Quem utiliza FPV (First Person View) no aeromodelismo ou em outros modelos de rádio controle normalmente começa pensando na câmera e no transmissor de vídeo.
Mas quando começamos a montar uma estrutura de campo mais completa, aparecem outros problemas interessantes de elétrica e eletrônica.
Foi exatamente o que aconteceu quando montei minha caixa de campo para FPV.
Nela concentrei os equipamentos necessários para utilizar o sistema. Para alimentar tudo, resolvi utilizar duas baterias LiPo 3S. Porém, as duas baterias não trabalham simultaneamente: enquanto uma está alimentando o sistema, a outra permanece conectada, mas em espera.
A ideia parecia simples:
quando uma bateria estivesse chegando ao momento de ser substituída, eu mudaria para a outra.
Mas apareceu uma questão:
como trocar de bateria sem desligar, mesmo que por uma fração de segundo, os equipamentos do FPV?
A solução que utilizei foi muito interessante justamente por permitir entender, na prática, uma das aplicações do capacitor.
Primeiro: o que é um capacitor?
De maneira bastante simplificada, podemos pensar no capacitor como um componente capaz de armazenar carga elétrica.
Ele não é uma bateria.
Seu comportamento e sua capacidade de armazenamento são muito diferentes.
Mas podemos carregar um capacitor e depois utilizar temporariamente a energia armazenada nele.
Foi exatamente essa característica que aproveitei no projeto.
A ideia era fazer o capacitor sustentar o circuito durante o pequeno intervalo existente na comutação entre uma bateria e outra.
O problema surgiu quando coloquei uma chave para selecionar as baterias
Na minha caixa de campo FPV, as duas LiPos 3S ficam conectadas ao sistema.
Entretanto, apenas uma é utilizada por vez.
Para fazer a seleção entre elas, utilizei uma chave DPDT. No projeto original, a chave empregada possui 9 pinos.
Conceitualmente, temos:
LiPo 1 → chave seletora → sistema FPV
ou:
LiPo 2 → chave seletora → sistema FPV
Quando mudo a posição da chave, deixo de consumir energia de uma bateria e passo a utilizar a outra.
Muito simples.
Só que existe um detalhe.
Durante a comutação pode existir um pequeno intervalo sem alimentação
Mesmo que a troca seja extremamente rápida, os contatos mecânicos da chave podem produzir um breve momento em que a alimentação anterior já foi interrompida e a nova ainda não foi estabelecida.
Para uma lâmpada, talvez esse intervalo sequer chamasse nossa atenção.
Mas equipamentos eletrônicos podem reagir de outra maneira.
Imagine o receptor de vídeo ou outro equipamento desligando e reiniciando a cada troca.
Além da interrupção, teríamos que esperar novamente sua inicialização.
Era justamente isso que eu queria evitar.
Foi aí que pensei no capacitor
O capacitor poderia funcionar como uma espécie de reserva temporária de energia.
Enquanto a bateria está alimentando normalmente o sistema, o capacitor permanece carregado.
Quando movemos a chave e a alimentação é momentaneamente interrompida, o capacitor começa a descarregar através da carga.
Então temos algo semelhante a:
Bateria 1 → sistema + capacitor carregado
depois, durante a troca:
capacitor → sistema
e imediatamente depois:
Bateria 2 → sistema + capacitor
Tudo acontece muito rapidamente.
A função do capacitor não é manter o equipamento funcionando durante minutos.
Ele precisa apenas atravessar aquele pequeno intervalo da comutação.
No meu projeto não utilizei apenas um capacitor
Utilizei dois capacitores de 4.700 µF cada.
E eles foram conectados em paralelo.
Portanto:
4.700 µF + 4.700 µF = 9.400 µF
Temos uma capacitância equivalente de aproximadamente:
9.400 µF
ou:
0,0094 F
Esse é um ótimo exemplo para entender o comportamento de capacitores associados em paralelo.
Por que ligar capacitores em paralelo?
Quando ligamos capacitores em paralelo, suas capacitâncias se somam.
Assim:
Ctotal = C1 + C2 + C3 + …
No meu caso:
Ctotal = 4.700 µF + 4.700 µF
Ctotal = 9.400 µF
Portanto, utilizando dois componentes que eu já tinha, consegui aumentar a capacitância disponível para sustentar o circuito durante a comutação.
Isso é diferente de capacitores em série
É importante não confundir as duas associações.
Em paralelo, as capacitâncias se somam diretamente.
Em série, a capacitância equivalente é calculada de outra maneira.
Para dois capacitores:
1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2
Portanto, se nosso objetivo é simplesmente aumentar a capacitância utilizando componentes iguais, a ligação em paralelo é bastante intuitiva.
Foi justamente a configuração utilizada na caixa FPV.
Mas por quanto tempo um capacitor consegue manter o equipamento ligado?
Aqui a experiência começa a ficar ainda mais interessante.
O tempo não depende apenas da capacitância.
Depende também de:
corrente consumida pela carga;
tensão inicial;
tensão mínima em que o equipamento ainda funciona;
capacitância disponível.
Uma aproximação bastante útil é:
I = C × ΔV / Δt
Reorganizando:
Δt = C × ΔV / I
Isso nos ajuda a entender por que um capacitor pode sustentar determinado equipamento durante uma interrupção muito breve, mas não necessariamente durante vários segundos.
Vamos imaginar um exemplo
Suponha apenas para fins didáticos que tenhamos:
C = 9.400 µF = 0,0094 F
e que o sistema consuma:
I = 0,5 A
Se admitirmos uma queda de tensão de 1 V durante a interrupção:
Δt = 0,0094 × 1 / 0,5
aproximadamente:
0,0188 segundo
ou cerca de:
19 milissegundos.
Parece pouquíssimo.
Mas lembre-se:
o objetivo não é substituir a bateria.
Estamos tentando atravessar uma interrupção produzida durante a comutação de uma chave.
Se o consumo for menor, o tempo aumenta
Utilizando a mesma capacitância, mas uma carga que consuma menos corrente, o capacitor descarregará mais lentamente.
Se a faixa de tensão aceitável pelo equipamento também for maior, podemos aproveitar uma variação maior antes que o dispositivo desligue.
É por isso que não existe uma resposta universal para:
“Quantos microfarads preciso?”
Precisamos conhecer o circuito.
E existe uma maneira prática de descobrir
Podemos calcular.
Mas também podemos testar.
Foi justamente esse tipo de aplicação prática que quis mostrar originalmente.
Monte o sistema de maneira segura.
Observe o comportamento sem o capacitor.
Faça a comutação.
O equipamento reinicia?
Depois instale a capacitância adequadamente dimensionada.
Faça novamente a troca.
Se o circuito permanecer funcionando, conseguimos visualizar diretamente o efeito da energia armazenada.
É uma demonstração muito interessante do funcionamento do capacitor.
O capacitor não mantém a tensão constante
Esse é um detalhe importante.
Quando a bateria deixa momentaneamente de alimentar o circuito, o capacitor começa a fornecer corrente.
Conforme ele descarrega, sua tensão diminui.
Portanto, não devemos imaginar:
bateria desconectou → capacitor continua fornecendo exatamente a mesma tensão indefinidamente.
Não funciona assim.
A tensão começa a cair.
O que esperamos é que a segunda bateria seja conectada antes que a tensão caia abaixo do mínimo necessário para o funcionamento dos equipamentos.
Quanto maior a capacitância, maior a reserva
Mantendo as demais condições, aumentar a capacitância aumenta a quantidade de carga disponível para sustentar o circuito durante a interrupção.
Isso explica por que utilizei dois capacitores de 4.700 µF em paralelo em vez de apenas um.
Mas isso não significa que devemos simplesmente instalar o maior capacitor que encontrarmos.
Capacitores maiores também trazem outras considerações.
Um capacitor descarregado pode produzir corrente de carga elevada
Quando conectamos um capacitor descarregado a uma fonte, ele começa a carregar.
Nos primeiros instantes, dependendo da resistência existente no circuito, pode circular uma corrente elevada.
Quanto maior a capacitância e mais baixa a resistência do caminho, mais relevante esse efeito pode se tornar.
Em sistemas maiores, isso pode exigir medidas para limitar a corrente de partida.
Para pequenos projetos, muitas vezes o efeito passa despercebido, mas é importante conhecer o princípio.
A tensão nominal do capacitor precisa ser respeitada
Essa talvez seja uma das informações mais importantes ao reaproveitar capacitores.
Um capacitor possui uma tensão máxima especificada.
Por exemplo:
10 V
16 V
25 V
35 V
ou outros valores.
Essa tensão não indica quanto o capacitor “produz”.
Ela indica a tensão máxima para a qual ele foi especificado.
Se o circuito trabalha com tensão superior àquela suportada pelo capacitor, não devemos utilizá-lo.
E uma LiPo 3S pode chegar a 12,6 V
Na minha caixa FPV utilizei baterias LiPo 3S.
Uma LiPo 3S possui tensão nominal de aproximadamente:
11,1 V
Mas completamente carregada chega aproximadamente a:
12,6 V.
Portanto, ao escolher um capacitor conectado diretamente a essa linha, precisamos considerar 12,6 V, e não apenas os 11,1 V nominais escritos na bateria.
Esse detalhe é muito importante no dimensionamento.
Capacitores eletrolíticos possuem polaridade
Os capacitores de alta capacitância utilizados nesse tipo de aplicação são frequentemente eletrolíticos.
E capacitores eletrolíticos convencionais possuem:
positivo (+)
e
negativo (–).
Essa polaridade precisa ser respeitada.
Ligá-los invertidos pode danificar o componente e pode ser perigoso.
Normalmente o corpo do capacitor possui uma faixa indicando o terminal negativo.
Mesmo assim, confira antes de energizar.
Dois capacitores em paralelo precisam estar com a polaridade correta
No meu arranjo:
os positivos ficam juntos;
os negativos ficam juntos.
Conceitualmente:
+ ── capacitor 1 ── –
+ ── capacitor 2 ── –
com os dois ligados sobre a mesma alimentação.
Assim temos a soma das capacitâncias.
Uma inversão de polaridade não é uma maneira de fazer associação série ou paralelo. É simplesmente uma ligação incorreta para eletrolíticos polarizados.
O capacitor precisa ficar eletricamente próximo da carga que queremos sustentar
Se o objetivo é manter determinados equipamentos alimentados durante a comutação, faz sentido posicionar a capacitância no lado da alimentação que permanece conectado à carga enquanto a chave troca as baterias.
Conceitualmente:
Bateria A ─┐
├→ chave → sistema FPV
Bateria B ─┘ │
capacitor
Assim, quando a chave atravessa a região de comutação, o capacitor continua conectado ao sistema.
Esse posicionamento é fundamental para que a ideia funcione.
A chave DPDT permite trabalhar com dois circuitos simultaneamente
DPDT significa Double Pole, Double Throw.
De maneira simplificada, podemos imaginar uma chave capaz de comutar dois polos entre diferentes contatos.
Dependendo do modelo físico da chave, a quantidade e disposição dos terminais pode variar.
No meu projeto específico utilizei uma chave descrita no artigo como DPDT de 9 pinos para realizar a seleção entre as baterias.
O importante é compreender o funcionamento real dos contatos antes de fazer as ligações.
Não confie apenas na aparência da chave
Se você possui uma chave e não sabe quais terminais são conectados em cada posição, existe uma ferramenta perfeita para descobrir:
o multímetro.
Utilize o teste de continuidade.
Coloque a chave em uma posição.
Identifique quais pinos apresentam continuidade.
Mude a posição.
Repita.
Em poucos minutos podemos mapear eletricamente uma chave desconhecida.
Isso é muito mais seguro do que tentar adivinhar.
Por que utilizar duas baterias?
No meu caso, o objetivo era aumentar a praticidade da caixa de campo.
Enquanto uma bateria está sendo utilizada, a outra permanece disponível.
Quando chega o momento da troca, basta atuar na chave.
Não preciso desligar todo o sistema FPV, desconectar uma bateria, conectar outra e esperar os equipamentos iniciarem novamente.
É quase como criar uma pequena redundância manual de alimentação.
Mas as duas baterias não ficam ligadas em paralelo
Esse ponto é importante.
O objetivo do meu projeto não era simplesmente conectar duas LiPos diretamente em paralelo para que trabalhassem simultaneamente.
O artigo original é claro: uma bateria está em uso enquanto a outra está em espera, embora ambas estejam conectadas ao sistema de seleção.
Quem determina qual bateria alimenta a carga é a chave.
Isso é diferente de unir diretamente os positivos e negativos de duas baterias.
Colocar LiPos diretamente em paralelo exige outros cuidados
Duas baterias com tensões diferentes ligadas diretamente em paralelo podem produzir correntes de equalização elevadas.
Por isso, não devemos interpretar este projeto como uma recomendação para simplesmente unir dois packs LiPo.
O sistema descrito utiliza uma comutação entre fontes.
Essa diferença é fundamental.
Esse princípio não serve apenas para FPV
A aplicação que fiz foi na caixa de campo FPV.
Mas o princípio é muito mais amplo.
Capacitores podem ser utilizados para ajudar circuitos a atravessar breves quedas ou interrupções de alimentação em várias aplicações.
Podemos encontrar conceitos semelhantes em:
microcontroladores;
sistemas embarcados;
equipamentos de comunicação;
circuitos digitais;
fontes;
sistemas automotivos;
modelismo.
Naturalmente, o dimensionamento muda completamente de uma aplicação para outra.
É quase como um “mini nobreak”, mas por pouquíssimo tempo
Como analogia didática, podemos imaginar o capacitor funcionando como uma reserva extremamente curta.
Um nobreak convencional pode manter um computador ligado durante minutos porque possui uma bateria e circuitos apropriados.
Meu sistema precisava apenas manter os dispositivos funcionando durante a troca realizada pela chave.
Então a reserva necessária é muito menor.
É justamente aí que capacitores de alguns milhares de microfarads podem se tornar úteis.
Também podemos usar um osciloscópio para observar o efeito
Para quem possui um osciloscópio, esse projeto permite uma experiência muito interessante.
Podemos monitorar a tensão da alimentação enquanto movimentamos a chave.
Sem a capacitância adequada, talvez observemos uma queda abrupta.
Com o capacitor, podemos observar a tensão sendo sustentada e depois decaindo durante o intervalo de comutação.
Assim, aquilo que visualmente percebemos como:
“o receptor não desligou”
passa a ser visto eletricamente como uma forma de onda.
Com o multímetro é mais difícil observar eventos tão rápidos
Um multímetro digital é excelente para medir tensões estáveis ou que variam lentamente.
Mas uma interrupção de poucos milissegundos pode acontecer rápido demais para aparecer claramente no display.
Isso não significa que ela não aconteceu.
É justamente por isso que equipamentos eletrônicos podem reiniciar mesmo quando o multímetro aparentemente continua mostrando uma tensão normal.
Cada instrumento possui sua finalidade.
Podemos calcular a energia armazenada
Outra maneira de analisar o capacitor é através da energia.
A energia armazenada pode ser aproximada por:
E = ½ × C × V²
Observe uma característica interessante:
a tensão aparece elevada ao quadrado.
Isso mostra que capacitância e tensão estão diretamente relacionadas à energia armazenada.
Mas novamente precisamos lembrar que o capacitor vai perdendo tensão conforme fornece essa energia à carga.
Esse projeto é uma excelente aula prática sobre capacitores
Muitas vezes aprendemos capacitores apenas através de símbolos e fórmulas.
Desenhamos duas placas.
Calculamos capacitância.
Estudamos associação série e paralelo.
Mas fica muito mais fácil entender quando enxergamos uma aplicação real.
No meu caso, o problema era extremamente concreto:
quero trocar a bateria da caixa FPV sem deixar meus equipamentos desligarem durante a comutação.
A solução:
armazenar energia suficiente para atravessar esse pequeno intervalo.
Foi exatamente para isso que utilizei dois capacitores de 4.700 µF ligados em paralelo.
Veja no vídeo o sistema funcionando
No vídeo original deste artigo mostro a caixa de campo utilizada no FPV e o funcionamento do sistema com duas baterias LiPo 3S, a chave utilizada para fazer a troca e os dois capacitores de 4.700 µF em paralelo, permitindo visualizar melhor a aplicação prática.
O mais interessante é entender por que funciona
Você poderia simplesmente copiar o circuito:
dois capacitores;
uma chave;
duas baterias;
alguns fios.
Mas o conhecimento realmente útil aparece quando entendemos o raciocínio.
Existe uma pequena interrupção na alimentação.
A carga não pode desligar.
Precisamos armazenar energia.
O capacitor consegue armazená-la.
Aumentamos a capacitância colocando dois capacitores em paralelo.
A energia armazenada sustenta o circuito durante a comutação.
A segunda bateria assume a alimentação antes que a tensão caia demais.
Pronto.
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