A base de componentes electrónicos para a concepção de dispositivos electrónicos está a tornar-se cada vez mais complicada. Os dispositivos são combinados em circuitos integrados com funcionalidade e controlo de software definidos. Mas no cerne do desenvolvimento estão os dispositivos básicos: condensadores, resistências, díodos e transístores.
Conteúdos
O que é um condensador?
Um aparelho que armazena electricidade sob a forma de cargas eléctricas é chamado condensador.
Na física, a quantidade de electricidade ou carga eléctrica é medida em coulombs (Cl). A capacidade eléctrica é medida em farads (F).
Um condutor solitário com uma capacidade eléctrica de 1 farad é uma bola metálica com um raio igual a 13 raios solares. Por conseguinte, um condensador inclui pelo menos 2 condutores, que são separados por um dieléctrico. Em desenhos simples, o dispositivo é de papel.
O funcionamento de um condensador num circuito CC ocorre quando a fonte de alimentação é ligada e desligada. Só durante os transientes é que o potencial das bobinas se altera.
O condensador num circuito AC é recarregado a uma frequência igual à frequência da tensão da alimentação. Como resultado da carga e descarga contínua, a corrente flui através do elemento. Uma maior frequência significa uma recarga mais rápida do dispositivo.
A resistência de um circuito com um condensador depende da frequência da corrente. Na frequência zero DC, o valor da resistência tende ao infinito. Com o aumento da frequência CA, a resistência diminui.
Onde os condensadores são utilizados
O funcionamento de dispositivos electrónicos, rádio e eléctricos não é possível sem condensadores.
Na engenharia eléctrica, são utilizados para a mudança de fase no arranque de motores assíncronos. Sem mudança de fase, um motor de indução trifásico numa rede monofásica alternada não funcionará.
Os condensadores com uma capacidade de vários farads - condensadores iónicos - são utilizados em veículos eléctricos como fontes de energia motora.
Para compreender a necessidade de um condensador, é importante saber que 10-12% dos dispositivos de medição funcionam com base no princípio da alteração da capacidade eléctrica com alterações no ambiente externo. A resposta de capacitância de dispositivos especiais está habituada:
- registando movimentos fracos, aumentando ou diminuindo a distância entre as conchas;
- detecção de humidade através do registo de alterações na resistência dieléctrica;
- medição do nível de um líquido que altera a capacitância de um elemento quando este é cheio.
É difícil imaginar a concepção de automatismos e protecção de relé sem condensadores. Alguma lógica de protecção tem em conta a multiplicidade de sobrecargas do dispositivo.
Os elementos capacitivos são utilizados nos circuitos dos dispositivos de telemóveis, rádio e televisão. Os condensadores são utilizados em:
- Amplificadores de alta e baixa frequência;
- unidades de fornecimento de energia;
- filtros de frequência;
- amplificadores de som;
- processadores e outros microcircuitos.
É fácil encontrar a resposta à questão de para que serve um condensador, observando os diagramas de cablagem dos dispositivos electrónicos.
Princípio do condensador
Num circuito CC, as cargas positivas são recolhidas numa placa e as negativas na outra. Por atracção mútua, as partículas são mantidas juntas no dispositivo e o dieléctrico entre elas impede-as de se ligarem. Quanto mais fino for o dieléctrico, mais fortes são as cargas ligadas.
O condensador toma a quantidade de electricidade necessária para preencher a capacitância e a corrente pára.
Com uma tensão constante no circuito, o elemento mantém uma carga até a energia ser desligada. Descarrega depois através das cargas no circuito.
A corrente alternada flui através de um condensador de uma forma diferente. O primeiro ¼ do período de oscilação é o momento da carga do dispositivo. A amplitude da corrente de carga diminui exponencialmente e cai para zero no final do trimestre. O FME atinge uma amplitude neste ponto.
No segundo ¼ do período, o FME diminui e a célula começa a descarregar. A diminuição dos FME no início é pequena e o mesmo acontece com a corrente de descarga. Aumenta de acordo com a mesma relação exponencial. No final do período, o FME é zero e a corrente é igual ao seu valor de amplitude.
No terceiro ¼ do período de oscilação, o FME muda de direcção, passa de zero e aumenta. O sinal da carga sobre as bobinas é invertido. A corrente diminui em magnitude e mantém a sua direcção. Neste ponto, a corrente eléctrica está 90° à frente da voltagem em fase.
O oposto acontece nos indutores: a voltagem está à frente da corrente. Esta propriedade vem em primeiro lugar na decisão de utilizar circuitos RC ou RL.
No final do ciclo, no último ¼ da oscilação, o FME cai a zero e a corrente atinge o seu valor de amplitude.
"A capacidade descarrega e carrega 2 vezes por período e conduz uma corrente alternada.
Esta é uma descrição teórica dos processos. Para compreender como funciona um elemento de um circuito directamente no dispositivo, calcular a resistência indutiva e capacitiva do circuito, os parâmetros dos outros participantes, e ter em conta a influência do ambiente externo.
Principais características e propriedades
Os parâmetros do condensador que são utilizados para construir e reparar dispositivos electrónicos incluem:
- Capacitância - C. Determina o montante de carga que o dispositivo detém. O valor da capacitância nominal é indicado no caso. As células são ligadas num circuito em paralelo ou em série para criar os valores necessários. Os valores de funcionamento não são os mesmos que os valores calculados.
- A frequência ressonante é fp. Se a frequência actual for superior à frequência ressonante, as propriedades indutivas do elemento tornam-se aparentes. Isto torna a operação difícil. A fim de assegurar a potência nominal no circuito, é sensato utilizar o condensador a frequências inferiores aos valores ressonantes.
- A voltagem nominal é Un. Para evitar a ruptura do elemento, a tensão de funcionamento é definida abaixo da tensão nominal. Isto é indicado no corpo do condensador.
- A polaridade. Se ligado incorrectamente, ocorrerá uma avaria e falha.
- Resistência de isolamento eléctrico - Rd. Determina a corrente de fuga do dispositivo. Nos dispositivos, as peças estão localizadas próximas umas das outras. As correntes de fuga elevadas podem causar ligações parasitárias nos circuitos. Isto resulta em mau funcionamento. A corrente de fuga irá prejudicar as propriedades capacitivas do elemento.
- O coeficiente de temperatura - TKE. O valor determina como a capacidade de um dispositivo muda devido a variações de temperatura no ambiente. O parâmetro é utilizado na concepção de dispositivos para utilização em ambientes agressivos.
- Efeito piezo parasita. Alguns tipos de condensadores criam ruído nos dispositivos quando estes são deformados.
Tipos e tipos de condensadores
Os elementos capacitivos são classificados de acordo com o tipo de dieléctrico utilizado na sua construção.
Condensadores de papel e metal
Os elementos são utilizados em circuitos com tensões contínuas ou fracamente pulsantes. A simplicidade do desenho resulta numa estabilidade 10-25% inferior das características e num aumento do valor das perdas.
Nos condensadores de papel, as tampas de folha de alumínio são separadas por papel. As montagens são torcidas e colocadas numa caixa cilíndrica ou rectangular de forma paralelepipédica.
Os aparelhos funcionam a temperaturas de -60°C a 125°C, com uma tensão nominal até 1600V para aparelhos de baixa tensão e acima de 1600V para aparelhos de alta tensão, e com uma capacidade de até dezenas de μF.
Nos dispositivos de papel-metal, uma fina camada de metal é aplicada ao papel dieléctrico em vez da folha de papel. Isto ajuda a fazer componentes mais pequenos. No caso de uma avaria menor, o dieléctrico pode auto-reparar-se. As células de metal-papel são inferiores às células de papel em termos de resistência de isolamento.
Condensadores electrolíticos
A construção destes produtos é semelhante à dos condensadores de papel. Mas no fabrico de células electrolíticas, o papel é impregnado com óxidos metálicos.
Num produto sem electrólito de papel, o óxido é aplicado a um eléctrodo metálico. Os óxidos metálicos têm uma condutividade unidireccional, o que torna o dispositivo polar.
Em alguns modelos de células electrolíticas, as coberturas são feitas com ranhuras que aumentam a área de superfície do eléctrodo. Os espaços entre as placas são eliminados enchendo-as com electrólito. Isto melhora as propriedades capacitivas do produto.
A alta capacitância dos dispositivos electrolíticos, centenas de μF, é utilizada em filtros para suavizar ondulações de tensão.
Electrolítico de alumínio
Neste tipo de instrumento, a placa anódica é feita de folha de alumínio. A superfície é revestida com um óxido de metal, o dieléctrico. O bloco catódico é um electrólito sólido ou líquido, que é seleccionado de modo a que a camada de óxido na folha seja regenerada durante a operação. A auto-reparação do dieléctrico prolonga o tempo de funcionamento do elemento.
Os condensadores deste desenho exigem o cumprimento da polaridade. A inversão da polaridade irá rasgar o caso.
Os dispositivos que têm conjuntos polares contra-acoplados no seu interior são utilizados em 2 direcções. As células electrolíticas de alumínio têm uma capacidade de até vários milhares de µF.
Tantalum electrolítico
O eléctrodo anódico destes dispositivos é feito a partir de uma estrutura porosa, que é obtida por aquecimento até 2000°C de pó de tântalo. O material tem uma aparência semelhante a uma esponja. A porosidade aumenta a área de superfície.
Por meio de oxidação electroquímica, uma camada de pentóxido de tântalo até 100 nanómetros de espessura é aplicada ao ânodo. O dieléctrico sólido é feito a partir de dióxido de manganês. A construção acabada é prensada para um composto, uma resina especial.
Os produtos de tântalo são utilizados nas frequências actuais acima dos 100kHz. As capacidades são construídas até centenas de μF, com tensões de funcionamento até 75V.
Polímero
O electrólito de polímero sólido é utilizado em condensadores, o que oferece várias vantagens:
- a vida útil é aumentada para 50.000 horas;
- os parâmetros são mantidos quando aquecidos;
- maior gama de ondulação actual;
- A resistência dos terminais e eléctrodos não evita a capacidade de derivação.
Tipo de filme
O dieléctrico nestes modelos é teflon, poliéster, fluoroplástico ou filme de polipropileno.
As capas são de chapa ou de metal salpicado no filme. O desenho é utilizado para criar montagens multicamadas com maior área de superfície.
Os condensadores de filme têm uma capacidade de centenas de μF em tamanho miniatura. Dependendo da disposição das camadas e dos cabos de contacto, são feitas formas axiais ou radiais dos produtos.
Alguns modelos têm uma tensão nominal de 2 kV ou superior.
A diferença entre polares e não polares
Os desenhos não-polares permitem a incorporação de condensadores num circuito sem ter em conta a direcção da corrente. Os elementos são utilizados em filtros para fontes de alimentação CA, amplificadores de alta-frequência.
Os produtos polares estão ligados de acordo com a marcação. Se ligado na direcção oposta, o dispositivo falhará ou não funcionará correctamente.
Os condensadores polares e não polares de alta e baixa capacidade diferem na concepção dieléctrica. Nos condensadores electrolíticos, se o óxido for aplicado a 1 eléctrodo ou 1 lado de um papel, filme, o elemento será polar.
Os modelos de condensadores electrolíticos não-polares com óxido metálico aplicados simetricamente em ambas as superfícies dieléctricas estão incluídos nos circuitos de corrente alternada.
Os condensadores polares têm marcações positivas ou negativas dos eléctrodos no invólucro.
De que depende a capacitância de um condensador
A principal função e papel do condensador num circuito é armazenar cargas e um papel adicional é evitar fugas.
A capacidade de um condensador é directamente proporcional à constante dieléctrica do meio e à área das placas, e inversamente proporcional à distância entre os eléctrodos. Surgem duas contradições:
- Para aumentar a capacitância, os eléctrodos têm de ser tão espessos, largos e longos quanto possível. Ao mesmo tempo, o tamanho do dispositivo não deve ser aumentado.
- A fim de manter as cargas e fornecer a força atractiva necessária, a distância entre as placas deve ser mantida tão pequena quanto possível. Ao mesmo tempo, a corrente de avaria não deve ser reduzida.
Para resolver as contradições, os criadores utilizam
- estruturas multicamadas do par dieléctrico-electrodo;
- estruturas anódicas porosas;
- substituição do papel por óxidos e electrólitos;
- ligação paralela de elementos;
- preencher o espaço livre com substâncias com uma constante dieléctrica superior.
O tamanho dos condensadores está a diminuir e as características estão a melhorar com cada nova invenção.
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