Na prática, existem diversos tipos de capacitores que dependem de qual material é utilizado como dielétrico. Assim, temos os capacitores de tântalo, papel, mica, cerâmica, poliéster, óleo, eletrolítico, ajustável etc... cada um com suas características próprias. O valor da capacitância pode estar escrito no corpo do capacitor ou sob forma de código de cores. Deve-se atentar para o fato de que cada capacitor tem uma tensão de trabalho máxima, que não deve ser ultrapassada sob risco do mesmo ser avariado.

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Existem diversos tipos de capacitores, variando de acordo com o tipo de dielétrico utilizado em sua construção. Há uma enorme gama de possibilidades quanto ao dielétrico. Qual dielétrico usar depende de alguns fatores, como por exemplo:

Vamos analisar alguns tipos de capacitores existentes no mercado.

Como o próprio nome informa, o dielétrico é mica. Esses capacitores são utilizados em circuitos de precisão e, principalmente, em circuitos de alta frequência. De maneira geral, a capacitância desses capacitores varia de alguns pF até alguns milhares de pF. A tensão de trabalho pode ir de algumas dezenas de volts até em torno de 18 kV. Conforme pode ser visto na Figura 03-02 o valor da capacitância está impresso na lateral do capacitor. Seu valor é de 4.700 pF ou 4,7 nF e esse valor tem uma tolerância de ± 5%.

Nesse caso, o dielétrico usado são cerâmicas que possuem uma excelente tensão de trabalho, podendo alcançar valores como 10 kV. Sua capacitância varia desde 10 pF até 0,05 uF. A Figura 03-03 mostra alguns capacitores cerâmicos com variados tamanhos. Sua utilização depende do tipo de montagem, se circuito impresso ( os dois capacitorea laterais ), SMD ( os capacitores centrais ), etc ...

Nesse caso, o nome do capacitor está associado ao tipo do dielétrico usado em sua construção. Em geral, o processo de fabricação é por empilhamento ou enrolamento, podendo assumir um formado arredondado ou achatado. Sua tensão de isolação pode alcançar 2,5 kV. A capacitância varia entre 100 pF e 50 uF.

Os tipos de capacitores estudados acima são os tipos que não possuem polaridade, isto é, qualquer terminal pode ser conectado em qualquer polaridade da fonte de tensão. Os dois próximos tipos de capacitores que veremos são do tipo polarizado, ou seja, cada terminal do capacitor deve ser ligado na polaridade correta, caso contrtário, o capacitor será danificado. Por isso esses tipos de capacitores vêm com a polaridade impressa em seu invólucro. Veja na Figura 03-05, a polaridade impressa no corpo do capacitor, bem como sua capacitância e tensão máxima de trabalho.

Nesse tipo de capacitor, o ânodo ou placa positiva é feito de um metal que forma uma camada de óxido isolante por meio de anodização. Esta camada atua como o dielétrico do capacitor. Um eletrólito sólido, líquido ou em gel, cobre a superfície dessa camada de óxido, servindo como cátodo ou placa negativa do capacitor.

Devido à sua camada de óxido dielétrico muito fina e superfície de ânodo aumentada, os capacitores eletrolíticos têm um produto de capacitância-voltagem muito maior por unidade de volume comparado aos capacitores cerâmicos ou capacitores de filme e, assim, podem ter grandes valores de capacitância. O capacitor eletrolítico internamente é composto por duas folhas de alumínio separadas por uma camada de óxido de alumínio enroladas e embebidas em um eletrólito líquido (composto predominantemente de ácido bórico ou borato de sódio). Por ser composto por folhas enroladas, tem a forma cilíndrica. Suas dimensões variam de acordo com a capacitância e tensão máxima de trabalho.

Os capacitores de tântalo são outro tipo de capacitor eletrolítico. O material utilizado para os eletrodos é o tântalo.

Atualmente surgiu no mercado um tipo especial de capacitor denominado Supercapacitor, também conhecido como Ultracapacitor ou Hipercapacitor. Esse tipo de capacitor representa um avanço significativo na tecnologia de armazenamento de energia. Desde o início dos anos 2000, eles têm se destacado por sua capacidade de alcançar centenas ou até milhares de farads, uma grande evolução em comparação com os capacitores tradicionais. Embora inicialmente limitados por uma baixa tensão de isolamento de cerca de 2,7 V, pesquisas recentes têm feito progressos notáveis. Por exemplo, técnicas de engenharia de vacâncias de oxigênio têm melhorado significativamente o desempenho eletroquímico dos óxidos metálicos usados como eletrodos, resultando em um aumento substancial na condutividade e na capacitância. Além disso, o desenvolvimento de novos materiais e processos está impulsionando a aplicação dos supercapacitores em diversas áreas, desde a energia renovável até a conservação ambiental, contribuindo para sistemas de transporte mais limpos e para a redução das emissões de carbono. Com esses avanços, os supercapacitores estão cada vez mais próximos de superar as limitações atuais e se tornarem componentes cruciais para o armazenamento eficiente de energia no futuro, inclusive com a perspectiva de substituir as baterias, pois sabemos que baterias, além de possuírem uma vida útil muito curta ocasionam sérios problemas ambientais em seu descarte.

Eles são capazes de aceitar e entregar carga muito mais rapidamente do que as baterias e suportam muitos mais ciclos de carga e descarga. Diferentemente dos capacitores comuns, os supercapacitores não utilizam um dielétrico sólido convencional, mas sim capacitância de dupla camada eletrostática e pseudocapacitância eletroquímica, ambas contribuindo para a capacidade total de armazenamento de energia do dispositivo. Essas características tornam os supercapacitores ideais para aplicações que exigem muitos ciclos rápidos de carga e descarga, como em veículos automotivos, ônibus, trens, guindastes e elevadores, onde são usados para frenagem regenerativa, armazenamento de energia de curto prazo ou entrega de energia de modo super rápido. Além disso, unidades menores são utilizadas como backup de energia para memória estática de acesso aleatório (SRAM). Com o avanço das tecnologias e a necessidade crescente de soluções de armazenamento de energia eficientes e rápidas, os supercapacitores estão se tornando uma parte essencial das novas tecnologias, oferecendo uma alternativa promissora para o armazenamento de energia elétrica.

Caso o leitor esteja interessado em saber mais sobre supercapacitor, pode acessar o capítulo especial que preparamos com muita informação, inclusive apresentando exemplos práticos já incorporados ao nosso dia a dia.   Acesse aqui!.

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Assim como nos resistores, temos três tipos de associações de capacitores que podemos encontrar em circuitos elétricos. A associação   Série,   Paralelo   e   Mista. Para estudarmos as associações de capacitores, não devemos esquecer a relação existente entre carga, tensão e valor da capacitância. A relação entre estas variáveis é dada pela eq. 03-02:

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    4.1   Associação Série

O que caracteriza uma associação  Série  é a carga em cada capacitor que deverá ser a mesma em qualquer capacitor que faça parte da associação série. Logo, a tensão sobre cada capacitor dependerá somente do valor da sua capacitância.

Na Figura 03-07, vemos uma associação série alimentada por uma fonte de tensão V. A soma das quedas de tensões nos capacitores deverá ser igual a tensão V da fonte,  ( V = V₁ + V₂ + V₃ ). Para calcularmos a capacitância equivalente de uma associação série, para qualquer número de capacitores, devemos usar a equação eq. 03-03, dada abaixo:

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    4.2   Associação Paralelo

Na Figura 03-08 vemos uma associação paralela alimentada por uma fonte de tensão V. Repare que a tensão V, é a mesma para todos os capacitores. Então, a soma das cargas de cada capacitor será igual a carga total fornecida pela fonte de tensão.

Neste caso, teremos que o valor da  capacitância total da associação será dada pela soma de todas as capacitâncias que fazem parte do circuito. Então, para calcularmos a capacitância total de uma associação paralela, para qualquer número de capacitores, usamos a equação eq. 03-04, dada abaixo:

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    4.3   Associação Mista

Para calcular a capacitância total de uma associação mista, devemos calcular a capacitância equivalente de todos os capacitores que estiverem associados em paralelo e, posteriormente, calcular a capacitância em associações série, até conseguir chegar ao resultado final. Com este valor calculado, podemos calcular a carga total fornecida pela fonte de tensão.

Para calcular as cargas parciais de cada capacitor do circuito, devemos retroceder capacitor a capacitor, não esquecendo que capacitores que estiverem em um circuito série terão a mesma carga, independente do valor de sua capacitância. Portanto, o valor da tensão entre os terminais de cada capacitor, em um circuito série, dependerá somente de sua capacitância.

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Já que o capacitor gera um campo elétrico entre as placas, então ele é capaz de armazenar energia. Lembre-se que a unidade de medida de energia é joule. Podemos determinar a energia armazenada em um capacitor por qualquer uma das três equações abaixo, onde as variáveis envolvidas são:

Observações

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Devemos ter sempre em mente que um capacitor mantém uma relação direta entre carga, capacitância e a tensão elétrica à qual está submetido. Vamos repetir a eq. 03-02 para que não caia no esquecimento.

Neste item estudaremos qual o comportamento de um capacitor em relação à corrente contínua ou DC (direct current). Consideraremos que inicialmente o capacitor encontra-se descarregado, ou seja, sem carga elétrica e portanto a tensão elétrica entre seus terminais é igual a zero. Quando não for este o caso, explicitaremos a condição inicial.

Abaixo estão descritas duas propriedades fundamentais de um capacitor.

Baseado nas propriedades acima o capacitor assume características especiais quando submetido a variações de tensões em seus terminais. Normalmente, usa-se um resistor em série com o capacitor para limitar a corrente de carga do capacitor. Assim, quando o capacitor é submetido, bruscamente, a uma variação de tensão elétrica, ele comporta-se como um CURTO-CIRCUITO. Isto devido ao fato que no momento em que é aplicada uma tensão elétrica aos terminais do capacitor, a velocidade que a bateria retira elétrons de uma das placas do capacitor é muito grande, diminuindo com o passar do tempo. E, após um longo tempo, quando o capacitor estiver totalmente carregado, não há mais movimento de elétrons e, portanto, o capacitor assume o papel de um CIRCUITO ABERTO. Assim, podemos ver na Figura 03-10 um circuito clássico para estudar o comportamento do capacitor.

Neste circuito temos uma chave S que permite ligar e desligar a fonte de tensão que alimenta o circuito. Ao ser fechada aplica uma tensão elétrica proveniente da fonte de tensão V no circuito formado pelo resistor em série com o capacitor. Na literatura técnica representa-se o instante de fechamento da chave S como o tempo igual a t = 0⁺.

No momento do fechamento da chave S, em t = 0⁺, como o capacitor está inicialmente descarregado (q = 0 e V_c = 0), seu comportamento será de um curto-circuito. Logo, a tensão sobre o capacitor, V_c, será igual a zero e, portanto, toda a tensão da fonte será aplicada sobre o resistor R. Assim, podemos calcular a corrente elétrica que circula pelo circuito, no instante t = 0⁺. Para isso, basta aplicar a lei de Ohm, ou seja:

No instante imediatamente posterior a t = 0⁺, o capacitor começa então a ser carregado eletricamente pela corrente elétrica I. Como agora o capacitor tem carga elétrica, então também deverá ter uma determinada tensão elétrica. Esta tensão elétrica sobre o capacitor cresce de forma exponencial. E, naturalmente, sobre o resistor, a tensão decresce de forma exponencial. A velocidade com que o capacitor adquire carga elétrica, depende dos valores da capacitância do capacitor e da resistência elétrica do resistor que encontra-se em série com o capacitor. Os valores destes dois componentes determinam a chamada constante de tempo do circuito e é representada pela letra grega τ (tau). Então podemos escrever que:

Conhecendo a constante de tempo do circuito, podemos escrever a equação que determina a corrente pelo capacitor em qualquer instante . Veja a equação eq. 03-08 abaixo. Como tínhamos dito anteriormente, para   t = 0   a corrente pelo circuito é máxima e igual a   I = V / R, pois sabemos que a função exponencial elevada à potência zero (t=0) é igual a UM.

Vemos na Figura 03-11 o gráfico de como o capacitor adquire sua carga elétrica ao longo do tempo. Observe na figura, que para um tempo igual a uma constante de tempo, o capacitor adquire 63,2% da sua carga total. Após duas constante de tempo, já chega a 86,5% da sua carga total. Na prática, consideramos que após cinco constante de tempo, o capacitor alcança sua carga elétrica máxima.

Quando o capacitor alcança sua carga elétrica máxima, dizemos que o circuito alcançou o estado de regime permanente. Isto significa que, caso o circuito não sofra nenhuma perturbação elétrica posterior, o circuito tende a se manter nesse estado indefinidamente.

Agora, fique atento para o fato que a medida que a tensão no capacitor cresce, obviamente a tensão sobre o resistor decresce, haja vista que a fonte de tensão possui um valor fixo (constante). Então, a soma   V_c + V_R   deve ser igual a   V. Abaixo temos a equação que determina a tensão no capacitor a qualquer instante. Repare que quando t = 0, a tensão no capacitor é zero, como já havíamos comentado.

Na Figura 03-12, temos o gráfico da corrente elétrica através do capacitor. Como resistor e capacitor formam um circuito série, então esta corrente elétrica é a mesma que circula pelo resistor. Assim, concluímos que a tensão sobre o resistor tem o mesmo aspecto que a corrente elétrica no capacitor.

Perceba que quando a tensão elétrica no capacitor cresce (veja Figura 03-11), simultaneamente a tensão elétrica sobre o resistor decresce. Repare que este gráfico também representa a queda de tensão sobre o resistor, bastando substituir no eixo vertical   i_c   por  V_R.

Esta foi uma breve abordagem sobre o comportamento de um capacitor quando ele está em um circuito que utiliza somente corrente contínua. Em breve abordaremos com mais profundidade esse problema, recorrendo a solução de equações diferenciais, bem como demonstrar de onde surgiram as equações acima.   Caso haja interesse em acessar esse capítulo   clique aqui!