Introdução aos condensadores
Um condensador é um componente eléctrico passivo de dois terminais, ligados cada um a uma de duas placas metálicas muito próximas mas separadas por um material dieléctrico, que acumulam e descarregam energia quando sujeitas a variações de tensão.
Faz parte dos componentes fundamentais, em conjunto com as resistências, bobines e díodos. Os condensadores são um dos componentes mais comuns nos circuitos eléctricos ou electrónicos que usamos.
A importância dos condensadores nos circuitos eléctricos e electrónicos deve-se à sua capacidade de armazenar energia. Funcionam como uma pequena bateria, que se carrega e descarrega conforme o estado do circuito eléctrico.
O primeiro condensador da história foi a Garrafa de Leyden, inventada em 1745, e que foi de extrema importância para o estudo da electricidade.
Os condensadores são usados nos circuitos para desempenhar várias funções, como por exemplo o armazenamento local de energia, supressores de pico de tensão, filtros de sinais, definindo temporizações, e em osciladores.
Unidade de capacitância
A quantidade de energia, ou carga, que os condensadores conseguem armazenar, denomina-se capacitância e mede-se em Farad.
Um Farad corresponde à capacidade de armazenar um Coulomb (unidade de energia) por cada Volt (unidade de diferença de potencial).
A unidade de capacitância Farad é usada na indicação do valor de referência dos condensadores, normalmente identificada por F e expresso nas seguintes sub unidades.
- pF – pico Farad – 10^-12
- nF – nano Farad – 10^-9
- uF – micro Farad – 10^-6
- mF – mili Farad – 10^-3
Nunca é demais relembrar que no mundo não existem duas coisas exactamente iguais, portanto nos condensadores isso também acontece, e por isso dois condensadores do mesmo valor de referencia, podem não ter exactamente o mesmo valor de capacitãncia real.
Símbolo do condensador
Nos esquemas electrónicos, existem duas representações comuns dos condensadores. Como mais à frente se pode concluir, o símbolo esquemático de um condensador é baseado na sua constituição física. Têm duas linhas ligadas a dois terminais, que os ligam ao resto do circuito. Como alguns tipos de condensadores, como os electrolítico, têm polaridade, nesse caso a polaridade costuma ser representada por um sinal de mais (+) junto do terminal positivo, ou pela curva da linha do terminal negativo (-), que será curva.
Numa o símbolo de um condensador consiste em duas linhas rectas paralelas bastante próximas cada uma com um terminal a 90 graus.
Na outra o símbolo do condensador consiste em duas linhas paralelas uma recta e outra curva, bastante próximas cada uma com um terminal a 90 graus. Nesta representação o terminal da linha recta é o positivo (+).
Junto ao símbolo do condensador deve ser colocada a sua identificação, normalmente: C1, C2, C3, etc e o seu valor expresso em Farads.
Estrutura básica dos condensadores
Um condensador é fabricado com base em duas placas de metal, conhecidas por armadura condutora, separadas por um material isolador chamado dieléctrico. As placas de metal são colocadas muito próximas umas das outras, em paralelo, mas o dieléctrico fica entre elas para garantir que elas não se toquem.
O dieléctrico pode ser feito de todos os tipos de materiais isolantes: papel, vidro, borracha, cerâmica, plástico ou qualquer coisa que impeça o fluxo de corrente, os diferentes tipos de condensadores correspondem principalmente aos diferentes materiais usados como dieléctrico..
As placas são feitas de um metal condutor: normalmente alumínio, tântalo, prata. Mas podem ser usados outros metais. Cada uma das placas metálicas estão ligadas a um terminal, que é usado para ligar o condensador ao resto do circuito.
A capacitância de um condensador, ou seja quantos Farads tem, depende de como é construído, e de que materiais é construído. A capacitãncia cresce com o tamanho da área sobreposta das placas, e decresce com a distância entre placas. Por isso, uma maior a área de superfície das placas sobrepostas, e menor a espessura do dieléctrico maior a capacitância do condensador. Além da área de sobreposição das placas e espessura do dieléctrico, o material com que é feito o dieléctrico tem também influencia na formação da capacitância do condensador.
Como funcionam os condensadores
A corrente eléctrica é um fluxo de carga eléctrica, e é esse fluxo que os componentes eléctricos e electrónicos manipulam e aproveitam para efectuar as diversas acções que se esperam do circuito onde se encontram,. Quando a corrente flui para um condensador, as cargas ficam “presas” nas placas metálicas porque elas não conseguem passar pelo material dieléctrico que está entre elas. Os electrões, que são partículas com carga negativa, são puxados para uma das placas metálicas que fica com carga negativa. A grande massa de cargas negativas num placa afasta as cargas negativas (electrões) na outra placa metálica, ficando esta com carga positiva.
Como as cargas opostas se atraem, as cargas positivas e negativas em cada uma dessas placas atraem-se uma à outra. Mas com o dieléctrico entre eles, por muito que elas se queiram unir, o seu destino é ficarem presas em cada uma das placas metálicas, até que possam sair por pelo caminho inverso. As cargas nessas placas criam um campo eléctrico, que influencia a energia potencial e a tensão. Quando as cargas se agrupam desta forma num condensador ele armazena energia eléctrica, tal como uma bateria armazena energia química.
Calculo da capacitãncia dos condensadores
Em conformidade com a estrutura dos condensadores e as relações espaciais entre eles, poderemos então formalizar o calculo da capacitância total de um condensador na seguinte equação:
C = E x (A / 4 x pi x D)
E = constante de permitividade relativa do dieléctrico (depende do material do dieléctrico);
A = Área de sobreposição das placas;
D = Distância entre placas (espessura do isolador)
Carga e descarga de condensadores
Quando cargas positivas e negativas se acumulam nas placas metálicas do condensador estas ficam polarizadas e este fica carregado. Um condensador pode reter seu campo eléctrico, e por isso manter a sua carga, porque as cargas positivas e negativas em cada uma das placas se atraem, mas nunca se alcançam, e por isso constituem uma diferença de potencial que se pode concretizar a qualquer momento.
Com a continuidade da corrente eléctrica as placas metálicas do condensador este ficam tão cheias de cargas que não podem existir mais. Há cargas negativas suficientes numa placa para repelir qualquer outra que tente entrar.
A capacitância, expressa em Farads, indica a quantidade máxima de carga que um condensador pode armazenar.
Se for criado um caminho no circuito que permita que as cargas encontrem outro caminho de um para o outro, estas deixarão o condensador e ele descarrega, gerando um fluxo de corrente eléctrica na parte do circuito que faz o caminho entre os seus terminais.
Como exemplo do funcionamento dos ciclos de carga e descarga de um condensador pode-se experimentar e analisar o circuito abaixo.
O circuito é constituído por dois sub circuitos. Num deles, é usada uma bateria, em serie com um interruptor para induzir um potencial eléctrico no condensador. Nesse processo acumulam-se cargas iguais, mas opostas, em cada uma das placas metálicas, até que ficam tão cheias que elas passam a repelir a corrente que flui nos seus terminais. Por outro lado, no outro circuito é colocado um LED em série com a condensador com um interruptor entre eles. Este circuito que fornece um caminho para as cargas armazenas nas placas metálicas se unirem, e assim a energia armazenada no condensador gerar uma corrente eléctrica, que é usada para iluminar brevemente o LED.
Calculo da carga de um condensador
A capacitância de um condensador, ou seja: quantos farads tem; indica quanta carga pode o condensador pode armazenar. A carga que um condensador armazena na prática, depende da tensão (diferença de potencial , expressa em Volt) entre as suas placas. A relação entre a capacitância e tensão pode ser expressa nesta equação:
Q = V x C
A carga (Q) armazenada num condensador é o produto da sua capacitância (C) e da tensão(V) que lhe é aplicada.
A capacitância de um condensador, com excepção dos variáveis, é sempre um valor constante e conhecido. Sendo assim, podemos ajustar a tensão, até ao limite suportado pelo condensador, para aumentar ou diminuir a carga do condensador. Para o mesmo condensador, mais voltagem significa mais carga, menos voltagem será menos carga. Desta equação também se extrai a definição da unidade de capacitancia, pois um Farad corresponde à capacidade de acumular um Coulomb por cada um Volt.
Calculo do tempo de carga e descarga de um condensador
Por muito curto que seja, os condensadores demoram algum tempo a carregar e a descarregar. Este tempo de carga e descarga é previsível, e por isso pode ser usada na construção de temporizadores e osciladores.
Quando associados a uma resistência formam um par resistência / condensador, conhecido por par RC, na qual o tempo necessário para que o condensador atinja dois terços (mais exactamente 63%) da diferença de potencial a que está sujeito é igual ao produto da resistência pela capacitancia, conforme expresso na seguinte formula:
T = R x C
T – Tempo em segundos
R – Valor da resistência em Ohms
C – Valor da capacitancia em Farads
Calculo da corrente de um condensador
Podemos explorar a relação entre a carga, a tensão e a capacitância, um pouco mais para descobrir como a capacitância e a tensão afetam a corrente, porque a corrente é a taxa de fluxo de carga. A essência da relação entre um condensador com a tensão e a corrente é a seguinte: a quantidade de corrente através de um condensador depende da sua capacitância e da rapidez com que a tensão aumenta ou diminui. Se a tensão através de um condensador subir rapidamente, uma grande corrente positiva será induzida através do capacitor. Um aumento mais lento da tensão a que o condensador está sujeito traduz-se numa menor corrente. Se a tensão nos terminais de um condensador é constante e imutável, então nenhuma corrente atravessa os terminais.
A equação para calcular a corrente de um condensador é a seguinte:
I = C x (Dv / Dt)
A parte da equação expressa em Dv / Dt é uma derivada (uma maneira sofisticada de dizer taxa instantânea, ou aceleração num ponto) da Tensão expressa em Volt ao longo do tempo, que é equivalente a dizer “qual a rapidez com que a voltagem está a subir ou a descer nesse momento exacto”. A grande deixa desta equação é que, se a tensão for constante, a sua derivada é zero, o que significa que a corrente também é zero. O que está de acordo com a corrente não pode fluir num condensador que está sujeito a uma tensão de corrente continua constante.
Condensadores em paralelo
Podemos colocar vários condensadores em paralelo para criar uma capacitância combinada equivalente que é igual à soma das capacitancias de cada um dos condensadores usados, conforme a seguinte formula:
Ct = C1 + C2 + C3 + Cn
Condensadores em serie
Podemos colocar vários condensadores em serie para criar uma capacitância combinada equivalente que é igual ao inverso da soma de todas as capacitâncias inversas., conforme a seguinte fórmula:
1/Ct = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 1/Cn
Se tivermos de calcular a capacitancia total de apenas dois condensadores em serie poderemos usar a seguinte formula:
Ct = (C1 x C2) / (C1 + C2)
Tipos de condensadores
Existem vários tipos de condensadores que se distinguem essencialmente entre si pelo material usado com dieléctrico ou na sua construção, dos quais se destacam os seguintes tipos:
- Condensadores electroliticos, que são polarizados, normalmente com valores compreendidos entre 1uF e os 50000uF, que podem ser de placas de alumínio ou tântalo, com uma camada muito fina de oxido metálico como dieléctrico. Não são adequados para frequências acima de 10kHz, mas são comuns em temporizadores e filtragem em circuitos de alimentação. Infelizmente os condensadores electrolíticos tem uma corrente de fuga, e um valor de resistência equivalente em serie relativamente elevados, quando comparados com os condensadores cerâmicos.
- Condensadores de filme plástico, por exemplo poliéster, com valores até 10uF e tensão nominal de 400V.
- Condensadores de mica, com valores entre 1pF e 0.01uF, são feitos com o deposito de uma camada de prata em ambos os lados de uma fina folha de mica, são muito caros mas são também excelentes para altas frequências.
- Condensadores cerâmicos, com valores entre 1pF e 10uF, são constituídos por um revestimento de prata sobre um disco cerâmico e também são adequados para altas frequências. Os condensadores ceramicos, estão mais proximos do condensador ideal, quando comparados com os electroliticos, pois tem valores ESR e de corrente de fuga menores.
- Condensadores variáveis, têm valores baixos, medidos normalmente em picos, e são construídos de modo a que uma placa metálica se desloque em relação a outra fixa. As placas são separadas por ar, ou uma folha de plástico, que servem de dieléctrico. São normalmente usadas em receptores de rádio para sintonizar as diferentes estações.
Existem ainda os supercaps, ou super condensadores, que também são polarizados como os electroliticos, e são visualmente parecidos, e que se destinam a acumular muita energia. Por isso, são desenhados de forma a terem altas capacitâncias, na ordem dos Farads, num espaço relativamente reduzido. Em contrapartida, os supercaps não podem ser sujeitos a grandes tensões, pois ficam danificados. Para contornar esta limitação os supercaps são por vezes colocados em serie.
A escolha do condensador é efectuada com base no objectivo a alcançar entre o que existe disponível para usar considerando as suas características:
- Capacitância (o valor da carga eléctrica que podem acumular)
- Tamanho físico (os condensadores ocupam espaço, e alguns podem ser bem grandes.
- Tensão máxima (limite máximo de tensão a que podem ser sujeitos sem serem destruídos)
- Corrente de fuga (o material dieléctrico não é perfeito existe sempre uma condutividade ínfima entre as placas do condensador, que se mede em nano amperes, mas que levam inexoravelmente à descarga do condensador)
- Resistência em série equivalente (ESR) (como os terminais de um condensador oferecem sempre alguma resistência, normalmente menos de 0.01 Ohm, esta resistência, mesmo pequena pode provocar problemas de aquecimento e perda de potencia para grandes intensidades de corrente).
- Tolerância (nada é perfeito, e por isso, conforme o tipo o valor da capacitancia pode oscilar entre +- 1% a 20% do valor de referência.
Aplicação de condensadores no desacoplamento e bypass
Muitos dos condensadores que se vêm em circuitos, especialmente aqueles que estão próximos de um circuito integrado, são condensadores de desacoplamento . O trabalho de um condensador de desacoplamento é suprimir o ruído de alta frequência nos sinais da fonte de alimentação. Os condensadores eliminam as minúsculas ondulações de voltagem (ripple) da alimentação, que podem prejudicar o funcionamento dos circuitos integrados.
De certa forma, os condensadores de desacoplamento comportam-se como uma fonte de alimentação local muito pequena para os circuitos integrados, semelhante a uma fonte de alimentação ininterrupta para os computadores. Se, como acontece com frequência a fonte de alimentação baixar temporariamente sua tensão, um condensador de desacoplamento pode cobrir rapidamente a energia em falta e manter a tensão correta.
O termo de condensadores de bypass deve-se a esta característica que lhes permite agir temporariamente como uma fonte de energia, ignorando a fonte de alimentação.
Os condensadores de desacoplamento conectam-se entre a fonte de energia (5V, 3,3V, etc.) e a terra. É também comum usar dois ou mais condensadores diferentes, porque os diferentes valores de capacitancia actuam melhor que outros como filtros de frequências especificas de ruído.
Aplicação dos condensadores como filtros de alimentação
Os díodos podem ser usados para transformar a tensão de corrente alterna para corrente continua, que é necessária para fazer funcionar a maioria dos componentes electrónicos. Mas os díodos por si só não podem transformar um sinal de corrente alterna num sinal de corrente continua limpo. Os díodos necessitam de ser complementados com um condensador.
Com um condensador em paralelo com um díodo o sinal anteriormente fracturado pela eliminação de uma parte do ciclo, fica mais estável pela acção do condensador, que descarrega nessa fase a energia acumulada na outra parte do ciclo.
Aplicação dos condensadores como filtros de sinais
Os condensadores têm uma resposta única a sinais de diferentes frequências. Eles podem bloquear as componentes de baixa frequência do sinal de corrente continua, permitindo que as frequências mais altas passem.
Os filtros de sinais são úteis em todos os tipos de aplicação que necessitam de processar sinais. Um exemplo do uso de condensadores para manipular os sinais, são os receptores de rádio que usam condensadores (entre outros componentes) para eliminar frequências indesejáveis, e para sintonizar as estações.
Outro exemplo da aplicação dos condensadores como filtros de sinais, neste caso em conjunto com bobines, são os circuitos de crossover passivo existentes em alguns alto-falantes, que separam um único sinal de áudio em vários. Um condensador em série bloqueia as baixas frequências, de modo que o resto do sinal, apenas de alta frequência, possa activar o tweeter do alto-falante. No circuito de subwoofer de baixa frequência, as altas frequências podem ser desviadas para a terra através do condensador em paralelo.
Aplicação dos condensadores em temporizadores e osciladores
Os condensadores, usados em conjunto com resistências e um circuito integrado conhecido como temporizador 555, permitem construir temporizadores e osciladores cujo período é determinado pelo tempo de carga e/ou descarga dos condensadores.
Aplicação dos condensadores em circuito tanque ou resonante
O circuito tanque ou resonante consiste num condensador e num indutor que se retroalimentão até toda a energia se dissipar.
https://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit
https://pt.wikipedia.org/wiki/Oscilador_LC
https://rimstar.org/science_electronics_projects/lc_circuit_aka_tank_or_resonant_circuit.htm
http://www.falstad.com/circuit/e-lrc.html
Condensadores artesanais
http://www.crystalradio.net/beginners3/cap.shtml
https://www.edaboard.com/showthread.php?260194-Trimmer-Variable-capacitors#post1112976