Capacitor Eletrolítico: Capacitor Eletrolítico de Alumínio
O capacitor eletrolítico é usado onde são necessários altos níveis de capacitância, mas para fornecer um serviço confiável e duradouro, ele deve ser usado corretamente e dentro de suas especificações.
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Nosso Tutorial de Capacitores inclui:
Usos de Capacitores | Tipos de Capacitores | Capacitor Eletrolítico | Capacitor Cerâmico | Capacitor de Tântalo | Capacitores de Filme | Capacitor de Mica Prata | Super Capacitor | Capacitores de Montagem em Superfície | Especificações e Parâmetros | Como comprar capacitores – dicas | Códigos e Marcas de Capacitores | Tabela de Conversão
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O capacitor eletrolítico é um dos pilares da indústria de capacitores, sendo usado em grandes quantidades tanto como um dispositivo com chumbo quanto como um SMD.
O capacitor eletrolítico é o tipo de chumbo mais popular para valores maiores que cerca de 1 µF, possuindo um dos maiores níveis de capacitância para um determinado volume.
Os capacitores eletrolíticos de alumínio estão em uso há muitos anos – dessa forma, eles se tornaram um componente regular em muitos projetos.
Os capacitores eletrolíticos são amplamente utilizados como componentes com chumbo, sendo frequentemente encontrados em aplicações desde fontes de alimentação até áudio, onde dispositivos com chumbo podem ser usados. Inicialmente, os capacitores eletrolíticos de alumínio não eram populares no formato de tecnologia de montagem em superfície porque os níveis de calor experimentados durante a soldagem poderiam danificá-los. Agora, com mais desenvolvimento, os capacitores eletrolíticos de montagem em superfície são amplamente utilizados e fornecem bons níveis de confiabilidade.
Desenvolvimento inicial do capacitor eletrolítico
O capacitor eletrolítico está em uso há muitos anos. Seu desenvolvimento inicial e história podem ser rastreados até os primeiros dias ou rádio na época em que as primeiras transmissões de entretenimento estavam sendo feitas.
Na época, os conjuntos de válvulas sem fio eram muito caros e precisavam funcionar com baterias. No entanto, com o desenvolvimento da válvula aquecida indiretamente ou do tubo de vácuo, tornou-se possível usar a energia elétrica CA.
Embora fosse bom para os aquecedores funcionarem a partir de uma fonte de alimentação CA, a fonte do ânodo precisava ser retificada e suavizada para evitar que o zumbido da rede elétrica aparecesse no áudio.
Para poder usar um capacitor que não fosse muito grande, Julius Lilienfield, que estava fortemente envolvido no desenvolvimento de aparelhos sem fio para uso doméstico, conseguiu desenvolver o capacitor eletrolítico, permitindo que um componente com capacitância suficientemente alta, mas tamanho razoável, pudesse ser usado no conjuntos sem fio do dia.
Símbolos de capacitores eletrolíticos
O capacitor eletrolítico é uma forma de capacitor polarizado. O símbolo do circuito eletrolítico indica a polaridade, pois é essencial para garantir que o capacitor seja encaixado corretamente no circuito e não seja polarizado inversamente.
Há uma variedade de símbolos esquemáticos usados para capacitores eletrolíticos. O primeiro ‘1’ é a versão que tende a ser usada em diagramas de circuitos europeus, enquanto ‘2’ é usado em muitos esquemas americanos e ‘3’ pode ser visto em alguns esquemas mais antigos. Alguns diagramas esquemáticos não imprimem o “+” adjacente ao símbolo onde já é óbvio qual placa é qual.
Tecnologia de capacitores eletrolíticos
Como o nome indica, o capacitor eletrolítico usa um eletrólito (um líquido condutor iônico) como uma de suas placas para obter uma capacitância maior por unidade de volume do que outros tipos.
Os capacitores são capazes de aumentar a capacitância de várias maneiras: aumentando a constante dielétrica; aumentando a área de superfície do eletrodo; e diminuindo a distância entre os eletrodos.
Os capacitores eletrolíticos usam a alta constante dielétrica da camada de óxido de alumínio na placa do capacitor, que é em média entre 7 e 8. Isso é maior do que outros dielétricos, como mylar, que tem uma constante dielétrica de 3 e mica em torno de 6 – 8.
Além disso, a área de superfície efetiva dentro dos capacitores é aumentada em um fator de até 120 por meio da rugosidade da superfície da folha de alumínio de alta pureza. Esta é uma das chaves para produzir níveis muito altos de capacitância.
Construção de capacitores eletrolíticos
Este tipo de capacitor é construído usando dois filmes finos de folha de alumínio, sendo uma camada coberta por uma camada de óxido como isolante. O uso da folha de alumínio dá origem ao fato de que o capacitor é freqüentemente chamado de capacitor eletrolítico de alumínio.
Uma folha de papel embebida em eletrólito é colocada entre eles e, em seguida, as duas placas são enroladas uma na outra e colocadas em uma lata.
Na fabricação do capacitor eletrolítico de alumínio, uma das primeiras etapas é gravar as folhas para torná-las mais ásperas para aumentar a área de superfície e, portanto, o nível de capacitância que pode ser obtido em uma determinada área.
O próximo processo é formar o ânodo. Isso envolve o crescimento químico de uma fina camada de óxido de alumínio, Al 2 O 3 na folha do ânodo, tornando-a diferente do cátodo.
O próprio elemento do capacitor é enrolado em uma máquina de enrolamento. As quatro camadas separadas: a folha de ânodo formada; separador de papel, folha de cátodo; e separador de papel são todos trazidos e enrolados juntos. Os separadores de papel evitam que os dois eletrodos se toquem e causem curto-circuito.
Quando o conjunto é enrolado, ele é colado para evitar o desenrolamento.
Uma vez que o capacitor é enrolado, ele é impregnado com o eletrólito. Isso pode ser feito por imersão e sob pressão.
O eletrólito usado em capacitores eletrolíticos de alumínio é uma formulação desenvolvida para fornecer as propriedades necessárias para o capacitor – classificação de tensão, faixa de temperatura operacional e similares. Consiste principalmente em solvente e um sal (necessário para fornecer a condução elétrica). Solventes comuns incluem etileno glicol, e sal comum inclui borato de amônio e outros sais de amônio.
Uma vez concluído, o capacitor é colocado em uma lata que é selada para evitar a evaporação do eletrólito.
Propriedades principais
Os capacitores eletrolíticos de alumínio fornecem um nível muito mais alto de capacitância para um determinado volume do que a maioria dos capacitores de cerâmica. Isso significa que capacitores eletrolíticos de alto valor podem ser relativamente pequenos. Esta é uma vantagem significativa em muitos casos.
Os capacitores eletrolíticos são polarizados, ou seja, eles só podem ser colocados em um sentido no circuito. Se forem conectados incorretamente, podem ser danificados e, em alguns casos extremos, podem explodir. Também deve-se tomar cuidado para não exceder a tensão nominal de trabalho. Normalmente eles devem ser operados bem abaixo deste valor.
O capacitor eletrolítico tem uma ampla tolerância. Normalmente, o valor do componente pode ser declarado com uma tolerância de -50% +100%. Apesar disso, eles são amplamente utilizados em aplicações de áudio como capacitores de acoplamento e em aplicações de suavização para fontes de alimentação. Eles não funcionam bem em altas frequências e normalmente não são usados para frequências acima de 50 – 100 kHz.
Parâmetros elétricos
Existem vários parâmetros de importância além da capacitância básica e da reatância capacitiva ao usar capacitores eletrolíticos. Ao projetar circuitos usando capacitores eletrolíticos, é necessário levar em consideração esses parâmetros adicionais para alguns projetos e estar ciente deles ao usar capacitores eletrolíticos.
- Tolerância: Os capacitores eletrolíticos têm uma tolerância muito ampla. Freqüentemente, os capacitores podem ser citados como -20% e +80%. Isso normalmente não é um problema em aplicações como desacoplamento ou alisamento da fonte de alimentação, etc. No entanto, eles não devem ser usados em circuitos onde o valor exato é importante.
- Resistência em série equivalente a ESR: Os capacitores eletrolíticos são frequentemente usados em circuitos onde os níveis de corrente são relativamente altos. Além disso, em algumas circunstâncias, a corrente proveniente deles precisa ter uma impedância de fonte baixa, por exemplo, quando o capacitor está sendo usado em um circuito de fonte de alimentação como um capacitor de reservatório. Nessas condições é necessário consultar os datasheets dos fabricantes para saber se o capacitor eletrolítico escolhido atenderá aos requisitos do circuito. Se o ESR for alto, ele não será capaz de fornecer a quantidade necessária de corrente no circuito, sem uma queda de tensão resultante do ESR, que será vista como uma resistência da fonte.
- Resposta de frequência: Um dos problemas com capacitores eletrolíticos é que eles têm uma resposta de frequência limitada. Verificou-se que seu ESR aumenta com a frequência e isso geralmente limita seu uso a frequências abaixo de cerca de 100 kHz. Isso é particularmente verdadeiro para capacitores grandes, e mesmo os capacitores eletrolíticos menores não devem ser usados em altas frequências. Para obter detalhes exatos, é necessário consultar os dados dos fabricantes de uma determinada peça.
- Vazamento: embora os capacitores eletrolíticos tenham níveis muito mais altos de capacitância para um determinado volume do que a maioria das outras tecnologias de capacitores, eles também podem ter um nível mais alto de vazamento. Isso não é um problema para a maioria das aplicações, como quando são usados em fontes de alimentação. No entanto, em algumas circunstâncias, eles não são adequados. Por exemplo, eles não devem ser usados no circuito de entrada de um amplificador operacional. Aqui, mesmo uma pequena quantidade de vazamento pode causar problemas devido aos altos níveis de impedância de entrada do amplificador operacional. Também é importante notar que os níveis de vazamento são consideravelmente maiores na direção inversa.
- Corrente de ondulação: Ao usar capacitores eletrolíticos em aplicações de alta corrente, como o capacitor de reservatório de uma fonte de alimentação, é necessário considerar a corrente de ondulação que provavelmente experimentará. Os capacitores têm uma corrente de ondulação máxima que podem fornecer. Acima disso, eles podem ficar muito quentes, o que reduzirá sua vida útil. Em casos extremos, pode causar falha no capacitor. Dessa forma, é necessário calcular a corrente de ondulação esperada e verificar se ela está dentro dos limites máximos do fabricante.
Marcações de capacitores eletrolíticos
Para as versões com chumbo dos capacitores eletrolíticos, normalmente há espaço para os vários parâmetros serem colocados na lata. As marcações geralmente fornecem informações sobre seu valor de capacitância, tensão de trabalho, faixa de temperatura e possivelmente outros parâmetros.
Alguns capacitores grandes destinados a aplicações de suavização em fontes de alimentação também podem conter informações adicionais. Um parâmetro particularmente importante é a corrente de ondulação. Se for esperada muita corrente do capacitor, ele pode aquecer indevidamente e falhar.
Para capacitores SMD, o espaço é limitado, portanto, os detalhes são limitados e podem conter apenas as informações básicas.
Leia mais sobre . . . . códigos e marcações de capacitores.
Capacitores eletrolíticos SMD
Os capacitores eletrolíticos agora estão sendo usados cada vez mais em projetos fabricados usando a tecnologia de montagem em superfície, SMT. Seus altíssimos níveis de capacitância combinados com seu baixo custo os tornam particularmente úteis em muitas áreas.
Originalmente, eles não eram usados em quantidades particularmente altas porque não eram capazes de suportar alguns dos processos de soldagem. Agora, o design aprimorado do capacitor, juntamente com o uso de técnicas de refluxo em vez de solda por onda, permite que os capacitores eletrolíticos sejam usados mais amplamente no formato de montagem em superfície.
Freqüentemente, dispositivos de montagem em superfície, versões SMD de capacitores eletrolíticos são marcados com o valor e a tensão de trabalho. Existem dois métodos básicos usados. Uma é incluir seu valor em microfarads (µF) e outra é usar um código.
Usando o primeiro método, uma marcação de 33 6V indicaria um capacitor de 33 µF com uma tensão de trabalho de 6 volts.
Um sistema de código alternativo emprega uma letra seguida de três algarismos. A letra indica a tensão de trabalho definida na tabela abaixo e os três algarismos indicam a capacitância em picofarads. Como em muitos outros sistemas de marcação, os dois primeiros algarismos fornecem os algarismos significativos e o terceiro, o multiplicador.
Neste caso, uma marcação de G106 indicaria uma tensão de trabalho de 4 volts e uma capacitância de 10 vezes 10^6 picofarads. Isso resulta em 10µF.
| CÓDIGOS DE TENSÃO DO CAPACITOR ELETROLÍTICO SMD | |
|---|---|
| CARTA | TENSÃO |
| e | 2.5 |
| G | 4 |
| J | 6.3 |
| A | 10 |
| C | 16 |
| D | 20 |
| E | 25 |
| V | 35 |
| H | 50 |
Vida útil do capacitor eletrolítico de alumínio
Capacitores eletrolíticos de alumínio se degradam com o tempo. Muitos eletrolíticos têm uma abertura para permitir que o excesso de gases escape. Esse escape pode resultar no ressecamento do eletrólito e na queda do desempenho do capacitor.
Além disso, se os capacitores eletrolíticos de alumínio forem deixados por alguns anos, a camada de óxido no ânodo pode se dissipar. Quando isso acontece, o capacitor precisa ser repolarizado. Isso pode ser feito aplicando uma tensão limitada de corrente ao capacitor. Inicialmente, a corrente de fuga através do capacitor será relativamente alta e então cairá à medida que a camada de óxido se forma.
Também é aconselhável tomar precauções para prolongar a vida útil do capacitor. Existem quatro dicas de ouro para maximizar a vida útil de um capacitor eletrolítico de alumínio:
- Execute dentro de seus limites de tensão: É sempre aconselhável executar qualquer componente com uma boa margem abaixo das classificações máximas. Muitas empresas declaram em suas regras de projeto que, para capacitores eletrolíticos, eles devem funcionar apenas em cerca de 50% de suas classificações máximas para garantir a confiabilidade ideal. Se os limites máximos forem excedidos, os níveis de corrente de fuga aumentarão e existe a possibilidade de falha localizada levando a uma falha explosiva do componente.
- Mantenha-se dentro de sua classificação de corrente: Em muitas aplicações, um capacitor eletrolítico será necessário para fornecer altos níveis de corrente de ondulação. Isso é esperado em aplicações como o uso como um capacitor de suavização em uma fonte de alimentação. É imperativo garantir que o capacitor possa suportar a corrente que está sendo exigida dele. Verifique se o capacitor está operando dentro de seus limites de corrente e não está ficando muito quente durante a operação.
- Nunca inverta a polarização do capacitor: Quando executado sob uma polarização reversa, os níveis de vazamento serão muito maiores do que na direção direta. Mais uma vez, isso pode levar a falhas e falhas catastróficas.
- Mantenha as temperaturas baixas: o calor reduz a vida útil de qualquer capacitor eletrolítico de alumínio. Uma boa regra prática é que cada 10°C acima de 85°C reduzirá pela metade a expectativa de vida do componente.
Mesmo que os capacitores eletrolíticos de alumínio tenham uma expectativa de vida, ela pode ser elevada ao máximo se essas regras forem seguidas e for operado bem dentro de suas classificações.
Reforma de capacitores eletrolíticos de alumínio
Pode ser necessário reformar capacitores eletrolíticos que não foram usados por seis meses ou mais. A ação eletrolítica tende a remover a camada de óxido do ânodo e esta precisa ser reformada.
Nessas circunstâncias, não é aconselhável aplicar a tensão total, pois a corrente de fuga será alta e pode levar à dissipação de grandes quantidades de calor no capacitor, o que pode, em alguns casos, causar sua destruição.
Para reformar o capacitor, o método normal é aplicar a tensão de trabalho para o capacitor através de um resistor de cerca de 1,5 k ohms, ou possivelmente menos para capacitores de tensão mais baixa. (NB certifique-se de que possui potência nominal suficiente para lidar com o capacitor em questão).
Isso deve ser aplicado por uma hora ou mais até que a corrente de fuga caia para um valor aceitável e a tensão diretamente no capacitor atinja o valor aplicado, ou seja, virtualmente nenhuma corrente está fluindo através do resistor.
Esta tensão deve então continuar a ser aplicada por mais uma hora. O capacitor pode então ser descarregado lentamente através de um resistor adequado para que a carga retida não cause danos. Depois de reformado, tome cuidado ao usar o capacitor para garantir que ele tenha sido totalmente reformado e possa funcionar corretamente.
Resumo do capacitor eletrolítico
| RESUMO DO CAPACITOR ELETROLÍTICO DE ALUMÍNIO | |
|---|---|
| PARÂMETRO | DETALHES |
| Faixas de capacitância típicas | 1µF a 47 000µF |
| Disponibilidade de tensão nominal | De cerca de 2,5V para cima – alguns especializados podem ter voltagens de 350V e mais. |
| Vantagens | Alta capacitância por volume em comparação com a maioria dos outros tipos, relativamente barato quando comparado a outros tipos de valor semelhante. |
| Desvantagens | Altas correntes de fuga, amplas tolerâncias de valor, baixa resistência em série equivalente; Tempo de vida limitado. |
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