Capacitores 1

Capacitores Definição Os capacitores são dispositivos passivos utilizados em circuitos eletrônicos como filtros e acumuladores de energia. Consistem basicamente de dois eletrodos metálicos paralelos isolados por um material dielétrico (ou isolante), conforme mostra a figura 1.

d

S

Fig. 1 – Capacitor de placas planas paralelas. A sua característica elétrica é a capacitância C, que está relacionada com a tensão aplicada V e a carga acumulada q pela relação:

V

qC = (1)

O capacitor, como elemento de circuito elétrico, utiliza os símbolos mostrados na figura 2.

- +

- +

Fig. 2 – Símbolos para o capacitor. Capacitância A capacitância é uma quantidade escalar que expressa a capacidade que um material de armazenar energia elétrica na forma de carga e é definida pela relação:

Capacitores 2

d

SC ε= (F = farad) (2)

na qual: ε - permissividade do meio dielétrico (F/m); d – espessura do dielétrico; S – área de seção transversal do dielétrico No ar ou no vácuo, a permissividade é constante ε = ε0 = 1/36π nF/m = 8,85 pF/m = 8,854.10-12 C/V.m, e a equação (2) pode ser re-escrita como:

d

S.,C rε810858 −= (3)

na qual εr - permissividade relativa ou constante dielétrica (κ):

0r ε

ε=κ=ε (4)

Para materiais isolantes, também chamados materiais dielétricos, a permissividade é expressa em termos da permissividade no vácuo ε0 multiplicada pela constante dielétrica do material κ:

κε=ε 0 (5)

A tabela 1 apresenta a constante dielétrica e a rigidez dielétrica, que é a medida da tensão elétrica que um material isolante é capaz de suportar sem conduzir corrente para diversos materiais isolantes. Observar que em geral, a constante dielétrica não está relacionada diretamente com a rigidez dielétrica.

TABELA 1 – Constante dielétrica e rigidez dielétrica para alguns materiais isolantes

Material Constante

dielétrica, κκκκ Rigidez dielétrica

(kV/mm) Alumina Al2O3 (99,9%) 10,1 9,1 Alumina (99,5%) 9,8 9,5 Berília BeO (99,5%) 6,7 10,2 Cordierita 4,1 – 5,3 2,4 – 7,9 Poliéster 3,6 21,7

A unidade de capacitância no SI é o farad (F), geralmente sendo utilizado frações desta quantidade como µF (10-6 F), nF (10-9 F) e até pF (10-12 F). Tipos de capacitores Os capacitores podem ser fabricados em diferentes arranjos (figura 3) utilizando diferentes materiais como dielétrico.

Capacitores 3

DIELÉT RICO

DIELÉTRICOMETAL

DIELÉTRICO

FOLHAMETÁLICA

Arranjo simples Arranjo em camadas Arranjo “rocambole”

Fig. 3 – Arranjos construtivos mais comuns de capacitores. A figura 4 apresenta os principais tipos de capacitores comerciais e a tabela 2 lista as suas propriedades. Os maiores valores de capacitância são aqueles para os capacitores eletrolíticos. Os capacitores eletrolíticos de alumínio geralmente vêm com a indicação da polaridade, pois devido à construção interna que utiliza um eletrólito líquido que forma vapor, os capacitores eletrolíticos de alumínio não podem ser ligados com terminais de polaridade invertidos sob o risco de explodirem. Além da capacitância, a especificação dos capacitores deve incluir a tensão de operação. Em geral, o valor da tensão de trabalho dos capacitores tem uma relação inversa com a capacitância, isto é, quanto maior a tensão de trabalho, menor o valor da capacitância e vice-versa. Isto se deve às características construtivas dos capacitores: para obter valores elevados de capacitância, os capacitores possuem internamente uma pequena distância entre eletrodos d (vide equação 4), fazendo com que a máxima tensão que o capacitor suporta seja limitada pela rigidez dielétrica do material dielétrico (conforme dados mostrados na tabela 2).

Fig. 4 - Tipos e características elétricas de capacitores: (a) cerâmicos, (b) eletrolíticos de alumínio, (c) poliéster (“Mylar”) e (d) capacitor variável borboleta (mecânico).

Capacitores 4

TABELA 2 – Propriedades de capacitores comerciais

Tipo Material dielétrico Faixa de capacitância Tens ão máxima Variável ar 5 a 500 pF 500 V Cerâmico Titanato de bário 1000 pF a 1 µF 2000 V Óleo Papel em óleo 0,01 a 1 µF 10000 V Mica Mica 100 a 5000 pF 10000 V Filme Poliéster (Mylar),

poliestireno, polipropileno, policarbonato e PTFE (Teflon)

0,01 a 50 µF 1000 V

Eletrolítico - Tântalo - Alumínio

Óxido de tântalo Óxido de alumínio

0,01 a 3000 µF

0,1 a 100000 µF

* *

Chip cerâmica * A máxima tensão que pode ser aplicada a um capacitor eletrolítico depende do valor da capacitância. Por

exemplo, para 100.000 µF, uma tensão de 3 V pode danificar o capacitor, enquanto que para 100 µF, o mesmo tipo de capacitor pode suportar 400 V.

Internamente, dependendo da sua construção, o capacitor apresenta resistências e indutâncias que interferem no comportamento do capacitor com a freqüência do sinal de excitação. A figura 5 apresenta o circuito equivalente de um capacitor, no qual as resistências RP e RS representam os caminhos de fuga de corrente, isto é, a perda de carga por caminhos de baixa resistência no interior e na superfície do capacitor, respectivamente. A componente indutância L representa a variação da corrente de fuga com o tempo.

L

C

VCC

I

RS

RP

Fig. 5: Circuito equivalente do capacitor Como a capacitância e a corrente de fuga são diretamente proporcionais à área do capacitor, a resistência RP é inversamente proporcional à capacitância. Os fabricantes geralmente classificam seus capacitores pelo produto de RP e C, em unidades de ohms x farads ou megohms x microfarads. Se convertermos o produto à unidade básica, veremos que,

segundovolt

coulomb

segundo/coulomb

voltfaradohm 1

1

1

1

111 =⋅=×

Capacitores 5

O produto RPC é denominado tempo de fuga de corrente do capacitor; quanto maior o seu valor, melhor será a capacidade do capacitor armazenar a carga nele. A tabela 3 apresenta os valores de tempo de fuga para diversos materiais dielétricos comumente empregados na confecção de capacitores comerciais.

TABELA 3 – Tempos de fuga de corrente para alguns materiais dielétricos a 25oC

Material Tempo de fuga (M ΩΩΩΩ x µµµµF = s) Teflon Poliestireno Policarbonato Poliéster Vidro Mica Papel Cerâmica Eletrolítico

2.106 1.106 2.105 1.105

1.103 a 1.105 1.103 a 1.105 1.103 a 1.105 1.103 a 1.105

10 a 1000

Analisando-se os valores da tabela 3, pode-se concluir que um capacitor de poliestireno é muito superior ao capacitor de papel, com base nos valores de tempo de fuga. Naturalmente, o custo do capacitor é diretamente proporcional ao tempo de fuga, como também ao valor da capacitância. A corrente de fuga é um fenômeno que ocorre nos capacitores devido à existência de caminhos de baixa resistência no dielétrico. Ela pode ser causada por: • Distorção da polarização do dielétrico; • Resolução e formação do dielétrico; • Absorção de umidade pelo dielétrico; • Ruptura do dielétrico devido à existência de partículas metálicas ou íons.

A corrente de fuga pode ser minimizada pela escolha do material do dielétrico e do método de produção, porém, não pode ser eliminada. Capacitores cerâmicos Capacitor de disco cerâmico O capacitor de disco cerâmico mostrado na figura 6 é a forma construtiva mais simples, consistindo de um disco de cerâmica quadrado ou circular com os eletrodos fixados nas suas superfícies.

Fig. 6 – Capacitor de disco cerâmico: (a) detalhes internos, (b) com revestimento.

Capacitores 6

A fabricação de capacitores de disco cerâmico inicia-se pela prensagem de pó cerâmico fino (quanto mais fino o pó, maior será a sua capacitância específica) e sinterização em alta temperatura. Os discos individuais são cortados a partir de grandes chapas cerâmicas. Os eletrodos são pintados sobre a superfície superior e a superfície inferior do disco com tinta prata (solvente orgânico) e um esmalte, seguido por tratamento térmico para secagem da tinta e vitrificação do esmalte sobre o disco cerâmico. Na próxima etapa, um grampo metálico é fixado no capacitor e mergulhados em solda de estanho. Posteriormente, o capacitor é pintado, impressa a sua identificação e a extremidade do grampo cortada. O processo de fabricação é completamente automatizado, fazendo com que o custo do capacitor de disco cerâmico seja muito baixo. As características elétricas do capacitor dependerão do tipo de material cerâmico usado na sua fabricação. Capacitor cerâmico multicamadas ou “chip” O capacitor cerâmico multicamadas, designado pela sigla MLC, tem a forma geométrica externa de um circuito integrado, por isso também são conhecidos como capacitores do tipo “chip”. Internamente são constituídos por arranjo de folhas metálicas intercaladas com material cerâmico. A figura 7 apresenta a estrutura de um capacitor MLC.

Fig. 7 - Estrutura do capacitor multicamadas cerâmicas (MLC). O processo de fabricação utiliza como material de partida o pó cerâmico misturado a um ligante que é colocado entre folhas finas. O eletrodo é pintado sobre uma das faces da folha e consiste de um líquido com partículas metálicas em suspensão. Os metais usados na preparação da suspensão em geral são metais nobres, tais como ouro, paládio, platina e ligas de prata. A razão para escolha desses metais deve-se ao fato que quando o material cerâmico base é sinterizado, oxigênio é necessário para formar a fase cerâmica apropriada. Isto acarreta em custo de matéria-prima mais alto para esse tipo de capacitor. Atualmente, os fabricantes têm pesquisado o uso de níquel e cobre para confecção dos eletrodos, com vistas a redução do custo de material, porém, tornando o processo de fabricação mais complexo. Uma vez que a tinta esteja seca, as folhas são empilhadas uma sobre as outras. Os eletrodos são arranjados de tal forma que as suas extremidades estejam em lados opostos (formando o arranjo eletrodo interdigitado). As últimas camadas de cima e de baixo não têm eletrodos pintados. As camadas laminadas são então comprimidas numa prensa e sinterizadas, formando uma estrutura monolítica. Os terminais metálicos são fixados com tinta prata e o capacitor é encapsulado em plástico e identificado. No caso de capacitores tipo “chip”, os terminais são recobertos com estanho para facilitar a soldagem do componente sobre placas de circuito impresso.

Capacitores 7

Classes de materiais dielétricos cerâmicos Como as características elétricas dos capacitores cerâmicos dependem do tipo de material empregado na sua fabricação, vamos descrever as duas classes de materiais dielétricos cerâmicos mais comuns. Como regra geral, quanto maior a constante dielétrica do material maior será a capacitância volumétrica específica do capacitor. Entretanto, sabe-se que quanto maior constante dielétrica do material cerâmico, menor será a estabilidade térmica de suas propriedades elétricas. Assim, a escolha do material dielétrico será ditada pelo compromisso entre capacitância volumétrica específica e estabilidade, sendo que esta última será determinada pelo coeficiente de temperatura da constante dielétrica e fator de dissipação do material cerâmico. Dielétricos classe I: A indústria eletrônica definiu diversas classes de cerâmicas dielétricas. A cerâmica dielétrica classe I possui constante dielétrica inferior a 150, produzindo os capacitores cerâmicos mais estáveis. O material cerâmico base é o óxido paraelétrico TiO2. Adicionando-se pequenas quantidades de óxidos ferroelétricos, tais como CaTiO3

ou SrTiO, uma cerâmica

com compensação de temperatura é produzida. Estas cerâmicas têm características elétricas lineares com a temperatura e possuem constante dielétrica de até cerca de 500. Os capacitores fabricados com dielétricos classe I têm tolerância de 5% e valores de capacitância na faixa de 4,7 pF a 0,047 µF. A sua capacitância é altamente estável com o tempo e possuem baixo fator de dissipação para uma ampla faixa de freqüências. A figura 8 mostra a variação na capacitância de capacitores cerâmicos classe I. Observa-se uma variação máxima na capacitância para a faixa de temperatura de aplicação de 5%. Embora as curvas não sejam perfeitamente lineares, a aproximação linear é razoável de modo a se definir um coeficiente linear de temperatura da variação da capacitância. Na figura 8 a legenda apresenta uma designação informal do coeficiente de temperatura dos capacitores cerâmicos adotado por fabricantes. O coeficiente de temperatura positivo é designado por “P”, enquanto “N” é para coeficiente negativo, seguido por um valor numérico de três dígitos que corresponde ao coeficiente de temperatura em ppm/°C. Por exemplo, “N220” significa -200 ppm/°C e “P100” significa +100 ppm/°C. A exceção a esta nomenclatura é “NPO” que significa estável com a temperatura (coeficiente de temperatura praticamente zero). A norma técnica americana usada para designar coeficientes de temperatura para capacitores cerâmicos é a estabelecida pela “The Electronic Industries Association (EIA) Standard 198” que utiliza uma outra codificação. Por exemplo, um capacitor “R2G” tem coeficiente de temperatura negativo de 220 ±30 ppm/° C (i. e., N200), um capacitor “MG7” tem coeficiente de temperatura positivo de 100 ±30 ppm/° C (i. e., P100). O equivalente EIA para NOP é “C0G”.

Capacitores 8

Fig. 8 – Variação na capacitância em função da temperatura para diversos capacitores cerâmicos classe I. Dielétricos classe II: Essa classe de materiais cerâmicos dielétricos é constituída por cerâmicas ferroelétricas a base de Ba2TiO3, que têm uma constante dielétrica muito maior (> 18.000) do que os dielétricos classe I e, conseqüentemente maior capacitância volumétrica específica. No entanto, as suas características de temperatura, tensão, freqüência e envelhecimento são bem menos estáveis e, até mesmo, apresentando valores de constante dielétrica erráticos. A variação da capacitância com a temperatura não segue um comportamento linear, de modo que não se pode definir um coeficiente de temperatura constante. Como nos dielétricos classe I, a EIA estabeleceu um sistema de classificação para a dependência da capacitância com a temperatura que expressa a percentagem de variação da capacitância para uma faixa de temperatura. Por exemplo, um capacitor “X7R” não apresenta mais do que 15% de variação na faixa de –55 a +125 °C, e um capacitor “Z5U” apresenta um desvio de no máximo +22 a –56% na faixa de temperatura de +10 a -85 °C. Na figura 9, um capacitor cerâmico se qualificará como um capacitor “X7R” enquanto a sua curva de capacitância em função da temperatura permanecer na faixa azul.

Fig. 9 – Variação percentual da capacitância em função da temperatura para capacitores cerâmicos classe II.

Capacitores 9

Capacitores eletrolíticos de alumínio Um capacitor eletrolítico consiste de uma folha de alumínio (catodo), de papel eletrolítico, de um eletrólito e de uma camada de óxido de alumínio (anodo) que é formada pela anodização do alumínio metálico pelo eletrólito embebido no papel eletrolítico (figura 10). Uma camada muito fina (geralmente, d < 1 µm de espessura) de Al2O3 formada pela oxidação eletrolítica do alumínio fornece as características dielétricas do capacitor e possui também características elétricas de retificação da corrente. Desta forma, se um capacitor é ligado com polaridade reversa, uma corrente irá fluir pelo capacitor, fazendo com que o capacitor não funcione adequadamente.

Fig. 10 – Eletrodos do capacitor eletrolítico de alumínio. Um capacitor eletrolítico é construído usando duas folhas de alumínio isoladas com papel eletrolítico. Estas folhas e o papel são enrolados no arranjo rocambole, encapsulados num invólucro metálico e impregnados com eletrólito (figura 11). Posteriormente é aplicada uma diferencial de potencial para oxidação eletrolítica do alumínio e formação da camada fina de Al2O3.

Fig. 11 – Arranjo interno do capacitor eletrolítico de alumínio. Reação de anodização (oxidação eletrolítica) A folha de alumínio de alta pureza é anodizada sob tensão elétrica em uma solução aquosa de ácido bórico e amônia para formar uma camada fina de óxido de alumínio de acordo com as seguintes reações químicas:

Al 3+ + 6H2O → [Al(OH2)6]3+

Capacitores 10

[Al(OH2)6]3+ → Al(OH)3 + 3 H2O + 3H+

Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O A espessura e a morfologia da camada de óxido de alumínio são determinadas pela intensidade e tempo de aplicação de uma tensão de anodização, conforme pode ser observado nas micrografias da figura 12.

20 V 100 V 250 V

Fig. 12 – Formação do filme de Al2O3 em função da tensão de anodização. Características elétricas Os capacitores eletrolíticos de alumínio são polarizados, isto é, funcionam quando são ligados com as polaridades indicadas no corpo do capacitor de forma adequada com a fonte de alimentação cc. A figura 13 apresenta as características internas de um capacitor eletrolítico de alumínio operando com tensão de polarização direta.

Fig. 13 – (a) Detalhes internos de um capacitor eletrolítico de alumínio, (b) efeito de polarização interna de um capacitor com aplicação de tensão direta. A figura 14 apresenta as características internas de um capacitor eletrolítico de alumínio operando com tensão de polarização reversa. Quando o capacitor opera em tensão reversa a corrente faz com que as reações de anodização sejam revertidas com a conseqüente liberação e formação de bolhas de H2 gasoso. Como o invólucro do capacitor está hermeticamente selado para evitar o vazamento do eletrólito, se a produção das bolhas de gás prosseguir poderá ocorrer a explosão do capacitor.

Capacitores 11

No gráfico da figura 14b observa-se que para um típico capacitor eletrolítico de alumínio, a tensão de polarização direta produz uma corrente de fuga constante da ordem de dezenas de microampéres, enquanto que sob uma tensão reversa a corrente alcança valores da ordem de centenas de microampéres crescendo com o aumento da intensidade da tensão.

Fig. 14 – (a) Detalhes do efeito de polarização interna de um capacitor com aplicação de tensão reversa, (b) curvas de polarização direta e reversa de um capacitor eletrolítico de alumínio. Na figura 15 pode-se observar o efeito da intensidade da tensão de anodização sobre as curvas de polarização direta e reversa de um capacitor eletrolítico de alumínio. Como visto na figura 12, quanto maior a tensão de anodização maior a espessura do filme de Al2O3 fazendo com que os capacitores de filme mais espesso possam suportar tensões de operação mais elevadas com menores correntes de fuga. Entretanto, sob polarização reversa a espessura do filme de óxido praticamente não influencia na corrente de fuga sob pequenas intensidades de tensão reversa (3º quadrante da curva I-V da figura 15).

Fig. 15 – Curvas corrente-tensão de um capacitor eletrolítico de alumínio em função da tensão de anodização.

Capacitores 12

Capacitores eletrolíticos de tântalo Os capacitores eletrolíticos de tântalo têm grande aplicação em circuitos de computadores e de telecomunicações por causa de sua elevada capacitância volumétrica específica, estabilidade, confiabilidade e compatibilidade elétrica. Eles substituem os capacitores eletrolíticos de alumínio quando esses requisitos são essenciais. Pó de tântalo Os capacitores eletrolíticos de tântalo são produzidos a partir da anodização de pó de Ta metálico de alta pureza para formar uma camada de óxido de tântalo Ta2O5. A morfologia do pó influencia fortemente o produto da capacitância específica pela tensão (produto CV), como pode ser observado na figura 16. Pós com maior diâmetro de partícula são usados na fabricação de capacitores para alta tensão, porque quando o Ta2O5 é produzido consome cerca de um terço do diâmetro do pó de Ta. Se pó muito fino for usado, cada partícula metálica será inteiramente consumida e se tornará isolante. Como a capacitância é proporcional a superfície específica, quanto maior a área específica, maior será a capacitância.

Fig. 16 – Morfologia de diferentes morfologias de pó de tântalo. A figura 17 mostra a fotografia de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de pós de Ta com diferentes produtos CV. Observa-se que o tamanho de partícula é inversamente proporcional ao produto CV.

Fig. 17 – Fotografias de pó de tântalo com diferentes granulometrias. Fabricação

Capacitores 13

Inicialmente, o pó de Ta com morfologia e granulometria adequadas, é misturado com ligante e prensado. O pó é prensado em torno de um fio de Ta formando um “slug”. O termo “slug” é usado pelos fabricantes de capacitores de Ta para designar o elemento de Ta. O fio de Ta será o terminal do anodo do capacitor. O ligante será removido em estufa a vácuo a 150oC. A figura 18a mostra a microestrutura de um pó de Ta prensado. O “slug” será sinterizado tipicamente na faixa de temperatura entre 1500 e 2000oC em vácuo, formando uma estrutura esponjosa (figura 18b). Esta estrutura combina resistência mecânica e densidade, mas contém alta porosidade assegurando uma elevada área específica interna. Se o pó for sinterizado por um tempo demasiadamente longo ou em temperatura muito elevada, as partículas podem se fundir, reduzindo assim a capacitância final do anodo.

(a) (b)

Fig. 18 – (a) Pó de tântalo prensado e (b) sinterizado. Após sinterizado, o “slug” é soldado sobre uma tira metálica e uma arruela de Teflon é colocada sobre o fio de Ta, que evitará que o contraeletrodo de MnO2 passe pelo fio e provoque curto-circuito. A próxima etapa é a formação da camada do dielétrico de pentóxido de tântalo Ta2O5 por um processo de anodização eletroquímica. O “slug” é imerso numa solução ácida fraca de ácido fosfórico a 85oC e aplicada uma tensão. A corrente anódica formará uma camada uniforme de Ta2O5. A figura 19a apresenta uma fotografia de MEV de um “slug” fraturado para exibir a camada do dielétrico. A espessura do dielétrico é controlada pela tensão aplicada durante a sua formação. A figura 20a mostra uma típica curva de tensão e corrente medida durante o processo de anodização. As equações químicas que descrevem a reações de anodização são: Anodo: 2 Ta → 2 Ta5+ + 10 e- 2 Ta5+ + 10 OH- → Ta2O5 + H2O Catodo: 10 H2O + 10 e- → 5 H2 + 10 OH- A tensão de formação do capacitor é tipicamente de 3 a 4 vezes a tensão nominal de operação, assegurando boa confiabilidade. Quando o dielétrico é formado, uma região de óxido de tântalo semicondutor é formada entre a camada de pentóxido e a do tântalo metálico. A produção desta região é minimizada através da remoção dos “slugs” do banho eletroquímico quando se atinge aproximadamente 90% da tensão final e o tratamento térmico numa faixa de temperatura entre 350 a 400oC. Esta região semicondutora é a responsável

Capacitores 14

pelos capacitores de Ta serem polarizados. O dielétrico será submetido a uma elevada tensão elétrica no capacitor acabado. A próxima etapa de fabricação do capacitor de Ta é a produção do catodo através da pirólise do nitrato de manganês em dióxido de manganês. O processo de “manganização” é feito mergulhando o “slug” em uma solução aquosa de nitrato de manganês e posteriormente tratado a 250oC para produzir o depósito de MnO2. A reação química é descrita por:

Mn (NO3)2 → MnO2 + NO2 ↑ Este processo é repetido diversas vezes, variando-se a concentração da solução de nitrato para assegurar boa penetração no anodo e produzir uma cobertura espessa na superfície do capacitor. A figura 19b mostra um anodo “manganizado”, sendo que o material com estrutura com aspecto de flocos é o dióxido de manganês.

(a) (b)

Fig. 19 – (a) Partículas de tântalo fraturadas exibindo a camada de Ta2O5 anodizada e (b) anodo recoberto com dióxido de manganês MnO2 (catodo).

(a) (b)

Fig. 20 – Curvas típicas de tensão e corrente em função do tempo de anodização. Após a cobertura de dióxido de manganês é feita a reforma do capacitor “manganizado” através da imersão do “slug” em banho de ácido acético para remoção do manganês de pontos onde ocorre fuga de corrente e crescimento de uma camada dielétrica para isolar o ponto de fuga de corrente.

Capacitores 15

A última etapa de fabricação do capacitor de Ta é a inserção das camadas de contato externo pela imersão do “slug” em uma dispersão de grafita seguida por tratamento térmico em forno para garantir boa aderência com o “slug”. O processo é repetido com uma dispersão de prata para produzir a camada de contato final ao terminal do catodo. A camada de grafita evita que a camada de prata entre em contato direto com o dióxido de manganês com o qual reage quimicamente. A figura 21a mostra a estrutura interna do capacitor de Ta com todos os contatos externos.

(a) (b)

Fig. 21 – Estrutura interna do capacitor de Ta (a) exibindo todos os contatos externos, (b) encapsulado em epóxi. Capacitores de filme polimérico metalizado Embora os capacitores de filme polimérico apresentem baixos valores de capacitâncias comparados aos capacitores eletrolíticos, eles possuem diversas vantagens, tais como baixo custo e alta estabilidade. Polímeros • Policarbonato: geralmente usado para fabricação de capacitores de alta tolerância

(< 0,25%) ou em aplicações que requeiram alta estabilidade térmica. É recomendado para aplicações onde robustez e confiabilidade sejam importantes. A temperatura de operação é de até 125oC. Os capacitores de policarbonato apresentam também elevada resistência de isolamento e, conseqüentemente, baixa corrente de fuga.

• Poliéster: é o dielétrico polimérico de uso geral. Tanto pode ser usado para aplicações cc quanto ca. É adotado para tolerâncias maiores do que 5% e o seu limite de temperatura é de 100oC. Possui permissividade elétrica maior do que os outros materiais poliméricos usados na fabricação de capacitores de filme metálico e esta característica aliada ao seu baixo custo asseguram a ele a melhor relação capacitância/custo dentre todos os dielétricos poliméricos. Em compensação, a resistência de isolamento dos capacitores de poliéster é a mais baixa entre todos os capacitores de filme metálico.

• Polipropileno: geralmente usado em aplicações ca e pulsadas por causa de suas baixas perdas e, conseqüentemente, baixo aquecimento Joule. Pode ser usado em aplicações cc de uso geral, mas a sua temperatura de operação é limitada a 85oC e sua baixa permissividade acarreta em capacitores com baixa relação capacitância/volume. Os capacitores de propileno apresentam alta resistência de isolação e baixa corrente de fuga.

Capacitores 16

TABELA 4 - Comparação entre os dielétricos poliméricos

Característica Policarbonato Poliéster Polipropilen o Resistência de isolação (25oC) (MΩ .µF) 50.000 10.000 50.000

tg δ (1 kHz, 25oC) 0,0012 0,006 0,0006 Coeficiente de Temperatura (ppm /oC) 75 333 (85oC) -200

Comparação entre capacitores A comparação entre características dielétricas e construtivas de capacitores comerciais está apresentada na tabela 5. Na figura 22 é mostrada influência da temperatura sobre a capacitância relativa de capacitores eletrolíticos de nióbio, tântalo e alumínio e capacitor cerâmico MLC.

TABELA 5 – Características dos capacitores comerciais

Tipo Dielétrico Constante dielétrica κ Espessura do

dielétrico d (µm)

Capacitor eletrolítico de alumínio

Óxido de alumínio Al2O3

7 10 (0,0013 0,0015/V)

Capacitor eletrolítico de tântalo

Óxido de tântalo Ta2O5

24 (0,001 0,0015/V)

Capacitor de poliéster Filme de poliéster 3,2 0,5 2 Capacitor cerâmico (elevada constante

dielétrica)

Titanato de bário BaTiO3

500 20.000 2 3

Capacitor cerâmico (com compensação

de temperatura)

Óxido de titânio TiO2

15 250 2 3

Fig. 22 – Variação na capacitância em função da temperatura para diversos tipos de capacitores.

Capacitores 17

Teste de capacitores Os capacitores podem ser testados em corrente contínua como em corrente alternada. No teste de tensão cc objetiva-se especificamente no caso de capacitores eletrolíticos determinar as características I-V desses capacitores em tensão reversa. O teste de capacitores em tensão ca visa determinar as seguintes características elétricas: resistência equivalente em série (ESR), fator de dissipação (tg δ ≡ D) e impedância (Z), como função da tensão e freqüência. Teste de tensão cc reversa O circuito de teste cc é o circuito padrão para medição da relação entre tensão e corrente. A corrente de teste é selecionada dos valores da tabela seguinte de acordo com o diâmetro do capacitor. O capacitor eletrolítico é conectado à fonte de tensão com sua polaridade invertida, posteriormente é aplicada a corrente medida a tensão.

Diâmetro nominal Corrente

< 22,4 mm 1 A > 22,4 mm 10 A

Teste em tensão ca O teste em tensão alternada objetiva a determinação dos parâmetros do modelo de circuito equivalente dos capacitores (figura 23). Na faixa de freqüência de medição (50 Hz a 10 kHz),a indutância é desprezível e o diagrama de Argand da impedância do circuito equivalente estabelece os principais parâmetros característicos de um capacitor.

L

C

RS

RP

Fig. 23 – Circuito equivalente de um capacitor.

C

RP

Z

R

1/ω ω ω ω CX =C

δθ

(a) (b)

Fig. 24 – (a) Circuito equivalente de um capacitor para medição na faixa de freqüências de 50 Hz a 10 kHz e (b) diagrama de impedância do circuito equivalente.

Capacitores 18

Equações para determinação dos parâmetros dielétricos

Fator de potência = f.p. =2

2 1

+

==

CR

R

Z

Rcos

p

pp

ω

θ

Tangente delta e fator de dissipação D:

CRX

Rtg p

C

p ωθδ === cotg

100×= δtgD (%)

Fator de qualidade: pp

C

CRR

X

tgQ

ωδ11 ===

Fig. 25 – Circuito para teste ca de capacitores.

TABELA 6 - Especificação de resistores para teste de capacitores

Capacitância nominal ( µµµµF)

Resistência em série (ohm)

Capacitância nominal ( µµµµF)

Resistência em série (ohm)

1 1000 ± 10% 100 1.000 1 ± 10%

1 10 100 ± 10% 1.000 10.000 0,1 ± 10%

10 100 10 ± 10% > 10.000 *

* Valor de resistência equivalente à metade da impedância na freqüência de teste.

Capacitores 19

Fig. 26 – Curva de resposta em freqüência das características dielétricas para um capacitor eletrolítico. Aplicações de capacitores O capacitor como elemento de circuito pode ser definido como um resistor dependente da freqüência, pois a sua impedância é função da freqüência de operação. Em freqüências muito baixas o capacitor possui uma impedância elevada (circuito aberto) e em altas freqüências esse comportamento se inverte, ou seja, a impedância capacitiva vai a zero (curto-circuito). Os circuitos eletrônicos utilizam capacitores para as seguintes finalidades:

• Filtro com resistores; • Osciladores com indutores; • Bloqueio de tensão contínua; • Acoplagem de circuitos (casamento de impedância); • Compensação de impedâncias

ica

freqüência

(a) (b)

Fig. 27 – (a) A corrente ca sobre um capacitor aumenta com a freqüência, (b) filtro capacitivo: a corrente cc não flui sobre o capacitor como a corrente ca de alta freqüência.