Capacitores: finalidade, dispositivo, princípio de operação

Em todos os dispositivos de rádio e eletrônicos, exceto transistores e microcircuitos, capacitores são usados. Em alguns circuitos, há mais deles, em outros menos, mas praticamente não há circuitos eletrônicos sem capacitores.

Nesse caso, os capacitores podem executar uma variedade de tarefas nos dispositivos. Antes de tudo, são recipientes nos filtros de retificadores e estabilizadores. Com a ajuda de capacitores, um sinal é transmitido entre os estágios de amplificação, são construídos filtros de baixa e alta frequência, são definidos intervalos de tempo em atrasos e é selecionada a frequência de oscilação em vários geradores.

Capacitores de chumbo de Leiden banksque em meados do século XVIII foi usado em seus experimentos pelo cientista holandês Peter van Mushenbrook. Como ele morava na cidade de Leiden, é fácil adivinhar por que esse banco foi chamado.

Na verdade, este era um frasco de vidro comum, revestido por dentro e por fora com uma folha de estanho - estaniol. Foi usado para os mesmos fins que o alumínio moderno, mas o alumínio ainda não estava aberto.

A única fonte de eletricidade naquela época era uma máquina de eletróforo, capaz de desenvolver uma tensão de várias centenas de quilovolts. Foi dela que eles carregaram um pote de Leyden. Nos livros de física, um caso é descrito quando Mushenbrook descarregou sua lata através de uma cadeia de dez guardas de mãos dadas.

Naquela época, ninguém sabia que as consequências poderiam ser trágicas. O golpe acabou sendo bastante sensível, mas não fatal. Não chegou a isso, porque a capacidade do jarro de Leyden era insignificante, o impulso acabou por ter uma vida muito curta e, portanto, o poder de descarga era pequeno.

Como está o capacitor

O dispositivo do capacitor é praticamente diferente do jarro de Leyden: todas as mesmas duas placas, separadas por um dielétrico. É assim que os capacitores são representados nos circuitos elétricos modernos. A Figura 1 mostra uma estrutura esquemática de um capacitor plano e a fórmula para seu cálculo.

Figura 1. Dispositivo de capacitor plano

Aqui S é a área da placa em metros quadrados, d é a distância entre as placas em metros, C é a capacitância em farads, ε é a constante dielétrica do meio. Todos os valores incluídos na fórmula são indicados no sistema SI. Essa fórmula é válida para o capacitor plano mais simples: você pode simplesmente colocar duas placas de metal próximas a elas, a partir das quais são tiradas conclusões. O ar pode servir como um dielétrico.

A partir desta fórmula, pode-se entender que o capacitor é maior, quanto maior a área das placas e menor a distância entre elas. Para capacitores com uma geometria diferente, a fórmula pode ser diferente, por exemplo, para a capacitância de um único condutor ou cabo elétrico. Mas a dependência da capacitância na área das placas e a distância entre elas é a mesma de um capacitor plano: quanto maior a área e quanto menor a distância, maior a capacitância.

De fato, as placas nem sempre são planas. Para muitos capacitores, por exemplo, de metal, as placas são laminadas com papel dielétrico em uma bola apertada, na forma de uma caixa de metal.

Para aumentar a força elétrica, o papel fino do capacitor é impregnado com composições isolantes, na maioria das vezes com óleo de transformador. Esse design permite fabricar capacitores com capacidade de várias centenas de microfarads. Capacitores com outros dielétricos são organizados de forma semelhante.

A fórmula não contém nenhuma restrição sobre a área das placas S e a distância entre as placas d.Se assumirmos que as placas podem ser levadas muito longe e, ao mesmo tempo, tornar a área das placas muito pequena, ainda resta alguma capacidade, embora pequena. Esse raciocínio sugere que apenas dois condutores localizados na vizinhança possuem capacitância elétrica.

Essa circunstância é amplamente usada na tecnologia de alta frequência: em alguns casos, os capacitores são fabricados simplesmente na forma de faixas de circuito impresso, ou mesmo apenas dois fios torcidos juntos no isolamento de polietileno. Macarrão de fio ou cabo comum também tem capacidade e, com o aumento do comprimento, aumenta.

Além da capacitância C, qualquer cabo também possui resistência R. Ambas as propriedades físicas são distribuídas ao longo do comprimento do cabo e, ao transmitir sinais pulsados, funcionam como uma cadeia RC integradora, mostrada na Figura 2.

Figura 2

Na figura, tudo é simples: aqui está o circuito, aqui está o sinal de entrada, mas aqui está a saída. O impulso é distorcido além do reconhecimento, mas isso é feito de propósito, para o qual o circuito é montado. Enquanto isso, estamos falando sobre o efeito da capacitância do cabo no sinal de pulso. Em vez de um impulso, uma “campainha” aparecerá na outra extremidade do cabo e, se o impulso for curto, ele poderá não alcançar a outra extremidade do cabo e desaparecerá completamente.

Fato histórico

Aqui é bastante apropriado relembrar a história de como o cabo transatlântico foi colocado. A primeira tentativa em 1857 falhou: os pontos do telégrafo - traços (pulsos retangulares) foram distorcidos para que nada pudesse ser desmontado no outro extremo da linha de 4.000 km.

Uma segunda tentativa foi feita em 1865. Nessa época, o físico inglês W. Thompson havia desenvolvido a teoria da transmissão de dados em longas filas. À luz dessa teoria, o roteamento de cabos acabou sendo mais bem-sucedido e pudemos receber sinais.

Por esse feito científico, a rainha Victoria concedeu ao cientista a cavalaria e o título de lorde Kelvin. Esse era o nome da pequena cidade na costa da Irlanda, onde começou a colocação de cabos. Mas isso é apenas uma palavra, e agora retornamos à última letra da fórmula, a saber, à constante dielétrica do meio ε.

Um pouco sobre dielétrico

Este ε está no denominador da fórmula, portanto, seu aumento implicará um aumento de capacidade. Para a maioria dos dielétricos utilizados, como ar, lavsan, polietileno, fluoroplástico, essa constante é quase a mesma que a do vácuo. Mas, ao mesmo tempo, existem muitas substâncias cuja constante dielétrica é muito maior. Se o condensador de ar estiver cheio de acetona ou álcool, sua capacidade aumentará a cada 15 ... 20.

Mas tais substâncias, além de ε alto, também têm uma condutividade suficientemente alta; portanto, esse capacitor não retém uma carga bem, descarrega rapidamente por si próprio. Este fenômeno prejudicial é chamado de corrente de fuga. Portanto, materiais especiais estão sendo desenvolvidos para dielétricos que, com uma alta capacitância específica de capacitores, fornecem correntes de vazamento aceitáveis. Isso explica a diversidade de tipos e tipos de capacitores, cada um dos quais é projetado para condições específicas.

Capacitor eletrolítico

A maior capacidade específica (relação capacidade / volume) capacitores eletrolíticos. A capacidade dos "eletrólitos" atinge até 100.000 microfarads e a tensão operacional é de até 600V. Esses capacitores funcionam bem apenas em baixas frequências, na maioria das vezes em filtros de fontes de alimentação. Os capacitores eletrolíticos são ligados na polaridade.

Os eletrodos em tais capacitores são uma película fina de óxido de metal, com freqüência esses capacitores são chamados óxido. Uma fina camada de ar entre esses eletrodos não é um isolador muito confiável; portanto, uma camada de eletrólito é introduzida entre as placas de óxido. Na maioria das vezes, essas são soluções concentradas de ácidos ou álcalis.

A Figura 3 mostra um desses capacitores.

Figura 3. Capacitor eletrolítico

Para avaliar o tamanho do capacitor, uma caixa de fósforos simples foi fotografada ao lado. Além de uma capacidade suficientemente grande na figura, você também pode ver a tolerância percentual: não menos que 70% da nominal.

Naqueles dias em que os computadores eram grandes e chamados computadores, esses capacitores estavam em unidades (no disco rígido moderno). A capacidade de informação de tais unidades agora pode causar apenas um sorriso: 5 megabytes de informações foram armazenadas em dois discos com um diâmetro de 350 mm e o próprio dispositivo pesava 54 kg.

O principal objetivo dos supercapacitores mostrados na figura era a retirada das cabeças magnéticas da área de trabalho do disco durante uma súbita falta de energia. Esses capacitores podem armazenar uma carga por vários anos, o que foi testado na prática.

Um pouco mais baixo com capacitores eletrolíticos será oferecido para fazer algumas experiências simples para entender o que um capacitor pode fazer.

Para trabalhar em circuitos CA, são produzidos capacitores eletrolíticos não polares, é muito difícil obtê-los por algum motivo. Para contornar esse problema, os "eletrólitos" polares comuns incluem contra-seqüencial: mais-menos-menos-mais.

Se o capacitor eletrolítico polar estiver incluído no circuito de corrente alternada, ele primeiro será aquecido e, em seguida, uma explosão será ouvida. Capacitores antigos domésticos espalhados em todas as direções, enquanto os importados possuem um dispositivo especial que evita fotos altas. Geralmente, é um entalhe cruzado na parte inferior do capacitor ou um orifício com uma rolha de borracha localizada no mesmo local.

Eles não gostam de capacitores eletrolíticos de tensão aumentada, mesmo que a polaridade seja observada. Portanto, você nunca deve colocar "eletrólitos" em um circuito em que seja esperada uma tensão próxima ao máximo para um determinado capacitor.

Às vezes, em alguns fóruns respeitáveis, mesmo iniciantes, fazem uma pergunta: “O capacitor 470µF * 16V é indicado no circuito e eu tenho 470µF * 50V, posso colocar?” Sim, é claro que você pode, mas a substituição reversa é inaceitável.

Capacitor pode armazenar energia

Para lidar com essa afirmação, um diagrama simples mostrado na Figura 4 ajudará.

Figura 4. Circuito com capacitor

O protagonista desse circuito é um capacitor eletrolítico C com uma capacidade suficientemente grande para que os processos de descarga de carga prossigam lentamente e até com muita clareza. Isso torna possível observar a operação do circuito visualmente usando uma luz convencional de uma lanterna. Essas luzes há muito tempo dão lugar aos LEDs modernos, mas as lâmpadas ainda estão sendo vendidas. Portanto, é muito fácil montar um circuito e realizar experimentos simples.

Talvez alguém diga: “Por quê? Afinal, tudo é óbvio, e mesmo se você ler a descrição ... ” Parece não haver nada para argumentar aqui, mas qualquer coisa, mesmo a mais simples, permanece na cabeça por um longo tempo se seu entendimento vier através das mãos.

Então, o circuito está montado. Como ela trabalha?

Na posição do comutador SA, mostrado no diagrama, o capacitor C é carregado da fonte de energia GB através do resistor R no circuito: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. A corrente de carga no diagrama é mostrada por uma seta com o índice iç. O processo de carregamento de um capacitor é mostrado na Figura 5.

Figura 5. Processo de carga do capacitor

A figura mostra que a tensão no capacitor aumenta ao longo de uma curva, na matemática chamada expoente. A corrente de carga reflete diretamente a tensão de carga. À medida que a tensão no capacitor aumenta, a corrente de carga se torna cada vez menor. E somente no momento inicial corresponde à fórmula mostrada na figura.

Após algum tempo, o capacitor será carregado de 0V à tensão da fonte de energia, em nosso circuito, a 4,5V. A questão toda é: como é a hora de determinar quanto tempo esperar, quando o capacitor será carregado?

Constante de tempo tau τ = R * C

Nesta fórmula, a resistência e a capacitância de um resistor e capacitor conectado em série são simplesmente multiplicadas.Se, sem descuidar o sistema SI, substituir a resistência em Ohms, a capacitância em Farads, o resultado será em segundos. É neste momento que o capacitor é necessário para carregar até 36,8% da tensão da fonte de energia. Assim, para uma cobrança de quase 100%, será necessário um tempo de 5 * τ.

Freqüentemente, negligenciando o sistema SI, a resistência em Ohms é substituída na fórmula e a capacitância está em microfarads; então, o tempo será em microssegundos. No nosso caso, é mais conveniente obter o resultado em segundos, para o qual basta multiplicar os microssegundos por um milhão ou, mais simplesmente, mover a vírgula seis caracteres para a esquerda.

Para o circuito mostrado na Figura 4, com um capacitor de 2000 μF e uma resistência do resistor de 500 Ω, a constante de tempo será τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 microssegundos ou exatamente um segundo. Assim, você terá que esperar cerca de 5 segundos até que o capacitor esteja totalmente carregado.

Se, decorrido o tempo especificado, a chave SA for girada para a posição correta, o capacitor C será descarregado através da lâmpada EL. Nesse momento, um breve flash ocorrerá, o capacitor descarregará e a luz se apagará. A direção da descarga do capacitor é mostrada por uma seta com o índice ip. O tempo de descarga também é determinado pela constante de tempo τ. O gráfico de descarga é mostrado na Figura 6.

Figura 6. Gráfico de descarga do capacitor

Capacitor não passa corrente contínua

Para verificar esta declaração, um esquema ainda mais simples, mostrado na Figura 7, ajudará.

Figura 7. Circuito com um capacitor no circuito DC

Se você fechar a chave SA, seguirá um breve flash da lâmpada, indicando que o capacitor C é carregado através da lâmpada. O gráfico de carga também é mostrado aqui: no momento em que o comutador fecha, a corrente é máxima, à medida que o capacitor é carregado, diminui e depois de um tempo para completamente.

Se o capacitor for de boa qualidade, ou seja, com uma pequena corrente de fuga (autodescarga), o fechamento repetido do interruptor não acenderá um flash. Para obter outro flash, o capacitor precisará ser descarregado.

Capacitor em filtros de potência

O capacitor é geralmente colocado após o retificador. Na maioria das vezes, os retificadores são feitos em meia onda. Os circuitos retificadores mais comuns são mostrados na Figura 8.

Figura 8. Circuitos retificadores

Retificadores de meia onda também são usados ​​com bastante frequência, como regra, nos casos em que a potência da carga é insignificante. A qualidade mais valiosa desses retificadores é a simplicidade: apenas um diodo e enrolamento do transformador.

Para um retificador de meia onda, a capacitância do capacitor de filtro pode ser calculada pela fórmula

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, onde C é o capacitor μF, Po é a potência de carga W, U é a tensão na saída do retificador V, f é a frequência da tensão CA Hz, dU é a amplitude de ondulação V.

Um grande número no numerador de 1.000.000 converte a capacitância do capacitor do sistema Farads em microfarads. Os dois no denominador representam o número de semi-períodos do retificador: para uma meia-onda em seu lugar, uma unidade aparecerá

C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,

e para um retificador trifásico, a fórmula terá o formato C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

Recentemente, uma nova classe de capacitores eletrolíticos, os chamados ionistor. Em suas propriedades, é semelhante a uma bateria, porém, com várias limitações.

O ionistor carrega a tensão nominal em um curto espaço de tempo, literalmente em alguns minutos, portanto, é aconselhável usá-lo como uma fonte de energia de backup. De fato, o ionistor é um dispositivo não polar, a única coisa que determina sua polaridade é o carregamento na fábrica. Para não confundir essa polaridade no futuro, ela é indicada pelo sinal +.

Um papel importante é desempenhado pelas condições operacionais dos ionistores. A uma temperatura de 70 ° C, a uma tensão de 0,8 da durabilidade nominal garantida de, no máximo, 500 horas.Se o dispositivo operar a uma tensão de 0,6 a partir da nominal e a temperatura não exceder 40 graus, é possível uma operação adequada por 40.000 horas ou mais.

As aplicações ionistor mais comuns são fontes de energia de backup. Estes são principalmente chips de memória ou relógios eletrônicos. Neste caso, o principal parâmetro do ionistor é uma baixa corrente de fuga, sua auto-descarga.

Bastante promissor é o uso de ionistores em conjunto com painéis solares. Também afeta a falta de criticidade para a condição da carga e um número quase ilimitado de ciclos de descarga de carga. Outra propriedade valiosa é que o ionistor não requer manutenção.

Até agora, descobriu-se como e onde os capacitores eletrolíticos funcionam, principalmente nos circuitos de corrente contínua. A operação de capacitores em circuitos CA será descrita em outro artigo - Capacitores para instalações elétricas CA.

Boris Aladyshkin 

P.S. Um caso de uso interessante para capacitores: soldagem de capacitores