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Capacitores Como Fonte de Energia (ART230)

 

Uma alternativa interessante para fontes de energia em projetos diversos é o capacitor. Os capacitores podem armazenar energia e isso os torna viáveis como fontes para alimentar diversos tipos de circuitos. Com o advento dos supercapacitores, a quantidade de energia armazena se rivaliza com a de baterias e isso amplia sua gama de aplicações. Veja neste artigo como utilizar capacitores como fontes de energia.

 

 

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Capacitores armazenam energia em campos elétricos enquanto que as baterias comuns armazenam energia nos reagentes químicos em seu interior. Essa diferença faz com que a operação dos dois seja diferente quando fornecem energia a um circuito externo, mas no final, ambos podem fornecer energia a este circuito.

Assim, enquanto que o ciclo de descarga de uma bateria comum faz com que ela mantenha a tensão quase que constante num longo intervalo de tempo, a descarga de um capacitor se faz segundo uma curva exponencial, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - Curvas de descarga de um capacitor e de uma bateria comum.

 

Veja entretanto que, entre dois pontos da descarga, os dois podem funcionar eficientemente como fontes de energia alimentando dispositivos externos.

Até há pouco tempo os capacitores não eram empregados como fonte de energia, a não ser em muito poucas aplicações, por dois motivos. O primeiro é que não era possível obter capacitores suficientemente grandes para armazenar uma boa quantidade de energia. Em segundo lugar, a maioria dos dispositivos que deveriam ser alimentados tinham um consumo elevado demais para poderem depender de um capacitor.

No entanto, nos tempos atuais tecnologias que permitem obter capacitores com valores extremamente altos e dispositivos eletrônicos de consumo muito baixo tornam viável a utilização de capacitores como fontes de energia.

 

Capacitores de Valores Elevados

Capacitores eletrolíticos comuns com capacitâncias superiores a 10 000 uF são comuns em nossos dias. Estes capacitores podem fornecer uma corrente de 1 mA a um LED por vários minutos. Alimentando microcontroladores e circuitos CMOS que tenham consumos mais baixos ainda, um capacitor pode mantê-los em funcionamento por muito tempo. No entanto, estes capacitores ainda são grandes demais para aplicações móveis e alimentando um motor, sua autonomia seria medida em segundos. Na figura 2 temos alguns exemplos de capacitores deste tipo.

Figura 2 - Capacitores eletrolíticos de valores elevados.

 

Os capacitores de tântalo podem apresentar maior capacitância em menor volume, mas seu custo ainda é elevado e tipos de valores acima de 1 000 uF não são comuns. Isso impede que estes capacitores sejam utilizados de maneira eficiente como fonte de energia.

 

Supercapacitores, Ultracapacitores ou EDLC (Electric Double Layer Capacitores)

Com a capacidade de armazenar cargas extremamente elevadas que chegam a 2 Farads ou mesmo mais, estes capacitores se aproximam muito das baterias porque podem alimentar dispositivos de baixo consumo por horas, dias ou mesmo semanas. Capacitores deste tipo são utilizados em telefones celulares para manter dados na memória quando a bateria é trocada ou retirada.

Conforme o nome indica, "dupla camada elétrica" em inglês, estes capacitores consistem em dois eletrodos de carbono imerso num eletrólito orgânico, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 - Estrutura de um ultracapacitor

 

Durante a carga, os íons carregados do eletrólito migram para os eletrodos de polaridade oposta devido a presença de um campo elétrico entre estes eletrodos; Este campo é criado pela tensão aplicada. Desta forma, duas camadas de cargas separadas são criadas, dando nome ao dispositivo. Se bem que ele seja em funcionamento similar a uma bateria, as cargas criadas dependem de uma ação eletrostática, enquanto que numa bateria depende de açao química. Apesar de terem uma grande densidade de potência, a tensão que suportam é muito baixa, da ordem de 2,3 V. Acima disso temos um efeito eletrolítico que destrói o componente.

Ultracapacitores e supercapacitores já podem ser encontrados em alguns fornecedores que operam pela Internet, mas ainda têm uso limitado. Na figura 4 temos exemplo destes capacitores.

Figura 4 - ultracapacitores. - Observe: 350 Farads!

 

 

Circuitos Práticos

Os leitores que desejarem podem fazer alguns experimentos simples com capacitores como fonte de energia. Uma idéia interessante é utilizar este experimento para levantar a curva de descarga deste tipo de componente. Um trabalho prático para a aula de física...

 

1. Alimentando um LED

Na figura 5 temos então um primeiro circuito que pode ser utilizado para alimentar um LED comum. O valor do resistor determina a velocidade da descarga, mas também o brilho do LED. Assim, maior resistor significa menor brilho, mas maior tempo em que o LED permanece aceso. Capacitores de 1 000 a 10 000 uF podem ser utilizados.

Figura 5 - Alimentando um LED

 

Para carregar o LED podem ser utilizadas quatro pilhas comuns ou então o circuito da figura 6 que permite que o capacitor se carregue com uma tensão maior e portanto tenha maior autonomia.

Figura 6 -  Circuito para carregar um capacitor.

 

 

2. Carga de Alta-tensão

As lâmpadas neon devem ser alimentadas com uma tensão de pelo menos 80 V, mas apresentam um consumo extremamente baixo. Assim, carregando um capacitor, mesmo de valor baixo, com uma tensão de pelo menos 100 V podemos fazer com que ele alimente uma lâmpada neon, mantendo-a acesa por vários minutos. Neste caso também, o resistor vai determinar o consumo e portanto por quanto tempo o capacitor alimenta a lâmpada. O circuito é dado na figura 7.

Figura 7 -  Circuito para alimentar uma lâmpada neon

 

Para carregar o capacitor damos o circuito da figura 7. Este circuito vai fornecer aproximadamente 150 V ao capacitor se ligado na rede de 110 V, e fornecerá perto de 300 V se ligado à rede de 220 V. O capacitor deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 200 V se usado na rede de 110 V e pelo menos 400 V se usado na rede de 220 V.

Figura 8 - Circuito de carga para o capacitor

 

Lembramos que este circuito está ligado diretamente à rede de energia e que portanto deve-se ter o máximo cuidado com seu manuseio pois qualquer toque em parte viva causará choques perigosos.

Para carregar o capacitor basta tocar por alguns segundos nos seus terminais com os fios das fontes indicadas nos dois casos. Evite fazer a carga com o LED ou a lâmpada neon ligada ao capacitor. Não toque nos terminais do capacitor no segundo experimento, quando ele estiver ligado pois a descarga ocorrerá através de seu corpo com um forte choque!

 

 

Conclusão

Para projetos práticos de baixo consumo ou de baixa autonomia ainda podemos utilizar capacitores como fonte de energia. No entanto, os ultracapacitores ainda são difíceis de obter para um projeto prático. Na prática existem alguns brinquedos e aplicações que já utilizam estes componentes; Podemos citar o caso dos micro-helicópteros que em lugar de bateria utilizam capacitores para armazenar energia. Na figura 9 temos um exemplo destes brinquedos.

Figura 9 - Micro-Helicóptero alimentado por ultra-capacitor.

 

Acreditamos entretanto, que em pouco tempo, poderemos contar com ultra-capacitores de diversos tamanhos e capacidades para aplicações as mais interessantes. Para que o leitor tenha uma idéia dos progressos que estão ocorrendo neste campo, uma empresa americana anunciou um ultracapacitor do tamanho de uma moeda que pode armazenar energia suficiente para dar a partida no motor de um caminhão. O dispositivo seria usado como fonte auxiliar de energia em veículos em lugar da tradicional bateria!

 

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