Tipos e desempenho de condensadores

Capacitores são componentes passivos que armazenam carga elétrica. Esta função única, no entanto, pode ser usada de muitas maneiras dentro de uma grande variedade de aplicações – AC e DC, analógica e digital. Exemplos incluem circuitos de temporização e modelagem de ondas, acoplamento e desacoplamento, filtros de forma de onda e alisamento, sintonia de tv e rádio, osciladores e, com supercapacitores, armazenamento de carga para dispositivos como lâmpadas de flash de câmera. Esta diversidade, aliada à escala para acomodar níveis variáveis de potência, corrente e tensão, significa que os capacitores vêm em muitas formas, tamanhos e técnicas de construção.

Este artigo examina capacitores, e o significado da capacitância elétrica. Em seguida, examina as propriedades – além da capacitância – que definem o desempenho dos componentes e o impacto no seu circuito alvo. Em seguida, mostra como essas propriedades são exibidas de forma variada pelos diferentes tipos de capacitores atualmente disponíveis, e como elas influenciam a escolha do tipo de capacitor por um designer.

Por vezes, no entanto, a primeira escolha aparente para um projeto pode não ser o melhor caminho a seguir; pode ser desejável substituir uma tecnologia de capacitores por outra por alguma razão. Assim, o artigo termina com um breve exemplo de como capacitores poliméricos podem substituir tipos cerâmicos multicamadas.

O que é um capacitor?

Como mostra a Fig.1, um capacitor é composto por duas placas condutoras próximas uma da outra, separadas por um isolante ou dielétrico. Aplique uma corrente DC através das placas, e elas acumularão cargas iguais e opostas; negativa em uma placa, e positiva na outra. Retire a fonte de alimentação e as placas reterão a sua carga, além de fugas. Então, se as placas estiverem conectadas através de uma carga tal lâmpada de flash da câmera, elas liberarão toda sua energia para alimentar o flash.

Note que o design de um capacitor significa que ele bloqueia a corrente DC, mas conduz a corrente AC. Em geral, quanto maior a frequência da tensão CA, melhor o condensador conduz a corrente CA.

A quantidade de energia que um condensador pode armazenar é definida pela sua capacitância, medida em farads. Como um farad é uma unidade de capacitância impraticavelmente grande (exceto para supercapacitores), os componentes reais são classificados em uma das seguintes faixas SI, conforme apropriado:

• 1 mF (milifarad, um milésimo (10-3) de um farad)
• 1 μF (microfarad, um milionésimo (10-6) de um farad)
• 1 nF (nanofarad, um bilionésimo (10-9) de uma farad)
• 1 pF (picofarad, um trilião (10-12) de uma farad)

Em qualquer caso, a capacitância C em farads é dada pela equação:

Onde q é a carga em coulombs (+q e -q cargas nas placas) e V é a voltagem em volts através das placas.

>

Esta dá uma relação tensão/corrente de

>

Onde i = corrente em amperes.

A energia armazenada num condensador é encontrada integrando o trabalho W (Watts)

A primeira das equações acima diz-nos que o aumento da capacitância permite armazenar mais carga para uma dada tensão através do condensador. A capacitância pode ser aumentada aumentando o tamanho das placas, aproximando as placas, ou melhorando as propriedades de isolamento do dielétrico. Capacitores de todos os tipos atingem seus valores de capacitância alvo, ajustando estas três variáveis para se adequarem. Portanto, se um valor de capacitância requerido pode ser obtido com vários tipos de capacitores, como podemos decidir qual o melhor tipo para qualquer aplicação?

A resposta é que, embora os capacitores ideais só teriam capacitância, os dispositivos reais também têm muitos outros parâmetros e características que afetam o seu desempenho dentro e a adequação para a sua aplicação alvo. Estes fatores dependem da tecnologia do condensador utilizado, e todos devem ser considerados na escolha de uma solução ótima.

Critérios incluem tensão de operação, tamanho do dispositivo, resposta em freqüência, envelhecimento (secagem do eletrólito úmido) causando perda de capacitância, temperatura máxima de operação recomendada, inflamabilidade e propriedades auto-regenerativas. Por vezes, é necessária uma resistência parasitária extremamente baixa (conhecida como resistência em série equivalente ou ESR) para minimizar as perdas I2R em aplicações de corrente elevada.

Próximo, analisamos mais de perto estas e outras propriedades dos condensadores e, em seguida, a forma como são reflectidas nos vários tipos de condensadores.

Propriedades do condensador

A publicação da KEMET ‘Introduction to capacitor technologies’ contém muita informação útil, e forneceu o pano de fundo para a discussão das propriedades do condensador dada abaixo.

Características dielétricas e CV do condensador

As propriedades dielétricas influenciam a eficiência volumétrica dos condensadores, ou seja, a quantidade de capacitância por volume dado. Isto é expresso como um valor CV, onde C = capacitância e V é tensão. Valores CV são considerações importantes ao projetar sistemas portáteis ou placas de circuito muito densamente povoadas onde a alta capacitância dentro do volume mínimo é essencial.

Alguns dielétricos, como o tântalo, são conhecidos por suas propriedades de alto CV. O CV também pode ser aumentado maximizando a área útil da superfície do eletrodo e minimizando as despesas gerais do pacote.

Problemas de capacitância prática

A capacitância utilizável de um capacitor pode diferir de seu valor nominal devido a vários fatores. Estes incluem:

• Temperatura
• Umidade
• Tensão CA e CC
• Frequência de sinal
• Idade do condensador
• Mecânico
• Efeito Piezoeléctrico

Quando se selecciona um condensador para uma aplicação, suas classificações para estes fatores devem ser levadas em consideração.

Tolerâncias são outra consideração importante. Os capacitores são codificados com tolerância, sendo os códigos mais comuns:

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2.5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Corrente de fuga vs resistência de isolamento

Os materiais dieléctricos nos condensadores não são isoladores ideais; podem deixar passar uma pequena corrente de fuga DC por várias razões específicas de cada tipo dieléctrico. Isto fará com que a tensão terminal de um condensador carregado caia lentamente à medida que a corrente de fuga drena a sua carga.

De um modo geral, a resistência de isolamento tende a diminuir à medida que os valores de capacitância aumentam. A corrente de fuga aumenta com o aumento da temperatura.

A relação entre a corrente de fuga (CA) e a resistência de isolamento (IV) do condensador é dada pela fórmula simples:

I(CA) = V/R(IR)

Comportamento de carga/descarga

Quando uma tensão contínua é aplicada a um condensador em série com uma resistência, o condensador carrega a uma taxa definida pela tensão aplicada, o estado da carga em relação ao seu valor final, a resistência em série e a sua própria capacitância. O produto de resistência-capacitância, RC, é conhecido como a constante de tempo do circuito. Para ser mais preciso, a constante de tempo RC é o tempo necessário para carregar o condensador em 63,2% da diferença entre o valor inicial e o final. O mesmo valor RC também rege o tempo necessário para descarregar o condensador através do resistor de série.

Força dieléctrica

Se a tensão através de um condensador for aumentada o suficiente, o campo eléctrico acabará por provocar a quebra do dieléctrico e conduzir a corrente. Com alguns dieléctricos, o efeito é permanente, pelo que o condensador é destruído.

Alguns dieléctricos, no entanto, podem auto-regenerar. Por exemplo, condensadores de filme e papel com eléctrodos muito finos podem auto-recuperar à medida que a grande corrente de ruptura aquece as camadas do eléctrodo, provocando a evaporação e oxidação dos metais da área afectada, isolando assim o caminho do curto-circuito do resto do condensador. Este processo pode ocorrer mesmo em aplicações de potência muito elevada, classificada até vários kilowatts.

Dissipação de energia

Quando a tensão CA é aplicada através de um condensador, a corrente flui através do seu material dieléctrico e partes condutoras. Na prática, parte desta corrente é dissipada na pequena quantidade de resistência dentro do condensador. Esta dissipação manifesta-se como um aumento de temperatura no condensador. A resistência total do condensador, chamada Resistência de Série Equivalente (ESR) é uma soma de dois elementos:

• Resistência do material dieléctrico
• Resistência das partes condutoras

Indutância

Os eléctrodos e fios de chumbo ou terminações de um condensador são condutores metálicos, que têm alguma indutância associada a eles. Esta indutância tende a resistir a mudanças na corrente AC através do condensador. É conhecida como Indutância Equivalente Série ou ESL.

Descrição equivalente do circuito do condensador

As partes condutoras de um condensador têm uma resistência óhmica associada que se combina com a resistência dieléctrica para formar uma Resistência Equivalente Série (ESR). Um capacitor prático pode ser descrito usando um circuito chamado equivalente como na Fig.2, onde uma resistência (ESR) e um indutor (ESL) estão em série com uma capacitância pura paralela a uma resistência igual à resistência de isolamento do dielétrico.

Diferentes tipos de condensador

Fig.3 resume os diferentes tipos de condensador actualmente disponíveis. Nós revisamos os tipos de capacitores fixos abaixo.

Caoacitorguide.com fornece explicações detalhadas dos diferentes tipos de condensadores e sua construção; a informação do tipo de condensador abaixo (exceto para Glass and Feedthru) é baseada neste conteúdo.

Film

Capacitorguide.com usa uma película plástica fina como dielétrico; esta pode ser metalizada ou deixada sem tratamento, dependendo das propriedades necessárias do condensador. Estes tipos oferecem estabilidade, baixa indutância e baixo custo. As diferentes versões de película incluem poliéster, metalizado, polipropileno, PTFE e poliestireno. As capacitâncias variam abaixo de 1nF a 30µF.

Estes tipos de capacitores são não polarizados, tornando-os adequados para aplicações de sinal CA e energia. Os capacitores de filme podem ter valores de capacitores de muito alta precisão, que eles retêm por mais tempo do que outros tipos de capacitores. São muito confiáveis com longa vida útil, com um processo de envelhecimento geralmente mais lento que outros tipos, como o eletrolítico. Possuem baixos valores de ESR e ESL, portanto, fatores de dissipação muito baixos. Eles podem ser feitos para suportar tensões na faixa de quilovolts e podem fornecer pulsos de corrente de pico muito altos.

Power film capacitors are available that can withstand reactive power in exceeding of 200 volt-amperes. Estes são utilizados em dispositivos eletrônicos de potência, phas shifters, flashes de raios X e lasers pulsados. As variantes de baixa potência são utilizadas como condensadores de desacoplamento, filtros e em conversores A/D. Outras aplicações notáveis são capacitores de segurança, supressão de interferência eletromagnética, balastros de luz fluorescente e capacitores snubber.

Cerâmica

Capacitores de cerâmica usam um material cerâmico como dielétrico. O condensador de chips multicamadas (MLCC) e o condensador de discos cerâmicos são os tipos mais utilizados na electrónica moderna. Os MLCCs são feitos em formas de tecnologia de montagem em superfície (SMT), e amplamente utilizados devido ao seu pequeno tamanho. Os valores de capacitância estão normalmente entre 1 nF e 1 µF, embora estejam disponíveis valores de até 100 µF. Eles são não polarizados, portanto podem ser usados em circuitos AC. Têm uma grande resposta de frequência devido aos baixos efeitos parasitas resistivos e indutivos.

Existem hoje duas classes de condensadores cerâmicos disponíveis: classe 1 e classe 2. Os condensadores cerâmicos de classe 1 são utilizados onde são necessárias alta estabilidade e baixas perdas. Eles são muito precisos, e o valor da capacitância é estável em relação à tensão aplicada, temperatura e frequência.

Capacitores classe 2 têm uma alta capacitância por volume e são utilizados para aplicações menos sensíveis. Sua estabilidade térmica é tipicamente ±15% na faixa de temperatura de operação, e as tolerâncias do valor nominal estão em torno de 20%.

MLCCs oferecem altas densidades de empacotamento para montagem em placas de circuito impresso, embora também estejam disponíveis componentes cerâmicos de grande potência física que podem suportar tensões de 2 kV até 100 kV, com potências superiores a 200 VA.

Electrolítico

Capacitores electrolíticos usam um electrólito para fornecer um valor de capacitância maior do que outros tipos de capacitores. Quase todos os condensadores electrolíticos são polarizados, pelo que devem ser utilizados em circuitos DC e correctamente enviesados. Os capacitores eletrolíticos podem ser de electrólito úmido ou de polímero sólido. Eles são normalmente feitos de tântalo ou alumínio. Os capacitores de alumínio normalmente têm capacitâncias entre 1 µF e 47 mF, com uma tensão de operação de até algumas centenas de volts CC. Entretanto, os supercapacitores, às vezes chamados capacitores de dupla camada, também estão disponíveis com capacitâncias de centenas ou milhares de farads.

Drawbacks incluem grandes correntes de fuga, amplas tolerâncias de valor tipicamente de 20%, resistência em série equivalente e uma vida útil limitada. Os valores de capacitância também se desviam ao longo do tempo. Capacitores podem superaquecer ou mesmo explodir se submetidos a tensões de polaridade inversa.

Capacitores eletrolíticos são usados em aplicações que não precisam de tolerâncias apertadas e polarização CA, mas requerem grandes valores de capacitância. Exemplos incluem estágios de filtragem em fontes de alimentação para remover ondulação AC, ou para suavização de entrada e saída como um filtro de baixa passagem para sinais DC com um componente AC fraco.

Supercapacitores

Supercapacitores são um tipo de eletrolítico, como descrito acima. Eles podem armazenar quantidades extremamente grandes de energia elétrica usando dois mecanismos; capacitância de camada dupla e pseudocapacitância. O primeiro é eletrostático, enquanto o segundo é eletroquímico, portanto os supercapacitores combinam as características dos capacitores normais com as das baterias comuns.

De facto, são utilizados como alternativas às baterias em muitas aplicações, incluindo Sistemas de Recuperação de Energia Cinética Automóvel (KERS), flash fotográfico e memória RAM estática. As possibilidades futuras incluem telemóveis, portáteis e carros eléctricos; a sua vantagem mais excitante é a sua taxa de recarga muito rápida, o que significa que um carro eléctrico pode ser recarregado em poucos minutos.

Esta tecnologia pode atingir valores de capacidade até 12000 F. Têm tempos de carga e descarga muito rápidos, comparáveis aos condensadores normais, devido à sua baixa resistência interna. Em contraste, as baterias podem demorar até várias horas para ficarem totalmente carregadas. Os supercapacitores também têm potências específicas 5 a 10 vezes superiores às das baterias; por exemplo, 10 kW/Kg em comparação com 1 – 3 kW/Kg para baterias de íon-lítio. Os supercapacitores não aquecem tanto quanto as baterias quando mal tratados, e têm uma vida útil de ciclo praticamente ilimitada, em comparação com os 500+ ciclos típicos para baterias.

Desvantagens dos supercapacitores incluem baixa energia específica (Wh/Kg), uma característica de tensão de descarga linear (Um supercapacitor classificado para 2,7 V de saída cairia para 1,35 V a 50% de descarga, por exemplo) e custos elevados. Estes têm evitado até agora a substituição de baterias por supercapacitores na maioria das aplicações.

Mica

Capacitores de mica hoje em dia significam condensadores de mica prateada, feitos por folhas de mica em sanduíche revestidas com metal em ambos os lados. Os valores de capacitância são pequenos, geralmente de alguns pF até alguns nF, embora os maiores tipos de mica possam atingir 1 µF. Os valores de tensão são tipicamente de 100 a 1000 volts, embora alguns condensadores sejam classificados até 10 kV para aplicações de transmissores RF. Eles também são usados em outras aplicações de alta tensão, devido à sua alta tensão de ruptura.

São de baixa perda, permitindo o uso em altas freqüências, confiáveis, e seu valor permanece estável ao longo do tempo. Os capacitores também são estáveis em amplas faixas de tensão, temperatura e frequência. Eles são geralmente de valor capacitivo relativamente pequeno. Oferecem precisão, com tolerâncias tão baixas como +/- 1%. Entretanto, os capacitores são volumosos e caros.

Capacitores de vidro

Capacitores de vidro são usados em circuitos de RF onde o desempenho final é exigido. Eles oferecem um coeficiente de temperatura baixo sem histerese, taxa de envelhecimento zero, sem ruído piezoelétrico, taxa de envelhecimento zero e perda extremamente baixa. Eles também têm uma grande capacidade de corrente de RF, com altas temperaturas de operação, muitas vezes até 200°C.

Feedthru

AVX oferece uma linha de capacitores de passagem, que estão disponíveis nos tamanhos padrão 0805 e 1206. Esses capacitores são a escolha ideal para supressão de EMI, filtragem de E/S de banda larga ou condicionamento de linha de alimentação Vcc. A construção exclusiva de um capacitor de passagem proporciona baixa indutância paralela e oferece excelente capacidade de desacoplamento para todos os ambientes de alta di/dt e proporciona significativa redução de ruído em circuitos digitais de até 5 GHz. AVX oferece capacitores feedthru de grau automotivo qualificados para AEC-Q200. Estes condensadores estão disponíveis em dieléctricos NP0 e X7R com opções de terminação incluindo Ni laminado e Sn.

Interchangeability of capacitor types

Although the various capacitor types are optimised for different applications, it may be possible or desirable to replace one type for another. Por exemplo, a Panasonic escreveu um documento branco detalhado mostrando como os capacitores de polímeros podem substituir os MLCCs em várias aplicações. As informações deste artigo são dadas abaixo.

Desenvolvimentos modernos em ICs, e expectativas relacionadas ao seu desempenho, impuseram exigências mais exigentes aos seus componentes relacionados, incluindo capacitores. Esta tendência é evidente, por exemplo, nos projetos de conversores DC-DC. Estes estão a conduzir para uma maior eficiência energética, aumentando as correntes de carga, miniaturização e frequências de comutação mais elevadas. Tais tendências exigem condensadores que possam lidar com cargas de corrente mais elevadas a partir de um volume menor. Há uma necessidade crescente de equilibrar alto desempenho e densidade de energia contra resistência de longo prazo, alta confiabilidade e segurança.

Capacitores de saída são essenciais para os conversores DC-DC porque, juntamente com o indutor principal, eles fornecem um reservatório de energia elétrica para a saída, e suavizam a tensão de saída. Os capacitores de entrada devem ter um bom desempenho em termos de dissipação de energia e desempenho de ondulação. Eles devem manter a tensão e garantir que a tensão do trilho permaneça estável ao inversor.

Vários tipos de capacitores podem ser usados para estas funções de entrada e saída do conversor DC-DC. A figura 8 mostra algumas opções, incluindo capacitores eletrolíticos, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, capacitores de filme e capacitores multicamadas de cerâmica (MLCCs), e classifica seu desempenho de acordo com cada característica. Enquanto a melhor escolha depende da aplicação, podemos comparar as características relativas de cada tipo.

Embora os condensadores electrolíticos forneçam o maior ESR, a sua capacidade e desempenho de corrente de fuga degrada-se significativamente a temperaturas e frequências mais elevadas. Os capacitores cerâmicos de ESR e ESL muito baixos fornecem um grande desempenho transitório, mas eles têm limitações na redução da capacidade. Eles também podem operar com correntes de ondulação muito altas, mas são propensos a falhas de envelhecimento e requerem campos elétricos operacionais mais baixos.

Capacitores eletrolíticos de polímero são populares em fontes de alimentação para circuitos IC para funções tampão, bypass e desacoplamento, especialmente dentro de dispositivos de design plano ou compacto. Portanto, eles competem com os MLCCs, mas oferecem maiores valores de capacitância, e ao contrário dos condensadores cerâmicos de Classe 2 e 3, não apresentam efeito microfônico.

Para os filtros de entrada e saída do conversor DC-DC, os condensadores MLCC têm sido o tipo mais utilizado devido aos seus baixos custos, e baixo ESR e ESL. Entretanto, eles têm desvantagens, incluindo:

• Pequena capacitância por volume, especialmente para materiais dielétricos classe 1 (NO/COG)
• Tamanhos de corpo grandes propensos a rachaduras com flexão de PCB
• Instabilidade de viés de DC
• Efeito Piezo (Canto)

É aqui que os capacitores de polímeros encontram um papel. A Panasonic fabrica capacitores de polímero sólido de alumínio: SP-Caps e OS-CON, Capacitores de Polímero de Tântalo (POS-CAP), e Capacitores Eletrolíticos de Alumínio Híbrido Polímero. Estes tipos de capacitores de polímero têm ampliado a sua gama de aplicações. Eles têm grande capacitância e excelentes características de polarização, muito superiores às dos MLCCs, bem como apresentam características extremamente baixo ESR e baixo ESL.

Adicionalmente, capacitores de polímero alcançam alta confiabilidade e desempenho superior a baixa temperatura usando materiais de polímero sólido como um eletrólito.

O circuito na Fig. 9 abaixo mostra um par de exemplos de como diferentes capacitores de polímero podem melhorar o desempenho dos capacitores MLCC.

Capacitores de fornecimento

Os vários tipos de capacitores, com uma ampla gama de variáveis de desempenho, podem ser encontrados no site da Farnell element14.

Conclusão

Este artigo explicou o que é um condensador, e como funciona uma capacitância pura dentro de um circuito eléctrico. No entanto, também reconhece que não existe um condensador puro no mundo real. Assim, ele explorou as várias características físicas e elétricas que inevitavelmente compõem um componente condensador real, e discutiu a ampla gama de tipos de condensadores e suas diferentes características agora disponíveis para diferentes aplicações.

Ele também analisou como um tipo de condensador pode às vezes ser substituído por outro, usando a substituição de condensadores de polímero por MLCCs como exemplo.