Condensador eletrico
Os circuitos analisados no capitulo anterior eram constituídos apenas por resistências, no entanto, existem outros elementos passivos, como os condensadores e as bobinas, que também são utilizados na construção de circuitos eletrónicos.
Neste capítulo iremos abordar os condensadores, as grandezas que os caracterizam e o seu funcionamento quando ligados juntamente com outros componentes. É muito frequente a utilização de condensadores nos circuitos eletrónicos, integrados ou discretos, por mais elementares que sejam. A sua principal função é a de armazenar carga elétrica.
Denomina-se condensador ao conjunto formado por duas superfícies metálicas condutoras - armaduras, que se encontram separadas por um meio isolante – dielétrico. Um condensador tem a capacidade de manter a tensão (durante um tempo finito) aos seus terminais mesmo depois de ser retirada a tensão que originou a sua carga (fonte).
Nos circuitos eletrónicos o condensador utiliza-se, basicamente, para eliminar a componente continua de um sinal elétrico ou para manter a tensão durante um certo tempo e cedê-la posteriormente.
Ao nível da construção existem vários tipos de condensadores, nomeadamente, condensadores de papel, de prata-mica, cerâmicos, poliestireno, poliéster, polipropileno, eletrolíticos de alumínio e eletrolíticos de tântalo.
Capacidade de um condensador
A capacidade de um condensador mede-se em Farads, normalmente em pico-farads (pF), nano-farads (nF) ou micro-farads (µF), só os SuperCondensadores de elevada capacidade se medem em farads (simbolo F).
Picofarads (pF) |
1pF = 0,000 000 000 001 F |
Nanofarads (nF) |
1nF = 0,000 000 001 F |
MicroFarads (µF) |
1uF = 0,000 001 F |
Tipos de Condensadores Elétricos
Condensadores de papel
Na construção dos condensadores de papel são enroladas finas folhas de papel em folhas de alumínio. Com a finalidade de evitar a absorção de humidade, e também aumentar a rigidez dielétrica, o papel é impregnado com óleo ou cera. O contacto com as folhas metálicas é feito quer enrolando com o conjunto os terminais, quer alargando até aos topos as folhas condutoras. Finalmente, o condensador é fechado numa caixa metálica ou envolvido em resina. As capacidades variam entre 1nF a 10uF.
Condensadores de fita de plástico
Este tipo é muito semelhante ao anterior, sendo produzido à custa de fitas isolantes e condutoras, ou utilizando dielétricos metalizados. O primeiro processo consiste no enrolamento de plástico, intercaladas com outras de alumínio, à volta de um núcleo. São então fixadas ao núcleo as cápsulas de terminais, sendo o conjunto envolvido por resina ou lacre. Os condensadores de fita de poliéster foram os primeiros a ser construídos na gama dos plásticos e oferecem excelente estabilidade, alta resistência de isolamento e baixo coeficiente de temperatura. As capacidades variam entre 100pF a 10uF. São vulgarmente denominados condenadores de poliéster.
Condensadores de mica
A mica é uma substância que, devido à sua estrutura cristalina em camadas, pode ser facilmente laminada em folhas bastante finas. É um material muito estável e com uma alta constante dielétrica, pelo que os condensadores com ela fabricados possuem boas características. São metalizados diretamente nas folhas de mica os elétrodos de prata que, em conjunto com vários outros, formam o condensador completo. O conjunto é então envolvido por plástico ou resina. Os condensadores de resina possuem uma maior fiabilidade de, já que durante o processo de fabrico ficam sujeitos a menores esforços.
Condensadores de cerâmica
São condensadores que têm a vantagem de possuir uma capacidade relativamente elevada à custa de um pequeno volume. São muito úteis para fins gerais de acoplamento e desacoplamento, onde possam ser permitidas variações razoavelmente grandes da capacidade devido à temperatura., frequência, tensão e tempo. Este componente é construído sobrepondo alternadamente finas camadas de cerâmica dielétrica e elétrodos. Este tipo de condensadores compete com eletrolíticos de baixa capacidade em aplicações gerais de acoplamento e desacoplamento. Tornaram-se num componente com muito sucesso por ser barato e de fácil fabrico. Existem em capacidades de 1pF a 47uF
Condensadores eletrolíticos de alumínio
Os condensadores eletrolíticos possuem a maior capacidade e são geralmente utilizados em acumuladores e filtros de alisamento em fontes de alimentação. São também utilizados com o fim de acoplamento e desacoplamento em amplificadores de áudio. Na sua construção, uma folha altamente pura é imersa num eletrólito e descolada através do mesmo a uma velocidade constante, enquanto uma tensão origina uma corrente que gradualmente diminui de intensidade à medida que sobre a folha se acumula o óxido de alumínio. Esta fina cobertura de óxido, sendo isolante, será destinada a construir o dielétrico do condensador acabado.
Este tipo de condensador é normalmente dotado de polaridade, não devendo ser alterada. Se lhe for aplicada uma tensão inversa, o dielétrico será removido do ânodo, indo acumular-se no cátodo e originando uma corrente de elevada intensidade. Os gases libertados pelo eletrólito podem causar danos ao condensador, causando por vezes a sua explosão e pondo em risco outros componentes. A sua capacidade varia entre 0,1uF e 100000uF.
Condensadores eletrolíticos de tântalo
Utilizam como dielétrico o óxido de tântalo. Este óxido possui uma constante dielétrica superior à do óxido de alumínio, o que permite obter altos valores de capacidade em pequenos volumes. O tântalo apresenta menores fugas, maior fiabilidade e uma margem de tolerância mais apertada. Por estes motivos, estes condensadores são mais caros e utilizados em aplicações especificas. Existem em capacidades de 1uF a 2200uF.
Supercondensador
Um supercondensador é um tipo de condensador capaz de armazenar e fornecer uma elevada densidade de potência num curto intervalo de tempo. Apresentam uma capacidade elevada se comparada com outros tipos de condensadores e ocupa o intervalo de aplicações entre condensadores eletrolíticos e baterias. Tipicamente armazenam de 10 a 100 vezes mais energia por unidade de volume ou massa que os condensadores eletrolíticos, podem ser carregados muito mais rápido do que uma bateria e toleram mais ciclos de carga e descarga do que baterias recarregáveis.
Os supercondensadores são usados em aplicações que exigem muitos ciclos rápidos de carga/descarga, em vez de armazenamento de energia a longo prazo.
Um supercondensador é formado por dois elétrodos de superfície altamente porosa com um separador entre eles. Esse separador é molhado num eletrólito e tem a função de prevenir o contato elétrico entre os elétrodos. O material do separador precisa de permitir a transferência de carga e ter uma alta resistência elétrica. O eletrólito é formado basicamente por um sal solvente, tem como função proporcionar condutividade iônica para que ocorra compensação de cargas entre os elétrodos. Está diretamente relacionado com diversos parâmetros, como a densidade de energia, densidade de potência, tensão, capacitância e resistência série equivalente (ESR). São muito utilizados em sistemas automotivos e as suas capacidades variam entre 10000uF e 2000F, mas a sua tensão de funcionamento é relativamente baixa quando comparada com os eletrolíticos convencionais.
Símbolo dos condensadores
Tensão de funcionamento de um condensador
Este parâmetro é expresso em voltes (V) e determina a tensão máxima que pode ser aplicada aos terminais de um condensador. Esta grandeza é limitativa e não poderá ser ultrapassada porque levará à destruição do condensador. As voltagens mais comuns são 10V, 16V, 25V, 35V, 50V, 63 V e para tensões mais elevadas 100V, 250V, 450V.
A tensão de funcionamento de um condensador está diretamente relacionada com o seu tamanho. Quanto maior a tensão de funcionamento para uma mesma capacidade, maior o tamanho do condensador. Não devemos utilizar um condensador no limite da sua tensão, pois o condensador deve ter uma tensão de funcionamento 20% acima da tensão utilizada.
Associação de condensadores
À semelhança das resistências, os condensadores podem ser associados em série ou em paralelo. Quando os condensadores são ligados conforme a figura abaixo, diz-se que estão em série:
O valor da capacidade equivalente é dado pela seguinte formula:
Sendo apenas dois condensadores, a fórmula pode ser simplificada para:
A montagem em paralelo é dada pela soma algébrica das capacidades
Carga e descarga de um condensador
A figura acima mostra um simples circuito constituído por uma fonte de alimentação, um condensador e uma lâmpada. De forma a entender o funcionamento do circuito, basta analisar gráfico seguinte:
Ao ligar o interruptor S, o condensador carrega instantaneamente ficando aos seus terminais a tensão nominal da fonte de alimentação. Ao desligar S1, o condensador como está carregado e irá descarregar a sua energia através da lâmpada mantendo esta acesa e irá gradualmente diminuir a sua luminosidade até se extinguir devido à descarga do condensador.
Neste capítulo do curso, aprendemos o que é um condensador e como funciona. Apesar de ter um funcionamento simples, é um componente que tem uma importância extrema, desde circuitos de filtragem, estabilização, a circuitos de oscilação em que os condensadores são o componente que permite definir uma base de tempo. Os condensadores são um dos componentes mais utilizados em circuitos eletrónicos.
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