Um capacitor é um componente eletrônico passivo usado para armazenar energia elétrica. Sua estrutura central consiste em dois condutores (geralmente placas de metal) que são isolados um do outro e localizados próximos um do outro. Quando uma tensão CC é aplicada às extremidades de um capacitor, cargas positivas e negativas se acumulam em cada uma das duas placas, criando um campo eletrostático entre elas. Este processo de separação de carga e estabelecimento de campo elétrico realiza o armazenamento de energia elétrica, e a capacidade do capacitor determina sua capacidade de armazenamento de energia. Os capacitores podem responder rapidamente às mudanças de tensão durante a carga e descarga, uma característica que os torna valiosos para uma ampla gama de aplicações em circuitos eletrônicos.
Classificação de capacitores
1. Capacitores de uso geral
Inclui principalmente capacitores cerâmicos (como circuito de alta frequência no MLCC), capacitores de filme (como capacitores de poliéster, capacitores de poliestireno, etc.), com boa estabilidade, baixa perda dielétrica, amplamente utilizado em acoplamento, bypass, oscilação e outros circuitos convencionais.
2. Capacitores eletrolíticos
Representados por capacitores eletrolíticos de alumínio e capacitores eletrolíticos de tântalo, eles têm as vantagens de grande capacidade e pequeno volume. Eles são usados principalmente em cenários como filtragem de fonte de alimentação (por exemplo, a saída de uma fonte de alimentação comutada), armazenamento de energia e acoplamento de sinal de baixa frequência.
3. Capacitores ajustáveis
Através de ajuste mecânico para alterar o espaçamento da placa polar ou área efetiva para obter alterações no valor de capacitância, normalmente usado em circuitos de sintonia de rádio (como seletores de rádio antiquados), correspondência de impedância de alta frequência e outras ocasiões que requerem ajuste preciso.
4. Supercapacitor (capacitor de camada dupla)
Entre o capacitor tradicional e os dispositivos de armazenamento de energia da bateria, com densidade de potência muito alta e características rápidas de carga e descarga, adequados para o sistema start-stop de veículos de nova energia, armazenamento de energia da rede e outras aplicações de alta potência.
5. Capacitores de segurança
Incluindo capacitores X (através da linha para suprimir a interferência do modo diferencial) e capacitores Y (entre a linha e o terra para suprimir a interferência de modo comum), usados especificamente para filtragem EMI da fonte de alimentação, para garantir que o equipamento elétrico esteja de acordo com os padrões de compatibilidade eletromagnética.
6. Capacitores de energia
Como eletrônica de potência usada em capacitores de suporte DC, capacitores de filtro AC, etc., usados principalmente em conversores de frequência, inversores e outros dispositivos de conversão de energia de alta potência.
O papel dos capacitores
1. Armazenamento de energia e carregamento e descarregamento rápidos
Os capacitores podem armazenar energia elétrica na forma de um campo eletrostático e suportar carga e descarga de alta velocidade. Comparado com as baterias químicas, sua velocidade de carga e descarga é mais rápida (milissegundos) e o ciclo de vida pode chegar a mais de dezenas de milhares de vezes, por isso tem uma vantagem única na cena que requer alta corrente instantânea ou conversão rápida de energia (como aceleração de veículos elétricos, recuperação de energia de frenagem, sistema de energia de pulso).
2. Isolamento através da cruz (acoplamento e desacoplamento)
Os capacitores apresentam uma alta impedância para CC, bloqueando o componente CC enquanto permitem a passagem de sinais CA. Essa característica o torna amplamente utilizado em circuitos de acoplamento (como transmissão de sinal de áudio no capacitor de isolamento) e circuitos de desacoplamento (para eliminar a interferência de ruído da fonte de alimentação).
3. Filtragem e estabilização de tensão
Em circuitos de fonte de alimentação, os capacitores podem filtrar efetivamente os componentes pulsantes retificados, a saída de uma tensão CC suave (como capacitores eletrolíticos usados na filtragem da fonte de alimentação). Além disso, no processamento de sinais, os capacitores podem ser usados com resistores ou indutores para formar um filtro passa-baixa e passa-alta para suprimir o ruído de alta frequência e melhorar a qualidade do sinal.
4. Sintonia e ressonância (circuito LC)
Capacitores e indutores podem ser combinados para formar circuitos ressonantes LC para seleção de frequência, sintonia e outras aplicações, como circuitos FM de receptores de rádio, osciladores e redes de correspondência de RF.
5. Partida do motor e compensação de fase
Em motores CA monofásicos, os capacitores auxiliam na partida do motor (por exemplo, capacitores de partida) gerando uma diferença de fase para formar um campo magnético rotativo. Além disso, em sistemas de energia, os capacitores são usados para correção do fator de potência para melhorar a eficiência da utilização de energia.
Essas propriedades dos capacitores fazem com que eles desempenhem um papel fundamental em circuitos eletrônicos, sistemas de energia, novas tecnologias de energia e equipamentos de comunicação.
Capacitores de teste para falhas
1. Aparência
O invólucro do capacitor de potência está intacto, não há expansão óbvia, deformação, rachaduras e outros fenômenos. Se a situação acima ocorrer, significa que o capacitor tem uma falha grave, ou seja, não pode continuar a usar.
Se a conexão do terminal do capacitor é firme, com ou sem solto, corrosão e outros problemas. Problemas com os terminais podem levar a um mau contato e afetar o funcionamento normal do capacitor.
2. Teste de capacidade
Meça a capacidade do capacitor de potência para ver se a capacidade real do capacitor corresponde à capacidade nominal. Se a capacidade real for muito menor que a capacidade nominal, significa que o capacitor envelheceu e falhou.
3. Teste de resistência de isolamento
Meça a resistência de isolamento do capacitor com instrumentos relevantes. Em circunstâncias normais, a resistência de isolamento deve ser superior a 10 megohms. Se a resistência de isolamento for inferior a esse valor, significa que o desempenho de isolamento do capacitor pode ter sido danificado e uma inspeção adicional é necessária.
4. Teste de tensão e corrente
Meça o valor da tensão do capacitor de potência durante a operação. Se o valor da tensão flutuar muito, significa que o capacitor de potência pode ter problemas.
Meça o valor atual do capacitor na tensão nominal. Se o valor da corrente real exceder o valor da corrente na guia, isso indica que o capacitor pode estar sobrecarregado.
5. Teste de temperatura
Teste se a temperatura de operação do capacitor de potência está dentro da faixa especificada. Normalmente, o capacitor deve ser operado em condições de temperatura adequadas. Se a temperatura estiver muito alta, isso prova que o capacitor pode ter algum tipo de falha, precisa parar de usá-lo imediatamente.
O acima é o método para determinar se o capacitor de potência está com defeito. Na operação real, os capacitores de energia devem ser inspecionados regularmente e, se forem encontradas anormalidades, eles devem ser parados a tempo de evitar o acionamento de riscos à segurança.
Métodos de teste de capacitores
1. Método de teste do multímetro digital
Procedimento de operação:
Certifique-se de que o capacitor esteja completamente descarregado
Defina o multímetro para resistência (recomendado escolher ×1k ou nível superior)
Conecte as canetas de teste a ambas as extremidades do capacitor.
Observe a mudança de leitura:
Desempenho normal: a leitura é exibida brevemente e, em seguida, retorna rapidamente ao estado "OL" (circuito aberto)
Desempenho de falha: Exiba continuamente um valor de resistência fixo ou resistência zero.
Cuidado:
Certifique-se de que o teste esteja totalmente descarregado antes do teste
10 segundos ou mais entre cada teste
Repita o teste 3 vezes para confirmar a consistência dos resultados
2. Método de teste de multímetro analógico
Processo de detecção:
Selecione o nível de resistência apropriado (recomendado ×100 ou ×1k)
Conecte a caneta de teste e observe o movimento do ponteiro:
Boa capacitância: o ponteiro oscila bruscamente para a direita e, em seguida, lentamente de volta para ∞!
Falha de curto-circuito: o ponteiro para na posição de baixa resistência
Falha de circuito aberto: o ponteiro não se move
Pontos técnicos:
Os capacitores eletrolíticos precisam prestar atenção à polaridade (caneta preta para o pólo positivo)
Capacitores de grande capacidade (>10μF) oscilam o ponteiro mais óbvio
Após o teste, é necessário aguardar o ponteiro retornar à posição completa
3. Método de medição direta da engrenagem de capacitância
Implemente a especificação:
Escolha um multímetro digital com função de medição de capacitância.
Seleção da faixa de medição:
Capacitância pequena (nível de pF): Use o clipe de teste especial.
Grande capacitância (nível μF): teste de conexão direta
Critérios de julgamento do resultado:
Aprovado: Valor medido dentro de ±20% do valor nominal.
Nota: Os capacitores eletrolíticos permitem um desvio de 50%/-20%.
Falha: exibe "0" ou muito abaixo do valor limite inferior nominal
4. Método de teste de tensão
Guia de operação profissional:
Construa o circuito de teste:
Tensão de alimentação ≤ tensão nominal do capacitor
Resistor limitador de corrente em série (1-10kΩ)
Processo de medição:
No início do carregamento: a tensão deve aumentar rapidamente
Após a estabilização: a tensão deve estar próxima da tensão de alimentação
Características da falha:
A tensão aumenta lentamente: queda de capacidade
A tensão não pode ser mantida: corrente de fuga excessiva
Tensão zero: falha completa
5. Medições constantes de tempo
Programa de medição de precisão:
Circuito de teste padrão:
Resistor de precisão conhecido R (1kΩ-10kΩ recomendado)
Osciloscópio para monitorar a curva de carga
Método de cálculo:
Meça o tempo para 63,2% da tensão de alimentação (τ)
Calcular capacidade: C = τ/R
Dica de aplicação de engenharia:
Adequado para faixa de capacidade de 1μF-1000μF
Necessidade de considerar o efeito da resistência interna do multímetro
Recomendado usar fonte de sinal de onda quadrada para melhorar a precisão
Sugestões de testes abrangentes:
Priorize o uso de medição direta de capacitância
Falhas difíceis usando vários métodos de verificação cruzada
Capacitores de alta tensão devem ser testados com equipamentos especializados
O estabelecimento de registros de testes para rastrear a tendência de deterioração
Nota: Todos os testes devem estar em conformidade com os códigos de segurança elétrica, os capacitores de alta tensão devem ser totalmente descarregados antes do teste!
Função de acoplamento
Os capacitores atuam como componentes de acoplamento em circuitos, transmitindo efetivamente sinais de baixa frequência e permitindo a amplificação do sinal enquanto isolam os pontos de operação CC dos estágios adjacentes do circuito para evitar interferência mútua. Para garantir a transmissão eficiente de componentes de sinal de baixa frequência, capacitores eletrolíticos de grande capacidade (normalmente na faixa μF) são comumente usados como capacitores de acoplamento no projeto.
Função de filtragem
Nos circuitos de fonte de alimentação, os capacitores filtram o ruído de alta frequência dos sinais CA, fornecendo uma saída CC suave. Especificamente, grandes capacitores eletrolíticos estabilizam a tensão CC pulsante por meio de processos de carga e descarga. Para melhorar a estabilidade da fonte de alimentação, capacitores eletrolíticos que variam de dezenas a centenas de microfarads são frequentemente conectados em paralelo na saída de energia e na entrada de carga para suprimir as flutuações de tensão causadas por variações de carga.
Função de armazenamento de energia
Os capacitores servem como componentes de armazenamento de energia, armazenando carga e liberando-a rapidamente quando necessário para fornecer alta corrente instantânea ou atuar como uma fonte de energia de backup. Além disso, os capacitores podem formar circuitos de temporização RC com resistores para obter atrasos de tempo precisos ou funções de temporização, amplamente utilizadas em circuitos de controle sequenciais.
Utilização e Otimização da Capacitância Parasita
No projeto de PCB de alta velocidade, a capacitância parasita pode ser estrategicamente aproveitada para melhorar o desempenho do circuito. Por exemplo:
Ajustando layouts de traço para utilizar capacitância parasita para correspondência de impedância.
A estrutura de placa paralela formada por planos de aterramento de potência cria capacitância distribuída, fornecendo armazenamento de carga de baixa impedância para componentes de alta velocidade para atender às demandas instantâneas de alta corrente.
Conclusão
Os capacitores exibem multifuncionalidade no design de PCB. Sua seleção e posicionamento devem ser otimizados com base em requisitos específicos do circuito (por exemplo, características de frequência, necessidades de armazenamento de energia, supressão de ruído) para obter o desempenho ideal.