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Aula 3 – Capacitores /Soldagem (Prática)
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O Capacitor
• Dois condutores + diferença de carga elétrica → campo elétrico
• Se forem duas placas paralelas que quando carregadas com uma carga Q apresentam uma diferença de potencial Vab
– A capacitância será definida por:
ab
QC
V=
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Capacitância
• Outra maneira de determinar a capacitância de um capacitor é analisando sua estrutura interna
• Neste caso a capacitância de um capacitor de placas paralelas de Área A e cujas placas estão separadas de uma distância d é dada por
• Onde – ε0 → permissividade do espaço (vácuo)
• ε0 = 8,854 x 10-12 F/m
– ε → permissividade relativa do material dielétrico
d
AC 0.εε=
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O dielétrico
• Capacitor com dielétrico de ar ou vácuo
– Baixas capacitâncias
– Em ar • Baixa rigidez dielétrica
– ~ 800 V/mm
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• Outros dielétricos– Polímeros
– Óxidos
– Cerâmicas
• O que ocorre quando um material destes é colocado entre as placas– Polarização do dielétrico
• Surgimento de dipolos elétricos dentro do material
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• Ao surgir a polarização– Surge um campo elétrico oposto ao campo
elétrico aplicado
– Assim o campo elétrico efetivo dentro do capacitor é reduzido, podendo ser escrito como:
– Onde σ → densidade de carga (Q/A)
– Assim quanto maior a polarização do dielétrico menor o campo dentro do capacitor e portanto maior a constante dielétrica εεεε relativa
0.εε
σ=−= polef EEE
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Perdas no dielétrico
• Considerando que a função dielétrica (constante dielétrica generalizada) pode ser escrita como (ε0 está incluído)
• E que as perdas de potência em forma de calor por volume é dada por
– Onde • j � densidade de corrente
• E � campo elétrico
• Então é possível mostrar que
• Então a potência dissipada pode ser dividida em dois termos
( ) ( ) ( )ωεωεωε ′′−′= .i
EjL .=
( ) ( ) ( ) ( ) ( )ωωεωωωεωω EiEj ..... ′+′′=
parte real de j(ωωωω); em fase
parte imaginária de j(ωωωω); 90º fora de fase
2.. ELA εω ′′=
Potência ativa � realmente perdida e transformada em calor
2.. ELR εω ′=
Potência reativa � recuperada a cada ciclo
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• Neste caso a medida da qualidade do dielétrico é dada por
• Logo um dielétrico real pode ser representado como um capacitor ideal C(ω) e um resistor ideal R(ω)
ε
εδ
′
′′===
R
A
R
A
I
Itg
L
L
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Ruptura do dielétrico
• Quando o campo elétrico excede o valor máximo do material ocorre a ruptura do dielétrico
– Existem diversos fenômenos precursores associados à ruptura
• Descargas parciais
• Descarga corona (em bolhas do material)
• Aquecimento do dielétrico
Material kV/mm
Air 3
Quartz 8
Strontium titanate 8
Neoprene rubber 12
Nylon 14
Pyrex glass 14
Silicone oil 15
Paper 16
Bakelite 24
Polystyrene 24
Teflon 60
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Propriedades de alguns dielétricos
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O Capacitor Real
• Símbolo
• Código de tolerância– ±5% (J), ±10% (K), ±20% (M)
• Esquema interno
• Impedância em função da freqüência
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• Série– Como não ocorre criação nem destruição de carga ao ligar capacitores
em série então
Associação de Capacitores
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21
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e então
mas
CCC
C
q
C
q
C
q
C
qV
C
q
C
qVVV
eq
eq
eq
+=
+=
=+=+=
C1
C2
+q
-q
+q
-q
V
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• Paralelo– Como a tensão nos capacitores é a mesma então
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21
2121
e ... então
. mas ..
CCC
VCVCVC
VCaVCVCqqq
eq
eq
eq
+=
+=
=+=+=
C1 C2
+q2
-q2
+q1
-q1V
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Comportamento do capacitor num circuito CA
• Como vimos na aula de circuitos a corrente que circula no capacitor é dada por
dt
dvCi .=
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• Neste caso a potência que atravessa o capacitor é menor que para um resistor em função da defasagem
– Já viram o termo “Fator de Potência” na conta de energia elétrica
– Este termo esta associado a esta defasagem entre tensão e corrente que também ocorre em indutores
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Reatância Capacitiva
• Como no resistor ao ser submetido a uma diferença de potencial CA uma corrente vai circular através do capacitor
– Difere do resistor pois depende da Freqüência da fonte
– A reatância de um capacitor será dada por
CfCX C ..2
1
.
1
πω==
Freqüência (Hertz) Reatância (Ohms)
60 26,5258
120 13,2629
2500 0,6366
Reatância de um capacitor de 100 µF
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• Enrolados– Duas camadas de dielétrico
– Duas camadas de metal (folha de Al)
– Duas camadas de dielétrico metalizado (Al)
Estruturas de Capacitores
Vista lateral
Vista superior
Vista lateral
Vista superior
Vista do enrolamento
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• Multicamadas– Camadas seqüenciais de dielétrico e metal
– Pode ser dielétrico metalizado
– Pode ser seqüência de camadas de filme espesso (cerâmicas + tinta metálica condutora)
• Estrutura externa– Axiais
– Radiais
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• Capacitores de Filme (Poliéster / Polipropileno)– Aplicação CC (corrente contínua) / CA (corrente alternada)
• Filme de Poliéster (CC) / Polipropileno (CA)– http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/ProductCatalog/Capacitors
/FilmCapacitors/MetallizedPolyester/Page,templateId=render,locale=en.html
• Aplicações– Exemplos de aplicações (clicar aqui)
– Exemplo Axial (clicar aqui)
– Exemplo Radial (clicar aqui)
• Capacitores Cerâmicos Multicamadas– Aplicação em CC e para sinais
• COG – baixa capacitância alta estabilidade (clicar aqui)
• CPPS – Alta capacitância alta estabilidade (clicar aqui)
• X7R – Alta capacitância (ferroelétrico) (clicar aqui)
Tipos de Capacitores
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• Capacitores de Potência – Aplicação em CA (corrente alternada)
• Eletrônica de Potência– Aplicações (clique aqui)
– Exemplo (clique aqui)
• Correção de fator de potência– Para reduzir o efeito indutivo de industrias (motores, transformadores,...)
– Exemplo (clique aqui)
• Capacitores Feedthrough– Eliminar entrada de interferência externa em equipamentos
• Exemplo (clique aqui)
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• Capacitores Eletrolíticos (somente CC)– Capacitores de folha de Alumínio com eletrólito líquido
– O dielétrico é formado na camada de Al por oxidação (Al2O3)
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• Diferentes tipos de capacitores eletrolíticos– Clique aqui
– Exemplo (clique aqui)
– Eletrolíticos Bipolares (aplicação em CA – baixa potência)• Podem ser comprados diretamente
• Podem ser construídos associando dois eletrolíticos em série
• Capacitores de Tântalo– Alta capacitância em baixo volume
– Alto custo
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Potência do Ferro de Solda
• Dispositivos discretos grandes– Alta potência – 100W, 200W,....
– Alcança rápido a temperatura de operação
– Aquece os terminais rapidamente
• Dispositivos discretos pequenos– Baixa potência
– Transistores e CIs � 20W ou 30 W• Mesmo assim existe risco de queima do componente
80 W
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• Estação de Soldagem– Controle de temperatura � controle de potência
Ponteiras
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Filme sobre soldagem
http://blog.makezine.com/archive/2007/01/soldering_tutorial_make_v.html
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Prática A
1. Componente1. Soldar com um fio
2. Soldar com outro componente
3. Soldar na barra de terminais
2. Fio1. Soldar com outro fio
2. Soldar na barra de terminais
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Prática B
• Selecionar seis resistores de valores distintos– Escolher os valores adequados para montar o seguinte circuito
– Montar na placa de circuito impresso de acordo com o esquema abaixo
R2R4R3
R1
R5
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Atividade Extra
• Anote cada um dos valores dos resistores usados
• Calcule os valores de tensão e corrente em cada resistor considerando que o sistema está ligado em uma bateria de 9 Vdc
• Identifique a placa com o nome de cada integrante (caneta de transparência)
• Entregar na próxima aula