Capacitores: Teoria e Aplicação

May 26, 2023

Os capacitores estão entre os componentes mais comumente usados ​​em uma placa de circuito. Com o número cada vez maior de dispositivos eletrônicos (de telefones celulares a carros), tem havido uma demanda crescente por capacitores. A pandemia de Covid 19 perturbou a cadeia de abastecimento global de componentes, desde semicondutores a componentes passivos, e os condensadores têm sido escassos1.

Uma discussão sobre capacitores poderia facilmente se tornar um livro ou um dicionário. Para começar, existem diferentes tipos de capacitores, como eletrolíticos, de filme, de cerâmica e assim por diante. Então, dentro do mesmo tipo, existem diferentes materiais dielétricos. Existem também aulas diferentes. Quanto à construção física, existem tipos de capacitores de dois e três terminais. Há também um capacitor do tipo X2Y que é essencialmente um par de capacitores Y embalados em um2. E os supercapacitores? O fato é que se você sentar e começar a ler o guia de seleção de capacitores dos principais fabricantes, poderá facilmente passar um dia!

Como este artigo é sobre fundamentos, usarei uma abordagem diferente da que faria normalmente. Como mencionado anteriormente, um guia de seleção de capacitores pode ser facilmente encontrado nos sites dos fornecedores3,4 e os engenheiros de campo muitas vezes podem responder à maioria das perguntas sobre capacitores. Neste artigo, ao invés de repetir o que você encontra na internet, utilizarei exemplos práticos para demonstrar como selecionar e utilizar capacitores. Alguns aspectos menos conhecidos da seleção de capacitores, como a degradação da capacitância, também serão abordados. Depois de ler este artigo, você deverá ter uma boa noção do uso de capacitores.

Mas primeiro, vamos responder à pergunta mais fundamental: o que é um capacitor?

Anos atrás, quando eu trabalhava para uma empresa que fabricava dispositivos eletrônicos, fizemos uma pergunta em uma entrevista para engenheiros de eletrônica de potência. Nos esquemas de um produto existente, perguntaríamos aos potenciais candidatos “Qual é a função do capacitor eletrolítico do barramento CC?” e “Qual é a função de um capacitor cerâmico localizado próximo a um chip?” Esperaríamos que a resposta correta fosse que o capacitor do barramento CC é usado para armazenamento de energia e o capacitor cerâmico é usado para filtragem.

As respostas “corretas” que procurávamos, na verdade, mostraram que todos na equipe de projeto viam um capacitor do ponto de vista do circuito simples, e não da teoria de campo. Não há nada de errado com o ponto de vista da teoria dos circuitos. Em baixas frequências (de alguns kHz a alguns MHz), a teoria dos circuitos geralmente explica as coisas muito bem. Isto ocorre porque, em frequências mais baixas, os sinais estão predominantemente no modo diferencial. Usando a teoria dos circuitos, podemos visualizar um capacitor como o mostrado na Figura 1, com um resistor em série equivalente (ESR) e um indutor em série equivalente (ESL) fazendo com que a impedância do capacitor mude com a frequência.

Figura 1: Modelo Spice de um circuito equivalente de um capacitor cerâmico e sua curva de impedância

Este modelo explica adequadamente o desempenho do circuito quando o circuito muda lentamente. No entanto, à medida que a frequência aumenta, as coisas ficam muito mais complexas. Em algum momento, os componentes começam a apresentar não linearidades. Um modelo LCR simples tem seus limites quando a frequência aumenta.

Hoje, se me fizessem as mesmas perguntas da entrevista, eu colocaria meus óculos de visão de teoria de campo e diria que ambos os tipos de capacitores são dispositivos de armazenamento de energia. A diferença é que um capacitor eletrolítico pode armazenar muito mais energia do que um capacitor cerâmico. Mas quando se trata de fornecimento de energia, um capacitor cerâmico pode fornecer energia muito mais rapidamente. Isso explica por que os capacitores cerâmicos precisam ser localizados próximos ao chip, porque um chip tem uma frequência e velocidade de comutação muito mais altas em comparação com o circuito de alimentação principal.

Deste ponto de vista, podemos simplesmente definir dois critérios de desempenho para um capacitor. Uma é quanta energia um capacitor pode armazenar, a outra é a rapidez com que essa energia pode ser entregue. Ambos dependem de como um capacitor é feito, dos materiais dielétricos, da conexão ao capacitor e muito mais.