Um capacitor elétrico é um dos elementos do circuito elétrico de qualquer dispositivo eletrônico, cuja principal função é armazenar energia e depois devolvê-la ao circuito. A indústria oferece uma grande variedade de capacitores, diferindo em tipos, capacidades, tamanhos, aplicações.
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O princípio de operação e características dos capacitores
O dispositivo do capacitor consiste em duas placas de metal separadas por uma fina camada de dielétrico. A relação dos tamanhos e disposição das placas e a característica do material dielétrico determina o índice de capacitância.
O desenvolvimento do projeto de qualquer tipo de capacitor visa obter a capacitância máxima com base nas dimensões mínimas para economizar espaço na placa de circuito impresso do dispositivo. Uma das formas mais populares na aparência é a forma de um barril, dentro do qual as placas de metal são torcidas com um dielétrico entre elas.O primeiro capacitor, inventado na cidade de Leiden (Holanda) em 1745, foi chamado de "Jarra de Leiden".
O princípio de funcionamento do componente é a capacidade de carregar e descarregar. O carregamento é possível devido à presença das placas a uma pequena distância umas das outras. Cargas próximas, separadas por um dielétrico, são atraídas umas pelas outras e permanecem nas placas, e o próprio capacitor armazena energia. Após desconectar a fonte de alimentação, o componente está pronto para o retorno de energia no circuito, a descarga.
Parâmetros e propriedades que determinam o desempenho, a qualidade e a durabilidade do trabalho:
- capacidade elétrica;
- capacidade específica;
- desvio permitido;
- força elétrica;
- própria indutância;
- absorção dielétrica;
- perdas;
- estabilidade;
- confiabilidade.
A capacidade de armazenar carga determina a capacitância de um capacitor. Ao calcular a capacidade, você precisa saber:
- área de cobertura;
- distância entre placas;
- constante dielétrica do material dielétrico.
Para aumentar a capacitância, é necessário aumentar a área das placas, reduzir a distância entre elas e usar um dielétrico cujo material tenha uma alta constante dielétrica.
Farad (F) é usado para denotar capacitância - uma unidade de medida que recebeu seu nome em homenagem ao físico inglês Michael Faraday. No entanto, 1 Farad é muito grande. Por exemplo, a capacidade do nosso planeta é inferior a 1 farad. Na eletrônica de rádio, valores menores são usados: microfarad (µF, um milionésimo de farad) e picofarad (pF, um milionésimo de microfarad).
A capacitância específica é calculada a partir da razão entre a capacitância e a massa (volume) do dielétrico.Este indicador é influenciado pelas dimensões geométricas, e um aumento na capacitância específica é obtido pela redução do volume do dielétrico, mas isso aumenta o risco de ruptura.
O desvio permitido do valor do passaporte da capacidade do real determina a classe de precisão. De acordo com o GOST, existem 5 classes de precisão que determinam o uso futuro. Componentes da mais alta classe de precisão são usados em circuitos de alta responsabilidade.
A rigidez dielétrica determina a capacidade de manter uma carga e manter as propriedades de trabalho. As cargas restantes nas placas tendem umas às outras, agindo sobre o dielétrico. A força elétrica é uma propriedade importante de um capacitor, que determina a duração de seu uso. No caso de operação inadequada, ocorrerá uma quebra do dielétrico e o componente falhará.
A auto-indutância é levada em consideração em circuitos CA com indutores. Para circuitos CC, isso não é levado em consideração.
Absorção dielétrica - o aparecimento de tensão nas placas durante a descarga rápida. O fenômeno de absorção é levado em consideração para a operação segura de dispositivos elétricos de alta tensão, uma vez que em caso de curto-circuito, existe perigo de vida.
As perdas são devidas à baixa transmissão de corrente do dielétrico. Ao operar componentes de dispositivos eletrônicos em diferentes condições de temperatura e umidade, o fator de qualidade das perdas tem influência. Também é afetado pela frequência de operação. Em baixas frequências, as perdas no dielétrico afetam, em altas frequências - no metal.
A estabilidade é um parâmetro do capacitor que também é afetado pela temperatura ambiente.Seus efeitos são divididos em reversíveis, caracterizados por um coeficiente de temperatura, e irreversíveis, caracterizados por um coeficiente de instabilidade de temperatura.
A confiabilidade do capacitor depende principalmente das condições de operação. A análise das avarias sugere que em 80% dos casos a avaria é a causa da avaria.
Dependendo da finalidade, tipo e campo de aplicação, os tamanhos dos capacitores também diferem. Os menores e menores, variando em tamanho de alguns milímetros a vários centímetros, são usados na eletrônica, enquanto os maiores são usados na indústria.
Propósito
A propriedade de armazenar e liberar energia determinou o uso generalizado de capacitores na eletrônica moderna. Junto com resistores e transistores, eles são a base da engenharia elétrica. Não há um único dispositivo moderno onde eles não sejam usados de alguma forma.
Sua capacidade de carregar e descarregar, juntamente com uma indutância com as mesmas propriedades, é usada ativamente na tecnologia de rádio e televisão. Um circuito oscilatório de um capacitor e indutância é a base para transmitir e receber sinais. Alterar a capacitância do capacitor permite alterar a frequência do circuito oscilatório. Por exemplo, as estações de rádio podem transmitir em suas próprias frequências e os rádios podem se conectar a essas frequências.
Uma função importante é a suavização das ondulações AC. Qualquer dispositivo eletrônico alimentado por energia CA precisa de capacitores elétricos de filtragem para produzir CC de boa qualidade.
O mecanismo de carga e descarga é usado ativamente em equipamentos fotográficos.Todas as câmeras modernas usam um flash para fotografar, o que é realizado devido à propriedade de descarga rápida. Nesta área, não é rentável usar baterias que podem armazenar bem a energia, mas a liberam lentamente. E os capacitores, pelo contrário, liberam instantaneamente toda a energia armazenada, o que é suficiente para um flash brilhante.
A capacidade de gerar pulsos de alta potência por capacitores é usada em radares e na criação de lasers.
Os capacitores desempenham o papel de contatos de extinção de faíscas em telegrafia e telefonia, bem como em telemecânica e automação, onde a comutação de relés altamente carregados é necessária.
A regulação da tensão de longas linhas de energia é realizada através do uso de tanques de compensação.
Os capacitores modernos, devido às suas capacidades, são usados não apenas no campo da eletrônica de rádio. Eles são usados em metalurgia, mineração, indústria de carvão.
Principais variedades
Devido à variedade de aplicações e condições de operação dos dispositivos eletrônicos, existe uma grande variedade de componentes que diferem em tipos e características. A principal divisão é por classe e pelo tipo de dielétrico utilizado.
Tipos de capacitores, divididos por classe:
- com capacidade constante;
- com capacidade variável;
- afinação.
Componentes de capacitância constante são usados em todos os dispositivos eletrônicos.
Para alterar a capacitância e os parâmetros do circuito, por exemplo, a frequência em circuitos oscilatórios, são usados capacitores com capacitância variável.Em seu aparelho, eles possuem várias seções de placas metálicas móveis, o que garante a durabilidade de seu trabalho.
Capacitores Trimmer são usados para ajuste único do equipamento. Eles estão disponíveis em várias classificações de capacitância (de alguns picofarads a várias centenas de picofarads) e são classificados para tensões de até 60 volts. Sem o seu uso, é impossível ajustar o equipamento.
Tipos de capacitores, divididos pelo tipo de dielétrico:
- com dielétrico cerâmico;
- com filme dielétrico;
- eletrolítico;
- ionistores.
Os cerâmicos são feitos na forma de uma pequena placa de material cerâmico, sobre a qual são pulverizados fios de metal. Esses capacitores têm propriedades diferentes e são usados para circuitos de alta e baixa tensão.
Para circuitos de baixa tensão, os componentes multicamadas de tamanho pequeno em resina epóxi ou caixas plásticas com capacidade de dezenas de picofarads a unidades de microfarads são mais frequentemente usados. São utilizados em circuitos de alta frequência de equipamentos radioeletrônicos e podem operar em condições climáticas severas.
Para circuitos de alta tensão, capacitores cerâmicos maiores são feitos com capacidades de dezenas de picofarads a milhares de picofarads. Eles são usados em circuitos de impulso e equipamentos de conversão de tensão.
O dielétrico do filme é de diferentes tipos. O mais comum deles é o lavsan, que possui alta resistência. Menos comum é o dielétrico de polipropileno, que tem perdas menores e é utilizado em circuitos de alta tensão, como circuitos de amplificação sonora e circuitos de média frequência.
Um tipo separado de capacitores de filme está começando, que é usado no momento da partida dos motores e, devido à sua alta capacitância e material dielétrico especial, reduz a carga no motor elétrico. Eles são caracterizados por alta tensão de operação e potência reativa elétrica.
Os capacitores eletrolíticos são feitos em um design clássico. O corpo é feito de alumínio, no interior são chapas de metal laminadas. O óxido metálico é depositado quimicamente em uma placa e um eletrólito líquido ou sólido é depositado na segunda, formando um dielétrico. Graças a esse dispositivo, os capacitores eletrolíticos têm grande capacidade, mas a peculiaridade de seu uso ao longo do tempo é sua mudança.
Ao contrário dos capacitores de cerâmica e filme, os capacitores eletrolíticos têm polaridade. Eles, por sua vez, são divididos em não polares, desprovidos dessa desvantagem, radial, miniatura, axial. O escopo de sua aplicação é o computador tradicional e a tecnologia moderna de microcomputador.
Um tipo especial que apareceu há relativamente pouco tempo são os ionistores. Em seu design, eles são semelhantes aos capacitores eletrolíticos, mas se distinguem por uma grande capacidade (até unidades de Farad). No entanto, seu uso é limitado a uma pequena tensão máxima de alguns volts. Os supercapacitores são usados para armazenar memória: se a bateria de um telefone celular ou computador em miniatura acabar, as informações armazenadas não serão perdidas irremediavelmente.
Além dos componentes na versão de saída, que surgiram há muito tempo e que eram tradicionalmente usados, os componentes modernos são produzidos na versão SMD ou, como também é chamada, para montagem em superfície. Por exemplo, a cerâmica pode ser produzida em vários tamanhos de caixas, desde a menor (1 mm por 0,5 mm) até a maior (5,7 mm por 5 mm), e com tensões correspondentes de dezenas de volts a centenas.
Capacitores eletrolíticos também podem ser produzidos em pacotes de montagem em superfície. Estes podem ser capacitores eletrolíticos de alumínio padrão, ou podem ser capacitores de tântalo, que se parecem um pouco com os de cerâmica, mas diferem deles em maior capacitância e baixas perdas. Eles podem ser SMD fixados e não fixados.
Uma característica dos capacitores de tântalo é uma longa vida útil e perdas mínimas com um limite de capacitância um pouco menor, mas ao mesmo tempo eles se distinguem por um preço alto. Eles são usados em circuitos de alta responsabilidade onde é necessária alta capacitância.
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