Descubra o papel vital dos capacitores em circuitos eletrônicos: conheça suas variedades, aplicações e importância no gerenciamento de energia.
Capacitor - Definições e Visão Geral
O capacitor é um dos equipamentos passivos mais importantes, capaz de armazenar energia elétrica. É um dispositivo de dois terminais. Capacidade é conhecido como o efeito do capacitor.
Antigas formas de capacitores foram inovadas no ano de 1704. Um experimento europeu na época descobriu que a carga elétrica podia ser reservada em um copo cheio de água. Mais tarde, em 1745, Ewald Georg da Alemanha descobriu que geradores eletrostáticos de alta tensão conectados em série podem armazenar a quantidade. Anteriormente, os capacitores eram conhecidos como condensadores ou condensadores. Alessandro Volta cunhou o termo em 1782. O termo capacitor surgiu em 1926.
Existem muitos tipos de capacitores. Os capacitores têm pelo menos dois condutores na forma de uma superfície plana metálica separada por materiais dielétricos. O condutor pode ser um eletrólito, folha, película fina, etc. o não condutor é a substância dielétrica, aumentando a capacidade de carga do capacitor. Materiais como - ar, filme plástico, papel, mica, cerâmica são usados como um dielétrico para o capacitor.
Quando uma tensão externa é aplicada aos terminais de um capacitor, um campo elétrico é produzido através do material dielétrico. Assim, uma carga positiva é coletada em uma placa e uma quantidade negativa é coletada em outra escala. Capacitores são usados em quase todos os circuitos elétricos e eletrônicos. A diferença entre um resistor e um capacitor é que um resistor dissipa energia, enquanto um capacitor ideal não.
Teoria de Operação
Como mencionado anteriormente, um capacitor tem dois condutores separados por um meio dielétrico. Um capacitor funciona de acordo com o princípio da Lei de Coulomb. A lei de Coulomb afirma que -
Assim, uma carga em um condutor irá gerar a força na portadora do outro condutor, o que atrai cargas de polaridade oposta e ondula o mesmo tipo de carga. É assim que uma carga de polaridade oposta é induzida na superfície do outro condutor.
Ambos os condutores mantêm uma quantidade igual de cargas, e o material dielétrico desenvolve o campo elétrico.
Capacitância e unidades de capacitância:
A capacitância de um capacitor padrão é definida como a relação entre a carga do condutor e a tensão dos condutores.
C = Q/V
C é a capacitância, Q é a carga na superfície de cada condutor e V é a tensão entre dois condutores.
A unidade SI de capacitância é dada por - Farad (F).
Uma capacitância Farad é definida como a quantidade de capacitância que um capacitor pode gerar se um coulomb de carga for aplicado a cada condutor com um volt de voltagem.
Em dispositivos práticos, a capacitância é dada por –
C = dQ/dV
* A maioria dos capacitores disponíveis no mercado tem capacitância tocada em micro-farad.
Um capacitor pode se comportar de maneira diferente em momentos diferentes se for colocado em um circuito elétrico ativo. Seu comportamento pode ser caracterizado por um limite de tempo longo e um limite de tempo curto.
A equivalência de longo tempo de um capacitor atua como uma configuração de circuito aberto (sem passagem de corrente).
O equivalente de curto tempo dos capacitores age como uma configuração de curto-circuito.
V (t) = Q (t) / C = (1 / C) * [∫t0t I (τ) dτ] + V (t0)
Pegando os derivados, obtemos -
I (t) = dQ (t) / dt = C * [dV (t) / dt]
Símbolo do Capacitor
Existem diferentes tipos de capacitores disponíveis. Diferentes tipos de símbolos também existem para representá-los. Alguns deles são representados a seguir usando os diagramas. Eles são muito úteis para descrever o circuito.
Um capacitor em um circuito DC
Vamos discutir um circuito CC onde um capacitor e um resistor são mantidos em série com uma fonte de tensão constante - V0.
Vamos supor que o capacitor estava previamente descarregado e a chave aberta está fechada no tempo t0.
Da Lei de Voltagem de Kirchhoff, podemos escrever -
Vo = VR (t) + VC (T)
VR (t) é a tensão através do resistor 'R' no instante de tempo 't' e VC (t) é a tensão medida através do capacitor do circuito no instante t.
Vo = i (t) * R + (1 / C) * [∫t0 t I (τ) dτ]
Tirando a derivada de ambos os lados, obtemos -
RC * [di (t) / dt] + i (t) = 0
No momento t, digamos que é zero. A tensão do resistor é Vo e do capacitor é zero.
Naquela época, a corrente seria - Io = Vo / R. Agora resolvendo as equações diferenciais -
I (t) = (Vo / R) * e (-t/τ0)
V (t) = Vo (1 - e (-t/τ0))
τ0 = RC.
Refere-se como a “constante de tempo” do circuito.
Um capacitor em um circuito AC
Em um circuito CA, o capacitor produz impedância, que é a soma vetorial de resistência e reatância. As impedâncias e reatância do capacitor são dadas pelas seguintes expressões.
Reatância = X = - 1 / ωC = - 1 / 2πfC
Impedância = Z = 1 / jωC = - j / ωC = -j /2πfC
Aqui ω é o frequência angular; j é a unidade imaginária.
A impedância depende inversamente da capacitância. Aumentar a capacitância e a frequência causa uma diminuição na impedância e vice-versa.
Fator Q:
Fator Q ou Fator de qualidade de um capacitor é definido como a razão entre a reatância e sua resistência. O fator q é uma medida de eficiência. A fórmula pode ser escrita como -
Q = Xc / R = 1 / ωCR
ω é a frequência angular, C é a capacitância do capacitor, Xc é a reatância e R é a resistência equivalente.
Capacitor em série
O diagrama representa os capacitores na conexão em série. Mostra que a distância de separação é adicionada em vez da área da placa. A série da capacitância atua como um capacitor menor do que qualquer um de seus componentes.
A capacitância equivalente da conexão dada, é -
1 / Ceq = ∑ 1 /Ci = 1/C1 +1/C2 +… + 1 / Cn
Capacitores em paralelo
O diagrama representa os capacitores em conexão paralela. Uma quantidade igual de tensão é aplicada a cada capacitor. Aqui, as capacitâncias dos capacitores são somadas. A conexão da capacitância atua como um somador.
A capacitância equivalente é -
Ceq = ∑Ci = C1 + C2 +… + Cn
Tipos de capacitores
Existe um grande número de tipos de capacitores disponíveis no mercado com base em vários parâmetros de classificação. O tipo de material dielétrico, a embalagem do dispositivo e a estrutura das placas são alguns dos fatores determinantes para classificar os tipos de capacitores.
Material dielétrico
Quase todos os tipos de capacitores têm uma substância dielétrica. As substâncias dielétricas são colocadas entre dois condutores, a capacidade de carga pode ser aumentada. É melhor ter um material de alta permissividade ou alta tensão de ruptura como uma substância dielétrica.
Existem vários materiais dielétricos disponíveis como - papel, plástico, mica, cerâmica, vidro, ar, etc.
Com base em materiais dielétricos, alguns tipos de capacitores são -
Existem também outros tipos, alguns tipos de capacitores são –
- Capacitor dependente de tensão
- Capacitor dependente de frequência
- Capacitor de placa paralela
- Capacitor de desacoplamento
Aplicações de capacitores
Os capacitores são um dos dispositivos essenciais necessários para quase todos os circuitos elétricos. Tem inúmeras aplicações em vários campos. Alguns dos mais importantes são -
Energy Storage
Um capacitor tem a propriedade de carregar e descarregar. Ele pode armazenar energia quando está desconectado da fonte de carregamento. Usando essa propriedade, os capacitores podem ser usados como uma bateria ou bateria recarregável.
Os supercapacitores podem aceitar e fornecer cargas mais rapidamente do que as baterias normais e tolerar um número mais significativo de ciclos de carga e descarga do que uma bateria recarregável padrão. Mas é mais extenso.
A quantidade de carga armazenada na camada dielétrica é igual ou maior do que a carga armazenada em uma placa de capacitor.
Força pulsada
Capacitores são usados em aplicações de energia pulsada. Principalmente grupos de grandes capacitores de alta tensão e baixa indutância, construídos principalmente, são usados aqui.
Bancos de capacitores também são usados em fontes de alimentação para produzir saídas suaves em retificador de meia onda ou onda completa. Capacitores de reservatório podem ser usados para carregar circuitos de bombas.
Uso industrial
Isso ajuda a desviar e ocultar as flutuações de corrente da fonte primária para garantir uma fonte de alimentação limpa para os circuitos de controle. Os circuitos de áudio também usam vários capacitores.
Acoplamento e desacoplamento de sinal
Os capacitores passam o sinal AC, mas bloqueiam os sinais DC. É por isso que os capacitores são usados na separação de circuitos CA. O processo é reconhecido como - acoplamento AC ou 'acoplamento capacitivo'.
Um capacitor de desacoplamento protege uma área do circuito de outra. Eles são usados em aterramentos de fonte de alimentação. Eles também são conhecidos como capacitores de bypass. Capacitores de desacoplamento têm aplicações na polarização de transistores.
Memória
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