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Novas Aplicações para Super-capacitores (ART1441)

A capacidade de armazenamento dos capacitores está aumentando rapidamente rumo ao que denominamos super-capacitores e hiper-capacitores.

E, acompanhando essa evolução rumo a capacitores menores e com maior capacitância, as aplicações práticas se multiplicam, abrindo uma gama que até há pouco tempo não era imaginada.

A Mouser Electronics (www.mouser.com), além de uma linha de super-capacitores também oferece soluções para o desenvolvimento de projetos que utilizam estes componentes.

Neste artigo trataremos do funcionamento desses componentes e de suas novas aplicações práticas.

Aprendemos no curso de física que uma esfera condutora pode armazenar cargas elétricas e, portanto, se comporta como um capacitor (capacitor esférico).

Também aprendemos que a sua capacitância depende de seu diâmetro e alguns cálculos simples nos mostram que para armazenar 1 farad, este capacitor deveria ter o tamanho da terra!

 

Figura 1- Um capacitor esférico de 1 farad teria o tamanho da terra
Figura 1- Um capacitor esférico de 1 farad teria o tamanho da terra

 

Durante muito tempo, trabalhando com eletrônica, sabendo que 1 farad é um valor de capacitância muito alto, nos acostumamos a trabalhar com capacitores muito menores, com valores expressos em milionésimos (micro), blionésimos (nano) e triolionésmos (pico) de farad.

No entanto, as tecnologias evoluíram rapidamente e as capacitâncias foram aumentando. Um farad deixou de ser uma capacitância impossível, e nos aproximamos rapidamente dela.

A chegada dos capacitores eletrolíticos foi o primeiro avanço.

 

Os Eletrolíticos de Alumínio

Um capacitor é formado por duas armaduras (de materiais condutores) separadas por um isolante (dielétrico).

 

Figura 2 – Capacitor plano
Figura 2 – Capacitor plano

 

Aprendemos de nosso curso de eletrônica que a capacitância de um capacitor é diretamente proporcional à área útil das armaduras e inversamente proporcional à distância que as separa.

Também sabemos que a capacitância depende da constante dielétrica do material isolante, sendo tanto maior quanto maior for essa constante.

Nos capacitores eletrolíticos o que temos são duas armaduras condutoras (folhas de alumínio) separadas por uma solução eletrolítica (folha poros condutora), daí o nome. Eletrolítico de alumínio.

 

Figura 3 – O eletrolítico de alumínio
Figura 3 – O eletrolítico de alumínio

 

O contato da solução com um dos eletrodos, num processo de polarização na fabricação, cria uma fina capaz de isolante de óxido de alumínio.

Como essa camada é extremamente fina e tem uma constante dielétrica razoável, é possível obter capacitância elevadas.

É claro que a capa isolante não pode ser muito fina, pois senão uma tensão baixa seria suficiente para provocar a sua ruptura e o capacitor “entra em curto”.

No entanto, com as técnicas modernas conseguem capacitores de capacitâncias elevadas com valores que chegam a dezenas de milhares de microfarads (quase 1 farad!) e tensões de trabalho que vão de alguns volts a centenas de volts.

 

Capacitores de Tântalo

Usando o metal tântalo em lugar de alumínio podemos também fazer capacitores usando a mesma tecnologia, com uma vantagem: o óxido de tântalo tem uma constante dielétrica muito maior do que a do óxido de alumínio.

Isso significa que podemos obter capacitores de valores muito maiores ocupando menos espaço.

É o que ocorre hoje, onde se usa o capacitor de tântalo nas aplicações em que o espaço é crítico.

Mas, uma nova geração de capacitores com capacitâncias gigantescas, permitem armazenar 1 Farad num espaço que cabe em sua mão.

São os super e os hiper capacitores de que trataremos no próximo item.

 

Super e Hiper Capacitores

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 4.

 

Figura 4 - Curvas de descarga de um capacitor e de uma bateria comum.
Figura 4 - 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.

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 5.

 

Figura 5 - Estrutura de um ultracapacitor
Figura 5 - 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 ação 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.

Existem diversas tecnologias para a fabricação de supercapacitores. Temos a tecnologia de dupla camada eletrostática ou Helmotz em que duas placas são separadas por uma camada isolante de aproximadamente 0,3 a 0,8 nm.

Outro técnica é a de Pseudo capacitância em que as cargas são transferidas a partir de reações químicas num processo farádico.

Temos ainda a tecnologia hibrida que reúnem numa estrutura assimétrica os dois tipos anteriores.

Ultracapacitores e supercapacitores já podem ser encontrados em alguns fornecedores que operam pela Internet, mas ainda têm uso limitado. Na figura 6 temos exemplo destes capacitores.

 

Figura 6 - ultracapacitores. – Observe: 350 Farads!
Figura 6 - ultracapacitores. – Observe: 350 Farads!

 

 

Na figura 7 vemos capacitores de 1,5 F no formato botão, equivalente ao de uma pilha tipo botão. Capacitores deste tipo podem ser usados para alimentar memórias de back-up.

 

Figura 7 – Supercapacitores de 1,5 F
Figura 7 – Supercapacitores de 1,5 F

 

 

Um capacitor deste tipo pode funcionar com uma bateria, fornecendo energia por muito tempo a aparelhos de baixo consumo ou mesmo, durante curtos intervalos de tempo a cargas de maior consumo.

Uma aplicação que já encontramos na prática é a alimentação de pequenos helicópteros radiocontrolados, como o da figura 7.

 

 

Figura 7  - Este brinquedo é alimentado por um supercapacitor
Figura 8 - Este brinquedo é alimentado por um supercapacitor

 

 

O nano-helicóptero da foto voa durante 5 minutos com uma carga de 30 minutos.

Outras aplicações incluem a partida de motores de carro, substituindo a bateria. Uma bateria menor carregaria um supercapacitor que então, pela sua altíssima capacidade de corrente, poderia fornecer energia para a partida.

 

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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