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Escolhendo capacitores para altas tensões (ART858)

Todos que trabalham com eletrônica sabem que os capacitores são componentes críticos em qualquer projeto. Uma escolha indevida pode afetar em muito a qualidade de um produto e muito mais que isso, a sua própria durabilidade. Todos sabem que a maior parte dos problemas ocorre devido a falhas desses componentes. Nos casos em que a tensão de trabalho dos capacitores é maior, os cuidados devem ser redobrados e é justamente disso que vamos tratar nesse artigo. (2007)

A maior parte dos equipamentos eletrônicos opera com tensões relativamente baixas, inferiores a 25 V, o que não significa maiores preocupações com muitos componentes críticos.

No entanto, em muitos circuitos existem setores em que encontramos tensões muito mais altas o que exige um especial cuidado com os componentes usados, principalmente os capacitores.

Qual é o melhor tipo para ser usado numa aplicação? Normalmente, quando estamos trabalhando com tensões elevadas temos diversas opções como os eletrolíticos de alumínio, tântalo, cerâmicos e filme. Vamos analisar as vantagens e desvantagens desses tipos.

 

Eletrolíticos

Os capacitores eletrolíticos operam segundo o mesmo princípio das baterias, partindo da ação química e com isso tende a se deteriorar com o tempo. A presença de uma pequena corrente de fuga nesses componentes é necessária à manutenção da camada de óxido, já que ela garante uma continuidade do processo de sua formação. Esse processo tem início no momento em que o capacitor é fabricado.

Essa característica deve ser levada em conta de uma forma muito especial quando escolhemos a tensão de trabalho de um capacitor. Quando ele opera com uma fração muito pequena da tensão de trabalho, não há manutenção apropriadas de sua camada de óxido pela corrente de fuga e isso pode causar tanto a perda da capacitância como até mesmo uma falha total.

Na prática recomenda-se que a tensão de operação de um capacitor eletrolítico seja de 70% a 80% de sua tensão nominal para que ele tenha a máxima vida útil.

Observa-se ainda que se um capacitor for usado numa tensão muito menor do que a nominal, ele tende a aumentar sua sensibilidade a transientes e surtos. Com a operação no limite de tensão, por outro lado, o capacitor pode aumentar sua fuga a ponte de haver aquecimento excessivo e com isso ocorrer uma eventual falha.

Como regra geral, aceita-se que para cada 10º C de aumento da temperatura, a vida útil do capacitor é reduzida à metade.

 

Eletrolíticos de Alumínio

Não precisamos entrar em pormenores sobre a construção desses eletrolíticos, detalhada na figura 1.

 


 

 

O dielétrico, óxido de alumínio é formado pela oxidação da afolha de alumínio que consiste num dos eletrodos. Essa capa tem tipicamente apenas 0,1 um de espessura para um capacitor que suporte 100 V. Quanto maior for a tensão que o capacitor deve suportar, mais espessa deve ser a camada de óxido.

Se bem que encontremos no mercado capacitores eletrolíticos para tensões acima de 350 V, esse valor é o limite para se obter maior confiabilidade. Muito cuidado deve ser tomado, portanto com a utilização de capacitores eletrolíticos de alumínio com mais de 350 V.

 

Capacitores de Tântalo

Trata-se de uma família de capacitores eletrolíticos em que o dielétrico é um óxido de tântalo em lugar do óxido de alumínio dos capacitores eletrolíticos comuns. Como a constante dielétrica desse óxido é elevada, pode-se obter mais capacitância com componentes menores.

Na figura 2 temos a construção de um capacitor SMD desse tipo.

 

Figura 2
Figura 2

 

Apesar da maior qualidade desses capacitores, eles não são comuns em tensões acima de 50 V e não são recomendáveis para aplicações em altas tensões.

 

Capacitores Cerâmicos

Tecnicamente podemos considerar esses capacitores como tipicamente eletrostáticos, sendo os mais comuns os tipos multicamadas (MLCC) como o mostrado na figura 3.

 


 

 

Com essa técnica de multicamadas, pode-se conseguir capacitâncias relativamente elevadas em pouco espaço.

O maior problema que esses capacitores apresentam em algumas aplicações é que a cerâmica usada está bem próxima de apresentar propriedades piezoelétricas, o que significa que ela se deforma quando tensão é aplicada.

Nos capacitores de uma camada só isso não é um problema, mas nos capacitores multicamadas, a deformação pode causar a quebra o que leva o capacitor a falha. Também temos de considerar os coeficientes de tensão elevados. Isso significa que determina dois tipos como o XR7 pode perder até 70% de sua capacitância em 400 V.

 

Filme Metalizado

Esses são também considerados capacitores do tipo eletrostático, tendo uma construção conforme mostrado na figura 4.

 


 

 

Uma tecnologia moderna desses capacitores é a denominada Multilayer Polymer (MLP) que permite a obtenção de capacitores com melhores características.

Com essa tecnologia, diversas camadas de placas de alumínio são empilhadas e ligadas em paralelo de modo a minimizar a resistência que elas apresentam. Dessa forma, obtém-se capacitores com resistências efetivas (Rt) para o capacitor. Os valores podem ser tão baixos como 10 mΩ.

Por exemplo, se um capacitor tiver uma DCR de 1 Ω por camada e for formado por 1 000 placas empilhadas em paralelo, sua resistência total será de apenas 10 mΩ.

Além disso, a ligação em paralelo de muitas placas possibilita a obtenção de capacitâncias elevadas. Uma característica importante a ser considerada nesse tipo de capacitor e a sua estabilidade, sendo uma boa escolha para aplicações de alta tensão.

 

Conclusão

Capacitores sempre foram componentes críticos de qualquer projeto eletrônico. Os leitores que trabalham com eletrônica sabem disso, na maioria dos casos, em vista de experiências desagradáveis.

Foi-se o tempo em que capacitores eletrolíticos explodiam manchando o teto com a substância mal-cheirosa que os preenchia, mas isso não significa que devemos desprezar a possibilidade de tais componentes falharem.

A escolha correta para uma aplicação é importante e uma avaliação do seu caso pode ser feita melhor com a ajuda do que explicamos nesse artigo.

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