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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
q C = (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:
d
S
C = 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 = ε 0 = 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 = 8 , 85. 10 −^8 ε r (3)
na qual εr - permissividade relativa ou constante dielétrica (κ):
0
r ε
ε ε =κ = (4)
Para materiais isolantes, também chamados materiais dielétricos, a permissividade é expressa em termos da permissividade no vácuo ε 0 multiplicada pela constante dielétrica do material κ:
ε =ε 0 κ (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 Al 2 O 3 (99,9%) 10,1 9, Alumina (99,5%) 9,8 9, Berília BeO (99,5%) 6,7 10, Cordierita 4,1 – 5,3 2,4 – 7, Poliéster 3,6 21,
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.
TABELA 2 – Propriedades de capacitores comerciais Tipo Material dielétrico Faixa de capacitância Tensão 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
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
V CC
I
R S
R P
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,
segundo volt
coulomb coulomb/segundo
volt ohm farad 1 1
1 × 1 = ⋅ =
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 μμμμ F = s) Teflon Poliestireno Policarbonato Poliéster Vidro Mica Papel Cerâmica Eletrolítico
2.10^6 1.10^6 2.10^5 1.10^5 1.10^3 a 1.10^5 1.10^3 a 1.10^5 1.10^3 a 1.10^5 1.10^3 a 1.10^5 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.
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 TiO 2. Adicionando- se pequenas quantidades de óxidos ferroelétricos, tais como CaTiO 3 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”.
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 Ba 2 TiO 3 , 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.
[Al(OH 2 ) 6 ]3+^ → Al(OH) 3 + 3 H 2 O + 3H+ Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O
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 Al 2 O 3 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 H 2 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.
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 Al 2 O 3 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.
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 150 oC. 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 MnO 2 passe pelo fio e provoque curto-circuito. A próxima etapa é a formação da camada do dielétrico de pentóxido de tântalo Ta 2 O 5 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 Ta 2 O 5. 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-^ → Ta 2 O 5 + H 2 O
Catodo: 10 H 2 O + 10 e
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
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 MnO 2. A reação química é descrita por:
Mn (NO 3 ) 2 → MnO 2 + NO 2 ↑
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 Ta 2 O 5 anodizada e (b) anodo recoberto com dióxido de manganês MnO 2 (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.
TABELA 4 - Comparação entre os dielétricos poliméricos Característica Policarbonato Poliéster Polipropileno Resistência de isolação (25oC) (MΩ .μF) 50.000 10.000 50. tg δ (1 kHz, 25oC) 0,0012^ 0,006^ 0, Coeficiente de Temperatura (ppm /oC) 75 333 (
oC) -
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 (^) dielétrico d (Espessura doμm) Capacitor eletrolítico de alumínio
Óxido de alumínio Al 2 O 3 7 ^10 (0,0013^ ^ 0,0015/V) Capacitor eletrolítico de tântalo
Óxido de tântalo Ta 2 O 5 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 BaTiO 3 500 ^ 20.000^2 ^3 Capacitor cerâmico (com compensação de temperatura)
Óxido de titânio TiO 2 15 250 2 3
Fig. 22 – Variação na capacitância em função da temperatura para diversos tipos de capacitores.
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
R S
R P
Fig. 23 – Circuito equivalente de um capacitor.
C
R P
Z
R
X (^) C= 1 / ωωωω C
δ
θ
(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.
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.
