Os capacitores eletrolíticos são utilizados numa infinidade de aplicações. Apesar das diversas tecnologias modernas que a cada dia são aplicadas nos equipamentos eletrônicos, os capacitores eletrolíticos não mudaram muito nos últimos 50 anos, e alguns de seus pontos críticos precisam ser levados em conta para se usar corretamente esses componentes. Veja neste artigo como isso pode ser feito.
Os capacitores eletroíticos não mudaram muito nos últimos 50 anos. Seu princípio de funcionamento ainda é o mesmo, e os avanços que temos referem-se ao uso de novos materiais e novas arquiteturas internas.
No entanto, as propriedades básicas se mantém, o princípio de funcionamento é o mesmo, e com isso os cuidados que devemos ter ao usá-los não mudaram muito. Em outras palavras, os capacitores eletrolíticos ainda são componentes críticos que merecem cuidados especiais ao serem usados.
Na verdade, esses cuidados devem ser redobrados pois os circuitos modernos, além de operarem com sinais muito mais complexos e problemáticos, ainda são ligados a uma rede de energia que, pelo uso de equipamentos eletrônicos de potência com fontes chaveadas se encontra cada vez mais poluída.
Para que possamos entender melhor os capacitores vamos partir de seu modelo elétrico mostrado na figura 1.
Nesse modelo ESL é a “Equivalent Series Indcutance” ou Indutância Equivalente em série.
ESR é a Equivalent Series Resistance ou Resistência equivalente em série. R é a resistência de fuga e C a capacitância do componente propriamente dita.
No entanto, o que é mais problemático quando levamos em conta esse circuito equivalente é que as grandezas envolvidas não são fixas.
Assim a resistência equivalente, assim como as demais grandezas parasitas variam tanto com a tensão aplicada, com a freqüência e com a temperatura do componente.
Para que o leitor tenha uma idéia, na figura 2, mostramos como a capacitância de um capacitor eletrolítico comum varia com a temperatura.
Na figura 3 temos a variação da capacitância com a freqüência da corrente com ele trabalha.
Além disso, a presença de uma indutância e uma capacitância em série no circuito equivalente, faz com que o componente tenha uma freqüência de ressonância que é mostrada no gráfico da figura 4.
Para os capacitores comuns essa freqüência está entre 1,5 kHz e 150 kHz.
Se o capacitor operar num circuito em que a freqüência do sinal seja maior do que a freqüência de ressonância, ele se comportará comum um indutor.
Evidentemente, isso fará com que ele não consiga desacoplar sinais, ou dar-lhes passagem, caso seja essa a função no circuito.
Veja que essa faixa de freqüências está dentro da operação da maioria das fontes chaveadas.
Outro ponto crítico a ser considerado é que os capacitores geram calor quando em funcionamento.
Isso significa que, capacitores que operam com sinais de alta potência devem ser montados e modo a poderem se livrar do calor gerado. A figura 5 mostra como isso pode ser feito, utilizando-se uma técnica semelhante a empregada pela maioria dos componentes de potência.
O componente é mantido afastado da placa de circuito impresso.
Da mesma forma a natureza líquida do eletrólito faz com que os capacitores sejam sensíveis ao calor externo.
Não se deve nunca montar um capacitor eletrolítico muito próximo de um componente que gere muito calor.
Finalmente ainda devemos considerar que um capacitor eletrolítico tem a capacitância especificada para uma determinada tensão. A capacitância muda com a tensão!
Ligação de Capacitores em Série
Aprendemos já nos cursos básicos de física que, na ligação em série de capacitores, as tensões entre esses componentes se dividem de acordo com seus valores, conforme mostra a figura 6.
Isso significa que dois capacitores ideais de mesmo valor, ligados em série dividem a tensão de uma fonte por dois, conforme mostra a figura 7.
No entanto, os capacitores não são ideais e as tolerâncias típicas de até +/- 20% podem fazer com que a tensão se distribua de modo desigual entre esses componentes, conforme mostra a figura 8.
Tomando como exemplo dois capacitores de 20% de tolerância ligados em série, podemos calcular na situação de pior caso, a tensão num deles pode chegar a 420 V.
Isso vai ocorre no capacitor de menor valor, dentro da faixa de tolerâncias indicadas.
Uma forma de se ajudar a dividir corretamente a tensão entre dois capacitores ligados em série consiste no uso de resistores ligados conforme mostra a figura 9.
Se diversos capacitores forem ligados em conjuntos tipo série, os resistores para dividir a tensão podem ser conectados conforme mostra a figura 10.
Uma fórmula simples permite calcular os valores dos resistores que devem ser usadas neste tipo de aplicação:
R = 1000 /(0,015 x C)
Onde R é o valor do resistor em Ω
C é a capacitância em microfarads
Por exemplo, para capacitores de 4 700 µF encontramos o valor recomendado de resistor para esta aplicação 14 k Ω.
É importante que os resistores usados neste tipo de aplicação sejam de excelente qualidade, pois se eles falharem, podem ocorrer problemas com os capacitores. Tipos com tolerâncias de 5% são os recomendados.
Prolongando a Vida de um Capacitor
A rede de energia está cheia de transientes e surtos que podem ser perigosos para dispositivos semicondutores delicados como também para um capacitor.
Os capacitores eletrolíticos são destruídos se submetidos a sobretensões.
Para evitar que um capacitor eletrolítico seja destruído devemos considerar tanto os surtos como os transientes, os quais são mostrados no gráfico da figura 11.
Nessa figura temos Ur que é a tensão especificada para o componente.
Ut é a tensão de transiente, sendo que para o caso dos capacitores é expressa para 1000 pulsos aplicados aleatoriamente durante a vida útil do componente.
Us é a tensão de surto, sendo especificada para 1000 ciclos durante um período de tempo de 30 segundos.
Assim, num circuito como o da figura 12, em que temos uma bobina e um capacitor, o fechamento do interruptor causa uma oscilação de tensão perigosa para o capacitor.
Essa oscilação tem a forma de onda mostrada na figura 13.
Observe que, por um intervalo de tempo considerável, a tensão no capacitor supera em muito a tensão nominal (Un) no capacitor e isso pode ser suficiente para causar sua destruição.
Uma solução adotada num circuito como esse para se evitar problema consiste no “soft start” (partida suave) com o uso de um resistor, conforme mostra a figura 14.
Conclusão
Os capacitores eletrolíticos são componentes tão sensíveis (senão mais) do que os próprios dispositivos semicondutores
Sua tecnologia de fabricação avança, mas o projetista ainda deve tomar muito cuidado com esses componentes no sentido de não causar sua destruição ou torná-lo um ponto crítico num projeto.
O que vimos são alguns exemplos dos pontos que devem ser observados ao se usar um capacitor eletrolítico, principalmente nas aplicações industriais em que transientes, sobretensões, surtos e outros problemas sejam comuns.
