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

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

21/03/2018

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

  Se você não leu o Capítulo 2.0 e o 2.1, sobre Eletrostática e a introdução ao capacitor, indico que leia pois é essencial para o entendimento deste artigo. O link para o Capitulo 2.1 está aqui:

 

https://hardwarecentrallr.wixsite.com/hardcentral/single-post/2018/02/28/Cap-10-Os-componentes-Capacitor

 

  O link para o capítulo 2.0 está aqui:

https://www.hardwarecentral.net/single-post/2019/07/23/Cap-20-Eletrost%C3%A1tica

 

  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.

  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. O mais utilizado é o Alumínio e é nesse que eu vou me basear para explicar o funcionamento deste componente.

  São utilizados 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. A folha de Alumínio do polo positivo é totalmente envolvida por duas folhas de papel feltro, literalmente uma tira de papel madeira super sensível que é mergulhada em um eletrólito, isto é, um líquido normalmente composto de Borato de Sódio (Na2B4O7·10H2O) que não possui pH (umidade), mas também pode ser utilizado Ácido Bórico (H3BO3). Esse sanduíche de folhas de Alumínio e o feltro são enroladas e hermeticamente selado para que não se perca o fluído (eletrólito). Veja a imagem abaixo:

  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. O papel feltro serve para melhorar o contato do eletrólito com a superfície do Óxido e com a superfície da folha de Alumínio do polo positivo. 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 a rigidez dielétrica do Óxido é quebrada, 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.

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

  Por mais que a parte de baixo pareça ser mais sensível, frágil, você verá que não é bem assim, no parágrafo abaixo:

  O eletrólito deve ter o pH mais baixo possível ou simplesmente não ter pH para que a umidade não deteriore tão rápido o papel feltro. Este eletrólito, com o tempo, devido ao uso e as temperaturas que o capacitor pode atingir acaba vaporizando em pequenas quantidades a capacitância e tensão nominal se reduzam gradativamente (isto também gera o aumento da ESR).

  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 circuitos que trabalham com altas frequências não é indicado a colocação deste tipo de capacitor.

  Como o capacitor é hermeticamente selado, quando a pressão interna é muito grande, a parte de cima de seu invólucro (que é mais fina e sensível) faz com que um possível estouro e vazamento do fluído interno seja na parte superior e não na parte inferior. O estouro 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:

   Quando o capacitor apenas estufa já o 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 poliéster, e isso se deve aos materiais utilizados, principalmente 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 capacitor. Apesar de ter uma vida útil tão pequena, isso não significa que um capacitor eletrolítico não possa durar mais.

  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:

   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 de desktop genéricas 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 japonesas, que são acima da média em qualidade, e capacitores com valores de temperatura de 105 ºC.

 

  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 de óxido do dielétrico 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, uma 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 foi uma explicação simples para uma técnica pouco utilizada atualmente.

  Como fazemos para saber a capacitância e tensão nominal de um capacitor eletrolítico de Óxido de Alumínio? É fácil! basta olhar a etiqueta 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 for mais simples. 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:

  O capacitor da imagem acima é de 330µF (microFarads) e suporta até 200 Volts de diferença de potencial (DDP). Perceba que também há uma listra branca no capacitor. Todos os capacitores possuem esta listra, que pode ser de qualquer cor desde que não seja igual a cor predominante pois, ela serve para marcar o polo negativo (anodo) do capacitor eletrolítico de Óxido de Alumínio.

  Caso o capacitor tenha suas polaridades invertidas no circuito, os elétrons irão sobrecarregar o eletrólito que irá superaquecer e vaporizar rapidamente, formando uma pressão interna e fazendo o capacitor estourar, ou irão deteriorar o óxido, que fará com que o capacitor entre em curto-circuito. Mesmo que o capacitor 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 torna ele 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 de tensão de surto:

 

  A ainda, a vida útil de um capacitor eletrolítico, a taxa de falhas e as características deles versus fatores externos. Poderemos incluir estas informações em atualizações futuras então, fique de olho no Hardware Central!

  Capacitores eletrolíticos com outros tipos de Óxidos funcionam de forma similar ao com Óxido de Alumínio. No próximo artigo você conhecerá o funcionamento de capacitores sólidos.

  Gostou do artigo? Achou que falta alguma coisa? Ficou com alguma dúvida? Escreva nos comentários ou mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com. Gostou? Então é só curtir e compartilhar!

CRÉDITOS e FONTES

 

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Mundo da Elétrica; Clube do Hardware; Hardware.com; Ponto Ciência; Instituto Newton C. Braga.; Dicas do Zébio (site).

 

Última atualização: 22 de Julho de 2019.

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