Fundamentos: Compreenda as características dos tipos de capacitores para utilizá-los de forma adequada e segura

Os capacitores são dispositivos de armazenamento de energia que são essenciais tanto para circuitos eletrônicos analógicos quanto digitais. Eles são usados em temporização, para criação e formação de formas de onda, bloqueio de corrente contínua e acoplamento de sinais de corrente alternada, filtragem e suavização e, é claro, armazenamento de energia. Devido à ampla gama de usos, surgiu uma abundância de tipos de capacitores utilizando uma variedade de materiais de placas, dielétricos isolantes e formas físicas. Cada um desses tipos de capacitores é destinado a uma gama específica de aplicações. A grande variedade de opções significa que pode levar tempo para classificar todas elas para encontrar a melhor escolha para um projeto em termos de características de desempenho, confiabilidade, tempo de vida útil, estabilidade e custo.

O conhecimento das características de cada tipo de capacitor é necessário para adequar corretamente o capacitor à aplicação do circuito pretendido. Este conhecimento deve cobrir as características elétricas, físicas e econômicas dos capacitores.

Este artigo descreve os vários tipos de capacitores, suas características e os critérios principais para sua seleção. Exemplos da Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation e AVX Corporation serão usados para ilustrar as principais diferenças e atributos.

O que é um capacitor?

O capacitor é um dispositivo eletrônico que armazena energia em um campo elétrico interno. É um componente eletrônico passivo básico junto com resistores e indutores. Todos os capacitores consistem na mesma estrutura básica, duas placas condutoras separadas por um isolante, chamado dielétrico, que pode ser polarizado com a aplicação de um campo elétrico (Figura 1). A capacitância é proporcional à área da placa, A, e inversamente proporcional à distância entre as placas, d.

Figura 1: O capacitor básico consiste em duas placas condutoras separadas por um dielétrico não condutor que armazena energia como regiões polarizadas no campo elétrico entre as duas placas. (Fonte da imagem: DigiKey)

O primeiro capacitor foi a garrafa de Leyden, desenvolvida em 1745. Era composto por um frasco de vidro revestido com folha de metal nas superfícies interna e externa e era originalmente usado para armazenar cargas elétricas estáticas. Benjamin Franklin usou um para provar que o raio era eletricidade, o que se tornou uma das primeiras aplicações registradas.

A capacitância do capacitor básico de placas paralelas pode ser calculada usando a Equação 1:

 Equação 1

Onde:

C é a capacitância em Farads

A é a área da placa em metros quadrados

d é a distância entre as placas em metros

ε é a permissividade do material dielétrico

ε é igual à permissividade relativa do dielétrico, ε_r, multiplicada pela permissividade do vácuo, ε₀. A permissividade relativa, ε_r, é frequentemente referida como a constante dielétrica, k.

Com base na Equação 1, a capacitância é diretamente proporcional à constante dielétrica e à área da placa, e inversamente proporcional à distância entre as placas. Para aumentar a capacitância, a área das placas pode ser aumentada e a distância entre as placas pode ser reduzida. Como a permissividade relativa do vácuo é 1, e todos os dielétricos têm uma permissividade relativa maior que 1, a inserção de um dielétrico também aumentará a capacitância de um capacitor. Os capacitores são geralmente referidos pelo tipo de material dielétrico utilizado (Tabela 1).

Tabela 1: Características dos tipos de capacitores comuns, classificados por material dielétrico. (Fonte da tabela: DigiKey)

Algumas notas sobre as entradas das colunas:

• A permissividade relativa ou constante dielétrica de um capacitor afeta o valor máximo de capacitância alcançável para uma determinada área de placa e espessura dielétrica.
• A rigidez dielétrica é um dimensionamento da resistência do dielétrico à ruptura de tensão em função de sua espessura.
• A espessura dielétrica mínima atingível afeta a capacitância máxima que pode ser notada, assim como a tensão de ruptura do capacitor.

Construção de capacitores

Os capacitores estão disponíveis em várias configurações de montagem física, incluindo montagem axial, radial e de superfície (Figura 2).

Figura 2: A montagem de capacitores, ou os tipos de configuração, incluem montagem axial, radial e de superfície. A montagem de superfície é muito utilizada no momento. (Fonte da imagem: DigiKey)

A construção axial é baseada em camadas alternadas de folha de metal e dielétrico, ou um dielétrico metalizado em ambos os lados enrolado em forma cilíndrica. As conexões com as placas condutoras podem ser feitas através de uma aba inserida ou de uma capa de extremidade circular condutora.

O tipo radial geralmente consiste de camadas metálicas e dielétricas alternadas. As camadas de metal são unidas nas extremidades. As configurações radiais e axiais são destinadas à montagem de furo passante.

Os capacitores de montagem em superfície também contam com as camadas condutoras e dielétricas alternadas. As camadas de metal em cada extremidade são ligadas por uma capa de solda para montagem em superfície.

Modelo de circuito do capacitor

O modelo de circuito para um capacitor inclui os três elementos de circuito passivo (Figura 3).

Figura 3: O modelo de circuito para um capacitor consiste nos elementos capacitivos, indutivos e resistivos. (Fonte da imagem: DigiKey)

O modelo de circuito de um capacitor consiste de um elemento resistivo em série que representa a resistência ôhmica dos elementos condutores junto com a resistência dielétrica. Isto é chamado de resistência em série equivalente, ou resistência efetiva (ESR).

Os efeitos dielétricos ocorrem quando os sinais CA são aplicados ao capacitor. As tensões CA provocam a polarização do dielétrico a cada ciclo, provocando o aquecimento interno. O aquecimento do dielétrico é uma função do material e é medido como o fator de dissipação do dielétrico. O fator de dissipação (DF) é uma função da capacidade do capacitor e do ESR, e pode ser calculado usando a Equação 2:

 Equação 2

Onde:

X_C é a reatância capacitiva em ohms (Ω)

ESR é a resistência equivalente em série (em Ω)

O fator de dissipação é dependente da frequência devido ao termo da reatância capacitiva e não tem dimensão, muitas vezes expresso como uma porcentagem. Um menor fator de dissipação resulta em menos aquecimento e, portanto, menor perda.

Existe um elemento indutivo em série, chamado de indutância em série efetiva ou equivalente (ESL). Isto representa uma indutância do caminho condutor e do terminal. A indutância e a capacitância em série dão origem a uma ressonância em série. Abaixo da frequência de ressonância em série, o dispositivo exibe principalmente comportamento capacitivo, acima dela, o dispositivo é mais indutivo. Esta indutância em série pode ser problemática em muitas aplicações de alta frequência. Os fornecedores minimizam a indutância utilizando a construção em camadas mostrada nas configurações de componentes radiais e de montagem em superfície.

A resistência paralela representa a resistência de isolação do dielétrico. Os valores dos diversos componentes do modelo dependem da configuração do capacitor e dos materiais selecionados para sua construção.

Capacitores de cerâmica

Estes capacitores utilizam um dielétrico de cerâmica. Há duas classes de capacitores de cerâmica, Classe 1 e Classe 2. A classe 1 é baseada em cerâmicas de parâmetros elétricos como o dióxido de titânio. Os capacitores cerâmicos desta classe têm um alto nível de estabilidade, bom coeficiente de temperatura de capacitância e baixa perda. Devido à sua precisão inerente, eles são usados em osciladores, filtros e outras aplicações de RF.

Os capacitores cerâmicos de classe 2 utilizam um dielétrico de cerâmica baseado em materiais ferroelétricos como o titanato de bário. Devido à alta constante dielétrica desses materiais, os capacitores cerâmicos de Classe 2 oferecem uma maior capacitância por unidade de volume, mas têm menor precisão e estabilidade do que os capacitores de Classe 1. São utilizados para aplicações de desvio e acoplamento onde o valor absoluto da capacitância não é crítico.

O GCM1885C2A101JA16 da Murata Electronics é um exemplo de um capacitor cerâmico (Figura 4). O capacitor de Classe 1 de 100 pF tem tolerância de 5%, é dimensionado para 100 volts e vem em uma configuração de montagem em superfície. Este capacitor é destinado ao uso automotivo com um dimensionamento de temperatura de -55° a +125° C.

Figura 4: O GCM1885C2A101JA16 é um capacitor cerâmico de montagem em superfície, Classe 1 de 100 pF com tolerância de 5% e um dimensionamento de 100 volts. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Capacitores de filme

Os capacitores de filme utilizam um filme plástico fino como dielétrico. As placas condutoras podem ser implementadas tanto como camadas de folha ou como duas camadas finas de metalização, uma de cada lado do filme plástico. O plástico utilizado para o dielétrico determina as características dos capacitores. Os capacitores de filme vêm em muitas formas:

Polipropileno (PP): Estes têm uma tolerância e estabilidade particularmente boa com baixa ESR e ESL e dimensionamentos com altas tensões de ruptura. Devido aos limites de temperatura do dielétrico, eles estão disponíveis apenas como dispositivos com terminais. Os capacitores PP encontram aplicações em circuitos onde a alta potência ou alta tensão são encontradas, como em fontes de alimentação chaveada, circuitos de reatores, circuitos de descarga de alta frequência, e em sistemas de áudio onde seus baixos valores de ESR e ESL são valorizados para fins de integridade do sinal.

Politereftalato de etileno (PET): Também chamados capacitores de poliéster ou mylar, estes capacitores são os mais eficientes volumetricamente dos capacitores de filme devido a sua constante dielétrica mais alta. Eles são geralmente aplicados como dispositivos de terminal radial. Eles são utilizados para aplicações capacitivas de uso geral.

Sulfeto de polifenileno (PPS): Estes capacitores são fabricados somente como dispositivos de filme metalizado. Eles têm uma estabilidade de temperatura particularmente boa e, por isso, são aplicados em circuitos que requerem uma boa estabilidade de frequência.

Um exemplo de capacitor de filme PPS é o ECH-U1H101JX5 da Panasonic Electronics Corporation. O dispositivo de 100 pF tem uma tolerância de 5%, é dimensionado para 50 volts, e vem em uma configuração de montagem em superfície. Tem uma faixa de temperatura operacional de -55° a 125°C e é destinado a aplicações eletrônicas em geral.

Polietileno naftalato (PEN): Assim como os capacitores PPS, estes só estão disponíveis em um design de filme metalizado. Eles têm alta tolerância à temperatura e estão disponíveis na configuração de montagem em superfície. As aplicações se concentram naquelas que exigem desempenho a alta temperatura e alta tensão.

Os capacitores de politetrafluoretileno (PTFE) ou teflon são notados por sua tolerância à alta temperatura e alta tensão. São fabricados tanto na construção metalizada como em folhas. Os capacitores de PTFE encontram a maioria das aplicações onde requerem exposição a altas temperaturas.

Capacitores eletrolíticos

Os capacitores eletrolíticos são notáveis por seus altos valores de capacitância e alta eficiência volumétrica. Isto é conseguido usando um eletrólito líquido como uma de suas placas. Um capacitor eletrolítico de alumínio compreende quatro camadas separadas: um cátodo de folha de alumínio; um separador de papel embebido em eletrólito; um ânodo de alumínio que foi tratado quimicamente para formar uma camada muito fina de óxido de alumínio; e finalmente, outro separador de papel. Esta montagem é então enrolada e colocada em uma lata metálica selada.

Os capacitores eletrolíticos são dispositivos polarizados, de corrente contínua (CC), o que significa que a tensão deve ser aplicada aos terminais positivos e negativos especificados. O erro na conexão correta do capacitor eletrolítico pode resultar em falha explosiva, embora os invólucros tenham diafragmas de alívio de pressão para gerenciar a reação e minimizar o potencial de danos.

As principais vantagens do capacitor eletrolítico são valores de alta capacitância, tamanho pequeno e custo relativamente baixo. Os valores de capacitância têm uma ampla faixa de tolerância e correntes de fuga relativamente altas. As aplicações mais comuns para capacitores eletrolíticos são como capacitores de filtro, tanto em fontes de alimentação lineares como as chaveadas (Figura 5).

Figura 5: Exemplos de capacitores eletrolíticos; todos têm uma capacitância de 10 microfarads (µF). (Fonte da imagem: Kemet e AVX Corp.)

Referindo-se à Figura 5 e movendo-se da esquerda para a direita, o ESK106M063AC3FA da Kemet é um capacitor eletrolítico de alumínio de 10 µF, 20%, 63 volts, com terminal radial. Pode ser operado a temperaturas de até 85°C e tem uma vida útil de operação de 2.000 horas. É destinado a aplicações eletrolíticas de uso geral, incluindo operações de filtragem, desacoplamento e de desvio.

Uma alternativa ao capacitor eletrolítico de alumínio é o capacitor de alumínio-polímero que substitui o eletrólito líquido por um eletrólito sólido de polímero. O capacitor de alumínio-polímero tem ESR mais baixo que o eletrolítico de alumínio e uma vida operacional mais longa. Como todos os capacitores eletrolíticos, eles são polarizados e encontram aplicação em fontes de alimentação, como capacitores de filtro e desacoplamento.

O A758BG106M1EDAE070 da KEMET é um capacitor de alumínio-polímero de 10 µF, 25 volts, de terminal radial, com maior vida útil e maior estabilidade em uma ampla faixa de temperatura. Destina-se a aplicações industriais e comerciais, como carregadores de telefones celulares e eletrônica para medicina.

Os capacitores de tântalo são outra forma de capacitor eletrolítico. Neste caso, uma camada de óxido de tântalo é formada quimicamente em folha de tântalo. Sua eficiência volumétrica é melhor que uma eletrolítica de alumínio, mas os níveis máximos de tensão são geralmente mais baixos. Os capacitores de tântalo apresentam menor ESR e maior tolerância à temperatura do que os eletrolíticos de alumínio, o que significa que eles podem suportar melhor o processo de soldagem.

O T350E106K016AT da KEMET é um capacitor de tântalo de 10 µF, 10%, 16 volts, com terminal radial. Ele oferece as vantagens de tamanho pequeno, baixa fuga e baixo fator de dissipação para aplicações de filtragem, desvio, acoplamento CA e temporização.

O tipo de capacitor eletrolítico final é o eletrolítico de óxido de nióbio. Desenvolvido durante uma escassez de tântalo, o capacitor eletrolítico de nióbio substitui o tântalo pelo nióbio e pentóxido de nióbio como eletrólito. Devido a sua constante dielétrica mais alta, oferece um invólucro de menor tamanho por unidade de capacitância.

Um exemplo de eletrolítico de óxido de nióbio é o NOJB106M010RWJ da AVX Corp. Este é um capacitor de 10 µF, 20%, 10 volts em uma configuração de montagem em superfície. Como o eletrolítico de tântalo, ele é usado para aplicações de filtragem, desvio e acoplamento CA.

Capacitores de mica

Os capacitores de mica (principalmente mica prateada) são caracterizados por uma tolerância próxima de capacitância (±1%), coeficiente de capacitância de baixa temperatura (normalmente 50 ppm/°C), fator de dissipação excepcionalmente baixo, e uma baixa variação de capacitância com a tensão aplicada. A tolerância próxima e a alta estabilidade os tornam adequados aos circuitos de RF. O dielétrico de mica é revestido de prata em ambos os lados para fornecer as superfícies condutoras. A mica é um mineral estável que não interage com a maioria dos contaminantes eletrônicos comuns.

O MC12FD101J-F da Cornell Dubilier Electronics é um capacitor de mica de 100 pF, 5%, 500 volts, em uma configuração de montagem em superfície (Figura 6). É usado em aplicações de RF como MRI, rádios móveis, amplificadores de potência e osciladores. São dimensionados para operar na faixa de temperatura de -55° a 125°C.

Figura 6: O Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F é um capacitor de mica de montagem em superfície destinado a aplicações de RF. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Conclusão

Os capacitores são um componente essencial no projeto eletrônico. Ao longo dos anos, uma ampla gama de tipos de dispositivos foi desenvolvida com várias características que tornam algumas tecnologias de capacitores particularmente adequadas para aplicações específicas. Para os projetistas, adquirir um bom conhecimento de trabalho dos vários tipos, configurações e especificações é um esforço que vale a pena para garantir que a escolha ideal seja feita para uma determinada aplicação.