Eletrônica Básica 16 – Supercapacitores

Nos tutoriais anteriores, discutimos como trabalhar com um capacitor, as características de um capacitor, vários tipos de capacitores e a seleção de um capacitor para um determinado circuito. Como aprendemos, os capacitores comerciais típicos têm capacitância na faixa Picofarad, Nanofarad ou Microfarad. A capacitância máxima que esses capacitores podem fornecer é 1 Farad. Se for necessária uma capacitância mais alta, os capacitores precisarão ser bem grandes, o que pode ou não caber em circuitos eletrônicos típicos.

Digite o supercapacitor. Esses capacitores do tipo eletroquímico são pequenos e podem oferecer capacitância em dezenas, centenas ou até milhares de Farad. Eles não apenas armazenam uma grande quantidade de carga, mas também podem passar por vários milhares de ciclos de carga e descarga sem qualquer desgaste. É por isso que estes condensadores, também conhecidos como ultracapacitores, são úteis em muitas tecnologias emergentes, tais como veículos híbridos, filtros activos, energia renovável, UPS, smartphones e dispositivos electrónicos portáteis.

O que eles fazem
Supercapacitores são usados ​​para armazenar uma grande quantidade de carga como um campo eletrostático. Assim como os capacitores eletrolíticos, esses capacitores também usam eletrólitos líquidos ou sólidos. No entanto, a forma como eles armazenam a carga é totalmente diferente. Em capacitores típicos, a carga é armazenada devido à polarização do material dielétrico. Nos supercapacitores, o eletrólito não serve como dielétrico. Ele fornece apenas portadores de carga aos eletrodos. Em vez disso, a carga é armazenada pelo acúmulo de portadores de carga opostos nos eletrodos.

Os eletrodos desses capacitores são feitos de carvão ativado poroso ou nanotubos de carbono, que são capazes de atrair para si uma grande quantidade de carga. Uma distância mínima separa os eletrodos e possui um separador entre eles para evitar curto-circuito entre os eletrodos porosos. O uso de carvão ativado como eletrodos e uma distância mínima entre os eletrodos permitem que esses capacitores armazenem uma grande quantidade de carga em tamanho pequeno.

Construção
Os supercapacitores são construídos de forma semelhante aos capacitores eletrolíticos. Eles possuem dois eletrodos feitos de revestimento poroso de carbono ativo ou nanotubos de carbono. O revestimento é aplicado em folhas metálicas (geralmente alumínio) que servem como coletores de corrente. Os coletores de corrente revestidos com eletrodos são imersos em um eletrólito.

supercapacitores

Ilustração esquemática de um supercapacitor (Imagem: Wikipedia)

O eletrólito pode ser líquido ou sólido. Na maioria dos ultracapacitores, os eletrólitos sólidos são preferidos devido à maior tensão terminal. O eletrólito sólido é geralmente um solvente misturado com sais condutores. Normalmente, acetonitrila ou carbonato de propileno são usados ​​como solvente e sais de tetraalquilamônio ou lítio como solutos. Os coletores de corrente revestidos com eletrodo são separados por um separador (membrana de papel) que é transparente para os portadores de carga, mas evita curto-circuito direto entre os eletrodos. Devido ao revestimento dupla-face do eletrodo dos coletores de corrente, esses capacitores também são chamados de Capacitores Elétricos de Dupla Camada (EDLC).

A natureza altamente porosa do material do eletrodo permite que esses capacitores atraiam um grande número de portadores de carga do eletrólito. Devido ao uso de carvão ativado, a área de superfície efetiva entre os coletores de corrente aumenta muitas vezes. A resistência interna (ESR) do capacitor depende do eletrólito. Quanto menor for a resistência oferecida pelo eletrólito, maior será a densidade de potência do capacitor.

Os supercapacitores geralmente têm uma tensão nominal muito baixa que pode variar de 1V a 3V. A equação a seguir fornece a energia elétrica armazenada por um supercapacitor:

P = V2/4R
Onde,
P é a potência armazenada pelo Super Capacitor,
V é a tensão aplicada (ou classificação de tensão),
R é a resistência interna (ESR) do capacitor

Como eles trabalham
Quando uma diferença de potencial é aplicada aos terminais de um supercapacitor, os eletrodos começam a atrair portadores de carga opostos do eletrólito. Os íons positivos se acumulam na conexão negativa e os íons negativos se acumulam na conexão positiva. Os portadores de carga são armazenados nas placas coletoras de corrente. Devido ao acúmulo de cargas opostas nos coletores de corrente, um campo eletrostático é criado entre eles. A corrente de carga flui através do capacitor até que o campo eletrostático entre os coletores de corrente seja igual e oposto à tensão aplicada. Os portadores de carga são retidos pelos coletores de corrente até que a tensão aplicada diminua ou mude de polaridade.

Sempre que a tensão aplicada diminui, um número proporcional de portadores de carga é passado de volta ao eletrólito a partir dos coletores de corrente. Durante este processo, uma corrente equivalente flui através do capacitor na direção reversa. Quando a polaridade muda, o supercapacitor passa por um ciclo semelhante de carga e descarga.

Você vê que o supercapacitor, apesar de sua construção eletroquímica, ainda armazena carga na forma de um campo eletrostático. Funciona exatamente como qualquer outro capacitor. É por isso que, apesar da construção semelhante à de uma bateria, os supercapacitores são classificados como capacitores e não como baterias. Comparados às baterias, os supercapacitores podem passar por vários milhares de ciclos de carga e descarga. Portanto, eles podem servir como uma excelente fonte de carga ou reserva de energia em circuitos operados por bateria.

Supercapacitores práticos
As células do supercapacitor têm uma tensão terminal muito baixa que pode variar de 1V a 3V. Ao conectar células de supercapacitores em série, sua classificação de tensão pode ser multiplicada. Da mesma forma, a conexão paralela de células supercapacitores multiplica a capacitância efetiva. Como resultado, os supercapacitores são geralmente usados ​​como uma matriz de células onde são conectados em série ao longo das linhas e em paralelo ao longo das colunas. A equação a seguir fornece a classificação de tensão final do pacote:

V = N * VCélula
Onde,
V é a tensão terminal efetiva do pacote
N é o número de linhas ou número de células supercapacitores conectadas em série em cada coluna
VCélula é a tensão terminal de células supercapacitores individuais

A equação a seguir fornece a capacitância efetiva do pacote:

C = (M/N)*CCélula
Onde,
C é a capacitância efetiva
M é o número de colunas ou número de células de supercapacitores conectadas em paralelo em cada linha
N é o número de linhas ou número de células supercapacitores conectadas em série em cada coluna
CCélula é a capacitância de células supercapacitores individuais

Vantagens
Os supercapacitores têm as seguintes vantagens notáveis ​​sobre outros capacitores e baterias:

  • Capaz de armazenar uma grande quantidade de energia na forma de um campo eletrostático.
  • Alta densidade de potência e tamanho compacto, o que os torna adequados para armazenamento de carga em circuitos eletrônicos típicos.
  • Capacidade de carregar e descarregar em um curto espaço de tempo e pode ser usado para atender picos frequentes de demanda de energia e pode fornecer grandes rajadas de energia por curtos períodos.
  • Não envolvem reações eletroquímicas e, portanto, não apresentam desgaste operacional e aumentam a vida útil. Eles podem ser usados ​​centenas de milhares de vezes sem a necessidade de substituição.

Formulários
Devido à sua capacidade de armazenamento de carga, tamanho pequeno e carregamento e recarga rápidos, os supercapacitores encontraram aplicações em muitas tecnologias emergentes. Um dos principais domínios onde os supercapacitores eventualmente reservaram um lugar é a indústria de transportes. Em veículos elétricos, supercapacitores são usados ​​nos sistemas de frenagem para armazenar EMF produzidos pelos motores DC. A carga armazenada pelos supercapacitores pode ser aplicada para alimentar os sistemas elétricos do veículo e recarregar baterias. Nos veículos elétricos, os supercapacitores também podem servir como reserva de energia para as baterias, portanto, baterias menores precisam ser instaladas neles. Os veículos híbridos (que desligam completamente o motor ao parar) utilizam supercapacitores para religar o motor após cada parada.

Um supercapacitor CAP-XX GW134T Thinline retratado com um cartão SD, uma moeda de dez centavos e um cartão de crédito. (Imagem: CAP-XX)

Outra aplicação útil dos supercapacitores é em veículos de tração. Os veículos de tração passam por múltiplas fases de aceleração, cruzeiro e desaceleração. Os supercapacitores podem ser usados ​​em tais veículos para lidar com flutuações de tensão e perdas de energia operacional.

Hoje, os supercapacitores são geralmente usados ​​junto com unidades de exibição de smartphones, laptops e computadores para ligar a tela em pouco tempo. Eles também são usados ​​em dispositivos de memória e backups de energia.

Os supercapacitores são agora usados ​​em muitos outros espaços de aplicação onde são necessários backups de energia urgentes ou picos de energia imediatos. A combinação de supercapacitores com baterias pode permitir fontes de energia elétrica menores e compactas.

No próximo tutorial, discutiremos indutores.

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