1. Capacitores
Há muitos conceitos errados sobre capacitores, então eu queria esclarecer brevemente o que é capacitância e o que capacitores fazem.
A capacitância mede quanta energia será armazenada no campo elétrico gerado entre dois pontos diferentes para uma dada diferença de potencial. É por isso que a capacitância é freqüentemente chamada de "dual" da indutância. Indutância é a quantidade de energia que um determinado fluxo de corrente armazenará em um campo magnético, e a capacitância é a mesma, mas a energia armazenada em um campo elétrico (por uma diferença de potencial, e não pela corrente).
Os capacitores não armazenam carga elétrica, que é o primeiro grande equívoco. Eles armazenam energia. Para cada suporte de carga que você força em uma placa, sai um suporte de carga na placa oposta. A carga líquida permanece a mesma (negligenciando qualquer possível carga estática desequilibrada muito menor que possa se acumular em placas externas expostas assimétricas).
Os capacitores armazenam energia no dielétrico, NÃO nas placas condutoras. Apenas duas coisas determinam a eficácia de um capacitor: suas dimensões físicas (área da placa e distância que os separam) e a constante dielétrica do isolamento entre as placas. Mais área significa um campo maior, placas mais próximas significam um campo mais forte (já que a força do campo é medida em Volts por metro, portanto, a mesma diferença de potencial em uma distância muito menor gera um campo elétrico mais forte).
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Área da placa, dielétrico e separação da placa. Isso é realmente tudo o que há para capacitores. Então, por que eles são tão complicados e variados?
Eles não são. Exceto aqueles com muito mais que milhares de pF de capacitância. Se você deseja quantidades ridículas de capacitância, como hoje em dia quase sempre são concedidas, quantidades como em milhões de picofarads (microfarads) e até mesmo ordem de magnitudes além, estamos à mercê da física.
Como qualquer bom engenheiro, diante dos limites impostos pelas leis da natureza, enganamos e contornamos esses limites de qualquer maneira. Capacitores eletrolíticos e capacitores de cerâmica de alta capacitância (0,1µF a 100µF +) são os truques sujos que usamos.
2. Capacitores eletrolíticos
Alumínio
A primeira e mais importante distinção (para a qual são nomeadas) é que os capacitores eletrolíticos usam um eletrólito. O eletrólito serve como a segunda placa. Sendo um líquido, isso significa que ele pode estar diretamente contra um dielétrico, mesmo que tenha uma forma desigual. Nos capacitores eletrolíticos de alumínio, isso nos permite tirar vantagem da oxidação da superfície do alumínio (o material duro, às vezes deliberadamente poroso e corante impregnado de cores, no alumínio anodizado que equivale a um revestimento isolante de safira) para uso como dielétrico. No entanto, sem uma 'placa' eletrolítica, a irregularidade da superfície impediria que uma placa metálica rígida se aproximasse o suficiente para obter qualquer vantagem no uso do óxido de alumínio.
Melhor ainda, usando um líquido, a superfície da folha de alumínio pode ser áspera, causando um grande aumento na área efetiva da superfície. Em seguida, é anodizado até uma camada suficientemente espessa de óxido de alumínio se formar em sua superfície. Uma superfície áspera da qual todos serão diretamente adjacentes à outra 'placa' - nosso eletrólito líquido.
Existem problemas, no entanto. O mais familiar é a polaridade. Anodização do alumínio, se você não souber pela semelhança com a palavra ânodo, é um processo dependente da polaridade. O capacitor sempre deve ser usado na polaridade que anodiza o alumínio. A polaridade oposta permitirá que o eletrólito destrua o óxido da superfície, o que deixa um capacitor em curto. Alguns eletrólitos devoram essa camada lentamente de qualquer maneira, então muitos capacitores eletrolíticos de alumínio têm prazo de validade. Eles são projetados para serem usados, e esse uso tem o efeito colateral benéfico de manter e até restaurar o óxido de superfície. No entanto, com desuso por tempo suficiente, o óxido pode ser completamente destruído. Se você precisar usar um capacitor velho e empoeirado, em condições inseguras, é melhor "reformar" aplicando uma corrente muito baixa (centenas de µA a mA) de uma fonte de alimentação de corrente constante e deixe a tensão subir lentamente até atingir sua tensão nominal.
O outro problema é que os eletrólitos são, devido à química, algo iônico dissolvido em um solvente. Os de alumínio não polímero usam água (com alguns outros ingredientes de "molho secreto" adicionados a ele). O que a água faz quando a corrente flui através dela? Eletrolisa! Ótimo se você quisesse oxigênio e gás hidrogênio, terrível se não quisesse. Nas baterias, a recarga controlada pode reabsorver esse gás, mas os capacitores não apresentam uma reação eletroquímica que é revertida. Eles estão apenas usando o eletrólito como algo condutor. Portanto, não importa o que aconteça, eles geram pequenas quantidades de gás hidrogênio (o oxigênio é usado para formar a camada de óxido de alumínio) e, embora muito pequeno, impede que selemos hermeticamente esses capacitores. Então eles secam.
A vida útil padrão à temperatura máxima é de 2.000 horas. Isso não é muito longo. Cerca de 83 dias. Isto é simplesmente devido às temperaturas mais altas, fazendo com que a água evapore mais rapidamente. Se você deseja que algo tenha longevidade, é importante mantê-lo o mais fresco possível e obter os modelos de resistência mais altos (eu já vi modelos com até 15.000 horas). À medida que o eletrólito seca, ele se torna menos condutor, o que aumenta a VHS, o que aumenta o calor, o que aumenta o problema.
Tântalo
Os capacitores de tântalo são a outra variedade de capacitores eletrolíticos. Eles usam dióxido de manganês como eletrólito, que é sólido em sua forma final. Durante a produção, o dióxido de manganês é dissolvido em um ácido e, em seguida, é eletroquimicamente depositado (semelhante à galvanoplastia) na superfície do pó de tântalo, que é então sinterizado. Os detalhes exatos da parte 'mágica' onde eles criam uma conexão elétrica entre todos os pequenos pedaços de pó de tântalo e o dielétrico não são conhecidos por mim (edições ou comentários são apreciados!), Mas basta dizer que capacitores de tântalo são feitos de tântalo por causa de uma química que nos permite fabricá-los facilmente a partir de um pó (alta área superficial).
Isso lhes dá uma excelente eficiência volumétrica, mas a um custo: o tântalo livre e o dióxido de manganês podem sofrer uma reação semelhante à termita, que é o alumínio e o óxido de ferro. Somente a reação do tântalo tem temperaturas de ativação muito mais baixas - as temperaturas que são rápida e facilmente alcançadas devem ocorrer polaridade oposta ou um evento de sobretensão perfurar o dielétrico (pentóxido de tântalo, semelhante ao óxido de alumínio) e criar um curto. É por isso que você vê a tensão e a corrente dos capacitores de tântalo reduzidas em 50% ou mais. Para aqueles que desconhecem a termita (que é muito mais quente, mas ainda não é diferente da reação de tântalo e MnO 2 ), há uma tonelada de fogo e calor. É usado para soldar trilhos ferroviários entre si, e executa essa tarefa em segundos.
Também existem capacitores eletrolíticos de polímero, que usam polímero condutor que, em sua forma monomérica, é um líquido, mas quando exposto ao catalisador correto, polimeriza em um material sólido. É como uma super cola, que é um monômero líquido que polimeriza o sólido quando é exposto à umidade (nas / nas superfícies às quais é aplicado ou no próprio ar). Dessa forma, os capacitores de polímero podem ser principalmente um eletrólito sólido, o que resulta em ESR reduzida, maior longevidade e geralmente melhor robustez. No entanto, eles ainda possuem uma pequena quantidade de solvente na matriz polimérica e é necessário que seja condutor. Então eles ainda secam. Infelizmente, não há almoço grátis.
Agora, quais são as propriedades elétricas reais desses tipos de capacitores? Já mencionamos a polaridade, mas a outra é a ESR e ESL. Os capacitores eletrolíticos, devido a serem construídos como uma placa muito comprida enrolada em uma bobina, possuem ESL relativamente alto (indutância em série equivalente). Na verdade, são tão altos que são completamente ineficazes como capacitores acima de 100kHz ou 150kHz para tipos de polímeros. Acima dessa frequência, eles são basicamente resistores que bloqueiam a corrente contínua. Eles não farão nada com sua ondulação de tensão e, em vez disso, tornarão a ondulação igual à corrente de ondulação multiplicada pela ESR do capacitor, o que geralmente pode tornar a ondulação ainda pior . Obviamente, isso significa que qualquer tipo de ruído ou pico de alta frequência simplesmente dispara através de um capacitor eletrolítico de alumínio como se nem estivesse lá.
O tântalo não é tão ruim, mas ainda perde sua eficácia com frequências médias (as melhores e as menores podem quase atingir 1MHz, a maioria perde sua característica capacitiva em torno de 300–600kHz).
Em suma, os capacitores eletrolíticos são ótimos para armazenar uma tonelada de energia em um espaço pequeno, mas são realmente úteis apenas para lidar com ruídos ou ondulações abaixo de 100kHz. Se não fosse por essa fraqueza crítica, haveria poucas razões para usar qualquer outra coisa.
3. Capacitores de cerâmica
Capacitores de cerâmica usam uma cerâmica como dielétrica, com metalização de ambos os lados como placas. Não vou entrar no tipo Classe 1 (baixa capacitância), mas apenas na classe II.
Capacitores de classe II trapaceiam usando o efeito ferroelétrico. Isso é muito parecido com o ferromagnetismo, apenas com campos elétricos. Um material ferroelétrico possui uma tonelada de dipolos elétricos que podem, em algum grau ou outro, ser orientados na presença de um campo elétrico externo. Portanto, a aplicação de um campo elétrico colocará os dipolos em alinhamento, o que requer energia e faz com que uma quantidade enorme de energia seja armazenada no campo elétrico. Lembra como o vácuo era a linha de base de 1? As cerâmicas ferroelétricas usadas nos modernos MLCCs têm uma constante dielétrica da ordem de 7.000.
Infelizmente, assim como os materiais ferromagnéticos, quando um campo cada vez mais forte magnetiza (ou polariza no nosso caso) um material, ele começa a ficar sem mais dipolos para polarizar. Satura. Em última análise, isso se traduz na propriedade desagradável dos capacitores de cerâmica do tipo X5R / X7R / etc: sua capacitância cai com a tensão de polarização. Quanto maior a tensão nos terminais, menor a capacitância efetiva. A quantidade de energia armazenada ainda está sempre aumentando com a tensão, mas não é tão boa quanto seria de esperar, com base em sua capacitância imparcial.
A classificação de tensão de um capacitor de cerâmica tem muito pouco efeito nisso. De fato, a tensão suportável real da maioria das cerâmicas é muito maior, 75 ou 100V para as de menor tensão. De fato, muitos capacitores de cerâmica, eu suspeito, são exatamente a mesma peça, mas com números de peça diferentes, o mesmo capacitor de 4,7µF sendo vendido como um capacitor de 35V e 50V sob etiquetas diferentes. O gráfico da capacitância de alguns MLCCs versus tensão de polarização é idêntico, exceto para a tensão mais baixa, com o gráfico truncado na tensão nominal. Suspeito, certamente, mas eu posso estar errado.
De qualquer forma, a compra de cerâmicas de classificação mais alta não fará nada para combater essa queda de capacitância relacionada à tensão, o único fator que acaba desempenhando um papel é o volume físico do dielétrico. Mais material significa mais dipolos. Portanto, capacitores fisicamente maiores reterão mais de sua capacitância sob tensão.
Este também não é um efeito trivial. Um capacitor de cerâmica de 1210 10µF 50V, uma verdadeira besta de um capacitor, perderá 80% de sua capacitância em 50V. Alguns são um pouco melhores, outros um pouco piores, mas 80% é um número razoável. O melhor que eu vi foi um 1210 (polegadas) manter cerca de 3µF de capacitância no momento em que atingiu 60V, em um pacote 1210 de qualquer maneira. Uma cerâmica de 50V de 10µF 1206 (polegadas) de tamanho 50 terá a sorte de ter 500nF deixados por 50V.
As cerâmicas de classe II também são piezoelétricas e piroelétricas, embora isso realmente não as impacte eletricamente. Eles são conhecidos por vibrar ou cantar devido a ondulações e podem atuar como microfones. Provavelmente é melhor evitar usá-los como capacitores de acoplamento em circuitos de áudio.
Caso contrário, a cerâmica tem o menor ESL e ESR de qualquer capacitor. Eles são os mais parecidos com capacitores. Seu ESL é tão baixo que a fonte primária é a altura das terminações finais na própria embalagem. Sim, essa altura de uma cerâmica 0805 é a principal fonte de seus 3 nH de ESL. Eles ainda se comportam como capacitores em muitos MHz ou mais ainda em tipos de RF especializados. Eles também podem desacoplar muito ruído e desacoplar coisas muito rápidas, como circuitos digitais, para as quais os eletrolíticos são inúteis.
Em conclusão, os eletrolíticos são:
- muita capacitância a granel em um pequeno pacote
- terrível de qualquer outra maneira
Eles são lentos, desgastam-se, pegam fogo, se tornarão curtos se você os polarizar errado. Por todos os critérios, os capacitores são medidos por, exceto pela capacitância, os eletrolíticos são absolutamente terríveis. Você os usa porque precisa, nunca porque deseja.
Cerâmica são:
- Instável e perde muito de sua capacitância sob viés de tensão
- Pode vibrar ou atuar como microfones. Ou nanoactuadores!
- Caso contrário, são incríveis.
Capacitores de cerâmica são o que você deseja usar, mas nem sempre é capaz. Na verdade, eles se comportam como capacitores e até em altas frequências, mas não podem corresponder à eficiência volumétrica dos eletrolíticos, e apenas os tipos de Classe 1 (que possuem quantidades muito pequenas de capacitância) terão uma capacitância estável. Eles variam bastante com a temperatura e a voltagem. Ah, eles também podem rachar e não são tão mecanicamente robustos.
Ah, uma última observação, você pode usar eletrolíticos muito bem em aplicações CA / não polarizadas, com todos os outros problemas ainda em jogo, é claro. Basta conectar um par de capacitores eletrolíticos polarizados regulares, com os mesmos terminais de polaridade juntos, e agora as extremidades opostas da polaridade são os terminais de um novo eletrolítico não polar. Enquanto seus valores de capacitância forem razoavelmente compatíveis e houver uma quantidade limitada de polarização DC no estado estacionário, os capacitores parecem permanecer em uso.
