Capacitores podem ser utilizados muitas formas e com muitas finalidades nos circuitos eletrônicos. No entanto, existem duas funções em que estes componentes são utilizados as quais precisam ser bem entendidas pelos profissionais. Neste artigo trataremos dos capacitores usados nos circuitos de acoplamento e desacoplamento.
Sabemos que os capacitores são formados por dois condutores (armaduras) separados por um material isolante, denominado dielétrico.
Quando aplicamos uma tensão nas armaduras, elas se carregam com uma carga e, depois disso nenhuma corrente circulará, conforme mostra a figura 1.
No entanto, estes conceitos são válidos quando tratamos dos circuitos de corrente contínua.
A maioria dos circuitos eletrônicos, entretanto, trabalha com sinais, que são corrente alternadas das mais diversas frequências.
Assim, devemos analisar outras propriedades dos capacitores que são importantes neste caso.
Reatância Capacitiva
Quando ligamos um capacitor a uma fonte de corrente contínua, a corrente flui apenas por um instante, o intervalo de tempo em que o capacitor demora para se carregar.
Depois disso, o capacitor passa a apresentar uma resistência infinita e nenhuma corrente pode circular.
Ligando um LED em série com um capacitor de valor algo elevado, numa experiência que o próprio leitor pode fazer. Quando fechamos o interruptor, o LED pisca, indicando a corrente de carga, mas depois ele apaga, pois não mais pode circular nenhuma corrente.
A figura 2 mostra o circuito usado neste experimento.
No entanto, se ligarmos o capacitor num circuito em que a corrente varia constantemente, ou seja, num circuito de corrente alternada, quando a tensão varia de zero ao máximo, numa fração de segundo o capacitor acompanha e se carrega.
Depois, quando a tensão cai, as cargas que estavam acumuladas nas armaduras se escoam, e com a inversão da tensão, elas voltam a descarregar e carregar com a polaridade oposta, conforme mostra a figura 3.
Como a corrente inverte-se constantemente, a carga e descarga do capacitor acompanha, de modo que, constantemente estará circulando uma corrente pelo circuito.
Veja que as cargas que se movimentam não são as mesmas.
As cargas de uma armadura induzem na armadura oposta as cargas que então se movimentam pelo circuito.
Se ligarmos um LED para indicar esta corrente num circuito de corrente alternada, ele não vai acender apenas no instante em que tivermos a carga, mas sim constantemente acompanhando as inversões de polaridade da tensão da rede, conforme mostra a figura 4.
O “tamanho” do capacitor no, ou seja, seu valor, determina a intensidade da corrente que circulará através do LED.
Por outro lado, a frequência com que a corrente varia também determina a intensidade da corrente no circuito.
Maior velocidade nas variações também determina maior intensidade da corrente.
Podemos dizer que o capacitor, nestas condições, se comporta como uma espécie de ‘resistência” para a corrente alternada, oferecendo maior ou menor oposição conforme seu valor e a frequência.
Definimos então um termo para indicar esta “oposição” ou resistência que os capacitores apresentam em relação à circulação de uma corrente alternada.
O termo é “Reatância Capacitiva” e a representamos por Xc.
Seu valor depende da frequência e da frequência, podendo ser calculado pela seguinte fórmula:
Xc = 1 / (2 x π x f x c)
Onde:
Xc é a reatância capacitiva em ohms
π vale 3,1416 – constante
F é a frequência da corrente em hertz (Hzx)
C é a capacitância do capacitor em farads (F)
O importante para nós é que podemos ver num capacitor um dispositivo que tem uma propriedade muito importante.
Ele oferece uma pequena oposição à passagem de uma corrente alternada.
Acoplamento
Chegamos então a uma primeira aplicação para os capacitores.
Normalmente, os circuitos que amplificam sinais de áudio ou RF, como os encontrados em rádios e amplificadores, são formados por etapas que funcionam de modo independente e que são elaboradas em torno de um ou mais componentes ativos.
Na figura 5 temos uma etapa amplificadora típica usando um transistor bipolar.
Neste tipo de amplificador, denominado configuração de emissor comum, aplicamos o sinal a ser amplificado à base e o retiramos do coletor.
Encontramos então resistores de base Rb1 e Rb2 que polarizam a base do transistor levando o amplificador ao funcionamento desejado.
Temos ainda os resistores de emissor (Re) e coletor (Rc) que completam a polarização.
Se ligarmos uma etapa a outra de modo direto para transferir o sinal para nova amplificação, pode ocorrer uma interferência nos circuitos de polarização, o que não é desejável, conforme mostra a figura 6.
Como o sinal a ser amplificado é alternado e a polarização é contínua, podemos facilmente isolar os circuitos se usarmos um capacitor, conforme mostra a figura 7.
Neste caso, o capacitor acopla os circuitos, deixando passar de um para outro o sinal a ser amplificado, mas isola a polarização, pois ela é feita por uma corrente contínua.
Os valores dos capacitores utilizados nesta função dependem tanto da frequência como da intensidade do sinal a ser transferido.
Para etapas pré-amplificadoras de áudio com sinais de pequena intensidade, os capacitores têm valores típicos de 10 nF a 1 uF.
Para sinais de maior intensidade ou frequências muito baixas, os valores podem chegar a 470 uF.
Nos circuitos de RF, encontramos valores muito pequenos na faixa dos picofarads.
Veja que o tipo de capacitor utilizado nesta função também é muito importante.
Encontramos os eletrolíticos, cerâmicos e poliéster nos circuitos de áudio e os cerâmicos nos circuitos de RF.
Na figura 8 temos etapas de áudio e RF, com os valores típicos de capacitores de acoplamento.
Desacoplamento
Um capacitor de valor apropriado pode ser visto como um verdadeiro “curto-circuito” para um sinal.
Por outro lado, o mesmo capacitor pode ser considerado uma resistência infinita para uma corrente continua.
Uma função importante que pode ser obtida com a ajuda de um capacitor é justamente a de eliminar sinais de frequências determinadas de um circuito, sem alterar, entretanto, as tensões de polarização, ou então um sinal de frequências muito mais baixas.
Esta aplicação do capacitor consiste em desacoplar o circuito, de modo a eliminar um determinado sinal.
Na figura 9 temos uma primeira aplicação de um capacitor com esta finalidade, desacoplando o sinal de alta frequência.
Após o diodo detector de um rádio AM temos dois sinais: o sinal de alta frequência da portadora e o sinal de áudio na forma de uma envoltória.
Colocando à terra um capacitor de valor suficientemente baixo para deixar passar o sinal d RF mas não o de áudio, podemos separar os dois.
O sinal de áudio vai para o circuito amplificador e o sinal de RF é levado terra, por não mais ser necessário.
Outra aplicação importante dos capacitores de desacoplamento é mostrada na figura10.
As fontes de alimentação, como pilhas e baterias apresentam uma certa resistência interna que tende a aumentar à medida que se desgastam.
Como essas fontes devem alimentar diversas etapas de um mesmo aparelho, a presença de resistência faz com que haja a possibilidade do sinal passar de uma etapa para a outra de forma indesejável, ou seja, produzindo realimentações.
Essas realimentação podem ser suficientemente fortes, quando a pilha está fraca, para causar distorções no som e oscilações como o pipocar do circuito, denominado “motorboating”.
Um capacitor ligado em paralelo com a fonte curto-circuita os sinais de realimentação, evitando este problema.
Outra aplicação de capacitores de desacoplamento é junto à alimentação de circuitos integrados que operam com altas velocidades de comutação.
Os capacitores são então montados bem próximos dos terminais de alimentação evitando que oscilações fortes de correntes passem para outros circuitos integrados do mesmo aparelho.
Na figura 11 mostramos como isso é feito.
Temos finalmente um outro caso de desacoplamento, mostrado na figura 12.
Ao mesmo tempo que o resistor de emissor fixa o ponto de funcionamento da etapa, ele representa uma impedância para o sinal que reduz o ganho.
Ligando em paralelo com este resistor um capacitor de valor conveniente, baixamos a impedância para o sinal de entrada, de modo que ele possa entrar no circuito e com isso obter maior ganho.
Os valores deste capacitor dependem da aplicação ficando entre 1nF e 1 uF para circuitos de RF e 10 uF 1 000 uF para circuitos de áudio.
Conclusão
Acoplar e desacopla convenientemente um sinal é fundamental para o funcionamento de uma etapa de amplificação.
Escolha os valores e os tipos corretos dos capacitores para que o circuito funcione da maneira esperada.
