Dimensionamento e Seleção de Capacitores de Filtro em Fontes

Os capacitores de filtroComo Evitar Ruídos Elétricos com o Uso de CapacitoresAprenda como usar capacitores de desacoplamento, filtro e bypass para reduzir ruídos elétricos e estabilizar circuitos eletrônicos de forma eficiente. são componentes fundamentais em fontes de alimentação e outros circuitos em que se deseja minimizar ondulações (ripple) ou estabilizar a tensão de saída. Neste tutorial, você aprenderá como realizar o cálculo básico para determinar o valor do capacitor de filtro necessário, além de compreender os principais critérios de seleção e cuidados práticos na escolha do capacitor ideal para seu projeto.

Introdução🔗

Em muitas aplicações, especialmente em fontes de alimentaçãoCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais., a tensão de saída não é perfeitamente contínua. Um capacitor de filtro atua armazenando carga elétrica para compensar as variações de tensão e reduzir a ondulação. O processo de seleção do capacitor correto envolve:

• Determinar o valor de capacitânciaCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. necessário para atingir o nível de ripple desejado.
• Considerar a tensão de trabalhoComo Evitar Ruídos Elétricos com o Uso de CapacitoresAprenda como usar capacitores de desacoplamento, filtro e bypass para reduzir ruídos elétricos e estabilizar circuitos eletrônicos de forma eficiente. e a margem de segurança.
• Avaliar características como ESR (Equivalent Series Resistance) e correnteLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. de ripple suportada.

Conceitos Básicos🔗

Antes de iniciar o cálculo, é importante revisar alguns conceitos:

1. Tensão de OndulaçãoCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais. (Ripple Voltage, Vripple)

É a variação indesejada de tensão após a retificação e filtragem. Quanto maior o capacitorCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica., menor a ondulação.

2. FrequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. de Retificação (f)

Depende do tipo de retificador:

• Retificador de meia onda: a tensão de saída é pulsante com frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. igual à da rede (por exemplo, 50 Hz ou 60 Hz).
• Retificador de onda completaCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais.: a tensão de saída pulsante tem frequência dobrada (por exemplo, 100 Hz ou 120 Hz).

3. CorrenteLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. de Carga (Iload)

É a corrente demandada pelo circuito alimentado. Se o capacitorCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. não for dimensionado adequadamente, a tensão cairá rapidamente ao suprir essa corrente.

4. ESR (Equivalent Series Resistance)

Toda a construção do capacitor introduz uma resistência interna que gera perdas e calor (dissipação de energiaPortas Lógicas e Famílias Lógicas: Comparação de famílias lógicas: TTL, CMOS, ECL (vantagens e limitações)Descubra as características, vantagens e limitações das famílias lógicas TTL, CMOS e ECL, essenciais para projetos digitais modernos.). Valores de ESR muito elevados podem provocar aquecimento do capacitor e maior ondulação.

Fórmulas de Cálculo🔗

A ondulação de tensão (Vripple) em um capacitor de filtroCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais. pode ser estimada pela relação entre a corrente de carga, a frequência dos pulsos e a capacitância. A expressão mais comum considera que o capacitor se descarrega linearmente entre cada pulso de recarga:

Para um retificador full bridge (onda completa), a frequência efetiva é o dobro da frequência da rede. Assim, a queda de tensãoCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais. no capacitor ao longo do tempo \(\Delta t\) é \(\frac{1}{2f}\). A fórmula aproximada para a ondulação de tensão é:

Para meia onda, não há multiplicação por 2, e a frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. permanece a da rede:

Observação: Esses modelos assumem que a recarga do capacitor ocorre em intervalos curtos e que o capacitor se descarrega de forma linear entre pulsos. Na prática, fatores como resistência de transformadores, diodos e ESR do próprio capacitor introduzem pequenas variações nesse cálculo.

Exemplo de Cálculo🔗

Exemplo: Suponha que você tenha uma carga que consome 100 mA (0,1 A) e que a rede seja de 60 Hz, com retificação de onda completa (frequênciaOsciladores e Relógios Digitais: Geração e Uso de Sinais de SincronismoDescubra o papel essencial dos osciladores e sinais de clock na sincronização e funcionamento de circuitos digitais modernos. efetiva de 120 Hz). Você deseja limitar a ondulação de tensão a no máximo 1 V. Qual capacitor é necessário?

1. Identifique os parâmetros:

• \(I_{\mathrm{load}} = 0{,}1 \,\text{A}\)
• \(f = 120 \,\text{Hz}\) (onda completa em 60 Hz)
• \(V_{\mathrm{rippleCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais.}} = 1 \,\text{V}\)

2. Use a fórmula (onda completa):

3. Substitua os valores:

Portanto, para manter a ondulação em torno de 1 V, estimamos um capacitorCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. de aproximadamente 470 µF (valor comercial mais próximo).

Critérios de Seleção🔗

Tensão de Trabalho e Margem de Segurança

• Escolha sempre um capacitor com tensão de trabalhoComo Evitar Ruídos Elétricos com o Uso de CapacitoresAprenda como usar capacitores de desacoplamento, filtro e bypass para reduzir ruídos elétricos e estabilizar circuitos eletrônicos de forma eficiente. acima da tensãoLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. máxima do circuito.
• Uma regra prática é considerar uma margem de 20% a 30% sobre a tensão que o capacitorCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. efetivamente verá no circuito.

ESR e Corrente de Ripple

• ESR baixa significa menor dissipação de calor interno e menor ondulaçãoCircuitos Retificadores: Meio Ciclo, Onda Completa e PonteConheça os principais circuitos retificadores e entenda como convertem AC em DC. Aprenda sobre meio ciclo, onda completa e ponte em aplicações reais. adicional.
• Verifique a especificação de correnteLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. de ripple máxima no datasheet do capacitor. Se excedida, o capacitorCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. pode superaquecer e falhar.

Fator de Temperatura

• Em ambientes quentes, o capacitor sofre com redução na vida útil. Busque capacitoresCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. com faixa de temperatura adequada para sua aplicação (por exemplo, 105 °C).

Conclusão🔗

O dimensionamento de capacitores de filtroComo Evitar Ruídos Elétricos com o Uso de CapacitoresAprenda como usar capacitores de desacoplamento, filtro e bypass para reduzir ruídos elétricos e estabilizar circuitos eletrônicos de forma eficiente. é essencial para garantir uma alimentação estável e com ondulação controlada. Para isso, lembre-se de:

• Calcular a capacitânciaCapacitorAprenda o funcionamento dos capacitores, veja seus tipos, aplicações e como eles estabilizam circuitos digitais em operações práticas de eletrônica. necessária com base na corrente de carga, frequência e ondulação permitida.
• Escolher sempre um capacitor com tensão de trabalhoComo Evitar Ruídos Elétricos com o Uso de CapacitoresAprenda como usar capacitores de desacoplamento, filtro e bypass para reduzir ruídos elétricos e estabilizar circuitos eletrônicos de forma eficiente. e dissipação (ESR) adequadas, dando preferência a componentes com margem de segurança e características que atendam às condições de operação, como temperatura e correnteLei de Ohm e Leis de Kirchhoff: Aplicações PráticasExplore os fundamentos da eletricidade: aprenda a aplicar a Lei de Ohm e as Leis de Kirchhoff para analisar circuitos simples e complexos com clareza. de ripple.

Ao seguir esses passos e verificar cuidadosamente as especificações do fabricante, você terá mais confiança no desempenho e na durabilidade do seu circuito de filtragem.