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  • Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 2.2. Os componentes: Capacitor de Óxido de Alumínio

Atualizado: 20 de ago. de 2023

Este é o primeiro artigo da série do HC sobre os tipos de capacitores mais comuns do mercado. Um dos mais utilizados foi, com certeza, o eletrolítico de Óxido de Alumínio.

Capacitores eletrolíticos em uma placa-mãe

Imagem 1 - Capacitores eletrolíticos de uma placa-mãe AsRock N68 VS3-FX


Se você não leu o Capítulo 2.0 e o 2.1 sobre Eletrostática e a introdução ao capacitor, indico a leitura pois é essencial para o entendimento deste artigo.

-> Para acessar o Capitulo 2.1 CLIQUE AQUI!

-> Para acessar o capítulo 2.0 CLIQUE AQUI!

O capacitor eletrolítico é um dos poucos componentes que é feito de produtos químicos em estado líquido, os eletrólitos. Eles podem ser radiais, isto é, os dois terminais no mesmo lado (assim como a maioria dos capacitores) ou axiais, com um pino de cada lado.

Diferença entre radial e axial

Imagem 2

A estrutura


Capacitores eletrolíticos possuem eletrodos de Alumínio (Al), Tântalo (Ta), Titânio (Ti), Nióbio (Nb), Zircônio (Zr), Háfnio (Hf) ou qualquer outro material que possua características propícias para esta função. Os mais utilizados são o Alumínio e o Tântalo.

Nos capacitores eletrolíticos de Óxido de Alumínio são utilizadas duas folhas de Alumínio como eletrodos e cada uma delas é fixada em um dos pinos.


A folha de Alumínio que será o anodo (polo negativo), vai para um processo de oxidação anódica e passa a ter uma película de Óxido de Alumínio (Al2O3) em sua superfície. Por este motivo que uma das folhas é mais rígida que a outra.

Complemento 1 - Como pode ser feito o processo de anodização


CURIOSIDADE: O Óxido de Alumínio também é conhecido como Alumina, um material bastante utilizado na confecção de cerâmicas técnicas para produção de isolantes na indústria elétrica e eletrônica. Para saber mais sobre vidros e cerâmicas, CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!


O Óxido de Alumínio é, portanto, o dielétrico deste capacitor!

Veja esta imagem feita com um microscópio:

Imagem 3 - Observe a aspereza da superfície de Alumina (Óxido de Alumínio)


A folha de Alumínio do polo positivo (cátodo) é uma chapa laminada muito fina, porém, não muito lisa, como vemos na seguinte imagem de microscópio:

Imagem 4 - A folha do cátodo não têm um contato perfeito com a folha de face oxidada


CURIOSIDADE: O cátodo é confeccionado a partir de uma chapa de Alumínio 1050, 1060, 1070 ou 1350, enquanto o ânodo é fabricado a partir do mesmo material, porém, passa por aquele já descrito processo de anodização. Para saber mais sobre o Alumínio e sua ligas, além de vários exemplos de uso na eletrônica, elétrica e mecânica automotiva, CLIQUE AQUI!


→ O cátodo é totalmente envolvido por duas folhas de papel feltro, literalmente uma tira de papel super sensível que é embebida em um eletrólito, isto é, um líquido normalmente composto por:

-> Borato de Sódio (Na2B4O7·10H2O), cujo pH é 9,2 (alcalino).

-> Também pode ser aplicado Ácido Bórico (H3BO3), cujo pH é 5,1 (ácido).


Observe a próxima imagem, também feita em microscópio:

Imagem 5 - O papel saturado de eletrólito


CURIOSIDADE: O feltro nada mais é do que um amontoado de fibras, isto é, finos fios - que neste caso são de celulose - prensadas formando uma folha, uma lâmina. Como não passou por tecelagem, é então chamado de Tecido-Não-Tecido (TNT). A celulose é um polímero natural tal qual a borracha de látex e a cortiça. Para saber mais sobre a celulose, CLIQUE AQUI!


Este papel de celulose é um isolante elétrico e neste caso serve para 'fixar' o elétrólito (que é um líquido condutor e relativamente pegajoso) e melhorar o contato entre a superfície de Alumina e a chapa laminada do cátodo para que haja uma condução de corrente elétrica eficiente.


CURIOSIDADE: A celulose aqui é análoga a uma junta de vedação de um sistema hidráulico, que tem por função selar uma emenda. A junta de vedação se deforma de acordo com as ranhuras das faces das peças a serem fixadas uma na outra. Um bom exemplo é uma junta de cabeçote de um motor de combustão interna. No caso do capacitor, um contato perfeito entre dielétrico e cátodo é necessário, e como as superfícies não são perfeitamente lisas, faz-se uso de uma 'junta condutora'.


Na próxima imagem, uma região do feltro menos impregnada com eletrólito:

Imagem 6 - A sensível folha de celulose dos capacitores com eletrólito líquido


Para saber mais sobre este condutor iônico alcalino ou ácido chamado eletrólito, você pode ler o primeiro capítulo da série sobre aculuadores de energia:

Propaganda de conteúdo do HC!


Esse sanduíche de folhas de Alumínio e o feltro são enroladas, sendo toda essa estrutura hermeticamente selada para que não se perca o fluído (eletrólito). Veja a imagem abaixo:

Desmonte de um capacitor eletrolítico

Imagem 7


A parte de baixo do capacitor é onde se encontra os dois pinos do componente. Ela é tampada com uma plataforma de polímero elastômero (borracha). Veja a imagem abaixo:

Parte de baixo do capacitor

Imagem 8


Por mais que a parte de baixo pareça ser mais sensível, frágil, não é bem assim, e você verá mais detalhes adiante neste texto.

Este eletrólito, com o tempo, devido ao uso e as temperaturas que o capacitor pode atingir acaba vaporizando em pequenas quantidades e a capacitância e tensão nominal se reduzam gradativamente (isto também gera o aumento da ESR).

A camada de Óxido na superfície da folha de Alumínio tem uma espessura calculada (na ordem dos nanômetros) e possui a característica de barrar a passagem de elétrons. Através da diferença de potencial, o polo negativo fica sobrecarregado de elétrons (ele e um ânion) enquanto no polo positivo falta elétrons (ele é um cátion).

Com a chegada de elétrons ao polo negativo, uma carga elétrica vai se formado e um campo elétrico é gerado. Quando ocorre a polarização dielétrica do Óxido, ele perde elétrons para o eletrólito, e esses elétrons são drenados para fora do capacitor pela folha de Alumínio do polo positivo.

É importante lembrar que por ser feito destes materiais, o capacitor eletrolítico é o que mais capacitância tem entre todos os tipos de capacitores (na ordem dos microFarads).


Como foi dito no artigo anterior, uma corrente e tensão alternadas e ou a ESR geram uma resistência ohmica no capacitor, fazendo com que parte da corrente seja dissipada em forma de calor. Essa corrente é chamada de "ripple" ou "corrente de fuga" e depende do tipo de onda e da frequência dela. Isso também influência na vida útil, e por este motivo em circuitos que trabalham com altas frequências não é indicado a colocação deste tipo de condensador.


A degradação


Como o capacitor é hermeticamente selado (a entrada de umidade e outros agentes externos é impedida, bem como a exposição do conteúdo interno da peça), quando a pressão interna é muito grande, uma secção de ruptura faz com que um possível rompimento e vazamento do fluído interno seja na parte superior e não na parte inferior. O rompimento e ou vazamento na parte inferior do componente faz com que as trilhas e outros componentes ao redor possam ser danificados com o impacto da explosão ou corroídos pelo eletrólito.

Veja abaixo a foto da um capacitor eletrolítico visto de cima:

Parte superior do capacitor

Imagem 9 - Note a secção de ruptura formando o símbolo "+" no seu topo


O Rubicon 65 µF / 450 Volts desta fonte já se rompeu:

Imagem 10 - Capacitor de Óxido de Alumínio danificado na fonte de alimentação de uma SmartTV Panasonic Viera


Quando o capacitor apenas estufa já é sinal suficiente de que ele deve ser substituído. Um capacitor estufado já não tem mais suas características originais, e como a sua função em placas de computador, TV, fontes de alimentação e carregadores e outros dispositivos do dia-a-dia é filtrar a energia, ele não fará mais isso corretamente, podendo danificar outros circuitos do aparelho.


É válido lembrar que capacitores eletrolíticos são os que mais sofrem com a degradação de suas características e também com o aumento gradativo do ESR se comparado com outros tipos de capacitores, como por exemplo os de cerâmica e filme polimérico, e isso se deve aos materiais utilizados - o papel que se deteriora, o eletrólito que vaporiza e a camada de óxido que pode se formar na folha do catodo com o uso e a temperatura.

O tempo de vida médio de um capacitor eletrolítico é de 4 a 5 anos, o que é relativamente pouco para um componente deste 'nível'. Apesar de ter uma vida útil tão pequena, isso não significa que um capacitor eletrolítico não possa durar mais, isso também vai depender da qualidade de construção e as condições de uso em que o capacitor foi submetido.


CURIOSIDADE: Se não houve vazamento do eletrólito e não houve curto-circuito, o capacitor de Óxido de Alumínio pode ser recuperado! Basta deixa-lo ligado a uma fonte de baixa tensão durante vários dias, isso fará com que a camada dielétrica de Alumina se regenere. No conserto de aparelhos valvulados, a recuperação dos capacitores era frequente, pois na época não se tinha um acesso a componentes igual se tem hoje em dia.

Basicamente, a recuperação era feita apenas nos componentes de equipamentos parados à muito tempo, ou com pouco uso, pois um capacitor defeituoso em atividade à muito tempo obviamente já perdeu suas características. O óxido de Alumínio, a grosso modo, acaba "enfraquecendo" com a falta de uso, e somente a aplicação de tensão que fará a camada de óxido se reconstruir. Esta é uma técnica pouco utilizada atualmente.


Temperatura de Operação


Um capacitor possui uma temperatura limite em que ele pode operar. A temperatura ambiente e o calor que ele mesmo pode gerar devem ser sempre menores que o valor impresso em sua etiqueta, caso contrário a vaporização do eletrólito tende a aumentar. Abaixo você vê em que parte da etiqueta está escrito os limites de temperatura de operação:

A inscrição da temperatura máxima suportada pelo capacitor

Imagem 11


No capacitor da imagem acima, o valor "-40+105 ºC" é a temperatura mínima e máxima que este capacitor consegue trabalhar. Caso esses valores sejam excedidos na prática, ele vai ter sua vida útil reduzida ou não vai operar de forma eficaz, pois temperaturas muito baixas podem fazer com que a condução de energia seja comprometida. Capacitores capazes de operar a 105 ºC são os melhores, pois possuem uma vida útil maior devido aos materiais que o compõem serem de melhor qualidade. Capacitores de 85 ºC também podem ser ótimos, mas não suportam temperaturas tão altas, o que pode excluí-los da lista de componentes que são colocados num circuito de alta qualidade.


Devemos observar também a marca do capacitor. Capacitores chineses possuem materiais de péssima qualidade e não suportam os valores de temperatura impressos em sua etiqueta. Eles também não tem um local certo na carcaça para estourarem, ou seja, podem arrebentar o invólucro na parte de cima, ou estourarem pela base de borracha na parte inferior. Fontes de alimentação genéricas para desktop são as que mais utilizam componentes chineses de baixa qualidade, e isso é visível devido ao preço dos produtos dessas marcas em comparação com marcas famosas. Na construção de um circuito é muito importante escolher capacitores de marcas renomadas (como por exemplo as japonesas), que são acima da média em qualidade, e capacitores com valores de temperatura de 105 ºC.

Para saber a capacitância e tensão nominal (tensão máxima de trabalho, isto é, faz referência ao valor limite de isolamento de suas placas) de um capacitor eletrolítico de Óxido de Alumínio é fácil, basta olhar o rótulo em seu invólucro. Os valores de capacitância e tensão vem e microFarads e Volts, respectivamente, não necessitando consultar datasheets e ou tabelas, caso o projeto seja mais simples.


CURIOSIDADE: O fabricante normalmente lista a tensão máxima com a qual o capacitor pode lidar como um número seguido por V, porém, também pode ser encontradas as siglas VAC (Voltage Alternating Current), VDC (Voltage Direct Current), VDCW ou WV (para "Working Voltage", ou tensão de funcionamento). Perceba que o Samwha da Imagem 7 possui uma tensão máxima de trabalho de 400 WV.


Circuitos de alta qualidade levam em conta o ESR e a reatância capacitiva (este último apenas para circuitos com tensão e corrente alternados) e estes valores só estão disponíveis no datasheet do componente. Abaixo você vê onde encontrar os valores de capacitância e tensão num capacitor eletrolítico:

Onde achar os valores de tensão e capacitância no capacitor eletrolítico.

Imagem 12


O capacitor da imagem acima é de 330 µF (microFarads) e suporta até 200 Volts de diferença de potencial (DDP) sem que haja ruptura da rigidez dielétrica.


Perceba que também há uma listra branca no capacitor. Todos os capacitores possuem esta marcação, que pode ser de qualquer cor desde que não seja igual a cor predominante. Esta listra serve para marcar o polo negativo (anodo) do capacitor eletrolítico de Óxido de Alumínio.

Caso o capacitor tenha suas polaridades invertidas no circuito, o fluxo de elétrons (que começará a ser represado pelo dielétrico) irá sobrecarregar o eletrólito, que por sua vez vai superaquecer e vaporizar rapidamente, formando uma pressão interna e fazendo o capacitor estourar. A polaridade invertida também vai deteriorar o óxido, fazendo com que o capacitor entre em curto-circuito. Mesmo que o condensador que foi invertido for retirado do circuito antes de entrar em curto ou estourar, ele já perdeu parte de sua capacitância e demais características, o que o torna inutilizável.

Capacitores eletrolíticos também possuem um valor de sobre-tensão alternada, que é quando o capacitor fica sujeito a tensões acima de seu limite dentro da faixa de temperatura aceitável por 30 segundos e em intervalos menores que 5 minutos. Abaixo, você vê uma tabela de tolerância de tensão de surto:

Tabela 1


Há ainda a taxa de falhas e as características deles versus fatores externos. Poderemos incluir estas informações em atualizações futuras!

CURIOSIDADE: O rótulo de filme plástico por cima do invólucro cilíndrico de AlMg dos capacitores eletrolíticos de Óxido de Alumínio é composto por Polietileno Tereftálico (PET), um material muito comum em nosso cotidiano!

Imagem 13 - Um Samwha de 68 µF / 450 Volts


Capacitores eletrolíticos com outros tipos de Óxidos funcionam de forma similar ao com Óxido de Alumínio. No Capítulo 2.3 é descrito a estrutura e funcionamento de capacitores sólidos (CPA).

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CRÉDITOS e FONTES

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Mundo da Elétrica; CETESB (sobre o pH dos eletrólitos); Meu livro de química do ens. médio; Clube do Hardware; Hardware.com; Ponto Ciência; Instituto Newton C. Braga.; Dicas do Zébio (site); "engenharia reversa" feita por mim em vários capacitores.

Última atualização: 19 de Agosto de 2023.

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