CapacitoresDefinioOs capacitores so dispositivos passivos utilizados em circuitos eletrnicos como filtros e acumuladores de energia. Consistem basicamente de dois eletrodos metlicos paralelos isolados por um material dieltrico (ou isolante), conforme mostra a figura 1.S d

Fig. 1 Capacitor de placas planas paralelas.

A sua caracterstica eltrica a capacitncia C, que est relacionada com a tenso aplicada V e a carga acumulada q pela relao:C= q V (1)

O capacitor, como elemento de circuito eltrico, utiliza os smbolos mostrados na figura 2.+

-

+

Fig. 2 Smbolos para o capacitor.

CapacitnciaA capacitncia uma quantidade escalar que expressa a capacidade que um material de armazenar energia eltrica na forma de carga e definida pela relao:

Capacitores

1

C = na qual:

S (F = farad) d

(2)

- permissividade do meio dieltrico (F/m); d espessura do dieltrico; S rea de seo transversal do dieltrico

No ar ou no vcuo, a permissividade constante = 0 = 1/36 nF/m = 8,85 pF/m = 8,854.10-12 C/V.m, e a equao (2) pode ser re-escrita como: C = 8,85.10 8 r S d (3)

na qual r - permissividade relativa ou constante dieltrica ():

r = =

0

(4)

Para materiais isolantes, tambm chamados materiais dieltricos, a permissividade expressa em termos da permissividade no vcuo 0 multiplicada pela constante dieltrica do material :

= 0

(5)

A tabela 1 apresenta a constante dieltrica e a rigidez dieltrica, que a medida da tenso eltrica que um material isolante capaz de suportar sem conduzir corrente para diversos materiais isolantes. Observar que em geral, a constante dieltrica no est relacionada diretamente com a rigidez dieltrica. TABELA 1 Constante dieltrica e rigidez dieltrica para alguns materiais isolantesMaterial Alumina Al2O3 (99,9%) Alumina (99,5%) Berlia BeO (99,5%) Cordierita Polister Constante dieltrica, 10,1 9,8 6,7 4,1 5,3 3,6 Rigidez dieltrica (kV/mm) 9,1 9,5 10,2 2,4 7,9 21,7

A unidade de capacitncia no SI o farad (F), geralmente sendo utilizado fraes desta quantidade como F (10-6 F), nF (10-9 F) e at pF (10-12 F).

Tipos de capacitoresOs capacitores podem ser fabricados em diferentes arranjos (figura 3) utilizando diferentes materiais como dieltrico.

Capacitores

2

MET AL

DIELT RICO

FOLHA MET LICA DIELTRICO

D IEL T R IC O

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 capacitncia so aqueles para os capacitores eletrolticos. Os capacitores eletrolticos de alumnio geralmente vm com a indicao da polaridade, pois devido construo interna que utiliza um eletrlito lquido que forma vapor, os capacitores eletrolticos de alumnio no podem ser ligados com terminais de polaridade invertidos sob o risco de explodirem. Alm da capacitncia, a especificao dos capacitores deve incluir a tenso de operao. Em geral, o valor da tenso de trabalho dos capacitores tem uma relao inversa com a capacitncia, isto , quanto maior a tenso de trabalho, menor o valor da capacitncia e vice-versa. Isto se deve s caractersticas construtivas dos capacitores: para obter valores elevados de capacitncia, os capacitores possuem internamente uma pequena distncia entre eletrodos d (vide equao 4), fazendo com que a mxima tenso que o capacitor suporta seja limitada pela rigidez dieltrica do material dieltrico (conforme dados mostrados na tabela 2).

Fig. 4 - Tipos e caractersticas eltricas de capacitores: (a) cermicos, (b) eletrolticos de alumnio, (c) polister (Mylar) e (d) capacitor varivel borboleta (mecnico).

Capacitores

3

TABELA 2 Propriedades de capacitores comerciaisTipo Varivel Cermico leo Mica Filme Material dieltrico ar Titanato de brio Papel em leo Mica Polister (Mylar), poliestireno, polipropileno, policarbonato e PTFE (Teflon) xido de tntalo xido de alumnio Faixa de capacitncia 5 a 500 pF 1000 pF a 1 F 0,01 a 1 F 100 a 5000 pF 0,01 a 50 F Tenso mxima 500 V 2000 V 10000 V 10000 V 1000 V

Eletroltico - Tntalo - Alumnio

0,01 a 3000 F 0,1 a 100000 F

* *

Chip cermica * A mxima tenso que pode ser aplicada a um capacitor eletroltico depende do valor da capacitncia. Por exemplo, para 100.000 F, uma tenso de 3 V pode danificar o capacitor, enquanto que para 100 F, o mesmo tipo de capacitor pode suportar 400 V.

Internamente, dependendo da sua construo, o capacitor apresenta resistncias e indutncias que interferem no comportamento do capacitor com a freqncia do sinal de excitao. A figura 5 apresenta o circuito equivalente de um capacitor, no qual as resistncias RP e RS representam os caminhos de fuga de corrente, isto , a perda de carga por caminhos de baixa resistncia no interior e na superfcie do capacitor, respectivamente. A componente indutncia L representa a variao da corrente de fuga com o tempo.I

C

RP

V CC RS

L

Fig. 5: Circuito equivalente do capacitor Como a capacitncia e a corrente de fuga so diretamente proporcionais rea do capacitor, a resistncia RP inversamente proporcional capacitncia. 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 unidade bsica, veremos que,

1 ohm 1 farad =

1 volt 1 coulomb = 1 segundo 1 coulomb / segundo 1 volt

Capacitores

4

O produto RPC denominado tempo de fuga de corrente do capacitor; quanto maior o seu valor, melhor ser a capacidade do capacitor armazenar a carga nele. A tabela 3 apresenta os valores de tempo de fuga para diversos materiais dieltricos comumente empregados na confeco de capacitores comerciais. TABELA 3 Tempos de fuga de corrente para alguns materiais dieltricos a 25oCMaterial Teflon Poliestireno Policarbonato Polister Vidro Mica Papel Cermica Eletroltico Tempo de fuga (M x F = s) 6 2.10 6 1.10 5 2.10 5 1.10 3 5 1.10 a 1.10 3 5 1.10 a 1.10 3 5 1.10 a 1.10 3 5 1.10 a 1.10 10 a 1000

Analisando-se os valores da tabela 3, pode-se concluir que um capacitor de poliestireno muito superior ao capacitor de papel, com base nos valores de tempo de fuga. Naturalmente, o custo do capacitor diretamente proporcional ao tempo de fuga, como tambm ao valor da capacitncia. A corrente de fuga um fenmeno que ocorre nos capacitores devido existncia de caminhos de baixa resistncia no dieltrico. Ela pode ser causada por: Distoro da polarizao do dieltrico; Resoluo e formao do dieltrico; Absoro de umidade pelo dieltrico; Ruptura do dieltrico devido existncia de partculas metlicas ou ons. A corrente de fuga pode ser minimizada pela escolha do material do dieltrico e do mtodo de produo, porm, no pode ser eliminada.

Capacitores cermicos Capacitor de disco cermicoO capacitor de disco cermico mostrado na figura 6 a forma construtiva mais simples, consistindo de um disco de cermica quadrado ou circular com os eletrodos fixados nas suas superfcies.

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

5

A fabricao de capacitores de disco cermico inicia-se pela prensagem de p cermico fino (quanto mais fino o p, maior ser a sua capacitncia especfica) e sinterizao em alta temperatura. Os discos individuais so cortados a partir de grandes chapas cermicas. Os eletrodos so pintados sobre a superfcie superior e a superfcie inferior do disco com tinta prata (solvente orgnico) e um esmalte, seguido por tratamento trmico para secagem da tinta e vitrificao do esmalte sobre o disco cermico. Na prxima etapa, um grampo metlico fixado no capacitor e mergulhados em solda de estanho. Posteriormente, o capacitor pintado, impressa a sua identificao e a extremidade do grampo cortada. O processo de fabricao completamente automatizado, fazendo com que o custo do capacitor de disco cermico seja muito baixo. As caractersticas eltricas do capacitor dependero do tipo de material cermico usado na sua fabricao.

Capacitor cermico multicamadas ou chipO capacitor cermico multicamadas, designado pela sigla MLC, tem a forma geomtrica externa de um circuito integrado, por isso tambm so conhecidos como capacitores do tipo chip. Internamente so constitudos por arranjo de folhas metlicas intercaladas com material cermico. A figura 7 apresenta a estrutura de um capacitor MLC.

Fig. 7 - Estrutura do capacitor multicamadas cermicas (MLC). O processo de fabricao utiliza como material de partida o p cermico misturado a um ligante que colocado entre folhas finas. O eletrodo pintado sobre uma das faces da folha e consiste de um lquido com partculas metlicas em suspenso. Os metais usados na preparao da suspenso em geral so metais nobres, tais como ouro, paldio, platina e ligas de prata. A razo para escolha desses metais deve-se ao fato que quando o material cermico base sinterizado, oxignio necessrio para formar a fase cermica apropriada. Isto acarreta em custo de matria-prima mais alto para esse tipo de capacitor. Atualmente, os fabricantes tm pesquisado o uso de nquel e cobre para confeco dos eletrodos, com vistas a reduo do custo de material, porm, tornando o processo de fabricao mais complexo. Uma vez que a tinta esteja seca, as folhas so empilhadas uma sobre as outras. Os eletrodos so arranjados de tal forma que as suas extremidades estejam em lados opostos (formando o arranjo eletrodo interdigitado). As ltimas camadas de cima e de baixo no tm eletrodos pintados. As camadas laminadas so ento comprimidas numa prensa e sinterizadas, formando uma estrutura monoltica. Os terminais metlicos so fixados com tinta prata e o capacitor encapsulado em plstico e identificado. No caso de capacitores tipo chip, os terminais so recobertos com estanho para facilitar a soldagem do componente sobre placas de circuito impresso.

Capacitores

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Classes de materiais dieltricos cermicosComo as caractersticas eltricas dos capacitores cermicos dependem do tipo de material empregado na sua fabricao, vamos descrever as duas classes de materiais dieltricos cermicos mais comuns. Como regra geral, quanto maior a constante dieltrica do material maior ser a capacitncia volumtrica especfica do capacitor. Entretanto, sabe-se que quanto maior constante dieltrica do material cermico, menor ser a estabilidade trmica de suas propriedades eltricas. Assim, a escolha do material dieltrico ser ditada pelo compromisso entre capacitncia volumtrica especfica e estabilidade, sendo que esta ltima ser determinada pelo coeficiente de temperatura da constante dieltrica e fator de dissipao do material cermico.

Dieltricos classe I:A indstria eletrnica definiu diversas classes de cermicas dieltricas. A cermica dieltrica classe I possui constante dieltrica inferior a 150, produzindo os capacitores cermicos mais estveis. O material cermico base o xido paraeltrico TiO2. Adicionandose pequenas quantidades de xidos ferroeltricos, tais como CaTiO3 ou SrTiO, uma cermica com compensao de temperatura produzida. Estas cermicas tm caractersticas eltricas lineares com a temperatura e possuem constante dieltrica de at cerca de 500. Os capacitores fabricados com dieltricos classe I tm tolerncia de 5% e valores de capacitncia na faixa de 4,7 pF a 0,047 F. A sua capacitncia altamente estvel com o tempo e possuem baixo fator de dissipao para uma ampla faixa de freqncias. A figura 8 mostra a variao na capacitncia de capacitores cermicos classe I. Observa-se uma variao mxima na capacitncia para a faixa de temperatura de aplicao de 5%. Embora as curvas no sejam perfeitamente lineares, a aproximao linear razovel de modo a se definir um coeficiente linear de temperatura da variao da capacitncia. Na figura 8 a legenda apresenta uma designao informal do coeficiente de temperatura dos capacitores cermicos adotado por fabricantes. O coeficiente de temperatura positivo designado por P, enquanto N para coeficiente negativo, seguido por um valor numrico de trs dgitos que corresponde ao coeficiente de temperatura em ppm/C. Por exemplo, N220 significa -200 ppm/C e P100 significa +100 ppm/C. A exceo a esta nomenclatura NPO que significa estvel com a temperatura (coeficiente de temperatura praticamente zero). A norma tcnica americana usada para designar coeficientes de temperatura para capacitores cermicos a estabelecida pela The Electronic Industries Association (EIA) Standard 198 que utiliza uma outra codificao. 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 C0G.

Capacitores

7

Fig. 8 Variao na capacitncia em funo da temperatura para diversos capacitores cermicos classe I.

Dieltricos classe II:Essa classe de materiais cermicos dieltricos constituda por cermicas ferroeltricas a base de Ba2TiO3, que tm uma constante dieltrica muito maior (> 18.000) do que os dieltricos classe I e, conseqentemente maior capacitncia volumtrica especfica. No entanto, as suas caractersticas de temperatura, tenso, freqncia e envelhecimento so bem menos estveis e, at mesmo, apresentando valores de constante dieltrica errticos. A variao da capacitncia com a temperatura no segue um comportamento linear, de modo que no se pode definir um coeficiente de temperatura constante. Como nos dieltricos classe I, a EIA estabeleceu um sistema de classificao para a dependncia da capacitncia com a temperatura que expressa a percentagem de variao da capacitncia para uma faixa de temperatura. Por exemplo, um capacitor X7R no apresenta mais do que 15% de variao na faixa de 55 a +125 C, e um capacitor Z5U apresenta um desvio de no mximo +22 a 56% na faixa de temperatura de +10 a -85 C. Na figura 9, um capacitor cermico se qualificar como um capacitor X7R enquanto a sua curva de capacitncia em funo da temperatura permanecer na faixa azul.

Fig. 9 Variao percentual da capacitncia em funo da temperatura para capacitores cermicos classe II.

Capacitores

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Capacitores eletrolticos de alumnioUm capacitor eletroltico consiste de uma folha de alumnio (catodo), de papel eletroltico, de um eletrlito e de uma camada de xido de alumnio (anodo) que formada pela anodizao do alumnio metlico pelo eletrlito embebido no papel eletroltico (figura 10). Uma camada muito fina (geralmente, d < 1 m de espessura) de Al2O3 formada pela oxidao eletroltica do alumnio fornece as caractersticas dieltricas do capacitor e possui tambm caractersticas eltricas de retificao da corrente. Desta forma, se um capacitor ligado com polaridade reversa, uma corrente ir fluir pelo capacitor, fazendo com que o capacitor no funcione adequadamente.

Fig. 10 Eletrodos do capacitor eletroltico de alumnio. Um capacitor eletroltico construdo usando duas folhas de alumnio isoladas com papel eletroltico. Estas folhas e o papel so enrolados no arranjo rocambole, encapsulados num invlucro metlico e impregnados com eletrlito (figura 11). Posteriormente aplicada uma diferencial de potencial para oxidao eletroltica do alumnio e formao da camada fina de Al2O3.

Fig. 11 Arranjo interno do capacitor eletroltico de alumnio.

Reao de anodizao (oxidao eletroltica)A folha de alumnio de alta pureza anodizada sob tenso eltrica em uma soluo aquosa de cido brico e amnia para formar uma camada fina de xido de alumnio de acordo com as seguintes reaes qumicas: Al3+ + 6H2O [Al(OH2)6]3+ Capacitores 9

[Al(OH2)6]3+ Al(OH)3 + 3 H2O + 3H+ Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O A espessura e a morfologia da camada de xido de alumnio so determinadas pela intensidade e tempo de aplicao de uma tenso de anodizao, conforme pode ser observado nas micrografias da figura 12.

20 V

100 V

250 V

Fig. 12 Formao do filme de Al2O3 em funo da tenso de anodizao.

Caractersticas eltricasOs capacitores eletrolticos de alumnio so polarizados, isto , funcionam quando so ligados com as polaridades indicadas no corpo do capacitor de forma adequada com a fonte de alimentao cc. A figura 13 apresenta as caractersticas internas de um capacitor eletroltico de alumnio operando com tenso de polarizao direta.

Fig. 13 (a) Detalhes internos de um capacitor eletroltico de alumnio, (b) efeito de polarizao interna de um capacitor com aplicao de tenso direta.

A figura 14 apresenta as caractersticas internas de um capacitor eletroltico de alumnio operando com tenso de polarizao reversa. Quando o capacitor opera em tenso reversa a corrente faz com que as reaes de anodizao sejam revertidas com a conseqente liberao e formao de bolhas de H2 gasoso. Como o invlucro do capacitor est hermeticamente selado para evitar o vazamento do eletrlito, se a produo das bolhas de gs prosseguir poder ocorrer a exploso do capacitor.

Capacitores

10

No grfico da figura 14b observa-se que para um tpico capacitor eletroltico de alumnio, a tenso de polarizao direta produz uma corrente de fuga constante da ordem de dezenas de microampres, enquanto que sob uma tenso reversa a corrente alcana valores da ordem de centenas de microampres crescendo com o aumento da intensidade da tenso.

Fig. 14 (a) Detalhes do efeito de polarizao interna de um capacitor com aplicao de tenso reversa, (b) curvas de polarizao direta e reversa de um capacitor eletroltico de alumnio. Na figura 15 pode-se observar o efeito da intensidade da tenso de anodizao sobre as curvas de polarizao direta e reversa de um capacitor eletroltico de alumnio. Como visto na figura 12, quanto maior a tenso de anodizao maior a espessura do filme de Al2O3 fazendo com que os capacitores de filme mais espesso possam suportar tenses de operao mais elevadas com menores correntes de fuga. Entretanto, sob polarizao reversa a espessura do filme de xido praticamente no influencia na corrente de fuga sob pequenas intensidades de tenso reversa (3 quadrante da curva I-V da figura 15).

Fig. 15 Curvas corrente-tenso de um capacitor eletroltico de alumnio em funo da tenso de anodizao.

Capacitores

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Capacitores eletrolticos de tntaloOs capacitores eletrolticos de tntalo tm grande aplicao em circuitos de computadores e de telecomunicaes por causa de sua elevada capacitncia volumtrica especfica, estabilidade, confiabilidade e compatibilidade eltrica. Eles substituem os capacitores eletrolticos de alumnio quando esses requisitos so essenciais.

P de tntaloOs capacitores eletrolticos de tntalo so produzidos a partir da anodizao de p de Ta metlico de alta pureza para formar uma camada de xido de tntalo Ta2O5. A morfologia do p influencia fortemente o produto da capacitncia especfica pela tenso (produto CV), como pode ser observado na figura 16. Ps com maior dimetro de partcula so usados na fabricao de capacitores para alta tenso, porque quando o Ta2O5 produzido consome cerca de um tero do dimetro do p de Ta. Se p muito fino for usado, cada partcula metlica ser inteiramente consumida e se tornar isolante. Como a capacitncia proporcional a superfcie especfica, quanto maior a rea especfica, maior ser a capacitncia.

Fig. 16 Morfologia de diferentes morfologias de p de tntalo. A figura 17 mostra a fotografia de microscopia eletrnica de varredura (MEV) de ps de Ta com diferentes produtos CV. Observa-se que o tamanho de partcula inversamente proporcional ao produto CV.

Fig. 17 Fotografias de p de tntalo com diferentes granulometrias.

Fabricao

Capacitores

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Inicialmente, o p de Ta com morfologia e granulometria adequadas, misturado com ligante e prensado. O p prensado em torno de um fio de Ta formando um slug. O termo slug usado pelos fabricantes de capacitores de Ta para designar o elemento de Ta. O fio de Ta ser o terminal do anodo do capacitor. O ligante ser removido em estufa a vcuo a 150oC. A figura 18a mostra a microestrutura de um p de Ta prensado. O slug ser sinterizado tipicamente na faixa de temperatura entre 1500 e 2000oC em vcuo, formando uma estrutura esponjosa (figura 18b). Esta estrutura combina resistncia mecnica e densidade, mas contm alta porosidade assegurando uma elevada rea especfica interna. Se o p for sinterizado por um tempo demasiadamente longo ou em temperatura muito elevada, as partculas podem se fundir, reduzindo assim a capacitncia final do anodo.

(a)

(b)

Fig. 18 (a) P de tntalo prensado e (b) sinterizado. Aps sinterizado, o slug soldado sobre uma tira metlica e uma arruela de Teflon colocada sobre o fio de Ta, que evitar que o contraeletrodo de MnO2 passe pelo fio e provoque curto-circuito. A prxima etapa a formao da camada do dieltrico de pentxido de tntalo Ta2O5 por um processo de anodizao eletroqumica. O slug imerso numa soluo cida fraca de cido fosfrico a 85oC e aplicada uma tenso. A corrente andica formar uma camada uniforme de Ta2O5. A figura 19a apresenta uma fotografia de MEV de um slug fraturado para exibir a camada do dieltrico. A espessura do dieltrico controlada pela tenso aplicada durante a sua formao. A figura 20a mostra uma tpica curva de tenso e corrente medida durante o processo de anodizao. As equaes qumicas que descrevem a reaes de anodizao so: Anodo: 2 Ta 2 Ta5+ + 10 e 2 Ta5+ + 10 OH Ta2O5 + H2O Catodo: 10 H2O + 10 e 5 H2 + 10 OH-

A tenso de formao do capacitor tipicamente de 3 a 4 vezes a tenso nominal de operao, assegurando boa confiabilidade. Quando o dieltrico formado, uma regio de xido de tntalo semicondutor formada entre a camada de pentxido e a do tntalo metlico. A produo desta regio minimizada atravs da remoo dos slugs do banho eletroqumico quando se atinge aproximadamente 90% da tenso final e o tratamento trmico numa faixa de temperatura entre 350 a 400oC. Esta regio semicondutora a responsvel Capacitores 13

pelos capacitores de Ta serem polarizados. O dieltrico ser submetido a uma elevada tenso eltrica no capacitor acabado. A prxima etapa de fabricao do capacitor de Ta a produo do catodo atravs da pirlise do nitrato de mangans em dixido de mangans. O processo de manganizao feito mergulhando o slug em uma soluo aquosa de nitrato de mangans e posteriormente tratado a 250oC para produzir o depsito de MnO2. A reao qumica descrita por: Mn (NO3)2 MnO2 + NO2 Este processo repetido diversas vezes, variando-se a concentrao da soluo de nitrato para assegurar boa penetrao no anodo e produzir uma cobertura espessa na superfcie do capacitor. A figura 19b mostra um anodo manganizado, sendo que o material com estrutura com aspecto de flocos o dixido de mangans.

(a)

(b)

Fig. 19 (a) Partculas de tntalo fraturadas exibindo a camada de Ta2O5 anodizada e (b) anodo recoberto com dixido de mangans MnO2 (catodo).

(a)

(b)

Fig. 20 Curvas tpicas de tenso e corrente em funo do tempo de anodizao.

Aps a cobertura de dixido de mangans feita a reforma do capacitor manganizado atravs da imerso do slug em banho de cido actico para remoo do mangans de pontos onde ocorre fuga de corrente e crescimento de uma camada dieltrica para isolar o ponto de fuga de corrente.

Capacitores

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A ltima etapa de fabricao do capacitor de Ta a insero das camadas de contato externo pela imerso do slug em uma disperso de grafita seguida por tratamento trmico em forno para garantir boa aderncia com o slug. O processo repetido com uma disperso 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 dixido de mangans 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 epxi.

Capacitores de filme polimrico metalizadoEmbora os capacitores de filme polimrico apresentem baixos valores de capacitncias comparados aos capacitores eletrolticos, eles possuem diversas vantagens, tais como baixo custo e alta estabilidade.

Polmeros Policarbonato: geralmente usado para fabricao de capacitores de alta tolerncia (< 0,25%) ou em aplicaes que requeiram alta estabilidade trmica. recomendado para aplicaes onde robustez e confiabilidade sejam importantes. A temperatura de operao de at 125oC. Os capacitores de policarbonato apresentam tambm elevada resistncia de isolamento e, conseqentemente, baixa corrente de fuga. Polister: o dieltrico polimrico de uso geral. Tanto pode ser usado para aplicaes cc quanto ca. adotado para tolerncias maiores do que 5% e o seu limite de temperatura de 100oC. Possui permissividade eltrica maior do que os outros materiais polimricos usados na fabricao de capacitores de filme metlico e esta caracterstica aliada ao seu baixo custo asseguram a ele a melhor relao capacitncia/custo dentre todos os dieltricos polimricos. Em compensao, a resistncia de isolamento dos capacitores de polister a mais baixa entre todos os capacitores de filme metlico. Polipropileno: geralmente usado em aplicaes ca e pulsadas por causa de suas baixas perdas e, conseqentemente, baixo aquecimento Joule. Pode ser usado em aplicaes cc de uso geral, mas a sua temperatura de operao limitada a 85oC e sua baixa permissividade acarreta em capacitores com baixa relao capacitncia/volume. Os capacitores de propileno apresentam alta resistncia de isolao e baixa corrente de fuga. 15

Capacitores

TABELA 4 - Comparao entre os dieltricos polimricosCaracterstica Resistncia de isolao o (25 C) (M .F) o tg (1 kHz, 25 C) Coeficiente de o Temperatura (ppm / C) Policarbonato 50.000 0,0012 75 Polister 10.000 0,006 333 (85 C)o

Polipropileno 50.000 0,0006 -200

Comparao entre capacitoresA comparao entre caractersticas dieltricas e construtivas de capacitores comerciais est apresentada na tabela 5. Na figura 22 mostrada influncia da temperatura sobre a capacitncia relativa de capacitores eletrolticos de nibio, tntalo e alumnio e capacitor cermico MLC. TABELA 5 Caractersticas dos capacitores comerciaisTipo Capacitor eletroltico de alumnio Capacitor eletroltico de tntalo Capacitor de polister Capacitor cermico (elevada constante dieltrica) Capacitor cermico (com compensao de temperatura) Dieltrico xido de alumnio Al2O3 xido de tntalo Ta2O5 Filme de polister Titanato de brio BaTiO3 xido de titnio TiO2 Constante dieltrica 7 10 24 3,2 500 20.000 15 250 Espessura do dieltrico d (m) (0,0013 0,0015/V) (0,001 0,0015/V) 0,5 2 23 23

Fig. 22 Variao na capacitncia em funo da temperatura para diversos tipos de capacitores.

Capacitores

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Teste de capacitoresOs capacitores podem ser testados em corrente contnua como em corrente alternada. No teste de tenso cc objetiva-se especificamente no caso de capacitores eletrolticos determinar as caractersticas I-V desses capacitores em tenso reversa. O teste de capacitores em tenso ca visa determinar as seguintes caractersticas eltricas: resistncia equivalente em srie (ESR), fator de dissipao (tg D) e impedncia (Z), como funo da tenso e freqncia.

Teste de tenso cc reversaO circuito de teste cc o circuito padro para medio da relao entre tenso e corrente. A corrente de teste selecionada dos valores da tabela seguinte de acordo com o dimetro do capacitor. O capacitor eletroltico conectado fonte de tenso com sua polaridade invertida, posteriormente aplicada a corrente medida a tenso.

Dimetro nominal < 22,4 mm > 22,4 mm

Corrente 1A 10 A

Teste em tenso caO teste em tenso alternada objetiva a determinao dos parmetros do modelo de circuito equivalente dos capacitores (figura 23). Na faixa de freqncia de medio (50 Hz a 10 kHz),a indutncia desprezvel e o diagrama de Argand da impedncia do circuito equivalente estabelece os principais parmetros caractersticos de um capacitor.RP RS L

C

Fig. 23 Circuito equivalente de um capacitor.RRP

XC = 1/ C Z

C

(a)

(b)

Fig. 24 (a) Circuito equivalente de um capacitor para medio na faixa de freqncias de 50 Hz a 10 kHz e (b) diagrama de impedncia do circuito equivalente. Capacitores 17

Equaes para determinao dos parmetros dieltricosFator de potncia = f.p. = cos =

Rp Z

=

Rp 1 R2 + p C 2

Tangente delta e fator de dissipao D: tg = cotg = Rp XC = R p C

D = tg 100 (%) Fator de qualidade: Q = X 1 1 = C = tg R p CR p

Fig. 25 Circuito para teste ca de capacitores.

TABELA 6 - Especificao de resistores para teste de capacitoresCapacitncia nominal (F) 1 1 10 10 100

Resistncia em srie (ohm)1000 10% 100 10% 10 10%

Capacitncia nominal (F) 100 1.000 1.000 10.000 > 10.000

Resistncia em srie (ohm)1 10% 0,1 10% *

* Valor de resistncia equivalente metade da impedncia na freqncia de teste.

Capacitores

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Fig. 26 Curva de resposta em freqncia das caractersticas dieltricas para um capacitor eletroltico.

Aplicaes de capacitoresO capacitor como elemento de circuito pode ser definido como um resistor dependente da freqncia, pois a sua impedncia funo da freqncia de operao. Em freqncias muito baixas o capacitor possui uma impedncia elevada (circuito aberto) e em altas freqncias esse comportamento se inverte, ou seja, a impedncia capacitiva vai a zero (curtocircuito). Os circuitos eletrnicos utilizam capacitores para as seguintes finalidades: Filtro com resistores; Osciladores com indutores; Bloqueio de tenso contnua; Acoplagem de circuitos (casamento de impedncia); Compensao de impednciasica

freqncia

(a)

(b)

Fig. 27 (a) A corrente ca sobre um capacitor aumenta com a freqncia, (b) filtro capacitivo: a corrente cc no flui sobre o capacitor como a corrente ca de alta freqncia.

Capacitores

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