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Ultracapacitores (ART244)

Quando falamos em veículos autônomos e robôs móveis a primeira forma de fonte de energia que nos vem à mente para alimentar estes equipamentos é a bateria. No entanto, baterias têm limitações e em busca de novas formas de fontes de energia algumas têm se revelado bastante interessantes em algumas aplicações. Uma delas é o ultracapacitor. Com densidade de armazenamento altíssima e uma capacidade de corrente extremamente alta esta nova fonte de energia para alimentar robôs, veículos e outros equipamentos pode abrir novos campos para o projetista. Veja neste artigo o que são os ultracapacitores.

 

 

Até agora a melhor forma de obtermos energia barata e em boa quantidade para movimentar robôs, veículos e alimentar outros equipamentos elétricos e eletrônicos é através de baterias.

Estas células químicas convertem energia química em energia elétrica num fluxo constante com um bom rendimento mas possuem algumas limitações.

Uma bateria tem a corrente máxima limitada pela sua resistência interna. Assim, ela não pode fornecer picos de corrente elevados o que pode ser importante em algumas aplicações.

Se uma bateria tiver de fornecer uma corrente muito intensa por um curto intervalo de tempo, a sua tensão cai e a maior parte da energia passa a ser dissipada no seu interior, conforme mostra a figura 1.

 

Isso significa que baterias são boas para fornecer energia em pequenas doses por intervalos prolongados de tempo.

Mas, não é só em baterias que podemos armazenar energia elétrica.

Um dispositivo que também pode armazenar cargas elétricas sob determinada tensão é o capacitor.

 

O capacitor

Um capacitor é formado por duas placas de metal separadas por um material isolante, denominado dielétrico. O material de que é feito o dielétrico determina seu nome: capacitores de mica, cerâmica, poliéster, policarbonato, eletrolítico, etc.. Na figura 2 temos a construção básica de um capacitor.

 

A quantidade de cargas que um capacitor pode armazenar, ou seja, sua capacitância depende da superfície das placas de metal (armaduras), da espessura do dielétrico e do material de que é feito o dielétrico através do que denominamos "constante dielétrica".

Assim, para armazenar mais cargas os capacitores devem ter grandes superfícies de armadura e a espessura do dielétrico deve ser a menor possível.

Uma técnica muito usada para se conseguir boas capacidades de armazenamento e portanto grandes capacitâncias, consiste em se enrolar o dielétrico e as armaduras na forma de tubos, obtendo-se assim os chamados capacitores tubulares, conforme mostra a figura 3.

 

Armazenando Energia no Capacitor

A energia armazenada num capacitor depende tanto de sua capacitância como da tensão em que as cargas se encontram, conforme mostra a figura 4.

 

Esta energia pode ser calculada pela fórmula:

 

E = 1/2 x C x V2

 

Onde:

E é a energia armazenada em joules (J)

C é a capacitância do capacitor em farads (F)

V é a tensão em que as cargas são mantidas em volts (V)

 

Ocorre entretanto, que os capacitores comuns não são capazes de armazenar muita energia. Os maiores capacitores comuns são os eletrolíticos.

Neles o dielétrico consiste numa finíssima camada de óxido de alumínio que é formada num eletrodo quando uma substância química denominada eletrólito a ataca, conforme mostra a figura 5.

 

Este óxido além de ser finíssima tem uma constante dielétrica algo elevada o que permite a obtenção de capacitâncias algo elevadas.

Os tipos comuns com tamanhos mostrados na figura 6 podem ter capacitâncias de 1 uF a 100 000 uF tipicamente.

 

Maiores densidades de armazenamento podem ser obtidas com materiais de constantes dielétricas maiores como o tântalo, dando origem assim a família dos capacitores de tântalo mostrada na figura 7.

 

Mas, mesmo assim, a energia armazenada num capacitor de 100 000 uF ((0,1) com uma tensão de 6 V é irrisória quando compara a uma pilha.

 

Um capacitor deste tamanho armazena:

 

E = 1/2 x 0,1 x 36

E = 1,8 Joules

 

Isso significa que ele poderia alimentar uma lâmpada de 6 V x 100 mA (600 mW) por apenas 3 segundos!

 

Qual a vantagem de se usar capacitores como fontes de energia?

É evidente que com esta capacidade de fornecimento de energia, um capacitor não pode substituir uma pilha comum ou bateria que pode alimentar a mesma lâmpada por horas seguidas.

No entanto, os capacitores têm uma característica que as baterias não têm: baixa resistência interna.

Os capacitores podem fornecer toda a energia armazenada de forma praticamente instantânea.

Isso ocorre porque possuem uma resistência interna muito baixa que não limita a corrente como ocorre no caso das baterias e pilhas.

Assim, o capacitor pode ser útil se precisarmos fornecer uma corrente muito alta a um circuito por um curtíssimo intervalo de tempo.

É por este motivo que na maioria dos circuitos eletrônicos, em paralelo com a bateria ligamos um capacitor de alto valor que é justamente para suprir os picos de corrente mais intensos em determinados momentos, o que não pode ser feito com uma bateria comum, conforme mostra a figura 8.

 

Os ultracapacitores

Se, por um lado as baterias fornecem correntes pequenas durante intervalos de tempo longos e os capacitores podem ser usados para fornecer correntes intensas por curtíssimos intervalos de tempo, o projetista poderá em breve contar com uma solução intermediária: o ultracapacitor.

Usando tecnologias apropriadas é possível multiplicar a densidade de armazenamento de energia e com isso fabricar capacitores de valores tão elevados que permitem o armazenamento de quantidades de energia que sejam comparadas a que uma pilha ou bateria comum pode armazenar.

Isso nos permite colocar o ultracapacitor como fonte de energia num ponto intermediário entre o capacitor comum e a bateria, conforme mostra a figura 9.

 

Conforme vimos, num capacitor a capacitância é tanto maior quando maior for a superfície efetiva das armaduras e menor a espessura do dielétrico.

Para se obter capacidades de armazenamento enormes, o que se faz no ultracapacitor é utilizar um eletrodo poroso à base de carbono, o qual é imerso numa substância condutora (eletrólito), conforme mostra a figura 10.

 

O eletrólito penetra nos poros do carbono e reagindo forma uma película ultrafina, da ordem de angstroms cobrindo internamente todos os poros e atuando assim como dielétrico.

A superfície total ocupada pelo dielétrico é enorme já que se espalha internamente por todos os poros. Pode-se então obter uma densidade de capacitância até 100 vezes maior do que a que seria possível com as tecnologias de fabricação dos capacitores eletrolíticos convencionais.

Em outras palavras, dois capacitores do mesmo tamanho e mesma tensão de trabalho, sendo um eletrolítico comum e o outro um ultracapacitor, o ultracapacitor tem uma capacitância 100 vezes maior, conforme mostra a figura 11.

 

Outra característica importante que é obtida nos ultracapacitores é sua baixíssima resistência em série, conforme podemos ver pelo circuito equivalente da figura 12 e que limita a corrente de pico de descarga.

 

Os ultracapacitores têm resistências da ordem de fração de milésimo de ohm. Assim, para um capacitor de 0,1 mOhm com 2,5 V é possível obter uma corrente de pico de 625 ampères!

Um exemplo do que isso significa, um ultracapacitor desenvolvido por uma empresa americana do tamanho de uma moeda pode armazenar energia suficiente para fornecer por alguns segundos a corrente necessária para a partida de um motor de caminhão!

 

Aplicações Atais e Possíveis para os Ultracapacitores:

a) No Break - os ultracapacitores podem manter o circuito em funcionamento por alguns segundos durante curtas interrupções no fornecimento de energia. Além disso ele atua como excelente dispositivo para absorver surtos e transientes.

b) Partida rápida para carro - os ultracapacitores podem ser usados para a partida de carros sob quaisquer condições de tempo já que seu desempenho, diferentemente das baterias, não é afetado pela temperatura. Além disso, o processo da partida contribui para a diminuição da vida útil da bateria pela corrente exigida, sendo o capacitor uma alternativa para prolongar sua vida útil.

c) Preaquecimento do catalisador - os catalisadores dos carros precisam de um  certo tempo para aquecer e entrar em ação evitando a emissão de gases poluentes. Com o uso do ultracapacitor no preaquecimento estes dispositivos entram em ação no momento em que o carro é ligado.

d) Sinalização em bóias e faróis alimentado por baterias solares durante o dia.

e) Aplicações onde carga rápida é importante tais como brinquedos veículos mecatrônicos, etc.

f) Back up de memórias - mantendo alimentadas RAM por longos intervalos de tempo.

g) Uso automotivo principalmente em veículos elétricos.

 

Aplicações em Robótica e Mecatrônica

Existem casos em que se necessita de uma pot6encia muito grande por apenas alguns segundos ou mesmo fração de segundo e isso não pode ser conseguido a partir de baterias ou motores comuns.

Com os ultracapacitores isso é possível.

Podemos citar como exemplo o caso de um robô de combate que pode precisar de uma alta potência apenas por um instante para acionar uma garra que esmague o adversário, ou ainda desferir um potente golpe.

Um robô que seja usado em trabalhos de salvamento pode precisar de uma potência instantânea elevada para arrombar uma porta ou vencer um obstáculo em seu caminho.

Na industria uma potência instantânea muito alta pode ser usada para que uma ferramenta possa furar, cortar ou dobrar uma peça mesmo que a máquina não disponha de uma fonte de capacidade elevada. A energia ficará armazenada no ultracapacitor sendo então aplicada ao ponto em que é necessária apenas pela fração de segundo que resulte nos efeitos desejados.

 

 


 

 

PowerCache Fornece Capacitots para Caminhões Militares

A empresa Power Cache está fornecendo capacitores de 2 700 Farads (isso mesmo Farads!) para o caminhão militar Oshkosh que utiliza um sistema hibrido de propulsão que emprega eletricidade e combustão interna.

 

 


 

 

PC2500 ULTRACAPACITOR

Este capacitor fornece até 100 vezes mais energia que capacitores convencionais e correntes de pico 10 vezes maiores que bateria convencional.

Dentre as suas aplicações está o uso conjunto com fo0ntes primárias como baterias, células a combustível, geradores, etc.

O capacitor mostrado na foto tem as seguintes características:

* Capacitância: 2 700 Farads (-10%/+30%)

* Resistência em série DC: 1,0 mOhms

* Tensão contínua: 2,5 V

* Tensão de pico: 2,7 V

* Corrente de pico: 625 ampères

* Dimensões: 161 x 61,5 x 61,5 mm

 

 


 

EMI - Uma Aplicação Como Arma

EMI é a abreviação de Electro-Magnetic Pulse ou Pulso Eletromagnético. Há alguns anos os militares soviéticos desenvolveram uma arma bastante simples baseada na sensibilidade dos aparelhos eletrônicos à interferência eletromagnética: num conflito com os americanos eles simplesmente detonariam uma bomba atômica entre a ionosfera e a atmosfera da terra. Como a ionosfera funciona como uma das armaduras de um gigantesco capacitor em que a outra armadura é a própria terra, contendo uma carga elétrica descomunal, a detonação colocaria em curto este capacitor descarregando-o com uma faisca de proporções enormes no local da explosão. Pois bem, esta faisca geraria uma corrente de descarga com a produção de um pulso eletromagnético tão forte que quemaria todos os circuitos eletrônicos sensíveis num raio de muitos quilometros. Todos os equipamentos eletrônicos  dos inimigos como radares, sistemas de guia de mísseis, detectores, sistemas de comunicações ficariam instantaneamente inutilizados!

Mas, e o deles? Os russos desenvolveram na ocasião uma tecnologia eletrônica totalmente baseada em válvulas (o que no ocidente era visto como atraso!) que não são sensíveis aos pulsos eletromagnéticos. Os equipamentos deles não seriam afetados.

A guerra fria acabou e parece que o projeto não tem mais finalidade, mas existe ainda um perigo: os computadores e outros sistemas sensíveis de armazenamento de dados.

Um terrorista que carregum ultracapacitor numa maleta (e ele é pequeno o suficiente para isso) e entre num local com muitos computadores pode ao simples apertar de um botão comandar um circuito de descarga de baixa resistência formado por um pedaço de fio ou uma bobina. O resultado será uma corrente instantanea de várias centenas ou milhares de amperes que gera um potente pulso eletromagnético capaz de afetar computadores, discos rígidos, memórias, etc apagando seu conteúdo ou paralisando seu funcionamento! Uma forma de terrorismo que deve ser analisada!

 

 

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