Um condensador eléctrico é um dos elementos do circuito eléctrico de qualquer dispositivo electrónico. A sua função principal é armazenar energia com posterior libertação para o circuito. A indústria oferece uma grande variedade de condensadores com diferentes tipos, capacidades, tamanhos e aplicações.
Princípio e características do condensador
Um condensador consiste em duas bolachas de metal divididas por uma fina camada dieléctrica. A relação entre a dimensão e disposição das facetas e as características do material dieléctrico determina o valor da capacitância.
A concepção de qualquer tipo de condensador visa obter a capacidade máxima em relação às dimensões mínimas para poupar espaço na placa de circuito do dispositivo. Uma das formas mais populares em termos de aparência é a forma de barril, em que as tampas metálicas são torcidas juntamente com o dieléctrico entre elas. O primeiro condensador, inventado em Leiden, Holanda, em 1745, chamava-se "Leiden jarro".
O princípio do componente é a capacidade de carregar e descarregar. O carregamento é possível mantendo os eléctrodos a uma curta distância um do outro. As cargas muito espaçadas separadas pelo dieléctrico são atraídas umas pelas outras e aprisionadas nos terminais, e o próprio condensador armazena assim energia. Quando a fonte de alimentação é desligada, o componente está pronto para libertar energia no circuito, para descarregar.
Parâmetros e propriedades que determinam o desempenho, qualidade e durabilidade
- capacitância eléctrica;
- capacitância específica;
- tolerância;
- força eléctrica;
- indutância intrínseca;
- absorção dieléctrica;
- perdas;
- estabilidade;
- fiabilidade.
A capacidade de armazenar uma carga determina a capacitância eléctrica de um condensador. No cálculo da capacidade é necessário saber
- a área dos enrolamentos;
- a distância entre as inserções;
- A constante dieléctrica do material dieléctrico.
A fim de aumentar a capacidade, é necessário aumentar a área dos enrolamentos, reduzir a distância entre eles e utilizar um dieléctrico cujo material tenha uma alta constante dieléctrica.
A unidade de medida utilizada para a capacitância é o Farad (F), nomeado em homenagem ao físico inglês Michael Faraday. No entanto, 1 Farad é um valor demasiado grande. Por exemplo, a capacidade do nosso planeta é inferior a 1 Farad. São utilizados valores mais pequenos na electrónica de rádio: microfarads (µF, um milionésimo de Farad) e picofarads (pF, um milionésimo de microfarad).
A capacitância específica é calculada a partir da relação entre a capacitância e a massa dieléctrica (volume). Isto é influenciado por dimensões geométricas, e um aumento da capacidade específica é conseguido através da redução do volume dieléctrico, mas isto aumenta o risco de ruptura.
O desvio admissível do valor da capacidade da placa de identificação em relação ao valor real determina a classe de precisão. Segundo GOST, existem 5 classes de precisão que determinam a utilização futura. Os componentes da mais alta classe de precisão são utilizados em circuitos de alta responsabilidade.
A força eléctrica determina a capacidade de manter uma carga e manter o desempenho. As cargas armazenadas nos enrolamentos tendem a deslocar-se umas para as outras à medida que actuam sobre o dieléctrico. A força eléctrica é uma propriedade importante de um condensador que determina a duração da sua utilização. O funcionamento incorrecto resultará em avaria dieléctrica e falha de componentes.
A indutância intrínseca é tida em conta nos circuitos de corrente alternada com bobinas de indutância. Para circuitos DC não é tido em conta.
A absorção dieléctrica é o aparecimento de tensão nas bobinas durante a descarga rápida. O fenómeno da absorção é tido em conta para o funcionamento seguro dos dispositivos eléctricos de alta tensão porque há perigo de vida no caso de um curto-circuito.
As perdas são devidas à baixa capacidade de transporte de corrente do dieléctrico. Quando os componentes electrónicos são operados sob diferentes condições de temperatura e humidade, o factor de qualidade das perdas tem um efeito. É também afectado pela frequência de funcionamento. Em frequências baixas, as perdas dieléctricas são afectadas; em frequências mais altas, as perdas metálicas são afectadas.
A estabilidade é um parâmetro condensador, que também é influenciado pela temperatura ambiente. Os seus efeitos são divididos em reversíveis, caracterizados por um coeficiente de temperatura, e irreversíveis, caracterizados por um coeficiente de instabilidade de temperatura.
A fiabilidade do funcionamento de um condensador depende principalmente das condições de funcionamento. A análise de falhas mostra que as avarias são responsáveis por 80% de todas as falhas.
Dependendo da aplicação, tipo e área de utilização, os condensadores são dimensionados de forma diferente. Os mais pequenos, de alguns milímetros a alguns centímetros, são utilizados em electrónica, enquanto os maiores são utilizados na indústria.
Finalidade
A propriedade de armazenar e libertar energia determinou a ampla utilização de condensadores na electrónica moderna. Tal como as resistências e transístores, eles são a espinha dorsal da engenharia eléctrica. Não existe um único dispositivo moderno que não os utilize em alguma capacidade.
A sua capacidade de carga e descarga, juntamente com a indutância com as mesmas propriedades, é amplamente utilizada na tecnologia de rádio e televisão. O circuito oscilante do condensador e da indutância é a base para a transmissão e recepção de sinais. A alteração da capacidade do condensador torna possível alterar a frequência do circuito oscilante. As estações de rádio, por exemplo, podem transmitir nas suas frequências e os rádios podem ligar-se a estas frequências.
Uma função importante é a suavização de ondulações de corrente alternada. Qualquer dispositivo electrónico alimentado por corrente alternada precisa de filtrar condensadores eléctricos para produzir corrente contínua de boa qualidade.
O mecanismo de carregamento e descarregamento é activamente utilizado em equipamento fotográfico. Todas as câmaras modernas utilizam um flash para tirar fotografias, que é realizado pela propriedade de descarga rápida. As baterias, que são capazes de armazenar energia mas são lentas a descarregar, não são vantajosas neste campo. Os condensadores, por outro lado, libertam toda a energia armazenada instantaneamente, o que é suficiente para um clarão brilhante.
A capacidade dos condensadores para gerar impulsos de alta potência é utilizada em radiolocalização e lasers.
Os condensadores desempenham o papel de contactos de spark-quenching em telegrafia e telefonia, bem como em telemecânica e automação, onde os relés altamente carregados precisam de ser comutados.
A regulação da tensão das linhas de transmissão longas é possível graças à utilização de condensadores de compensação.
Os condensadores modernos, graças às suas capacidades, não são apenas utilizados no campo da electrónica de rádio. São utilizados na indústria metalúrgica, mineira e do carvão.
Principais variedades
Devido à diversidade de aplicações e condições de funcionamento dos dispositivos electrónicos, existe uma grande variedade de componentes que diferem em tipos e características. A divisão principal baseia-se em classes e no tipo de dieléctrico utilizado.
Tipos de condensadores divididos por classe:
- com capacidade constante;
- com capacitância variável;
- ajustável.
Componentes de capacidade constante são utilizados em todos os dispositivos radioeléctricos.
Os condensadores variáveis são utilizados para alterar a capacidade e os parâmetros dos circuitos, por exemplo, a frequência nos circuitos oscilantes. Têm várias secções de placas metálicas móveis na sua construção, o que garante a sua longevidade.
Os condensadores do aparador são utilizados para o ajuste único do aparelho. Estão disponíveis em várias capacitâncias (desde algumas picofaradas a várias centenas de picofaradas) e foram concebidas para tensões até 60 volts. Sem eles, não seria possível qualquer afinação de equipamento.
Tipos de condensadores, classificados de acordo com o tipo de dieléctrico:
- dieléctrico de cerâmica;
- com um filme dieléctrico;
- electrolítico;
- permutadores de iões.
Os condensadores cerâmicos são feitos sob a forma de uma pequena placa de material cerâmico sobre a qual são pulverizados terminais metálicos. Estes condensadores têm propriedades diferentes e são utilizados tanto para circuitos de alta tensão como de baixa tensão.
Para circuitos de baixa tensão, são mais comummente utilizados pequenos componentes multicamadas em caixas epoxídicas ou de plástico com capacidades que vão desde dezenas de picofarads a unidades de microfarads. São utilizados em circuitos de alta frequência em equipamento radioeléctrico e podem operar em condições climáticas severas.
Para circuitos de alta tensão, estão disponíveis condensadores cerâmicos maiores com capacidades que vão desde dezenas de picofarads a milhares de picofarads. São utilizados em circuitos de pulso e equipamento de conversão de tensão.
Os dieléctricos de filme vêm em diferentes tipos. O mais comum é o lavsan, que é altamente durável. Menos comum é o dieléctrico de polipropileno, que tem perdas menores e é utilizado em circuitos de alta tensão, tais como circuitos de amplificação áudio e circuitos de médio alcance.
Um tipo separado de condensador de filme é o condensador de arranque, que é utilizado no arranque de motores e, devido à sua elevada capacidade e material dieléctrico especial, reduz a carga sobre o motor eléctrico. Distinguem-se pela sua alta tensão de funcionamento e potência reactiva eléctrica.
Os condensadores electrolíticos são feitos com um design clássico. O invólucro é feito de alumínio e os invólucros metálicos enrolados estão dispostos no interior. Uma das coberturas é quimicamente revestida com um óxido de metal e a outra com um electrólito líquido ou sólido para formar um dieléctrico. Devido a esta construção os condensadores electrolíticos têm uma alta capacidade, mas uma característica da sua utilização ao longo do tempo é a sua mudança ao longo do tempo.
Ao contrário dos condensadores de cerâmica e de filme, os condensadores electrolíticos têm polaridade. Estes, por sua vez, subdividem-se em não-polar, sem esta desvantagem, radial, miniatura e axial. Os seus campos de aplicação são a informática tradicional e a moderna tecnologia dos microcomputadores.
Um tipo especial, que apareceu relativamente recentemente, são os permutadores de iões. A sua construção é semelhante à dos condensadores electrolíticos, mas têm uma alta capacidade (até vários Farads). Contudo, a sua utilização é limitada por uma pequena voltagem máxima de alguns volts. Os ionisadores são utilizados para armazenar memória: se a bateria de um telemóvel ou de um computador em miniatura se esgotar, a informação armazenada não será irremediavelmente perdida.
Para além dos componentes em design pin-out, que existem há muito tempo e são tradicionalmente utilizados, estão disponíveis componentes modernos em design SMD ou, como também é conhecido, para montagem à superfície. Por exemplo, os condensadores de cerâmica podem ser produzidos numa variedade de tamanhos, desde os mais pequenos (1 mm por 0,5 mm) até aos maiores (5,7 mm por 5 mm), e com tensões correspondentes que vão desde dezenas de volts até centenas de volts.
Os condensadores electrolíticos também podem ser produzidos em caixas de montagem de superfície. Estes podem ser condensadores electrolíticos de alumínio padrão, ou podem ser condensadores de tântalo, que se parecem um pouco com condensadores de cerâmica, mas diferem deles pela sua maior capacitância e menores perdas. Estão disponíveis tanto em desenhos SMD sem chumbo como em desenhos SMD sem chumbo.
Os condensadores de tântalo caracterizam-se por uma vida longa e perdas mínimas com um limite de capacidade ligeiramente inferior, mas são também muito caros. São utilizados em circuitos de alta responsabilidade onde é necessária uma alta capacidade.
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