A energia é armazenada num campo elétrico.

Um condensador tem elétrodos condutores separados por um dielétrico isolante. A aplicação de uma tensão provoca a separação de cargas e armazena energia no campo elétrico.

A capacidade descreve a carga armazenada por volt e é medida em farads (F). Utilizam-se frequentemente microfarads (µF), porque um farad é uma unidade grande para muitos circuitos eletrónicos comuns.

Dois elétrodos, carga separada

Separação de cargas e campo elétrico num condensadorDois elétrodos condutores têm cargas iguais e opostas, mais Q e menos Q. Um dielétrico isolante separa-os. As setas do campo apontam do elétrodo positivo para o negativo; não mostram eletrões a atravessar o dielétrico.+Q−Q+−+−+−Dielétrico isolanteO campo aponta de + para −
  1. Elétrodo positivo (+Q): um défice de eletrões relativamente ao seu estado sem carga.
  2. Elétrodo negativo (−Q): um excesso igual de eletrões neste exemplo ideal, inicialmente neutro.
  3. Dielétrico: isolamento entre os condutores. As cargas separadas criam um campo elétrico; o condensador completo pode continuar a ter carga resultante nula.
Vista simplificada de placas paralelas, não um desenho de um componente específico. Os efeitos de bordo e a polarização microscópica do dielétrico foram omitidos. As setas mostram o sentido do campo elétrico, não um percurso para a carga através do isolamento.

Q = C × V descreve a separação de cargas. Aqui, Q é o módulo da carga num único elétrodo, C é a capacidade e V é o módulo da tensão entre os elétrodos. Não significa que tenham sido acrescentados Q coulombs ao condensador no seu conjunto.

Para 1,000 µF a 24 V, Q = 0.001 × 24 = 0.024 C: +0.024 C num elétrodo e −0.024 C no outro, neste exemplo ideal. A soma é zero, mas existe energia armazenada no campo.

Carregar e alimentar uma carga.

Num condensador ideal, passa corrente enquanto a sua tensão varia. Com uma tensão DC constante, a corrente do condensador ideal desce para zero; os dispositivos reais podem continuar a ter fugas.

«A corrente circula» refere-se ao circuito ligado. No modelo ideal, não há condução de carga através do intervalo isolante: as alterações no campo elétrico ligam o comportamento elétrico dos dois lados. É por isso que um condensador pode responder a AC, embora bloqueie uma corrente DC estacionária após o carregamento.

A sua oposição à CA (AC) sinusoidal depende da frequência e da capacidade. Trata-se da reatância capacitiva, que faz parte da impedância; a distinção associada entre energia armazenada e devolvida e potência utilizada é importante nos circuitos CA (AC).

Porque demoram tempo a carga e a descarga.

Uma resistência limita a rapidez com que a carga pode entrar num condensador ou sair dele. Num circuito RC simples, a resistência R e a capacidade C determinam em conjunto o ritmo da variação. A tensão varia rapidamente no início e depois mais lentamente.

A constante de tempo: τ = R × C

A letra grega τ (tau) representa a constante de tempo do circuito, medida em segundos. Com R = 1,000 Ω e C = 0.001 F, τ = 1 segundo.

Após uma constante de tempo, a carga atingiu cerca de 63.2% da tensão final. No caso separado de descarga, mantém-se cerca de 36.8% da tensão inicial.

Carga de 0 V em direção a 24 V

Carga através de uma resistênciaUm condensador ideal começa a zero volts e carrega em direção a 24 volts. Ao fim de um segundo, atinge cerca de 15.2 volts, ou 63.2 por cento da tensão final. Ambas as curvas utilizam uma resistência de 1 kilohm e um condensador de 1000 microfarad, dando uma constante de tempo de um segundo.Tensão do condensador (V)0122401234515.2 V a 1 sTempo (s)1 τ = 1 s

Descarga a partir de 24 V iniciais

Descarga através de uma resistênciaUm condensador ideal começa a 24 volts e descarrega em direção a zero. Ao fim de um segundo, restam cerca de 8.8 volts, ou 36.8 por cento da sua tensão inicial. Ambas as curvas utilizam uma resistência de 1 kilohm e um condensador de 1000 microfarad, dando uma constante de tempo de um segundo.Tensão do condensador (V)012240123458.8 V a 1 sTempo (s)1 τ = 1 s
Curvas RC ideais calculadas com os mesmos eixos. Cada gráfico começa no seu próprio t = 0. Ambos utilizam R = 1 kΩ e C = 1,000 µF; o caso de carga tem uma fonte constante de 24 V, enquanto o caso de descarga não tem fonte e tem apenas a resistência como carga. As fugas, a ESR e outros percursos do circuito foram omitidos. Estes são modelos matemáticos, não instruções de descarga nem tempos de espera seguros.

Uma constante de tempo não significa «terminado». Após cinco constantes de tempo, estas curvas ideais estão carregadas a cerca de 99.3% ou conservam cerca de 0.7% da tensão inicial. Uma instalação real pode ter outros percursos, energia armazenada e avarias; o tempo decorrido, por si só, não demonstra que o equipamento esteja seguro.

A tensão também importa, além da capacidade elétrica.

Um condensador ideal de 1,000 µF a 24 V

1,000 µF = 0.001 F. A energia armazenada é ½ × C × V², pelo que ½ × 0.001 × 24² = 0.288 joules.

Duplicar a tensão quadruplica a energia armazenada para a mesma capacidade. A tensão nominal é um limite do componente, não um objetivo que todos os circuitos tenham de atingir.

Filtrar alimentações e apoiar o circuito intermédio DC de um variador.

Numa fonte de alimentação, um condensador pode alimentar a carga entre impulsos retificados. Num VFD, os condensadores do barramento DC ajudam a gerir a alimentação DC intermédia. Os condensadores também são utilizados em circuitos de filtragem e temporização.

Um condensador não constitui uma alimentação de reserva ilimitada. A sua tensão varia à medida que a energia é transferida, e a sua capacidade e as condições do circuito afetam o tempo durante o qual consegue alimentar uma carga.

Os componentes reais têm limites.

Os condensadores têm resistência, limites de temperatura e comportamento de envelhecimento. Alguns tipos são polarizados, enquanto outros não. Fazer coincidir apenas a capacidade não basta para selecionar uma substituição.

Pode permanecer energia armazenada após retirar a alimentação externa. Um variador parado ou desligado não comprova que os condensadores internos estão descarregados.

Um olhar mais próximo

A resistência série equivalente (ESR) modela parte das perdas de um condensador real. A corrente de ondulação que atravessa essas perdas produz calor. Num circuito simples de carga com resistência e condensador, a constante de tempo é R × C; este é um modelo matemático, não uma regra de tempo de espera seguro para equipamento.

Para o gráfico ideal de carga, Vc(t) = Vs[1 − e^(−t/RC)] com tensão inicial do condensador nula; para o gráfico de descarga, Vc(t) = V₀e^(−t/RC). Aqui, Vs é a tensão fixa da fonte de carga, V₀ é a tensão inicial de descarga, t é o tempo decorrido e e é aproximadamente 2.718. A corrente segue i = C dVc/dt: quanto mais inclinada for a curva de tensão, maior é a corrente. No exemplo ideal de carga, começa em Vs/R = 24 mA e depois diminui exponencialmente. A carga elétrica e a tensão aproximam-se assintoticamente dos seus valores finais, não através de um corte súbito.

Verifique o que aprendeu

Se a tensão duplicar no mesmo condensador ideal, a energia armazenada duplica?

Mostrar a explicação

Quadruplica, porque a energia armazenada é proporcional ao quadrado da tensão: E = ½CV².

Leitura adicional.

Leitura opcional para aprofundar esta lição.

  • TDK: construção e comportamento dos condensadores

    Comece pelo diagrama de construção e depois pelas três secções de propriedades básicas. Explicam visualmente a carga e o comportamento em AC; a relação com a frequência é uma leitura complementar útil.

  • OpenStax: condensadores e capacidade elétrica

    As definições iniciais distinguem as cargas iguais e opostas dos elétrodos da carga líquida e depois apresentam C = Q/V. Os cálculos geométricos posteriores são opcionais.

  • OpenStax: circuitos RC

    Leia as secções de carga e descarga para conhecer as equações exponenciais e a constante de tempo. A dedução é opcional; os gráficos de tensão e corrente ajudam a explicar porque a variação abranda com o tempo.