Capacitor eletrolítico
Um capacitor eletrolítico (e-cap) é um capacitor polarizado cujo anodo ou placa positiva é feito de um metal que forma uma camada de óxido isolante por meio de anodização. Esta camada de óxido atua como o dielétrico do capacitor. Um eletrólito sólido, líquido ou em gel cobre a superfície dessa camada de óxido, servindo como placa (cátodo) ou negativa do capacitor. Devido à sua camada de óxido dielétrico muito fina e superfície de ânodo aumentada, os capacitores eletrolíticos têm um produto de capacitância-voltagem (CV) muito maior por unidade de volume comparado aos capacitores cerâmicos ou capacitores de filme, e assim podem ter grandes valores de capacitância. Existem três famílias de capacitores eletrolíticos: capacitores eletrolíticos de alumínio, capacitores eletrolíticos de tântalo e capacitores eletrolíticos de nióbio.
Árvore genealógica dos capacitores eletrolíticos
Quanto aos princípios básicos de construção de capacitores eletrolíticos, existem três tipos diferentes: capacitores de alumínio, tântalo e nióbio. Cada uma destas três famílias de capacitores usa dióxido de manganês não sólido e sólido ou eletrólitos de polímero sólido, de modo que uma grande dispersão de diferentes combinações de material anódico e eletrólitos sólidos ou não sólidos está disponível.
Princípio de carga
Como outros capacitores convencionais, os capacitores eletrolíticos armazenam a energia elétrica estaticamente por separação de carga em um campo elétrico na camada de óxido dielétrico entre dois eletrodos. O eletrólito não sólido ou sólido, em princípio, é o cátodo, que forma assim o segundo eletrodo do capacitor. Este e o princípio de armazenamento os diferenciam dos capacitores eletroquímicos ou supercapacitores, nos quais o eletrólito geralmente é a conexão condutiva iônica entre dois eletrodos e o armazenamento ocorre com capacitância de camada dupla estaticamente e pseudocapacitância eletroquímica.
Materiais básicos e princípio
Os capacitores eletrolíticos usam uma característica química de alguns metais especiais, anteriormente chamados de “metais de válvula”, que em contato com um eletrólito particular formam uma camada de óxido isolante muito fina em sua superfície por oxidação anódica que pode funcionar como um dielétrico. Existem três diferentes metais anódicos em uso para capacitores eletrolíticos: Para aumentar a sua capacitância por unidade de volume, todos os materiais anódicos são gravados ou sinterizados e têm uma estrutura de superfície rugosa com uma área superficial muito maior em comparação com uma superfície lisa da mesma área ou com o mesmo volume. Ao aplicar uma voltagem positiva ao material anódico acima mencionado num banho eletrolítico, será formada uma camada de barreira de óxido com uma espessura correspondente à voltagem aplicada (formação). Esta camada de óxido atua como dielétrico em um capacitor eletrolítico. As propriedades dessas camadas de óxidos são dadas na tabela a seguir:
O Básico sobre o produto C/V
Cada capacitor eletrolítico forma, em princípio, um "capacitor de placa" cuja capacitância se torna maior com a área de eletrodo, maior permissividade ε, e espessura do dielétrico (d). A espessura dielétrica dos capacitores eletrolíticos é muito pequena, na faixa de nanômetros por volt. Por outro lado, as forças de tensão dessas camadas de óxido são bastante altas. Com essa camada de óxido dielétrico muito fina combinada com uma rigidez dielétrica suficiente, os capacitores eletrolíticos já podem alcançar uma alta capacitância volumétrica. Esta é uma razão para os altos valores de capacitância dos capacitores eletrolíticos em comparação com os capacitores convencionais.
Comparação de tipos de capacitores eletrolíticos
Combinações de materiais anódicos para capacitores eletrolíticos e eletrólitos usados deram origem a grandes variedades de tipos de capacitores com diferentes propriedades. Um esboço das principais características dos diferentes tipos é mostrado na tabela abaixo.(AxBT Os capacitores eletrolíticos de alumínio não sólidos ou os chamados "úmidos" foram e são os mais baratos entre todos os outros capacitores convencionais. Eles não apenas fornecem as soluções mais baratas para alta capacitância ou valores de tensão para fins de desacoplamento e propósitos de buffer, mas também são insensíveis ao baixo carregamento e descarregamento ôhmico, bem como a transientes de baixa energia. Capacitores eletrolíticos não sólidos podem ser encontrados em quase todas as áreas de dispositivos eletrônicos, com exceção de aplicações militares.
Comparação de parâmetros elétricos
A fim de comparar as diferentes características dos diferentes tipos de capacitores eletrolíticos, os capacitores com as mesmas dimensões e capacitância e tensão similares são comparados na tabela a seguir. Nessa comparação, os valores de ESR e carga de corrente de ondulação são os parâmetros mais importantes para o uso de capacitores eletrolíticos em equipamentos eletrônicos modernos. Quanto menor o ESR, maior a corrente de ondulação por volume e melhor funcionalidade do capacitor no circuito. No entanto, melhores parâmetros elétricos vêm com preços mais altos. 1) Fabricante, nome da série, capacitância / tensão 2) calculado para um capacitor de 100 µF/10 V,
Estilos de capacitores eletrolíticos de alumínio e tântalo
Os capacitores eletrolíticos de alumínio formam a maior parte dos capacitores eletrolíticos usados na eletrônica, devido à grande diversidade de tamanhos e à produção barata. Os capacitores eletrolíticos de tântalo, geralmente usados na versão SMD, possuem uma capacitância específica mais alta que os capacitores eletrolíticos de alumínio e são usados em dispositivos com espaço limitado ou design plano, como laptops. Eles também são usados em tecnologia militar, principalmente em estilo axial, hermeticamente selados. Os capacitores de chips eletrolíticos de nióbio são um novo desenvolvimento no mercado e se destinam a substituir os capacitores de chip eletrolítico de tântalo.
Com o objetivo de reduzir a ESR para capacitores eletrolíticos não-sólidos de baixo custo, a partir de meados da década de 1980 no Japão foram desenvolvidos novos eletrólitos à base de água para capacitores eletrolíticos de alumínio. A água é barata, funciona como um solvente eficaz para eletrólitos e melhora significativamente a condutividade do eletrólito. A fabricante japonesa Rubycon foi líder no desenvolvimento de novos sistemas de eletrólitos à base de água com melhor condutividade no final da década de 1990. A nova série de capacitores eletrolíticos não-sólidos com eletrólito a base de água foi descrita nos datasheets como tendo "baixa ESR", "baixa impedância", "ultra-baixa impedância" ou "alta corrente de oscilação". Uma receita roubada para um eletrólito à base de água, no qual importantes substâncias estabilizadoras estavam ausentes,levou, nos anos de 2000 a 2005, ao problema de ruptura em massa de capacitores em computadores e fontes de alimentação, que ficou conhecido sob o termo "capacitor de praga". Nestes capacitores eletrolíticos a água reage de forma bastante agressiva e até violenta com alumínio, acompanhada por um forte calor e a formação de gases no interior do capacitor, resultando, em muitas das vezes, na explosão do dispositivo.
Origem
O fenômeno que pode formar uma camada de óxido em alumínio e outros metais como o tântalo, nióbio, manganês, titânio, zinco, cádmio , etc. em um processo eletroquímico, que bloqueia uma corrente elétrica para fluir em uma direção, mas permite fluir na direção oposta, foi descoberto em 1875 pelo pesquisador e fundador francês Eugène Ducretet. Ele cunhou o termo "válvula de metal" para esses metais. Carlos Pollak (nascido Karol Pollak), um produtor de acumuladores, descobriu que a camada de óxido em um anodo de alumínio permaneceu estável em um eletrólito neutro ou alcalino, mesmo quando a energia foi desligada. Em 1896, ele apresentou uma patente para um "capacitor líquido elétrico com eletrodos de alumínio" (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden), baseado em sua ideia de usar a camada de óxido em um capacitor polarizado em combinação com um eletrólito neutro ou levemente alcalino..
Capacitor de alumínio "úmido"
Os primeiros capacitores eletrolíticos realizados industrialmente consistiam em uma caixa metálica usada como cátodo. Foi preenchido com um eletrólito de bórax dissolvido em água, no qual foi inserida uma placa de ânodo de alumínio dobrada. Aplicando uma voltagem CC do exterior, uma camada de óxido foi formada na superfície do ânodo. A vantagem destes capacitores era que eles eram significativamente menores e mais baratos que todos os outros capacitores naquela época em relação ao valor de capacitância que produzia. Esta construção com diferentes estilos de construção de ânodo, mas com um caso como catodo e recipiente para o eletrólito, foi usada até 1930 e foi chamada de capacitor eletrolítico "úmido", no sentido de ter um alto teor de água.
Capacitor de alumínio "Seco"
O antepassado do moderno capacitor eletrolítico foi patenteada por Samuel Ruben em 1925, que se uniu com Philip Mallory, o fundador da empresa de baterias que agora é conhecida como a Duracell Internacional. A ideia que Ruben adotou para a construção empilhada de um capacitor de mica prateado. Ele introduziu uma segunda folha separada para contatar o eletrólito adjacente à folha de ânodo, em vez de usar o recipiente cheio de eletrólito como o cátodo do capacitor. A segunda folha empilhada tem seu próprio terminal adicional ao terminal do anodo e o contêiner não tem mais uma função elétrica. Este tipo de capacitor eletrolítico combinado com um eletrólito líquido ou semelhante a um gel de natureza não aquosa, que é, portanto, seco no sentido de ter um teor de água muito baixo, ficou conhecido como o tipo "seco" de capacitor eletrolítico.
Capacitores de tântalo
Um dos primeiros capacitores de tântalo eletrolíticos foi desenvolvido na década de 1930 por Tansitor Eletrônico Inc., nos EUA, para fins militares. A construção básica de uma célula enrolada foi adotada, e uma folha de ânodo de tântalo foi usada junto com uma folha de cátodo de tântalo, separada com um espaçador de papel impregnado com um eletrólito líquido, principalmente ácido sulfúrico, e encapsulado em um invólucro prateado. O desenvolvimento relevante de capacitores de tântalo de eletrólito sólido começou alguns anos após William Shockley, John Bardeen e Walter Houser Brattain terem inventado o transistor , em 1947. Ele foi inventado pelos Laboratórios Bell, no início da década de 1950, como um capacitor de suporte de baixa voltagem miniaturizado e mais confiável para complementar seu transistor recém-inventado. A solução encontrada por R. L. Taylor e H. E. Haring dos Laboratórios Bell no início de 1950 foi baseada em experiências com cerâmica. Eles moeram o tântalo até formar um pó, que eles pressionaram em uma forma cilíndrica e então sinterizaram a uma temperatura alta entre 1.500 e 2.000 °C, sob condições de vácuo, para produzir uma pelota ("slug").
Eletrólitos Sólidos
O primeiro eletrólito sólido de dióxido de manganês desenvolvido em 1952 para capacitores de tântalo tinha uma condutividade 10 vezes melhor do que todos os outros tipos de eletrólitos não sólidos. Também influenciou o desenvolvimento de capacitores eletrolíticos de alumínio. Em 1964 surgiram no mercado os primeiros capacitores eletrolíticos de alumínio com capacitor eletrolítico SAL de eletrólito sólido, desenvolvido pela Philips. Com o início da digitalização, a Intel lançou em 1971 seu primeiro microcomputador, o MCS 4, e em 1972 a Hewlett Packard lançou uma das primeiras calculadoras de bolso, a HP 35.Os requisitos para capacitores aumentaram em termos de redução da resistência em série equivalente (ESR) para capacitores de derivação e desacoplamento O tipo de eletrólito de dióxido de manganês deveria ser melhor.
Capacitores de nióbio
Outra explosão de preços para o tântalo em 2000 e 2001 forçou o desenvolvimento de capacitores eletrolíticos de nióbio com eletrólito de dióxido de manganês, disponíveis desde 2002. O nióbio é um metal associado ao tântalo e serve como metal valvulado, gerando uma camada de óxido durante a oxidação anódica. O nióbio como matéria-prima é muito mais abundante na natureza do que o tântalo e é menos dispendioso. Foi uma questão da disponibilidade do metal de base no final da década de 1960, que levou ao desenvolvimento e implementação de capacitores eletrolíticos de nióbio na antiga União Soviética (URSS), em vez de capacitores de tântalo, como no Ocidente. Os materiais e processos usados para produzir capacitores dielétricos de nióbio são essencialmente os mesmos que para os capacitores dielétricos de tântalo existentes. As características dos capacitores eletrolíticos de nióbio e dos capacitores eletrolíticos de tântalo são aproximadamente comparáveis.
Em geral, um capacitor é visto como um componente de armazenamento de energia elétrica. Mas esta é apenas uma função de capacitor. Um capacitor também pode atuar como um "resistor CA". Especialmente capacitores eletrolíticos de alumínio, que em muitas aplicações são usados como capacitores de desacoplamento para filtrar ou desviar frequências indesejadas para o terra, ou para acoplamento capacitivo de sinais de áudio. Então o dielétrico é usado apenas para bloquear corrente contínua. Para tais aplicações, a "resistência CA", tecnincamente chamado de impedância, é tão importante quanto o valor de capacitância. A impedância Z é a soma fasorial de reatância e resistência; descreve a diferença de fase e a razão de amplitudes entre uma tensão senoidal variante e uma corrente sinusoidalmente variável em uma determinada frequência. Neste sentido, a impedância é uma medida da capacidade do capacitor para passar correntes alternadas e pode ser usado na lei de Ohm.
Circuito equivalente em série
As características elétricas dos capacitores são harmonizadas pela especificação genérica internacional IEC 60384-1. Neste padrão, as características elétricas dos capacitores são descritas por um circuito equivalente em série idealizado com componentes elétricos que modelam todas as perdas ôhmicas, parâmetros capacitivos e indutivos de um capacitor eletrolítico:
Capacitância, padrão de valores e tolerâncias
As características elétricas dos capacitores eletrolíticos dependem da estrutura do ânodo e do eletrólito utilizado. Isso influencia o valor de capacitância dos capacitores eletrolíticos, que depende da frequência de medição e da temperatura. Capacitores eletrolíticos com eletrólitos não sólidos mostram uma aberração mais ampla sobre as faixas de frequência e temperatura do que os capacitores com eletrólitos sólidos. A unidade básica da capacitância de um capacitor eletrolítico é a microfarad (μF). O valor de capacitância especificado nas folhas de dados dos fabricantes é chamado capacitância nominal CR ou capacitância nominal CN e é o valor para o qual o capacitor foi projetado.
Categoria de Tensão e Tensão Nominal
Referindo-se ao padrão IEC / EN 60384-1, a tensão de operação permitida para capacitores eletrolíticos é chamada de "tensão nominal UR" ou "tensão nominal UN". A tensão nominal UR é a tensão máxima de CC ou a tensão de pulso de pico que pode ser aplicada continuamente a qualquer temperatura dentro da faixa de temperatura nominal TR. A prova de tensão dos capacitores eletrolíticos diminui com o aumento da temperatura. Para algumas aplicações, é importante usar uma faixa de temperatura mais alta. Diminuir a tensão aplicada a uma temperatura mais alta mantém as margens de segurança. Para alguns tipos de capacitores, portanto, o padrão IEC especifica uma "tensão com redução de temperatura" para uma temperatura mais alta, a "tensão de categoria UC". A categoria voltagem é a voltagem máxima de CC ou de pico de pulso que pode ser aplicada continuamente a um capacitor em qualquer temperatura dentro da faixa de temperatura da categoria TC. A relação entre tensões e temperaturas é dada no quadro à direita.
Contra Surtos De Tensão
A tensão de pico indica o valor máximo de tensão que pode ser aplicado para capacitores eletrolíticos durante a sua aplicação, para um número limitado de ciclos. A tensão de surto é padronizada pela norma IEC/EN 60384-1. Para capacitores eletrolíticos de alumínio com tensão nominal de até 315 V, a tensão de surto é 1,15 vezes a tensão nominal e, para capacitores com tensão nominal superior a 315 V, a tensão de surto é 1,1 vezes a tensão nominal. Para capacitores eletrolíticos de tântalo, a tensão de surto pode ser de 1,3 vezes a tensão nominal, arredondada para o volt mais próximo. A tensão de surto aplicada aos capacitores de tântalo pode influenciar a taxa de falha do capacitor.
Tensão transitória
Os capacitores eletrolíticos de alumínio com eletrólito não-sólido são relativamente insensíveis a tensões transitórias altas e de curto prazo superiores à tensão de surto, se a frequência e o teor de energia dos transientes forem baixos. Essa capacidade depende da tensão nominal e do tamanho do componente. Tensões transientes de baixa energia levam a uma limitação de tensão semelhante a um diodo zener. Uma especificação geral e não ambígua de transientes toleráveis ou de tensões de pico não é possível. Em todos os casos em que ocorram transientes, a aplicação deve ser aprovada com muito cuidado. Os capacitores eletrolíticos com óxido sólido de manganês ou eletrólito de polímero e capacitores eletrolíticos de alumínio e de tântalo não podem suportar transientes ou tensões de pico superiores à tensão de surto. Transientes para este tipo de capacitores eletrolíticos podem destruir os componentes.
Tensão reversa
Os capacitores eletrolíticos padrão e os capacitores eletrolíticos de alumínio e de tântalo e nióbio são polarizados e geralmente exigem que a tensão do eletrodo anódico seja positiva em relação à tensão do cátodo. No entanto, os capacitores eletrolíticos podem suportar, por curtos instantes, uma tensão reversa para um número limitado de ciclos. Em detalhe, capacitores eletrolíticos de alumínio com eletrólito não sólido podem suportar uma tensão reversa de cerca de 1 V a 1,5 V. Esta tensão reversa nunca deve ser usada para determinar a tensão reversa máxima sob a qual um capacitor pode ser usado permanentemente. Os capacitores de tântalo sólidos também podem suportar tensões reversas por períodos curtos. As diretrizes mais comuns para tensão reversa de tântalo são:
Confiabilidade (taxa de falhas)
A confiabilidade de um componente é uma propriedade que indica com que confiabilidade este componente executa sua função em um intervalo de tempo. Está sujeito a um processo estocástico e pode ser descrito qualitativa e quantitativamente; não é diretamente mensurável. A confiabilidade dos capacitores eletrolíticos é empiricamente determinada pela identificação da taxa de falha nos testes de resistência que acompanham a produção. A confiabilidade normalmente é mostrada como uma curva de banheira e é dividida em três áreas: As falhas totalizadas em uma taxa de falhas são falhas de curto-circuito, circuito aberto e degradação (excedendo os parâmetros elétricos).
Tempo de vida
A vida, vida de serviço, a vida útil da carga ou a vida útil dos capacitores eletrolíticos é uma característica especial dos capacitores eletrolíticos de alumínio não-sólido, cujo eletrólito líquido pode evaporar com o tempo. Diminuir o nível do eletrólito influencia os parâmetros elétricos dos capacitores. A capacitância diminui e a impedância e o ESR aumentam com a diminuição da quantidade de eletrólito. Essa secagem muito lenta dos eletrólitos depende da temperatura, da carga de corrente de ondulação aplicada e da tensão aplicada. Quanto mais baixos esses parâmetros forem comparados com seus valores máximos, mais longa será a “vida” do capacitor. O ponto de “fim de vida” é definido pelo aparecimento de falhas de desgaste ou falhas de degradação quando a capacitância, a impedância, a ESR ou a corrente de fuga excedem os limites de mudança especificados.
Modos de falha, mecanismo de autorrecuperação e regras de aplicação
Os muitos tipos diferentes de capacitores eletrolíticos mostram diferenças no comportamento elétrico de longo prazo, seus modos de falha inerentes e seu mecanismo de autocura. As regras de aplicação para tipos com um modo de falha inerente são especificadas para garantir capacitores com alta confiabilidade e longa vida útil. queda de tensão de 50% Ânodo de óxido de nióbio: queda de tensão de 20% queda de tensão de 50% Ânodo de óxido de nióbio: queda de tensão de 20% secagem ao longo do tempo, capacitância diminui, ESR aumenta
Desempenho após o armazenamento
Todos os capacitores eletrolíticos são "envelhecidos" durante a fabricação, aplicando a tensão nominal em alta temperatura por um tempo suficiente para reparar todas as rachaduras e fraquezas que possam ter ocorrido durante a produção. No entanto, um problema particular com modelos de alumínio não sólido pode ocorrer após períodos de armazenamento. Processos químicos (corrosão) podem enfraquecer a camada de óxido, o que pode levar a uma maior corrente de fuga. A maioria dos sistemas eletrolíticos modernos é quimicamente inerte e sem problemas de corrosão, mesmo após tempos de armazenamento de dois anos ou mais. Os capacitores eletrolíticos não sólidos que utilizam solventes orgânicos, como o GBL como eletrólito, não apresentam problemas com alta corrente de fuga após longos períodos de armazenamento. Eles podem ser armazenados por até 10 anos sem problemas.
O mercado de capacitores eletrolíticos em 2008 foi de aproximadamente 30% do mercado total em valor Em número de peças, esses capacitores cobrem cerca de 10% do mercado total de capacitores, ou cerca de 100 a 120 bilhões de peças.
Conexão paralela
Capacitores eletrolíticos para aplicações em baixa tensão podem ser conectados em paralelo sem qualquer ação de correção de segurança. Os capacitores de tamanho grande, especialmente tamanhos grandes e tipos de alta tensão, devem ser protegidos individualmente contra a carga de energia súbita de todo o banco de capacitores devido a uma falha individual.
Conexão em Série
Algumas aplicações, como conversores AC/AC com link CC para controles de frequência em redes trifásicas, precisam de capacitores eletrolíticos de alumínio de tensão mais alta do que normalmente podem oferecer. Para tais aplicações, os capacitores eletrolíticos podem ser conectados em série para maior capacidade de suportar tensão. Durante o carregamento, a tensão em cada um dos capacitores conectados em série é proporcional ao inverso da corrente de fuga do capacitor individual. Como cada capacitor difere um pouco na corrente de fuga individual, os capacitores com uma corrente de fuga mais alta receberão menos tensão. O balanço de tensão nos capacitores conectados em série não é simétrico. O balanço de tensão ativo ou passivo deve ser fornecido para estabilizar a tensão sobre cada capacitor individual.
Marcação de polaridade
Marcação de polaridade para capacitores eletrolíticos de polímero tântalo, bem como alumínio, tem uma marcação de polaridade no lado do ânodo (mais) tem uma marcação de polaridade no lado do cátodo (menos)
Marcações impressas
Nos capacitores eletrolíticos, como na maioria dos outros componentes eletrônicos, quando há espaço suficiente, são impressas marcações para indicar o fabricante, o tipo, as características elétricas e térmicas, e a data de fabricação. Se eles são grandes o suficiente, o capacitor é marcado com: Os capacitores polarizados têm marcas de polaridade, geralmente um sinal "-" (negativo) no lado do eletrodo negativo para capacitores eletrolíticos, ou uma faixa ou um sinal "+" (mais). Além disso, o terminal negativo para capacitores eletrolíticos "úmidos" com chumbo é geralmente mais curto. Capacitores menores usam uma notação abreviada. O formato mais comumente usado é: XYZ J / K / M “V”, onde XYZ representa a capacitância (calculada como XY × 10Z pF), como letras K ou M indica uma tolerância (± 10% e ± 20%, respectivamente) e "V" representa uma tensão de trabalho.
Padronização
A padronização de todos os componentes elétricos e eletrônicos bem como as tecnologias relacionadas segue as regras dadas pela Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC), organização internacional não-governamental sem fins lucrativos. A definição das características e o procedimento dos métodos de teste para capacitores para uso em equipamentos eletrônicos estão estabelecidos na especificação genérica: Os ensaios e requisitos a serem cumpridos pelos capacitores eletrolíticos de alumínio e tântalo para uso em equipamentos eletrônicos para aprovação como tipos padronizados são estabelecidos nas seguintes especificações seccionais:
