a temperatura e com a tensão aplicada.

03:20Cada família de capacitores se diferencia justamente pela forma como lida com esses parâmetros. Capacitores cerâmicos. O capacitor cerâmico moderno mais comum é o MLCC, sigla em inglês para capacitor cerâmico multicamadas.

03:35Ele é construído empilhando dezenas, às vezes centenas, de camadas finíssimas de material cerâmico intercaladas com camadas metálicas que funcionam como eletrodos. As camadas pares se conectam a um terminal e as ímpares ao outro, de modo que o conjunto equivale a muitos capacitores pequenos ligados em paralelo.

03:55Depois o bloco é sinterizado a alta temperatura e recebe as terminações metálicas nas extremidades. Esse arranjo entrega muita área em pouco volume e distâncias minúsculas entre eletrodos, que são justamente os dois caminhos para aumentar a capacitância.

04:11O resultado é um componente pequeno, barato, com ESR e ESL muito baixas e sem polaridade. Mas o tipo de cerâmica muda tudo. Os cerâmicos se dividem em classes. A classe 1, representada pelo código C0G, também chamado de NP0, usa dielétricos muito estáveis. A capacitância varia pouquíssimo com temperatura, tensão e tempo e as perdas são baixas.

04:37Em compensação, os valores disponíveis são pequenos, em geral de picofarads até algumas dezenas de nanofarads. São a escolha para osciladores, filtros precisos e circuitos de radiofrequência.

04:49A classe 2, com códigos como X7R, X5R, Y5V e Z5U, usa dielétricos de permissividade muito alta, o que permite valores de capacitância bem maiores no mesmo tamanho.

05:02O preço é a estabilidade. Um X7R mantém a capacitância dentro de cerca de mais ou menos 15% entre -55 e 125° C. Já os Y5V e Z5U podem perder uma fração enorme do valor ao longo da faixa de temperatura.

05:21Existe um efeito que surpreende muita gente, a polarização por tensão contínua. Em cerâmicos da classe 2, a capacitância efetiva cai quando a tensão aplicada aumenta. Um MLCC de 10 microfarads por 6,5 V, operando perto da tensão máxima, pode entregar bem menos do que o valor impresso na etiqueta.

05:40Por isso, em projetos sérios, consulta-se a curva de capacitância versus tensão no datasheet do fabricante. Esses cerâmicos também podem ser levemente piezoelétricos, podem vibrar com o sinal e em casos específicos gerar ruído audível ou captar vibração mecânica.

05:57Capacitores de filme. O capacitor de filme usa uma fina película plástica como dielétrico. Os materiais mais comuns são o poliéster, também chamado de PET ou Mylar e o polipropileno. Em um tipo muito usado, o filme recebe uma camada metálica depositada sobre sua superfície e duas dessas fitas são enroladas juntas formando um cilindro ou um bloco achatado.

06:21As terminações são soldadas ou metalizadas nas extremidades do enrolamento. Os de metalização tem uma propriedade interessante, a auto regeneração. Se houver um pequeno defeito no dielétrico e ocorrer um curto local, a energia do arco vaporiza a fina camada metálica ao redor do ponto isolando a falha.

06:39O capacitor perde uma fração minúscula de capacitância e segue funcionando. Os de polipropileno tem perdas muito baixas e boa estabilidade e são usados em áudio de qualidade, em filtros, em circuitos de comutação de potência e em aplicações que exigem corrente alternada contínua. Os de poliéster são mais baratos e compactos, com desempenho adequado para acoplamento e uso geral.

07:02Em geral, os capacitores de filme são não polarizados, tolerantes a picos e de vida longa, mas ocupam mais espaço do que um cerâmico ou um eletrolítico de mesma capacitância. Capacitores eletrolíticos de alumínio. Quando você precisa de centenas ou milhares de microfarads, o eletrolítico de alumínio costuma ser a opção mais econômica. Sua construção é engenhosa. O ponto de partida é uma folha de alumínio de alta pureza que passa por um processo de

07:28ataque químico que cria uma superfície cheia de microcavidades, aumentando enormemente a área real. Em seguida, por um processo eletroquímico chamado anodização, forma-se sobre ela uma camada extremamente fina de óxido de alumínio.

07:44Esse óxido é o dielétrico. Como é muito fino e a área é enorme, a capacitância resultante é grande. Mas existe um problema. A superfície rugosa não pode ser encostada por um segundo eletrodo sólido, porque ele não alcançaria todas as cavidades. A solução é usar um eletrólito líquido, absorvido por um papel poroso que preenche cada irregularidade e faz o papel do segundo eletrodo.

08:09Uma segunda folha de alumínio serve apenas como conexão elétrica com esse eletrólito. Tudo é enrolado, colocado em uma lata de alumínio e selado. Na parte superior da lata, há marcas de alívio que se abrem de forma controlada se a pressão interna subir demais.

08:25Esse tipo é polarizado. A camada de óxido só se mantém e se regenera quando a tensão é aplicada no sentido correto. Se você ligar o capacitor invertido, a camada se degrada, a corrente cresce, o componente aquece e ele pode inchar, vazar ou até abrir violentamente.

08:43A faixa na lateral indica o terminal negativo. Outra característica importante é a vida útil. O eletrólito líquido evapora lentamente e esse processo se acelera com o calor. Como regra prática amplamente usada pelos fabricantes, cada 10 graus Celsius de redução na temperatura de operação aproximadamente dobra a vida esperada do componente.

09:04É por isso que eletrolíticos próximos de dissipadores quentes costumam ser os primeiros a falhar e é uma das causas mais comuns de defeito em fontes de alimentação. Existe também a variante com eletrólito de polímero condutor sólido que substitui o líquido.

09:17Ela apresenta ESR muito menor, boa estabilidade com a temperatura e vida mais longa e é muito encontrada em placas-mãe e em circuitos de alimentação de processadores. Capacitores de tântalo. O capacitor de tântalo segue a mesma lógica do eletrolítico, mas com outro material.

09:34O ânodo é feito de pó de tântalo prensado e sinterizado, formando uma pastilha porosa com enorme área superficial. A superfície recebe uma camada de pentóxido de tântalo, que é o dielétrico, e depois o cátodo é depositado sobre ela, tradicionalmente como dióxido de manganês, ou em versões mais modernas como polímero condutor.