Escolhendo a tecnologia de capacitor correta para uma aplicação

A escolha do capacitor certo para uma aplicação pode fazer uma diferença significativa no desempenho, na confiabilidade e na eficiência de produtos como fontes de alimentação para defesa, aeroespacial, tecnologia médica, infraestrutura de energia crítica ou carregadores rápidos de veículos elétricos.

Os capacitores são componentes essenciais em muitos circuitos eletrônicos, pois armazenam e liberam energia elétrica, filtram sinais indesejados e desempenham outras funções. No entanto, nem todos os capacitores são criados iguais, e diferentes tipos de capacitores têm características, vantagens e limitações variadas.

A seleção do tipo certo de capacitor é crucial no projeto do produto. Três opções comuns — capacitores de cerâmica multicamada (MLCCs), filme ou eletrolítico de alumínio — oferecem vantagens e desvantagens, e há inúmeras variações em cada categoria. A escolha do tipo certo garante que o produto final tenha armazenamento de energia suficiente, caiba no espaço disponível e funcione de forma confiável para o uso pretendido.

O caso dos MLCCs

Os MLCCs consistem em camadas alternadas de dielétrico de cerâmica e eletrodos de metal empilhados e sinterizados para formar um invólucro compacto. Amplamente usados em muitos dispositivos eletrônicos, os MLCCs oferecem altos valores de capacitância em tamanhos pequenos, baixa resistência equivalente em série (ESR), baixa corrente de fuga, resposta de alta frequência e boa estabilidade de temperatura.

Os MLCCs são adequados para aplicações que exigem alta densidade de potência, alta eficiência, baixo ruído e alta confiabilidade. No entanto, há variações nessa categoria que podem fazer a diferença no desenvolvimento de produtos de sucesso:

• MLCCs de alta confiabilidade: oferecem alta confiabilidade, baixa taxa de falhas, longa vida útil e alto desempenho em condições adversas. Essas características são importantes para atender aos requisitos rigorosos de setores como o aeroespacial e o de defesa, incluindo as especificações MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 e MIL-PRF-39014, além de aplicações médicas.
• MLCCs de alta tensão: operam em tensões acima de 500 V e até 12 kV. Eles são projetados para aplicações que exigem isolamento de alta tensão, como fontes de alimentação, geradores de pulso e equipamentos de raios X. Eles apresentam alta capacitância, baixa ESR, baixo fator de dissipação e alta tensão de ruptura.
• MLCCs de alta temperatura: funcionam em temperaturas acima de +125°C, até +250°C. Eles são projetados para aplicações que exigem estabilidade em altas temperaturas, como perfuração de poços, automotiva e industrial. Eles oferecem alta capacitância, baixa ESR, baixo coeficiente de temperatura e alta resistência a choques térmicos.

Vantagens dos capacitores de filme

Os capacitores de filme são adequados para aplicações que requerem alta potência, alta corrente, alta tensão e alta frequência, como conversão de energia, filtragem, amortecimento e acoplamento. Esses capacitores consistem em um filme fino de material dielétrico, como poliéster, polipropileno, policarbonato ou sulfeto de polifenileno, entre dois eletrodos de metal, enrolados em um formato cilíndrico ou empilhados em um formato plano.

Os capacitores de filme geralmente são maiores e mais caros do que os MLCCs, mas oferecem altos valores de capacitância, dimensionamentos de alta tensão, baixa ESR, baixo fator de dissipação, resposta de alta frequência e longa vida útil. As vantagens dessa tecnologia incluem dimensionamentos de tensão mais alta, alteração linear da capacitância com a tensão e a temperatura, ausência de ruído piezoelétrico, capacidade de autorregeneração e longa vida útil.

Há várias categorias de capacitores de filme que podem afetar a escolha do mais adequado para uma aplicação:

• Os capacitores de filme de poliéster metalizado usam uma fina camada de metal, como alumínio ou zinco, depositada no filme de poliéster como eletrodos. Eles oferecem alta capacitância, baixa ESR, baixo custo e boas propriedades de autorregeneração. Eles atendem às necessidades de aplicações de uso geral, como desvio, acoplamento e desacoplamento.
• Os capacitores de filme de polipropileno metalizado utilizam filme de polipropileno como eletrodos com uma fina camada de metal, como alumínio ou zinco. Eles são caracterizados por alta capacitância, baixa ESR, baixo fator de dissipação, resposta de alta frequência e alta estabilidade. Eles são adequados para aplicações de alto desempenho, como correção do fator de potência, filtragem e amortecimento.
• Os capacitores de filme de policarbonato usam um filme de policarbonato como material dielétrico. Eles oferecem alta capacitância, dimensionamento de alta tensão, baixo coeficiente de temperatura e alta confiabilidade. Eles são apropriados para aplicações que exigem estabilidade em altas temperaturas, como circuitos de temporização, sensoriamento e precisão.
• Os capacitores de filme de sulfeto de polifenileno usam o filme de sulfeto de polifenileno como material dielétrico. Eles oferecem alta capacitância, dimensionamento de alta temperatura, baixa ESR, baixo fator de dissipação e resposta de alta frequência. As aplicações adequadas incluem aquelas que exigem desempenho em altas temperaturas, como as automotivas, industriais e de telecomunicações.
• Os capacitores de filme de papel metalizado contam com o filme de papel metalizado como material dielétrico. Eles oferecem alta capacitância, dimensionamento de alta tensão, baixa ESR, baixo fator de dissipação e altas propriedades de autorregeneração. Eles são adequados para aplicações que exigem isolamento de alta tensão, como fontes de alimentação, geradores de pulso e equipamentos de raios X.

Capacitores eletrolíticos de alumínio

Os capacitores eletrolíticos de alumínio são adequados para aplicações que exigem alta capacitância, alta tensão e baixa frequência, como suavização, filtragem e armazenamento de energia.

Com a capacidade uma abundância de energia elétrica em relação ao seu tamanho, um capacitor eletrolítico de alumínio é aplicável para suavizar fontes de alimentação em dispositivos eletrônicos. Eles podem ter uma vida útil mais curta do que os MLCCs e as alternativas de filme e, como são polarizados com um terminal positivo e um negativo, podem ser danificados se instalados ao contrário. Eles também podem vazar continuamente uma pequena quantidade de corrente e não são tão estáveis em altas frequências em comparação com as alternativas.

Os capacitores eletrolíticos de alumínio estão disponíveis em vários tipos de eletrólitos, como líquido, sólido ou híbrido, que têm diferentes características de desempenho, estabilidade e confiabilidade:

• Os capacitores eletrolíticos de alumínio do tipo líquido usam uma solução de eletrólito líquido como cátodo. Eles oferecem alta capacitância, dimensionamento de alta tensão e baixo custo. No entanto, eles também têm alta ESR, alta corrente de fuga, alto fator de dissipação e vida útil limitada. Eles são adequados para aplicações de uso geral, como suavização, filtragem e armazenamento de energia.
• Os capacitores eletrolíticos de alumínio do tipo sólido têm um material de eletrólito sólido, como dióxido de manganês ou polímero condutor, para o cátodo. Eles oferecem baixa ESR, baixa corrente de fuga, baixo fator de dissipação e longa vida útil. No entanto, eles também têm menor capacitância, dimensionamento de menor tensão e maior custo do que os capacitores de eletrólito líquido. Eles são adequados para aplicações de alto desempenho, como fontes de alimentação chaveadas, excitadores de LED e amplificadores de áudio.
• Os capacitores eletrolíticos híbridos de alumínio usam uma combinação de eletrólitos líquidos e sólidos como cátodo. Eles oferecem um equilíbrio de capacitância, dimensionamento de tensão, ESR, corrente de fuga, fator de dissipação e vida útil. Eles são adequados para aplicações que exigem alta densidade de potência, alta confiabilidade e desempenho em altas temperaturas, como automotivas, industriais e de telecomunicações.

A aquisição do fornecedor amplia o portfólio de capacitores

A Knowles e a Cornell Dubilier Electronics (CDE) são dois dos principais fabricantes de capacitores, oferecendo uma ampla gama de tecnologias e produtos de capacitores. A Knowles adquiriu a CDE em 2023, combinando os pontos fortes complementares das duas empresas, incluindo os capacitores de filme e os capacitores eletrolíticos de alumínio da CDE, e o de filme e os MLCCs da Knowles Precision Devices.

A Knowles oferece um portfólio abrangente de MLCCs em invólucros padrões de montagem em superfície e invólucros de fita ou de terminal radial, variando de menos de um picofarad a centenas de microfarads, com dimensionamentos de 6,3 V a 12 kV. Os MLCCs da Knowles estão disponíveis em vários materiais dielétricos com diferentes coeficientes de temperatura, constantes dielétricas e taxas de envelhecimento.

A abordagem de fabricação do FlexiCap™ da Knowles utiliza um material de terminação de polímero epóxi flexível patenteado aplicado sob o acabamento de barreira de níquel usual que acomoda um grau maior de flexão da placa do que os capacitores convencionais. Sua linha StackiCap™ proporciona uma redução significativa no espaço da PCI para um valor de capacitância equivalente nos casos em que o espaço da placa é escasso; por exemplo, um chip padrão de 150 nanofarads (nF) em um tamanho de invólucro 8060 está disponível em um tamanho de invólucro 3640 muito menor.

O Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (Figura 1) é um MLCC FlexiCap de montagem em superfície que pode armazenar 0,56 microfarads (µF) de carga elétrica — com uma tolerância de ±10% — e foi projetado para suportar até 500 V. Ele faz parte de uma família de produtos de MLCCs com dimensionamento CC que variam de 0,2 picofarads (pF) a 22 µF e em tamanhos de invólucros de 0402 a 8060.

Figura 1: Uma representação do Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (Fonte da imagem: Knowles)

O Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (Figura 2) é um MLCC StackiCap que pode armazenar 1 µF de carga elétrica, com uma tolerância de ±10%, e é dimensionado para 630 V.

Figura 2: Ilustração do encapsulamento StackiCap para o Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 e MLCCs semelhantes. (Fonte da imagem: Knowles)

A Knowles CDE oferece uma ampla seleção de capacitores padrões e personalizados com terminal de parafuso, de encaixe e de montagem em placa para uso em aplicações críticas, desde desfibriladores e imagens médicas até sistemas de radar e reserva de energia em no-break para grandes sistemas de dados.

O 477XMPL002MG19R da CDE faz parte da série de capacitores de chip de polímero XMPL para aplicações que exigem requisitos de tensão e/ou capacitância mais altos. Com baixa ESR e dimensionamentos robustos da corrente de ondulação, eles superam os eletrolíticos de montagem em superfície de maior tamanho e proporcionam vida útil mais longa, maior estabilidade com mudanças de temperatura e menor ESR em frequências mais altas. Os valores de capacitância padrão da série agora variam de 6,8 µF a 470 µF, com uma tensão máxima de trabalho de 35 V_CC em um invólucro moldado que mede 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Entre uma ampla variedade de capacitores de filme, os capacitores de filme acrílico Tipo FCA da CDE, como o FCA0805C104M-J2, oferecem altos valores de capacitância em tamanhos de invólucro padrão para montagem em superfície. A série oferece uma faixa de capacitância de 0,10 µF a 1,0 µF. Como capacitores de acoplamento em circuitos de áudio, eles podem produzir som sem distorção e filtragem de alta frequência.

Conclusão

Os capacitores são componentes eletrônicos vitais, e a seleção do capacitor certo é crucial no projeto do produto. Felizmente, a Knowles e a Cornell Dubilier Electronics oferecem acesso a uma vasta seleção de tipos comuns com diversas variações, além de tipos especiais projetados para aplicações específicas.