Capacitores Eletrolíticos de Alumínio

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<p>Capacitores Eletrolticos de Alumnio: Alguns cuidados e consideraes prticasEwaldo L. M. Mehl (*)Os Capacitores Eletrolticos de alumnio, entre os diversos tipos de capacitores disponveis, so extremamente importantes nos circuitos eletrnicos, principalmente porque apresentam valores elevados de capacitncia em volume reduzido. possvel obter-se com essa tecnologia capacitncias de at 1 F, com custos razoveis. No entanto, principalmente para aqueles que travam os primeiros contatos com a eletrnica, chama logo a ateno a particularidade de que tais componentes apresentam-se com uma polaridade definida, ao contrrio dos resistores, indutores e capacitores no-eletrolticos, que so tipicamente componentes sem polaridade pr-definida. Porqu isso ocorre? Quais so os cuidados a serem tomados com estes capacitores?1.Conceitos Fundamentais sobre Capacitores Todo capacitor se compe de duas partes condutoras (chamadas armaduras) separadas por um material isolante (ou material dieltrico). Supondo as armaduras como duas placas metlicas planas (Fig. 1), tendo entre elas uma folha de dieltrico, a capacitncia (C) desse conjunto dada por:(*) C = o A d Eq. 1 placa que estiver ligada ao polo positivo da bateria e igual quantidade Q1 de carga negativa na placa ligada ao "polo negativo". A carga em cada armadura dada pelo produto: Q1 = C V1 Eq. 2</p> <p>Se a bateria tiver uma tenso V2, a carga em cada armadura ser Q2, obtendo-se: Q2 = C V2 Eq. 3</p> <p>onde: C = capacitncia A = rea de cada armadura d = espessura do dieltrico o = constante dieltrica do vcuo = 4..10-7 = constante dieltrica relativa do material isolante</p> <p>Assim, a capacitncia C representa a capacidade da estrutura armazenar cargas eltricas. Supondo que se deseja fabricar um capacitor com capacitncia elevada, a observao da Equao 1 permite traar-se algumas alternativas: Diminuir a espessura (d) do dieltrico, pois quanto mais prximas estiverem as armaduras maior ser a capacitncia. Por outro lado, ao se usar folhas finas de material isolante como dieltrico, a tenso mxima qual pode ser submetido o capacitor ser baixa, em comparao com a que se teria para folhas de maior espessura. Usar um material dieltrico com constante dieltrica relativa () elevada. Na prtica materiais com &gt; 10 tendem a ter estrutura cristalina, de difcil manipulao na forma de folhas finas. Usar folhas de armadura com rea elevada, o que conduzir a capacitores de grandes dimenses. A maioria dos capacitores construda com duas folhas finas de alumnio separadas por um filme do material dieltrico. Para permitir um encapsulamento compacto, normalmente emprega-se o esquema construtivo mostrado na Fig. 2, atravs do qual enrola-se as folhas metlicas e o dieltrico juntos. assim que se so construdos os capacitores de papel, polister e policarbonato.</p> <p>Figura 1: Esquema bsico de um capacitor de placas planas paralelas. Quando o capacitor assim constitudo for ligado a uma fonte de corrente contnua com tenso V1 (uma bateria, por exemplo), tem-se aps um certo intervalo de tempo um valor de carga Q1 positiva na(*)</p> <p>Engenheiro Eletricista e Doutor em Engenharia Eltrica; Professor Adjunto do Curso de Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Paran em Curitiba.</p> <p>1</p> <p>eletroqumico chamado oxidao andica, aplicado na folha da primeira armadura. O xido de alumnio um excelente dieltrico, com = 10. Segunda armadura: um lquido condutor de corrente eltrica (eletrlito), que entra em contato com a superfcie oxidada da primeira armadura. Para melhorar o contato, usada uma folha de papel poroso embebida com o eletrlito e uma segunda folha de alumnio, sem tratamento eletroqumico, chamada de folha de catodo. Tem-se assim o terminal negativo do capacitor eletroltico. Figura 2: Construo de capacitores com folhas de alumnio separadas por filme dieltrico. O sanduche assim formado enrolado e colocado no interior de uma caneca de alumnio, vedada por uma espcie de tampo de borracha. A caneca faz contato com o eletrlito, sendo portanto eletricamente ligada ao terminal negativo do capacitor. Um fio metlico atravessa o tampo de borracha e faz contato com a folha de alumnio da primeira armadura. Tem-se assim a construo chamada axial, mostrada na Fig. 5.</p> <p>Figura 3 Esquema de construo de capacitores multicamadas. O esquema de construo atravs de folhas enroladas faz com que o capacitor tenha uma indutncia parasita elevada. Em contrapartida, a Fig. 3 mostra uma alternativa muito utilizada para capacitores destinados a uso em altas freqncias, chamados capacitores multicamadas, normalmente com dieltrico cermico. 2. Construo dos Capacitores Eletrolticos Os capacitores mostrados nas Figs. 2 e 3 atendem a uma boa parte das exigncias em circuitos eltricos. No entanto, mesmo utilizando-se filmes dieltricos de pequena espessura, suas dimenses crescem em propores alarmantes quando se necessita valores maiores que 1 F ou 2 F. Os capacitores chamados eletrolticos surgem ento como alternativa para se ter capacitncias elevadas em volume reduzido.</p> <p>Figura 5: Capacitor Eletroltico com terminais axiais. Quando o espao para montagem crtico, dispe-se tambm de capacitores eletrolticos com terminais unilaterais, chamada montagem radial e mostrada na Fig. 6. Neste caso, apesar de ambos os terminais atravessarem o tampo de borracha, tambm tem-se a caneca metlica fazendo contato com o eletrlito e portanto eletricamente ligada ao terminal negativo.</p> <p>Figura 4: Capacitor eletroltico de 1000 F, com tenso nominal de 25 V, aqui representado aproximadamente em tamanho natural. O mtodo de construo dos capacitores eletrolticos difere fundamentalmente dos demais capacitores. Tem-se, nesses capacitores, os seguintes elementos: Primeira armadura: uma folha fina de alumnio, se constituindo no terminal positivo do capacitor. Dieltrico: uma camada finssima de xido de alumnio, depositada sobre a primeira armadura. Esta camada de xido criada por um tratamento 2</p> <p>Figura 6: Capacitor Eletroltico com montagem unilateral, terminais radiais. O processo de oxidao andica da primeira armadura produz uma camada de xido de alumnio proporcional tenso eltrica usada, da ordem de 0,0012 m/V. Assim, mesmo nos capacitores eletrolticos de maior tenso, a camada de xido faz com que a distncia entre as armaduras seja de no mximo 0,7 m. Para efeito de comparao, uma folha de papel tem uma espessura de 6 m a 8 m, mostrando que o grande segredo para os capacitores eletrolticos apresentarem alta capacitncia em pequeno volume a pequena espessura da camada dieltrica de xido de alumnio depositada sobre a primeira armadura. Por outro lado, reside tambm a uma de suas desvantagens: capacitores eletrolticos tem tenso nominal relativamente baixa, comparativamente aos capacitores construdos com dieltrico cermico ou com folhas de material polimrico (polister ou policarbonato).</p> <p>Para elevar ainda mais a capacitncia dos capacitores eletrolticos, a folha de alumnio da primeira armadura recebe um tratamento eletroqumico prvio de decapagem ou corroso, antes da oxidao. Como resultado, obtm-se uma superfcie rugosa, com rea de contato efetiva muito maior do que se teria com folhas lisas. Como a segunda armadora um fluido, ele se adapta perfeitamente superfcie spera da primeira armadura. 3. Cuidado: no ligar capacitores eletrolticos com polaridade invertida! Um capacitor eletroltico construdo conforme descrito no item anterior s funciona adequadamente quando se liga o polo positivo folha de alumnio anodizada (anodo) e o polo negativo ao eletrlito (catodo), atravs da caneca metlica. Se a ligao for feita de modo invertido, inicia-se no interior do capacitor o mesmo processo eletroqumico que o fabricante usou para criar a camada de xido na primeira armadura, porm agora localizado na folha de catodo, que no sofreu tal tratamento. Tambm a superfcie interna da caneca de alumnio se oxida. Durante este processo ocorre a gerao de gases e calor, que pode levar exploso do capacitor. Muitos capacitores eletrolticos possuem uma espcie de vlvula de segurana para os casos de exploso. Alguns fabricantes usam para isso uma reentrncia no tampo de borracha, enquanto outros introduzem um ponto frgil na caneca de alumnio. Mesmo que a ligao errada seja desfeita antes que ocorra a exploso, o capacitor ficar comprometido, devido a dois fatores: Primeiro, a oxidao interna faz com que a camada de dieltrico seja maior do que a que existia originalmente, resultando em sensvel diminuio no valor da capacitncia. Em segundo lugar, mesmo que no ocorra exploso, o capacitor sofre os efeitos mecnicos do acmulo de gases no seu interior, podendo vir a vazar em futuro prximo. Deve-se tomar extremo cuidado com o eletrlito lquido. O eletrlito constitudo de uma soluo cida, que pode vir a corroer outros elementos do circuito em caso de vazamento. Nos casos em que ocorre exploso acidental do capacitor, os cuidados devem ser mximos. Se houver contato do eletrlito com a pele, deve-se lavar imediatamente o local atingido com gua em abundncia e sabo. Em caso de contato com os olhos, imperativo a assistncia de mdico oftalmologista, sob o risco de leses graves. Por isso, recomendado que sejam usados culos protetores nos laboratrios de eletrnica quando se manuseiam capacitores eletrolticos em tenses maiores que 50 V. Devido ao processo eletroqumico, os capacitores eletrolticos so usados apenas em situaes de tenso contnua entre seus terminais. Pode-se, claro, ter-se uma tenso alternada 3</p> <p>sobreposta componente contnua, desde que em nenhum momento a tenso se torne invertida. Na verdade a ligao invertida da ordem de at 2 V permitida, pois a folha de catodo coberta por uma oxidao natural, que eqivale a uma camada andica de cerca de 2 V. Outro ponto a ser tomado ateno a tenso nominal dos capacitores eletrolticos. A operao de um capacitor eletroltico em tenso maior que a nominal faz com que ocorra uma oxidao adicional da folha de anodo, gerando gases e calor da mesma forma que acontece na ligao com polaridade invertida. Tambm nesse caso, mesmo que no ocorra exploso a capacitncia diminuir e a estrutura pode ficar comprometida pela presso dos gases gerados internamente. 4. Capacitores eletrolticos bipolares? Existem capacitores eletrolticos no polarizados (bipolares). Nesses capacitores utiliza-se folha de alumnio anodizada (oxidada) tambm na folha do catodo. Desta forma, pode-se usar esses capacitores tanto em tenses contnuas sem preocupao quanto polaridade, assim como em tenses alternadas. No entanto, um capacitor eletroltico bipolar tem praticamente o dobro do volume de um capacitor no-bipolar com mesmo valor de capacitncia. Tambm multiplica-se pois dois a corrente de fuga, pois o dieltrico apresenta o dobro da rea de contato. 5. Capacitncia em Corrente Alternada e em Corrente Contnua H dois mtodos bsicos para se medir capacitncias. Um deles efetuar a carga do capacitor com uma tenso contnua fixa e em seguida efetuar sua descarga atravs de um resistor com resistncia conhecida. Medindo-se o tempo de descarga, chega-se facilmente ao valor do capacitor, que chamado Capacitncia em Corrente Contnua. Outro mtodo consiste em se colocar o capacitor sob teste num dos braos de um circuito em ponte, onde se tenha resistores e indutores de valor calibrado, alimentandose o circuito com uma freqncia senoidal fixa. Ajustando-se o circuito de modo a se ter ressonncia, obtm-se o valor do capacitor, que considerado assim sua Capacitncia em Corrente Alternada. Normalmente utiliza-se uma freqncia de 100 Hz ou 120 Hz para tal medio (Normas IEC). Considerando-se capacitores ideais, a medio por qualquer um dos mtodos daria resultados idnticos. Para capacitores eletrolticos, no entanto, costuma-se obter a Capacitncia em Corrente Contnua 1,1 a 1,5 vezes superior Capacitncia em Corrente Alternada. H duas razes para tal divergncia. A primeira delas devido adoo da construo na forma de folhas enroladas, fato que produz indutncia parasita elevada. Por outro lado, tem-se que levar em conta que a corrente eltrica em</p> <p>um capacitor eletroltico percorre um eletrlito lquido, de forma bastante diferente do que se tem em um slido. Em um fio metlico, a corrente eltrica um fluxo de eltrons livres, que tem massa e tamanho reduzido, podendo considera-los como portadores de carga geis. Nos fludos, apesar de existir tambm a conduo eletrnica, existem os ons, que ao contrrio dos eltrons so relativamente grandes e pesados. Se o capacitor eletroltico est ligado a um circuito de alta freqncia, os ons no so capazes de acompanhar o ritmo de variao da tenso, sendo que a tarefa de deslocar as cargas fica ento exclusivamente a cargo dos eltrons, resultando em uma considervel reduo no valor da capacitncia. Finalmente, um detalhe de ordem prtica: a capacitncia nominal dos capacitores eletrolticos, que est gravada no invlucro, normalmente medida a 120 Hz, sendo portanto uma Capacitncia em Corrente Alternada.</p> <p>Os capacitores eletrolticos possuem tambm uma resistncia interna, devido a imperfeies no dieltrico e o uso do eletrlito fluido. Assim, o circuito equivalente de um capacitor eletroltico, representado na Fig. 7, inclui uma capacitncia, uma resistncia e uma indutncia, todas ligadas em srie. Para melhor ilustrar este fenmeno, na Fig. 8 tem-se a curva de impedncia obtida de um capacitor eletroltico de 100 F e tenso nominal de 63 V, sob diversas temperaturas. Nas freqncias mais baixas, a impedncia determinada principalmente pela resistncia e pela capacitncia do capacitor. Em freqncias mais altas, h predominncia do efeito da indutncia. Observa-se que h uma freqncia onde a impedncia do capacitor mnima; ou seja, um capacitor eletroltico atua como um filtro passa-faixa. A Fig. 8 tambm mostra o efeito das baixas temperaturas, que podem at solidificar o eletrlito, com conseqente reduo do valor da capacitncia.</p> <p>Figura 7: Circuito equivalente de um capacitor eletroltico, incluindo a indutncia parasita e a RSE (resistncia-srie-equivalente).</p> <p>Figura 8: Curvas de impedncia de um capacitor eletroltico de 100 F/63 V em funo da freqncia.</p> <p>4</p> <p>Outra caracterstica importante que a capacitncia dos capacitores eletrolticos sofre grande influncia da temperatura, pois a viscosidade do eletrlito se altera. Tem-se como resultado um coeficiente de temperatura positivo, ou seja, a capacitncia aumenta com a elevao da temperatura, j que a viscosidade do eletrlito diminui e sua condutividade aumenta nessa situao. De mesma forma, em baixas temperaturas o eletrlito aumenta a viscosidade e em conseqncia a capacitncia diminui acentuadamente. 7. O problema do armazenamento sem tenso Um capacitor eletroltico armazenado tende a sofrer uma diminuio da espessura da camada de xido na placa de anodo, enquanto que pode tambm se ter uma oxidao na placa de catodo. O resultado pode ser tanto um aumento como uma diminuio do valor da capacitncia com o passar do tempo, sendo mais comum a diminuio da capacitncia. Alm disso, tem-se uma alta corrente de fuga quando tal capacitor for energizado. A partir do momento em que o capac...</p>