Capacitores eletrolíticos

Na prática, todo eletricista é confrontado com o trabalho de adaptadores, fontes de alimentação, conversores de tensão. Em todos esses dispositivos, os capacitores elétricos são amplamente utilizados, geralmente chamados de “eletrólitos” nas gírias.

Sua principal vantagem é o tamanho relativamente grande da capacitância, com um tamanho relativamente pequeno. Além disso, sua produção já foi estabelecida e o custo é relativamente baixo.

Princípios do dispositivo

Qualquer capacitor consiste em duas placas, cujo espaço é preenchido com um dielétrico.

A fórmula mostrada na figura lembra que a capacitância C depende da área de cada placa S, da distância entre as placas d e da constante dielétrica do meio dentro delas ε. O valor ε0 é a constante elétrica que determina a força do campo elétrico dentro do vácuo.

O capacitor eletrolítico difere de todos os outros porque utiliza uma camada de eletrólito que preenche o espaço entre as duas placas, na maioria das vezes feitas de chapas de alumínio. Além disso, um deles é coberto com uma pequena camada dielétrica do filme de óxido.

As fitas de papel são dobradas juntas, separadas por um bloco de papel muito fino embebido em eletrólito. Seu valor de cerca de 1 μm pode aumentar significativamente a capacitância do capacitor. Na fórmula acima para determinar C, a espessura da camada dielétrica d está no denominador.

A camada superior da folha é revestida com papel de liberação e toda a estrutura é enrolada para colocação em um corpo cilíndrico.

Nas extremidades da folha, as chapas de metal são soldadas por métodos de soldagem a frio, fornecendo contatos para conectar ao circuito elétrico como um cátodo e ânodo. Além disso, uma conclusão positiva é formada na placa com a camada de óxido.

O cátodo desempenha o papel de um eletrólito que entra em contato com toda a superfície da segunda placa.

Como a capacitância do capacitor depende da área das placas, uma das maneiras de aumentá-lo é incluída na tecnologia de produção - isso é a ondulação da superfície por eletrólito por ataque químico. Pode ser realizado devido à erosão química ou corrosão eletroquímica.

Eletrólitos líquidos são capazes de fluir de maneira confiável nos recessos microscópicos criados do ânodo.

Uma camada de óxido na folha é criada durante a oxidação elétrica. Esse processo ocorre quando a corrente flui através do eletrólito. A figura abaixo mostra a característica de tensão atual, mostrando a mudança de correntes dentro do dispositivo com o aumento da tensão.

O capacitor opera normalmente na tensão e temperatura nominais. Se ocorrer sobretensão, a formação da camada de óxido é retomada e uma grande quantidade de calor começa a ser gerada, o que leva à formação de gás e a um aumento da pressão dentro do compartimento vedado.

Portanto, os capacitores eletrolíticos são capazes de explodir, o que geralmente acontecia com construções antigas da época da URSS, que eram realizadas em um único caso sem criar proteção contra explosão. Essa propriedade geralmente causava danos a outros elementos de equipamento vizinhos.

Os modelos modernos criam uma membrana protetora, que é destruída no início da formação de gases e isso evita uma explosão. É feito na forma de entalhes das letras "T", "Y" ou o sinal "+".

Tipos de capacitores eletrolíticos

Pelo seu design, “eletrólitos” se referem a dispositivos polares, ou seja, eles devem funcionar quando a corrente flui em apenas uma direção. Portanto, são utilizados em circuitos de tensão contínua ou CC, levando em consideração a direção da passagem de cargas elétricas.

Para operar em circuitos de corrente senoidal, foram criados "eletrólitos não polares". Devido a elementos adicionais no design, com capacidade igual, eles aumentaram as dimensões e, consequentemente, o custo.

O eletrólito entre as placas pode ser usado em soluções concentradas de vários álcalis ou ácidos. De acordo com o método de preenchimento, os capacitores são divididos em:

• líquido;

• seco

• óxido metálico;

• óxido semicondutor.

Como material do ânodo, uma folha de alumínio, tântalo, nióbio ou pó sinterizado pode ser selecionada. Para capacitores semicondutores de óxido, o cátodo é uma camada de semicondutor depositada diretamente na camada de óxido.

Recursos operacionais

A capacidade dos eletrólitos de emitir gases durante o aquecimento determina a necessidade de um capacitor para garantir confiabilidade para criar uma margem de tensão nominal de até 0,5 ± 0,6 do seu valor. Isto é especialmente verdade para uso em dispositivos com temperaturas elevadas.

Para capacitores projetados para operação em circuitos de tensão CA, a frequência de operação é especificada. Geralmente são 50 hertz. Para trabalhar com sinais de frequência mais alta, é necessário reduzir a tensão operacional. Caso contrário, o dielétrico superaquecerá e quebrará, romperá o alojamento.

Eletrólitos com grande capacidade e baixas correntes de vazamento são capazes de armazenamento a longo prazo da carga acumulada. Por razões de segurança, para acelerar sua descarga, um resistor com uma resistência de 1 MΩ e uma potência de 0,5 W é conectado em paralelo com os terminais.

Para uso em dispositivos de alta tensão, são usados ​​capacitores montados em circuitos em série. Para equalizar a tensão entre eles, resistores com um valor nominal de 0,2 a 1 MΩ são conectados em paralelo aos terminais de cada um.

Se for necessário usar capacitores eletrolíticos polares em circuitos de tensão alternada, é montado um circuito no qual a corrente através de cada elemento passa apenas em uma direção. Para este uso diodos e resistor limitador de corrente.

Tais esquemas foram montados anteriormente para girar a fase da corrente em relação à tensão ao iniciar poderosos motores elétricos assíncronos trifásicos a partir de uma rede monofásica. Agora, esse problema já está perdendo sua relevância anterior.

A ausência de um resistor limitador de corrente nesse circuito leva ao superaquecimento da camada dielétrica e falha do capacitor eletrolítico.

O eletrólito líquido seca com o tempo através de defeitos na carcaça. Devido a isso, a capacidade é gradualmente reduzida. Com o tempo, atinge um valor crítico. Um capacitor eletrolítico que caiu fora de operação geralmente causa uma falha no dispositivo elétrico.

Mau funcionamento do capacitor devido a violação da resistência equivalente ESR

Os capacitores eletrolíticos têm outra característica técnica que afeta seu desempenho durante a operação. Com o tempo, o capacitor diminui gradualmente a condutividade elétrica entre as placas e os terminais devido aos processos elétricos internos que ocorrem constantemente. Seu valor é estimado pela resistência ativa equivalente, indicada pelo índice ESR. Em russo, eles chamam de EPS: resistência equivalente em série.

Essa característica parasitária resultante não afeta a operação de eletrólitos em circuitos com frequência de até 50 hertz, utilizando o enrolamento de saída do transformador, a retificação do diodo e um capacitor para suavizar as pulsações. Porém, em dispositivos que usam sinais de alta frequência dentro de fontes de alimentação comutadas, essa resistência ativa adicionada em série à capacitância não permite mais que o circuito funcione.

Um capacitor com ERS aumentado não difere na aparência de um capacitor. É apenas que sua resistência ativa aumenta em mais de um Ohm e pode atingir até 10 Ohms.

Métodos de determinação

A indústria produz instrumentos que permitem medir esse valor com base em um protótipo inventado na Rússia nos anos 60. Eles permitem que você faça medições sem evaporar os capacitores do circuito, trabalhando com o princípio de medidores de resistência de ponte para corrente alternada.

Os artesãos criam seus próprios projetos simplificados que permitem avaliar a saúde do capacitor por esse parâmetro com base na determinação da resistência ativa superior a 1 Ohm. Como um indicador semelhante, você pode montar um dispositivo simples, mostrado no diagrama.

Uma bateria comum do tipo dedo é usada para alimentá-la. O LED indica a adequação do capacitor elétrico pelo parâmetro ERS, comparando os sinais de alta frequência no transformador toroidal provenientes do capacitor e o circuito oscilante gerado.

A imagem do mesmo esquema de forma um pouco simplificada é mostrada abaixo.

O capacitor de teste é conectado a um enrolamento feito de uma vez em um transformador de um núcleo ferromagnético com uma permeabilidade magnética da ordem de 800 × 1000. A tensão neste enrolamento não excede 200 milivolts, para que você possa avaliar as características do eletrólito sem soldar o painel.

Esse indicador não requer configurações especiais. Basta verificar o brilho do LED no resistor de controle de um ohm e navegar em medições futuras. O transistor pode ser usado por qualquer pessoa com uma corrente de coletor de 100 mA e um ganho superior a 50.

Essa sonda não funcionará corretamente com capacitores com capacitância inferior a 100 μF.

Ionistor - supercapacitor

Um tipo de capacitor com um eletrólito que fornece o fluxo de processos eletroquímicos é ionistor. Utiliza o efeito de uma dupla camada elétrica que ocorre quando o material de revestimento entra em contato com o eletrólito e combina as funções de um capacitor com uma fonte de corrente química.

Seu design é mostrado na figura.

Aqui, a espessura da camada dupla formada é muito pequena. Isso permite aumentar significativamente a capacidade do ionistor. Além disso, é mais fácil para esses capacitores aumentar a área da superfície de contato das placas. Eles são feitos de materiais porosos, por exemplo, carvão ativado, metais espumados.

A capacidade do ionistor pode atingir vários farads com uma tensão nas placas de até 10 volts. Ele o recruta em um curto espaço de tempo e, em seguida, o salva com segurança. Portanto, esses modelos são usados ​​para fazer backup de várias fontes de alimentação.

As condições operacionais afetam bastante a duração do estado operacional do ionistor. Se a temperatura de operação não exceder 40 graus e a tensão for 60% da nominal, o recurso poderá ser superior a 40.000 horas.

Só é necessário aumentar o aquecimento para 70 graus e a tensão - até 80%, pois a vida útil da bateria é reduzida para 500 horas. Os ionistas encontram uma grande variedade de aplicações na vida cotidiana. Eles trabalham em conjuntos de painéis solares, equipamentos de rádio de carro, automação residencial inteligente.

A fabricante de automóveis sul-coreana Hyundai Motor Company está trabalhando na produção de ônibus elétricos movidos a ionistores. Sua carga está planejada para ser executada em pequenas paradas na rota de movimento.

Na sua essência, esse tipo de transporte substitui completamente o barramento, o que exclui toda a rede de contatos do trabalho.