O Que Eles Não Te Ensinam Sobre Capacitores

Na engenharia, frequentemente adotamos centenas de atalhos mentais para manter a complexidade dos tópicos que abordamos em um nível gerenciável.

Se tivéssemos que executar uma simulação de física quântica toda vez que acendemos um LED, nunca faríamos nada. No entanto, muitos desses atalhos e regras práticas foram criados no passado, quando a indústria eletrônica era radicalmente diferente do que é hoje.

Hoje, vamos desaprender o que é um capacitor. Além disso, discutiremos como usar capacitores, levando em consideração a eletrônica contemporânea.

O Que Um Capacitor Não É (Mais)

Uma das suposições comuns é que o papel principal de um capacitor é armazenar carga, como um balde de água sendo preenchido por um copo e esvaziado por outro ao mesmo tempo.

Se você já entrou em uma discussão sobre “se a corrente passa por um capacitor” e acabou mais em política do que em física, você sabe que analogias típicas não fazem muito sentido quando a corrente alternada (AC) está envolvida. Um capacitor nada mais é do que dois condutores separados por um dielétrico, e em explicações básicas de física de suas propriedades, você não encontrará uma explicação sobre o que você deve fazer com ele.

Armazenar energia é apenas um dos muitos usos de um capacitor, assim como filtrar, modelar ou alterar sinais elétricos e impedâncias. Tendemos a pensar nesses usos como seu principal, pois foi o primeiro uso no início da eletricidade em corrente contínua (DC) e no eletroscópio de William Gilbert — inventado no século 15.

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O Papel de um Capacitor

Termos como capacitor de desacoplamento e capacitor de bypass são frequentemente usados de forma intercambiável — eu cometi esse erro inúmeras vezes.

Isso leva a muita confusão, já que diferentes usos frequentemente exigem capacitores com parâmetros elétricos e físicos diferentes, como embalagem, classificações de tensão, ESR (Resistência Série Equivalente), ESL (Indutância Série Equivalente) e perfil de auto-resonância.

Os capacitores recebem diferentes nomes não apenas com base nas tecnologias em que são construídos (cerâmicos, eletrolíticos), mas também com base em seus papéis.

As seções a seguir contêm alguns dos papéis mais comuns desempenhados pelos capacitores.

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Capacitor de Bypass

O papel de um capacitor de bypass é transferir energia de RF (frequência alternada razoavelmente alta) de uma parte da sua placa para outra. Como você acabou de ler, não há nenhuma menção a armazenamento. Nenhuma! Um capacitor de bypass é todo sobre conduzir, não armazenar.

Para que isso aconteça, o capacitor precisa ser cuidadosamente selecionado com a menor impedância possível nas frequências de interesse. Isso pode ser alcançado combinando sua frequência de ressonância própria com o sinal de RF tanto quanto possível.

A frequência de ressonância própria é a frequência na qual a capacitância e a indutância parasita do capacitor ressoam, e o capacitor apresenta a menor impedância possível. Matematicamente, é como se a capacitância e a indutância desaparecessem, deixando apenas a resistência em série equivalente.

Para frequências mais altas que a frequência de ressonância própria, o capacitor começa a se comportar menos como um capacitor e mais como um indutor.

O que Observar

Um dos erros mais comuns cometidos ao usar capacitores de desacoplamento para manter as emissões eletromagnéticas sob controle (especialmente ao tentar desacoplar nos planos de terra), é limitar seu posicionamento apenas na fonte do ruído que queremos endereçar.

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Em DC isso faria sentido: curto-circuitar o sinal o mais próximo possível da fonte para obter seus valores o mais baixo possível, minimizando a resistência (impedância) entre o curto-circuito elétrico (o capacitor) e a fonte.

Em CA, e especialmente no domínio RF, devido à natureza ondulatória dos sinais elétricos, o rápido aumento da impedância entre a área próxima à sua fonte de ruído e o resto do plano de terra pode ser uma fonte de reflexões. Isso pode acontecer também em trilhas, pois as impedâncias mais altas das vias podem refletir a energia RF.

É isso que são as reflexões: energia refletida devido à impedância incompatível. Novamente, isso entra em conflito com a descrição tradicional de “energia refletida devido a linhas não terminadas”, que é apenas parcialmente correta.

Ao usar capacitores de desvio, você deve tentar diminuir a impedância dos planos de alimentação e terra espalhando capacitores por suas placas. Dependendo da frequência que você deseja abordar, o empilhamento de camadas e o material dielétrico da PCB, você pode querer considerar capacitores na faixa de picofarads a nanofarads.

Capacitor de Desacoplamento

Reguladores lineares como o onipresente 7805 têm um loop de feedback interno que compara a tensão de saída com uma referência de tensão e regula a corrente de acordo para manter uma saída estável.

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Em teoria, reguladores lineares poderiam ser usados sem um capacitor externo — pelo menos se ignorarmos quaisquer questões de oscilação autoinduzida. Para obter uma saída estável, a corrente demandada precisaria mudar em uma taxa de variação lenta o suficiente para que o regulador linear pudesse acompanhar. Dado que a maioria deles é construída com tecnologia BJT do início dos anos 80, essas taxas de variação não são rápidas de forma alguma.

Da mesma forma, conversores DC-DC chaveados têm uma frequência de comutação fundamental e não podem regular a saída mais rápido do que essa frequência.

Muitos dispositivos digitais modernos geram transientes de corrente com componentes de frequência de centenas de megahertz, muito mais do que qualquer regulador pode acompanhar (a menos que estejamos falando de drivers exóticos de diodo laser).

Capacitores de desacoplamento operam na fronteira entre as tensões estáveis reguladas pela circuitaria de fornecimento de energia DC e o consumo de corrente intermitente de dispositivos digitais modernos.

Até mesmo uma pequena impedância entre a fonte de alimentação e o dispositivo, quando confrontada com um pico de corrente, rapidamente levará a uma tensão de fornecimento fora dos intervalos aceitáveis.

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Os capacitores de desacoplamento atuam como armazenamento de energia localizado temporário, reduzindo efetivamente a impedância da fonte para valores entre alguns megahertz e algumas centenas de megahertz.

Para frequências acima de centenas de MHz, a maioria dos capacitores SMD apresenta uma alta impedância e são ineficazes, técnicas como capacitância enterrada na pilha de camadas precisam ser usadas em vez disso.

O que Observar

Capacitores de desacoplamento são úteis apenas em uma faixa de frequência relativamente estreita, principalmente devido às limitações introduzidas por suas propriedades parasitas.

O principal parâmetro a observar é, mais uma vez, a frequência de auto-ressonância. Capacitores de desacoplamento são eficazes apenas em frequências inferiores à sua frequência de auto-ressonância.

As seguintes regras práticas são frequentemente úteis para escolher qual capacitor usar:

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• DC a ~Khz: nenhum capacitor é necessário, a fonte de alimentação pode acompanhar por si só.
• ~Khz a ~Mhz: os altos valores dos capacitores eletrolíticos são benéficos para a faixa de frequência mais baixa, mas sua alta impedância em série limita seu desempenho ao induzir uma baixa frequência de auto-ressonância. Na faixa de Mhz, muitos capacitores eletrolíticos já são fortemente indutivos.
• ~Mhz a 200Mhz: capacitor cerâmico, dependendo do dielétrico, tamanho do pacote e tecnologia de construção, geralmente cobrem esta faixa.
• Acima de 200Mhz: capacitores cerâmicos começam a se tornar ineficazes. Neste cenário, seria melhor se você usasse técnicas de capacitância enterrada em vez disso.

Capacitor de Massa

Capacitores de grande capacidade são usados para manter a tensão estável durante ciclos de falta de energia na linha e suportar a demanda de corrente de pico, sendo geralmente eletrolíticos devido à alta capacidade necessária para essa função.

Pense neles como pequenos, adoráveis e cilíndricos UPS (Fonte de Alimentação Ininterrupta).

O Que Eles Não Ensinam Sobre Capacitores Cerâmicos

Capacitores cerâmicos são, sem dúvida, o componente passivo quintessencial na indústria eletrônica de hoje, e sua capacitância volumétrica tem melhorado a uma taxa comparável à densidade de transistores em silício, possibilitando grande parte do design moderno de alta densidade.

Eles são de fato uma maravilha da tecnologia, mas também têm algumas peculiaridades das quais você deve estar ciente.

Menor é Melhor

A cerâmica é um material maravilhoso, mas também é frágil. Capacitores cerâmicos podem trincar devido à flexão da placa de PCB, por exemplo, durante a montagem de placas maiores (ou painéis), ao separar incorretamente placas com corte em V, ou se os produtos forem manuseados de forma inadequada durante o transporte.

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A trinca por flexão é um fenômeno perigoso: se o capacitor for usado em linhas de energia capazes de altas correntes, ele pode frequentemente falhar por curto-circuito e causar um incêndio.

Ao contrário da sabedoria popular, um capacitor menor possui desempenho elétrico e mecânico superior. Eles têm menos probabilidade de trincar e possuem uma frequência de auto-ressonância mais alta.

Se o seu produto precisa de alta confiabilidade sob estresses mecânicos, existem algumas técnicas que você pode usar para reduzir esse tipo de falha.

• Não posicione capacitores com o lado longo na mesma direção em que a placa flexiona.
• Use capacitores menores como 0402
• Use capacitores com terminação suave que não criam curto sob estresse, e/ou capacitores cerâmicos classificados como X2/Y2 que criam um curto aberto
• Trace rotas ao redor dos seus capacitores para aliviar o estresse mecânico
• Assumindo que você escolheu capacitores que se rompem abertos, sempre use pelo menos dois deles em paralelo, para que seu circuito possa ter capacitância suficiente para continuar operando normalmente quando um deles se romper

O Dielétrico Importa, e Muito

C0G, X7R… dielétricos têm nomes estranhos e um conjunto misto de propriedades. Aqui estão suas características e quando eles se destacam.

• C0G/NP0: Estes são os capacitores cerâmicos mais sofisticados do mercado. Tipicamente, estão disponíveis de 1pF a 100nF e têm uma tolerância de 5%. NPO significa positivo-negativo-zero, a forma do gráfico do coeficiente do capacitor, que parece plano ao longo da faixa de temperatura. Eles são o que você deve usar quando valores precisos e estabilidade são necessários.
• X7R: O cavalo de batalha moderno. Eles têm excelentes coeficientes de tensão e temperatura e são populares entre 100pF e 22uF. São os mais utilizados para aplicações de desacoplamento e têm uma ampla faixa de temperatura de -55°C a 125°C.
• X5R: Semelhante ao X7R, mas classificado para 85°C em vez de 125°C.
• Y5V: Pode alcançar valor de capacitância extremamente alto, mas com baixas classificações de tensão e temperatura (permitida uma perda de até 82% da capacitância).
• Z5U: De forma semelhante ao Y5V, os capacitores Z5U apresentam desempenho de tensão e temperatura pobres e são extremamente baratos. Classificados apenas para até -10°C. Usados apenas em equipamentos de consumo de baixo custo para desacoplamento.

O que Observar

Combinar capacitores com diferentes dielétricos pode levar a resultados inesperados.

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Por exemplo, os capacitores Z5U são muito acessíveis e utilizam um dielétrico de titanato de bário. Esse material possui uma constante dielétrica alta, possibilitando uma excelente relação capacitância-volume, e uma frequência de ressonância própria comumente entre 1MHZ e 20 MHZ.

O NPO apresenta melhor desempenho em frequências acima de 10Mhz, então por que não misturá-los para obter um desempenho de ampla frequência?

Infelizmente, quando os capacitores Z5U e NP0 são conectados em paralelo, o material com constante dielétrica mais alta amortiza a frequência de ressonância do NPO, e a combinação resulta em um desempenho geral pior do que apenas um Z5U de boa qualidade.

O "porquê", no entanto, definitivamente está além do meu salário. Se você entender esse fenômeno, por favor, escreva-me uma carta.

Absorção Dielétrica

Se você curto-circuitar a saída de um capacitor carregado, você se encontrará com um capacitor completamente descarregado sentado em sua bancada e olhando para você com olhos entristecidos. No entanto, isso não é sempre o caso. Quase todos os capacitores, com a única exceção notável dos capacitores a vácuo, retêm parte de sua carga após serem descarregados.

O fenômeno acontece porque os dipolos moleculares aleatoriamente orientados são alinhados ao longo do tempo pelo campo elétrico, e sua nova orientação é retida mesmo na sua ausência.

Capacitores cerâmicos podem reter até 0,6% da tensão carregada para NP0 e 2,5% para X7R.

Capacitância Dependente da Tensão

Capacitores Y5V podem perder até 82% de sua capacitância na tensão nominal, enquanto os capacitores NP0 têm uma resposta quase plana.
Se você tem aplicações onde deve variar a tensão de saída, por exemplo, através da fonte de tensão configurável exigida pelo padrão USB-PD que Mark Harris discutiu em seu artigo recente, você pode se encontrar com um desempenho de circuito aparentemente imprevisível.

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