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Capacitores Eletrolíticos de Alumínio:Alguns cuidados e considerações práticas

Ewaldo L. M. Mehl (*)

Os Capacitores Eletrolíticos de alumínio, entre os diversos tipos decapacitores disponíveis, são extremamente importantes nos circuitoseletrônicos, principalmente porque apresentam valores elevados decapacitância em volume reduzido. É possível obter-se com essatecnologia capacitâncias de até 1 F, com custos razoáveis. Noentanto, principalmente para aqueles que travam os primeiroscontatos com a eletrônica, chama logo a atenção a particularidadede que tais componentes apresentam-se com uma polaridade definida,ao contrário dos resistores, indutores e capacitores não-eletrolíticos,que são tipicamente componentes sem polaridade pré-definida.Porquê isso ocorre? Quais são os cuidados a serem tomados comestes capacitores?

1.Conceitos Fundamentais sobre Capacitores

Todo capacitor se compõe de duas partescondutoras (chamadas armaduras) separadas por ummaterial isolante (ou material dielétrico). Supondo asarmaduras como duas placas metálicas planas(Fig. 1), tendo entre elas uma folha de dielétrico, acapacitância (C) desse conjunto é dada por:(*)

dA

C o ⋅ε⋅ε= Eq. 1

onde: C = capacitânciaA = área de cada armadurad = espessura do dielétricoεo = constante dielétrica do vácuo = 4.π.10-7

ε = constante dielétrica relativa do materialisolante

Figura 1: Esquema básico de um capacitor deplacas planas paralelas.

Quando o capacitor assim constituído forligado a uma fonte de corrente contínua com tensãoV1 (uma bateria, por exemplo), tem-se após um certointervalo de tempo um valor de carga Q1 positiva na

(*) Engenheiro Eletricista e Doutor em Engenharia Elétrica;Professor Adjunto do Curso de Engenharia Elétrica daUniversidade Federal do Paraná em Curitiba.

placa que estiver ligada ao “polo positivo” da bateriae igual quantidade Q1 de carga negativa na placaligada ao "polo negativo". A carga em cada armaduraé dada pelo produto:

Q C V1 1= ⋅ Eq. 2

Se a bateria tiver uma tensão V2, a carga em cadaarmadura será Q2, obtendo-se:

Q C V2 2= ⋅ Eq. 3

Assim, a capacitância C representa a“capacidade” da estrutura armazenar cargas elétricas.

Supondo que se deseja fabricar um capacitorcom capacitância elevada, a observação da Equação 1permite traçar-se algumas alternativas:

• Diminuir a espessura (d) do dielétrico, pois quantomais próximas estiverem as armaduras maior será acapacitância. Por outro lado, ao se usar folhas finas dematerial isolante como dielétrico, a tensão máxima àqual pode ser submetido o capacitor será baixa, emcomparação com a que se teria para folhas de maiorespessura.

• Usar um material dielétrico com constante dielétricarelativa (ε) elevada. Na prática materiais com ε > 10tendem a ter estrutura cristalina, de difícilmanipulação na forma de folhas finas.

• Usar folhas de armadura com área elevada, o queconduzirá a capacitores de grandes dimensões.

A maioria dos capacitores é construída comduas folhas finas de alumínio separadas por um filmedo material dielétrico. Para permitir umencapsulamento compacto, normalmente emprega-seo esquema construtivo mostrado na Fig. 2, através doqual enrola-se as folhas metálicas e o dielétricojuntos. É assim que se são construídos os capacitoresde papel, poliéster e policarbonato.

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Figura 2: Construção de capacitores com folhas dealumínio separadas por filme dielétrico.

Figura 3 Esquema de construção decapacitores “multicamadas”.

O esquema de construção através de folhasenroladas faz com que o capacitor tenha umaindutância parasita elevada. Em contrapartida, aFig. 3 mostra uma alternativa muito utilizada paracapacitores destinados a uso em altas freqüências,chamados capacitores “multicamadas”, normalmentecom dielétrico cerâmico.

2. Construção dos Capacitores Eletrolíticos

Os capacitores mostrados nas Figs. 2 e 3atendem a uma boa parte das exigências em circuitoselétricos. No entanto, mesmo utilizando-se filmesdielétricos de pequena espessura, suas dimensõescrescem em proporções alarmantes quando senecessita valores maiores que 1 µF ou 2 µF. Oscapacitores chamados eletrolíticos surgem entãocomo alternativa para se ter capacitâncias elevadasem volume reduzido.

Figura 4: Capacitor eletrolítico de 1000 µF, com tensãonominal de 25 V, aqui representado aproximadamente em

tamanho natural.O método de construção dos capacitores

eletrolíticos difere fundamentalmente dos demaiscapacitores. Tem-se, nesses capacitores, os seguinteselementos:

Primeira armadura: é uma folha fina de alumínio,se constituindo no “terminal positivo” do capacitor.

Dielétrico: é uma camada finíssima de óxido dealumínio, depositada sobre a primeira armadura. Estacamada de óxido é criada por um tratamento

eletroquímico chamado oxidação anódica, aplicadona folha da primeira armadura. O óxido de alumínioé um excelente dielétrico, com ε = 10.Segunda armadura: é um líquido condutor decorrente elétrica (eletrólito), que entra em contatocom a superfície oxidada da primeira armadura. Paramelhorar o contato, é usada uma folha de papelporoso embebida com o eletrólito e uma segundafolha de alumínio, sem tratamento eletroquímico,chamada de “folha de catodo”. Tem-se assim o“terminal negativo” do capacitor eletrolítico.

O “sanduíche” assim formado é enrolado ecolocado no interior de uma “caneca” de alumínio,vedada por uma espécie de tampão de borracha. A“caneca” faz contato com o eletrólito, sendo portantoeletricamente ligada ao terminal negativo docapacitor. Um fio metálico atravessa o tampão deborracha e faz contato com a folha de alumínio daprimeira armadura. Tem-se assim a construçãochamada axial, mostrada na Fig. 5.

Figura 5: Capacitor Eletrolítico com terminais axiais.

Quando o espaço para montagem é crítico,dispõe-se também de capacitores eletrolíticos comterminais unilaterais, chamada montagem radial emostrada na Fig. 6. Neste caso, apesar de ambos osterminais atravessarem o tampão de borracha,também tem-se a “caneca” metálica fazendo contatocom o eletrólito e portanto eletricamente ligada aoterminal negativo.

Figura 6: Capacitor Eletrolítico com montagem unilateral,terminais radiais.

O processo de oxidação anódica da primeiraarmadura produz uma camada de óxido de alumínioproporcional à tensão elétrica usada, da ordem de0,0012 µm/V. Assim, mesmo nos capacitoreseletrolíticos de maior tensão, a camada de óxido fazcom que a distância entre as armaduras seja de nomáximo 0,7 µm. Para efeito de comparação, umafolha de papel tem uma espessura de 6 µm a 8 µm,mostrando que o grande “segredo” para os capacitoreseletrolíticos apresentarem alta capacitância empequeno volume é a pequena espessura da camadadielétrica de óxido de alumínio depositada sobre aprimeira armadura. Por outro lado, reside também aíuma de suas desvantagens: capacitores eletrolíticostem tensão nominal relativamente baixa,comparativamente aos capacitores construídos comdielétrico cerâmico ou com folhas de materialpolimérico (poliéster ou policarbonato).

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Para elevar ainda mais a capacitância doscapacitores eletrolíticos, a folha de alumínio daprimeira armadura recebe um tratamentoeletroquímico prévio de decapagem ou corrosão, antesda oxidação. Como resultado, obtém-se umasuperfície rugosa, com área de contato efetiva muitomaior do que se teria com folhas lisas. Como asegunda armadora é um fluido, ele se adaptaperfeitamente à superfície áspera da primeiraarmadura.

3. Cuidado: não ligar capacitores eletrolíticoscom polaridade invertida!

Um capacitor eletrolítico construído conformedescrito no item anterior só funciona adequadamentequando se liga o polo positivo à folha de alumínioanodizada (anodo) e o polo negativo ao eletrólito(catodo), através da “caneca” metálica. Se a ligaçãofor feita de modo invertido, inicia-se no interior docapacitor o mesmo processo eletroquímico que ofabricante usou para criar a camada de óxido naprimeira armadura, porém agora localizado na folhade catodo, que não sofreu tal tratamento. Também asuperfície interna da “caneca” de alumínio se oxida.Durante este processo ocorre a geração de gases ecalor, que pode levar à explosão do capacitor. Muitoscapacitores eletrolíticos possuem uma espécie de“válvula de segurança” para os casos de explosão.Alguns fabricantes usam para isso uma reentrância notampão de borracha, enquanto outros introduzem umponto frágil na caneca de alumínio.

Mesmo que a ligação errada seja desfeita antesque ocorra a explosão, o capacitor ficarácomprometido, devido a dois fatores: Primeiro, aoxidação interna faz com que a camada de dielétricoseja maior do que a que existia originalmente,resultando em sensível diminuição no valor dacapacitância. Em segundo lugar, mesmo que nãoocorra explosão, o capacitor sofre os efeitosmecânicos do acúmulo de gases no seu interior,podendo vir a vazar em futuro próximo.

Deve-se tomar extremo cuidado com oeletrólito líquido. O eletrólito é constituído de umasolução ácida, que pode vir a corroer outros elementosdo circuito em caso de vazamento. Nos casos em queocorre explosão acidental do capacitor, os cuidadosdevem ser máximos. Se houver contato do eletrólitocom a pele, deve-se lavar imediatamente o localatingido com água em abundância e sabão. Em casode contato com os olhos, é imperativo a assistência demédico oftalmologista, sob o risco de lesões graves.Por isso, é recomendado que sejam usados óculosprotetores nos laboratórios de eletrônica quando semanuseiam capacitores eletrolíticos em tensõesmaiores que 50 V.

Devido ao processo eletroquímico, oscapacitores eletrolíticos são usados apenas emsituações de tensão contínua entre seus terminais.Pode-se, é claro, ter-se uma tensão alternada

sobreposta à componente contínua, desde que emnenhum momento a tensão se torne invertida. Naverdade a ligação invertida da ordem de até 2 V épermitida, pois a folha de catodo é coberta por umaoxidação natural, que eqüivale a uma camada anódicade cerca de 2 V.

Outro ponto a ser tomado atenção é a tensãonominal dos capacitores eletrolíticos. A operação deum capacitor eletrolítico em tensão maior que anominal faz com que ocorra uma oxidação adicionalda folha de anodo, gerando gases e calor da mesmaforma que acontece na ligação com polaridadeinvertida. Também nesse caso, mesmo que não ocorraexplosão a capacitância diminuirá e a estrutura podeficar comprometida pela pressão dos gases geradosinternamente.

4. Capacitores eletrolíticos “bipolares”?

Existem capacitores eletrolíticos nãopolarizados (bipolares). Nesses capacitores utiliza-sefolha de alumínio anodizada (oxidada) também nafolha do catodo. Desta forma, pode-se usar essescapacitores tanto em tensões contínuas sempreocupação quanto à polaridade, assim como emtensões alternadas. No entanto, um capacitoreletrolítico bipolar tem praticamente o dobro dovolume de um capacitor não-bipolar com mesmovalor de capacitância. Também multiplica-se poisdois a corrente de fuga, pois o dielétrico apresenta odobro da área de contato.

5. Capacitância em Corrente Alternada e emCorrente Contínua

Há dois métodos básicos para se medircapacitâncias. Um deles é efetuar a carga do capacitorcom uma tensão contínua fixa e em seguida efetuarsua descarga através de um resistor com resistênciaconhecida. Medindo-se o tempo de descarga, chega-sefacilmente ao valor do capacitor, que é chamado“Capacitância em Corrente Contínua”. Outro métodoconsiste em se colocar o capacitor sob teste num dos“braços” de um circuito em “ponte”, onde se tenharesistores e indutores de valor calibrado, alimentando-se o circuito com uma freqüência senoidal fixa.Ajustando-se o circuito de modo a se ter ressonância,obtém-se o valor do capacitor, que é consideradoassim sua “Capacitância em Corrente Alternada”.Normalmente utiliza-se uma freqüência de 100 Hz ou120 Hz para tal medição (Normas IEC).

Considerando-se capacitores ideais, a mediçãopor qualquer um dos métodos daria resultadosidênticos. Para capacitores eletrolíticos, no entanto,costuma-se obter a “Capacitância em CorrenteContínua” 1,1 a 1,5 vezes superior à “Capacitânciaem Corrente Alternada”. Há duas razões para taldivergência. A primeira delas é devido à adoção daconstrução na forma de folhas enroladas, fato queproduz indutância parasita elevada. Por outro lado,tem-se que levar em conta que a corrente elétrica em

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um capacitor eletrolítico percorre um eletrólitolíquido, de forma bastante diferente do que se tem emum sólido. Em um fio metálico, a corrente elétrica éum fluxo de elétrons livres, que tem massa e tamanhoreduzido, podendo considera-los como portadores decarga “ágeis”. Nos fluídos, apesar de existir também acondução eletrônica, existem os íons, que ao contráriodos elétrons são relativamente grandes e pesados. Seo capacitor eletrolítico está ligado a um circuito dealta freqüência, os íons não são capazes deacompanhar o ritmo de variação da tensão, sendo quea tarefa de deslocar as cargas fica entãoexclusivamente a cargo dos elétrons, resultando emuma considerável redução no valor da capacitância.Finalmente, um detalhe de ordem prática: acapacitância nominal dos capacitores eletrolíticos,que está gravada no invólucro, é normalmente medidaa 120 Hz, sendo portanto uma “Capacitância emCorrente Alternada”.

Figura 7: Circuito equivalente de um capacitor eletrolítico,incluindo a indutância parasita e a

RSE (resistência-série-equivalente).

Os capacitores eletrolíticos possuem tambémuma resistência interna, devido a imperfeições nodielétrico e o uso do eletrólito fluido. Assim, ocircuito equivalente de um capacitor eletrolítico,representado na Fig. 7, inclui uma capacitância, umaresistência e uma indutância, todas ligadas em série.Para melhor ilustrar este fenômeno, na Fig. 8 tem-sea curva de impedância obtida de um capacitoreletrolítico de 100 µF e tensão nominal de 63 V, sobdiversas temperaturas. Nas freqüências mais baixas, aimpedância é determinada principalmente pelaresistência e pela capacitância do capacitor. Emfreqüências mais altas, há predominância do efeito daindutância. Observa-se que há uma freqüência onde aimpedância do capacitor é mínima; ou seja, umcapacitor eletrolítico atua como um filtro passa-faixa.A Fig. 8 também mostra o efeito das baixastemperaturas, que podem até solidificar o eletrólito,com conseqüente redução do valor da capacitância.

Figura 8: Curvas de impedância de um capacitor eletrolítico de 100 µF/63 V em função da freqüência.

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Outra característica importante é que acapacitância dos capacitores eletrolíticos sofregrande influência da temperatura, pois aviscosidade do eletrólito se altera. Tem-se comoresultado um coeficiente de temperaturapositivo, ou seja, a capacitância aumenta com aelevação da temperatura, já que a viscosidadedo eletrólito diminui e sua condutividadeaumenta nessa situação. De mesma forma, embaixas temperaturas o eletrólito aumenta aviscosidade e em conseqüência a capacitânciadiminui acentuadamente.

7. O problema do armazenamento semtensão

Um capacitor eletrolítico armazenadotende a sofrer uma diminuição da espessura dacamada de óxido na placa de anodo, enquantoque pode também se ter uma oxidação na placade catodo. O resultado pode ser tanto umaumento como uma diminuição do valor dacapacitância com o passar do tempo, sendomais comum a diminuição da capacitância.Além disso, tem-se uma alta corrente de fugaquando tal capacitor for energizado. A partir domomento em que o capacitor for religado, acamada de óxido se regenera em cerca de umahora. Entretanto, nos primeiros minutos deoperação a corrente de fuga pode ser até 100vezes maior que o seu valor normal.

Para que seja possível a regeneração doóxido de alumínio dielétrico, é necessário queainda reste uma camada razoável de óxidooriginal. Como conseqüência, os capacitoreseletrolíticos “envelhecem” quando sãoguardados por longos períodos e podem setornar imprestáveis. O limite do tempo “deprateleira” é controverso. Alguns autores falamem dois anos, enquanto que os fabricantes decapacitores citam o dobro disso. A maioria dosfabricantes de equipamentos prefere não manterem estoque uma quantidade grande decapacitores eletrolíticos, optando por comprasfreqüentes. Pelo mesmo motivo, muitos técnicosde manutenção tem como norma substituirtodos os capacitores eletrolíticos de

equipamentos que ficaram mais de um ano sem uso,antes de liga-los novamente.

8. Vida Operacional

Os capacitores eletrolíticos são certamente oscomponentes de um circuito eletrônico com menortempo de vida operacional. Enquanto que para ossemicondutores, resistores e capacitores não-eletrolíticos pode-se estimar um tempo de operaçãosuperior a 50 anos, os capacitores eletrolíticosprovavelmente se deteriorarão muito antes desseprazo. Há versões de capacitores eletrolíticoschamados de “alta confiabilidade” pelos fabricantesonde a vida operacional situa-se na faixa de 10 anos,porém para os capacitores eletrolíticos comuns não sepode esperar um tempo de vida muito maior que 5anos. Por este motivo, é prática comum emmanutenção eletrônica efetuar a troca de todos oscapacitores eletrolíticos de equipamentos antigos. Avida operacional dos capacitores é muito influenciadapela temperatura de operação, que deve ser mantidaabaixo de 40 °C. Também é interessante, paraaumentar a vida útil, que os capacitores eletrolíticosoperem submetidos a tensão muito menor que seuvalor nominal. Alguns fabricantes afirmam que a vidaoperacional pode dobrar se o capacitor eletrolíticotrabalhar com tensão igual a 50% do seu valornominal.

Conclusões

Talvez, à luz de tantos “problemas” associados aoscapacitores eletrolíticos, possa se chegar a conclusãoque é melhor não usa-los! No entanto os capacitoreseletrolíticos continuam sendo a alternativa de maisbaixo custo quando se necessita de alta capacitânciaespecífica (elevada capacitância em pequeno volume).Existem alguns desenvolvimentos importantes sendofeitos nessa área, como a utilização de eletrólitosorgânicos de baixa reatividade, o que aumenta aconfiabilidade e a vida útil dos capacitores. Mesmoassim os capacitores eletrolíticos tradicionaiscontinuarão a ser usados por muito tempo nos circuitoseletrônicos, principalmente para a filtragem em fontesde alimentação. Assim, é importante que sejamconhecidas suas limitações, de modo que seu uso noscircuitos eletrônicos seja feito com segurança.