Aplicações de capacitores - Applications of capacitors
Os capacitores têm muitos usos em sistemas eletrônicos e elétricos. Eles são tão onipresentes que é raro um produto elétrico não incluir pelo menos um para algum propósito.
Armazenamento de energia
Um capacitor pode armazenar energia elétrica quando está conectado ao seu circuito de carga. E quando ele é desconectado de seu circuito de carga, ele pode dissipar a energia armazenada, portanto, pode ser usado como uma bateria temporária . Capacitores são comumente usados em dispositivos eletrônicos para manter o fornecimento de energia enquanto as baterias estão sendo trocadas. (Isso evita a perda de informações na memória volátil.)
Os capacitores eletrostáticos convencionais fornecem menos de 360 joules por quilograma de densidade de energia, enquanto os capacitores que usam tecnologia em desenvolvimento podem fornecer mais de 2,52 quilo joules por quilograma.
Em sistemas de áudio automotivos , grandes capacitores armazenam energia para o amplificador usar sob demanda.
Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) pode ser equipada com capacitores livres de manutenção para estender a vida útil .
Força pulsada e armas
Grupos de grandes capacitores de alta voltagem de baixa indutância especialmente construídos ( bancos de capacitores ) são usados para fornecer grandes pulsos de corrente para muitas aplicações de energia pulsada . Isso inclui formação eletromagnética , geradores Marx , lasers pulsados (especialmente lasers TEA ), redes formadoras de pulso , pesquisa de fusão e aceleradores de partículas .
Grandes bancos de capacitores (reservatórios) são usados como fontes de energia para os detonadores explosivos ou detonadores slapper em armas nucleares e outras armas especiais. O trabalho experimental está em curso usando bancos de capacitores como fontes de energia para eletromagnética armadura e eletromagnéticos railguns ou coilguns .
Condicionamento de energia
Capacitores de reservatório são usados em fontes de alimentação onde suavizam a saída de um retificador de onda completa ou de meia onda. Eles também podem ser usados em circuitos de bomba de carga como o elemento de armazenamento de energia na geração de tensões mais altas do que a tensão de entrada.
Os capacitores são conectados em paralelo com os circuitos de alimentação CC da maioria dos dispositivos eletrônicos para suavizar as flutuações de corrente para sinais ou circuitos de controle. O equipamento de áudio, por exemplo, usa vários capacitores dessa forma, para desviar o zumbido da linha de alimentação antes que ele entre no circuito de sinal. Os capacitores atuam como uma reserva local para a fonte de alimentação CC e desviam as correntes CA da fonte de alimentação. Isso é usado em aplicações de áudio de carro, quando um capacitor de reforço compensa a indutância e a resistência dos cabos da bateria de chumbo-ácido.
Correção do fator de potência
Na distribuição de energia elétrica, os capacitores são usados para correção do fator de potência. Esses capacitores geralmente vêm como três capacitores conectados como uma carga elétrica trifásica. Normalmente, os valores desses capacitores são dados não em farads, mas sim como uma potência reativa em volt-amperes reativos (VAr). O objetivo é neutralizar a carga indutiva de dispositivos como motor de indução, motores elétricos e linhas de transmissão para fazer a carga parecer principalmente resistiva. Cargas individuais de motor ou lâmpada podem ter capacitores para correção do fator de potência, ou conjuntos maiores de capacitores (geralmente com dispositivos de comutação automática) podem ser instalados em um centro de carga dentro de um prédio ou em uma grande subestação elétrica. Em sistemas de transmissão de corrente contínua de alta tensão, os capacitores de correção do fator de potência podem ter indutores de ajuste para suprimir as correntes harmônicas que, de outra forma, seriam injetadas no sistema de energia CA.
Supressão e acoplamento
Capacitores usados para suprimir frequências indesejáveis são às vezes chamados de capacitores de filtro . Eles são comuns em equipamentos elétricos e eletrônicos e abrangem uma série de aplicações, tais como:
- Remoção de falha em trilhos de alimentação de corrente contínua (DC)
- Remoção de interferência de radiofrequência (RFI) para sinal ou linhas de energia que entram ou saem do equipamento
- Capacitores usados após um regulador de tensão para suavizar ainda mais as fontes de alimentação DC
- Capacitores usados em filtros de áudio, frequência intermediária (IF) ou frequência de rádio (RF) (por exemplo, passa-baixo, passa-alto, entalhe, etc.)
- Supressão de arco , como através do disjuntor de contato ou 'pontos' em um motor de ignição por centelha
Acoplamento de sinal
Como os capacitores passam AC, mas bloqueiam os sinais DC (quando carregados até a tensão DC aplicada), eles são freqüentemente usados para separar os componentes AC e DC de um sinal. Este método é conhecido como acoplamento CA ou "acoplamento capacitivo". Aqui, um grande valor de capacitância, cujo valor não precisa ser controlado com precisão, mas cuja reatância é pequena na frequência do sinal, é empregado.
Dissociação
Um capacitor de desacoplamento é um capacitor usado para desacoplar uma parte de um circuito de outra. O ruído causado por outros elementos do circuito é desviado através do capacitor, reduzindo o efeito que eles têm no resto do circuito. É mais comumente usado entre a fonte de alimentação e o aterramento. Um nome alternativo é capacitor de desvio , pois é usado para desviar a fonte de alimentação ou outro componente de alta impedância de um circuito.
Filtros passa-alta e passa-baixa
Um filtro passa-alta (HPF) é um filtro eletrônico que passa sinais com uma frequência superior a uma determinada frequência de corte e atenua sinais com frequências inferiores à frequência de corte. A quantidade de atenuação para cada frequência depende do projeto do filtro. Um filtro passa-alta geralmente é modelado como um sistema linear invariante no tempo. Às vezes, é chamado de filtro de corte de graves ou filtro de corte de graves. [1] Os filtros passa-altas têm muitos usos, como bloquear a CC de circuitos sensíveis a tensões médias diferentes de zero ou dispositivos de radiofrequência. Eles também podem ser usados em conjunto com um filtro passa-baixa para produzir um filtro passa - banda .
Um filtro passa-baixa (LPF) é um filtro que passa sinais com uma frequência mais baixa do que uma frequência de corte selecionada e atenua sinais com frequências mais altas que a frequência de corte. A resposta de frequência exata do filtro depende do projeto do filtro. O filtro às vezes é chamado de filtro de corte de agudos ou [[]] em aplicativos de áudio. Um filtro passa-baixa é o complemento de um filtro passa-alta.
Filtros de ruído e amortecedores
Quando um circuito indutivo é aberto, a corrente através da indutância colapsa rapidamente, criando uma grande tensão através do circuito aberto da chave ou relé. Se a indutância for grande o suficiente, a energia gerará uma faísca elétrica , fazendo com que os pontos de contato oxidem, se deteriorem ou às vezes se fundam, ou destruindo uma chave de estado sólido. Um capacitor de amortecimento através do circuito recém-aberto cria um caminho para este impulso contornar os pontos de contato, preservando assim sua vida; estes eram comumente encontrados em sistemas de ignição de disjuntores de contato , por exemplo. Da mesma forma, em circuitos de escala menor, a faísca pode não ser suficiente para danificar a chave, mas ainda irradiará interferência de radiofrequência indesejável (RFI), que um capacitor de filtro absorve. Os capacitores de amortecimento são normalmente empregados com um resistor de baixo valor em série, para dissipar energia e minimizar o RFI. Essas combinações resistor-capacitor estão disponíveis em um único pacote.
Capacitores também são usados em paralelo para interromper unidades de um disjuntor de alta tensão , a fim de distribuir igualmente a tensão entre essas unidades. Nesse caso, eles são chamados de capacitores de graduação.
Em diagramas esquemáticos, um capacitor usado principalmente para armazenamento de carga CC é frequentemente desenhado verticalmente em diagramas de circuito com a placa inferior, mais negativa, desenhada como um arco. A placa reta indica o terminal positivo do dispositivo, se estiver polarizado (ver capacitor eletrolítico ).
Supressão de motor DC
Capacitores de disco de cerâmica são normalmente usados em circuitos de amortecimento para motores de baixa tensão por sua baixa indutância e baixo custo.
Filtragem de fonte de alimentação de modo comutado
Eletrolíticos de baixa ESR (resistência de série equivalente) são freqüentemente necessários para lidar com a alta corrente de ondulação .
Filtragem de rede
Os capacitores de filtro de rede geralmente são do tipo de filme plástico enrolado encapsulado, uma vez que fornecem classificação de alta tensão a baixo custo e podem ser autocuráveis e fusíveis. Os condensadores de filtro de rede são frequentemente condensadores de supressão RFI / EMI de cerâmica . Os requisitos de segurança adicionais para filtragem de rede são:
- Os capacitores de linha para neutro são retardantes de chamas e, na Europa, são obrigados a usar dielétricos de classe X.
- Linha ou neutro para terra: Deve ser retardador de chamas; além disso, o dielétrico deve ser autocurável e fusível. Na Europa, esses são capacitores de classe Y.
Filtragem de barramento de energia
Capacitores eletrolíticos são normalmente usados devido à alta capacidade, baixo custo e tamanho reduzido. Não eletrolíticos menores podem ser colocados em paralelo com estes para compensar o desempenho ruim dos eletrolíticos em altas frequências.
Os computadores usam um grande número de capacitores de filtro, tornando o tamanho um fator importante. Capacitores de tântalo sólido e úmido oferecem alguns dos melhores desempenhos de CV (capacitância / tensão) em algumas das embalagens mais volumetricamente eficientes disponíveis. Altas correntes e baixas tensões também tornam a resistência em série equivalente baixa (ESR) importante. Capacitores de tântalo sólido oferecem versões de baixo ESR que muitas vezes podem atender aos requisitos de ESR, mas eles não são a opção de ESR mais baixa entre todos os capacitores. Os tântalos sólidos têm um problema adicional que deve ser tratado durante a fase de projeto. Os capacitores sólidos de tântalo devem ser reduzidos de tensão em todas as aplicações. Uma redução da tensão de 50% é recomendada e geralmente aceita como o padrão da indústria; por exemplo, um capacitor de tântalo sólido de 50 V nunca deve ser exposto a uma tensão de aplicação real acima de 25 V. Capacitores sólidos de tântalo são componentes muito confiáveis se forem tomados os devidos cuidados e todas as diretrizes de projeto são cuidadosamente seguidas. Infelizmente, o mecanismo de falha de um capacitor de tântalo sólido é um curto que resultará em uma explosão violenta e fumaça em um PCB capaz de danificar outros componentes nas proximidades, bem como destruir completamente o capacitor. Felizmente, a maioria das falhas de capacitores de tântalo sólidos serão imediatas e muito evidentes. Uma vez em aplicação, o desempenho do capacitor de tântalo sólido melhorará com o tempo e as chances de falha devido à fabricação incorreta do componente diminuirão. O tântalo úmido é um tipo de capacitor eletrolítico, que usa uma pelota de tântalo em um material eletrolítico lacrado em uma embalagem hermética. Este tipo de capacitor de tântalo não requer a mesma redução de capacidade que um tântalo sólido e seu mecanismo de falha está aberto. Uma curva de redução de tensão de 10% a 20% é recomendada para tântalo úmido ao operar de 85C a 125C. Os tântalos úmidos não são comumente referidos apenas como 'eletrolíticos' porque geralmente 'eletrolítico' se refere aos eletrolíticos de alumínio.
Arrancadores de motor
Em motores de gaiola de esquilo monofásicos , o enrolamento primário dentro do alojamento do motor não é capaz de iniciar um movimento de rotação no rotor, mas é capaz de sustentá-lo. Para dar partida no motor, um enrolamento secundário é usado em série com um capacitor de partida não polarizado para introduzir um atraso na corrente senoidal através do enrolamento de partida. Quando o enrolamento secundário é colocado em um ângulo em relação ao enrolamento primário, um campo elétrico giratório é criado. A força do campo rotacional não é constante, mas é suficiente para iniciar a rotação do rotor. Quando o rotor chega perto da velocidade de operação, uma chave centrífuga (ou relé sensível à corrente em série com o enrolamento principal) desconecta o capacitor. O capacitor de partida é normalmente montado na lateral da carcaça do motor. Eles são chamados de motores de partida com capacitor e têm um torque de partida relativamente alto.
Existem também motores de indução operados por capacitor que possuem um capacitor de mudança de fase conectado permanentemente em série com um segundo enrolamento. O motor é muito parecido com um motor de indução bifásico.
Os capacitores de partida do motor são normalmente do tipo eletrolítico não polarizado, enquanto os capacitores de funcionamento são do tipo convencional de papel ou filme plástico dielétrico .
Processamento de sinal
A energia armazenada no capacitor pode ser usada para representar informações, tanto na forma binária, como em DRAMs , ou na forma analógica, como em filtros amostrados analógicos e CCDs de dispositivos acoplados à carga . Capacitores podem ser usados em circuitos analógicos como componentes de integradores ou filtros mais complexos e na estabilização de loop de feedback negativo . Os circuitos de processamento de sinal também usam capacitores para integrar um sinal de corrente.
Circuitos sintonizados
Capacitores e indutores são aplicados juntos em circuitos sintonizados para selecionar informações em bandas de frequência específicas. Por exemplo, os receptores de rádio contam com capacitores variáveis para sintonizar a frequência da estação. Os alto-falantes usam crossovers analógicos passivos e os equalizadores analógicos usam capacitores para selecionar diferentes bandas de áudio.
de detecção
A maioria dos capacitores é projetada para manter uma estrutura física fixa. No entanto, vários fatores podem alterar a estrutura do capacitor; a mudança resultante na capacitância pode ser usada para detectar esses fatores.
Mudando o dielétrico
Os efeitos da variação das características do dielétrico também podem ser usados para detecção e medição. Capacitores com dielétrico exposto e poroso podem ser usados para medir a umidade do ar. Capacitores são usados para medir com precisão o nível de combustível em aviões ; à medida que o combustível cobre mais de um par de placas, a capacitância do circuito aumenta.
Mudando a distância entre as placas
Um capacitor com uma placa flexível pode ser usado para medir deformação, pressão ou peso .
Transmissores de pressão industriais usados para controle de processo usam diafragmas sensores de pressão, que formam uma placa de capacitor de um circuito oscilador. Capacitores são usados como sensores em microfones condensadores , onde uma placa é movida pela pressão do ar, em relação à posição fixa da outra placa. Alguns acelerômetros usam capacitores de sistemas microeletromecânicos (MEMS) gravados em um chip para medir a magnitude e a direção do vetor de aceleração. Eles são usados para detectar mudanças na aceleração, por exemplo, como sensores de inclinação ou para detectar queda livre, como sensores que acionam o acionamento do airbag e em muitas outras aplicações. Alguns sensores de impressão digital usam capacitores.
Mudando a área efetiva das placas
Chaves de toque capacitivas agora são usadas em muitos produtos eletrônicos de consumo.
Osciladores
Um capacitor pode possuir qualidades de mola em um circuito oscilador. No exemplo da imagem, um capacitor atua para influenciar a tensão de polarização na base do transistor npn. Os valores de resistência dos resistores divisores de tensão e o valor de capacitância do capacitor juntos controlam a frequência oscilatória.
Perigos e segurança
Os capacitores podem reter uma carga por muito tempo depois que a energia for removida de um circuito; esta carga pode causar choques perigosos ou potencialmente fatais ou danificar o equipamento conectado. Por exemplo, mesmo um dispositivo aparentemente inócuo, como uma unidade de flash de câmera descartável alimentada por uma bateria AA de 1,5 volts, contém um capacitor que pode ser carregado com mais de 300 volts. Isso é facilmente capaz de aplicar um choque. Os procedimentos de serviço para dispositivos eletrônicos geralmente incluem instruções para descarregar capacitores grandes ou de alta tensão. Os capacitores também podem ter resistores de descarga embutidos para dissipar a energia armazenada a um nível seguro dentro de alguns segundos após a energia ser removida. Capacitores de alta tensão são armazenados com os terminais em curto, como proteção contra tensões potencialmente perigosas devido à absorção dielétrica.
Alguns capacitores antigos e grandes com óleo contêm bifenilas policloradas (PCBs). Sabe-se que os resíduos de PCBs podem vazar para as águas subterrâneas dos aterros. Capacitores contendo PCB foram rotulados como contendo "Askarel" e vários outros nomes comerciais. Os capacitores com PCB são encontrados em reatores de lâmpadas fluorescentes muito antigos (anteriores a 1975) e em outras aplicações.
Os capacitores de alta tensão podem falhar catastroficamente quando sujeitos a tensões ou correntes além de sua classificação, ou quando atingem o fim normal de sua vida útil. Falhas de interconexão dielétrica ou metálica podem criar arco que vaporiza o fluido dielétrico, resultando em protuberância, ruptura ou até mesmo uma explosão. Capacitores usados em RF ou aplicações sustentadas de alta corrente podem superaquecer, especialmente no centro dos rolos do capacitor. Capacitores usados em bancos de capacitores de alta energia podem explodir violentamente quando um curto em um capacitor causa descarga repentina de energia armazenada no resto do banco na unidade com falha. Os capacitores a vácuo de alta tensão podem gerar raios X suaves, mesmo durante a operação normal. A contenção, fusão e manutenção preventiva adequadas podem ajudar a minimizar esses riscos.
Os capacitores de alta tensão podem se beneficiar de uma pré-carga para limitar as correntes de pico na inicialização de circuitos de corrente contínua de alta tensão (HVDC). Isso estenderá a vida útil do componente e pode reduzir os riscos de alta tensão.
Veja também
Referências
- ^ Solução de carro de última geração? Os cientistas expandem os usos do capacitor eletrostático Arquivado em 29 de abril de 2009, na Wayback Machine
- ^ industrial-europe.com
- ^ filtro de corte agudo