• Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 2.2b. Os componentes: Capacitor CPA

Atualizado: Out 2


Imagem 1 - Na foto acima os capacitores sólidos com a marcação "SKW42 560 6,3 V"

Mais um artigo da série sobre eletrônica, desta vez sobre o capacitor CPA!

CPA é a sigla para Conductive Polymer Aluminium e é dada a todo capacitor que possui um polímero substituindo o eletrólito. Se você leu o artigo sobre capacitores eletrolíticos, o entendimento deste artigo será muito melhor. Caso não tenha lido, acesse:

https://hardwarecentrallr.wixsite.com/hardcentral/single-post/2018/03/21/Cap-11-Os-componentes-Capacitor-eletrol%C3%ADtico

Capacitores CPA possuem o mesmo princípio de funcionamento de outros capacitores, ou seja, um dielétrico entre dois terminais. Esse dielétrico vai gerar a barreira que só será quebrada quando a carga elétrica dos terminais superar a rigidez dielétrica. No caso dos capacitores eletrolíticos comuns e dos CPA's, o dielétrico é o óxido de alumínio, que está fixo no terminal denominado ânion. O papel do eletrólito ou do polímero é melhorar o contato com o polo positivo para que a condutibilidade seja mais eficaz.

Mas o que faz o polímero ser melhor que o eletrólito? Como foi dito no artigo passado, capacitores eletrolíticos sofrem com a evaporação do eletrólito e pressão interna devido a temperatura e ao uso, e isso torna eles descartáveis muito cedo. Capacitores CPA utilizam um material polimérico sólido que faz o mesmo papel do eletrólito, não estourando ou vazando e tendo mais resistência a temperatura.

As cápsulas cilíndricas de polímero de Alumínio são feitas de duas folhas de Alumínio (Ânodo e Catodo), sendo mecanicamente separados por duas folhas de Polímero Condutor, sendo todas estas camadas enroladas juntas. O enrolamento é impregnado com os precursores do polímero que ligam o separador feito de Polímero Condutor, conectado eletricamente à folha do cátodo através de Óxido de Alumínio. O enrolamento é então embutido em um cilindro e selado com uma vedação de borracha. Veja a estrutura interna do Capacitor CPA abaixo:

Imagem 2 - Composição dos capacitores CPA


Como é possível ver na imagem acima, o dielétrico continua sendo o Óxido de Alumínio, porém o separador dos polos é o Polímero Condutor, que tem função de melhorar a condutibilidade elétrica. Devo ressaltar que, a superfície de Óxido de Alumínio é bastante rugosa, necessitando ser impregnado com o precursores do polímero para que haja de fato uma condutibilidade elétrica boa.

Imagem 3 - Estrutura de uma capacitor de polímero de Alumínio (CPA)



Como podemos ver na Imagem 3, internamente o capacitor CPA se assemelha com o capacitor de Óxido de Alumínio com eletrólito líquido.

Os capacitores CPA são menos caros do que os correspondentes capacitores de polímero de tântalo para um dado valor CV (capacitância × tensão nominal).

Eles estão disponíveis em tamanhos de até 10 × 13 mm (diâmetro × altura) com um valor CV de 3900 µF × 2,5 V.

Eles podem abranger faixas de temperatura de -55 ° C a +125 ° C e estão disponíveis em valores de tensão nominal de 2,5 a 200 V.

Ao contrário dos capacitores de eletrólito líquido, os invólucros dos capacitores CPA não possuem um orifício (entalhe) na parte inferior da carcaça, já que um curto-circuito não forma gás, o que aumentaria a pressão na caixa. Portanto, um ponto de ruptura predeterminado não é necessário.


CURIOSIDADE: Para a versão SMD (chip vertical = V-chip), o invólucro cilíndrico do Capacitor CPA é fornecido com uma placa inferior. Veja abaixo a diferença entre sua versão PHT (Pin Through Hole – Através de pino e furo) e sua versão SMD (Surface Mount Device – Dispositivo de montagem superfície):

Imagem 4



Capacitores de polímero de Alumínio híbrido


Capacitores de polímero híbrido estão disponíveis apenas em invólucro cilíndrico, portanto corresponde ao polímero cilíndrico CPA acima descrito, porém com chumbo no design radial (extremidade única) ou com uma placa de base na versão SMD (V-chip).

A diferença é que o polímero cobre apenas a superfície da estrutura rugosa do dielétrico de Óxido de Alumínio e a superfície da folha catódica como camadas finas. Com isso, especialmente as partes de alto valor ôhmico nos pequenos poros da folha do ânodo podem ser feitas com baixo valor ôhmico para reduzir o ESR dos capacitores.

Na conexão elétrica entre as duas camadas de polímero, há um eletrólito líquido, como nos capacitores eletrolíticos convencionais (com eletrólito líquido), impregnando o separador. A pequena espessura do eletrólito não sólido aumenta um pouco o ESR, mas na verdade não tanto ao ponto de prejudicar sua aplicação em diversos circuitos. A vantagem dessa construção é que o eletrólito líquido em operação fornece o Oxigênio necessário para a auto-cura da camada dielétrica na presença de quaisquer pequenos defeitos.

Veja o desenho abaixo:

Imagem 5


Na imagem 4, a vista em corte transversal do capacitor de polímero de Alumínio hibrido. Podemos ver o eletrólito sólido de polímero nos poros das folhas de alumínio e eletrólito líquido como a conexão elétrica entre as camadas de polímero.

De forma mais detalhada, a corrente que flui por um pequeno defeito resulta em aquecimento seletivo, que normalmente destrói o filme de polímero sobreposto, isolando, mas não cicatrizando o defeito. Em condensadores de polímero híbrido, o eletrólito líquido pode fluir para a região defeituosa do polímero, entregando Oxigênio e curando o dielétrico, gerando novos Óxidos, resultando numa diminuta corrente de fuga.

o capacitores de polímero de Alumínio híbrido têm uma corrente de fuga muito menor do que os capacitores CPA comuns. Em resumo, podemos dizer, de uma forma meio forçada, que estes capacitores se regeneram.


Capacitores SMD de polímero de Alumínio


Além dos velhos conhecidos capacitores com invólucro tubular (chamado também de radial), há a versão com encapsulamento retangular, idêntico aos capacitores de Tântalo SMD.


As cápsulas retangulares de polímero de Alumínio têm uma ou mais folhas de Alumínio em camadas no ânodo, e um eletrólito de Polímero Condutor. As folhas de Alumínio em camadas estão em um lado em contato umas com as outras, sendo este bloco oxidado anodicamente para obter o dielétrico e também impregnado com os precursores do Polímero Condutor para se obter o eletrólito de polímero, também chamado de contra-eletrodo. Tal como acontece com os condensadores de polímero de Tântalo, este bloco polimerizado é agora sucessivamente mergulhado em grafite condutor e depois em Prata para fornecer uma boa ligação entre o eletrólito e o cátodo. O invólucro geralmente é moldado por uma resina sintética. Veja o diagrama destes capacitores de polímero de Alumínio abaixo:

Imagem 5


ESR e ESL: As folhas anódicas em camadas com polímero, de formato retangular, são capacitores simples conectados eletricamente em paralelo. Assim, os valores ESR e ESL são reduzidos, permitindo que operem em frequências mais altas. Essas cápsulas retangulares de polímero são disponíveis na em invólucros com dimensões de 7,3x4,3 mm e alturas entre 2 e 4 mm. Eles fornecem uma alternativa competitiva aos POSCAP's e aos MLCC.


Para conhecer melhor os POSCAP's, CLIQUE AQUI!

Para conhecer melhor os capacitores MLCC, CLIQUE AQUI!


A comparação de capacitores de polímero de Alumínio e capacitores de polímero de Tântalo mostra que as diferentes permissividades elétricas do Óxido de Alumínio e Pentóxido de Tântalo têm pouco impacto sobre a capacidade específica, e isto se deve às diferentes margens de segurança nas camadas de Óxido.

Os capacitores de polímero de Tântalo usam uma espessura de camada de Óxido que corresponde a aproximadamente quatro vezes a voltagem nominal, enquanto os capacitores de polímero de Alumínio têm cerca de duas vezes a voltagem nominal.

Mas qual a composição do polímero? Os polímeros são formados por macromoléculas, estruturas feitas de monômeros. Os monômeros são unidades que se repetem na estrutura do polímero, podendo ser iguais ou diferentes, formando longas cadeias.

Os polímeros utilizados em capacitores CPA são sintéticos pois, são feitos de resina de petróleo, carvão mineral ou até mesmo cana-de-açúcar. Esse tipo de polímero pode ser feito sob um processo de poliadição, onde se utiliza unidades de repetição iguais. Estas unidades são colocadas em um reator juntamente com um catalizador que quebra as ligações duplas dos monômeros numa reação em cadeia, e esta reação só termina quando é adicionado um material para encerrar o processo.

Outro processo que pode ser utilizado é o de policondensação. Neste processo, monômeros diferentes são adicionados ao reator, onde ocorre a eliminação de moléculas de baixa massa molecular, possibilitando que o restante dos monômeros se unam e formem um polímero específico sem a quebra de duplas ligações. Ao contrário da poliadição, a policondensação é um processo lento e que produz polímeros na faixa de 10.000 g/mol contra 20.000 g/mol da poliadição.


POLÍMEROS CONDUTORES


Os polímeros são formados por uma reação química, a polimerização. Nesta reação, os monômeros são continuamente ligados a um filamento de polímero em crescimento. Normalmente, os polímeros são isolantes elétricos, na melhor das hipóteses, semicondutores.

Para uso como eletrólito em capacitores, polímeros condutores elétricos são empregados. A condutividade de um polímero é obtida por ligações duplas conjugadas que permitem a livre movimentação dos portadores de carga no estado dopado.

Mas o que significa “portadores de carga”?

Seguindo a lógica dos semicondutores, o material do polo positivo possui falta de elétrons, e estas lacunas vazias da cadeia cristalina são chamadas de “portadores de carga”.

Isso significa que a condutividade dos polímeros condutores só começa quando os polímeros são dopados, e essa dopagem ocorre de forma oxidativa ou redutora.

Um eletrólito de polímero deve ser capaz de penetrar nos poros mais finos do ânodo para formar uma camada homogênea completa, porque apenas as seções de óxido do ânodo cobertas pelo eletrólito contribuem para a capacitância. Para isso, os precursores do polímero têm de consistir em materiais de base muito pequenos que podem penetrar até nos menores poros.

O tamanho desses precursores é o fator limitante no tamanho dos poros nas folhas de Alumínio oxidadas ou no tamanho do pó de tântalo que forma o ânodo. A taxa de polimerização deve ser controlada para a fabricação do capacitor. A polimerização muito rápida não leva a uma cobertura anódica completa, enquanto a polimerização muito lenta aumenta os custos de produção.

Nem os precursores, nem o polímero ou seus resíduos podem atacar o Óxido do ânodo de forma química ou mecanicamente. O eletrólito de polímero deve ter alta estabilidade em uma ampla faixa de temperatura por longos períodos de tempo. O filme de polímero não é apenas o “contra-eletrodo” do capacitor, mas também protege o dielétrico contra influências externas, como por exemplo o contato direto com o grafite, que junto com a Prata forma a conexão com o catodo. Os Polímeros Condutores mais utilizados são o Polipirrol (PPy) ou Politiofeno (PEDOT ou PEDT).

No documento abaixo, algumas informações importantes sobre o Polipirrol e Politiofeno:

Polí­meros Condutores
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O eletrólito de sal TCNQ


Os capacitores eletrolíticos que possuem o sal de transferência de carga Tetracianoquinodimetano (TCNQ) como eletrólito, anteriormente produzidos pela Sanyo com o nome comercial "OS-CON", não eram "condensadores de polímero".

Mencionei os capacitores eletrolíticos TCNQ aqui para apontar o perigo de confusão com os capacitores de polímero 'verdadeiros', que são vendidos hoje em dia com o mesmo nome comercial “OS-CON”. Os capacitores “OS-CON” originais com eletrólito TCNQ vendidos pelo antigo fabricante Sanyo foram descontinuados com a integração da marca com a Panasonic, em 2010. A Panasonic mantém o nome comercial “OS-CON”, mas substituiu o eletrólito TCNQ por um eletrólito de polímero condutor (PPy).

Veja a fórmula estrutural do TCNQ:

Imagem 5


Os condensadores eletrolíticos com eletrólito TCNQ não estão mais disponíveis no mercado.

Capacitores sólidos não possuem uma etiqueta em seu invólucro e é isso que os torna diferenciáveis dos capacitores eletrolíticos. As informações de capacitância, tensão e polaridade são impressas na parte de cima do capacitor sólido. Veja a imagem abaixo:

Imagem 6


Observe a imagem acima. Veja que também não há uma marcação na parte superior para que o capacitor estoure para cima em casos extremos.

O valor 100 significa que ele tem a capacitância de 100 microFarads e o valor "16V" significa que sua tensão nominal é 16 Volts. O código RN101 é nomenclatura do fabricante (no datasheet deve conter a faixa de temperatura e tolerância para capacitores com este código) e a listra vermelha (pode ser de qualquer outra cor também) é a indicação do polo negativo.

Marque estes detalhes pois, há capacitores com as mesmas características que estes mas que possuem eletrólito líquido. A única forma de notar a diferença é a marcação na parte superior. Observe a imagem:

Imagem 7


Observe que, há a marcação na parte superior de todos eles, e que o capacitor circulado em vermelho já está vazando. O único capacitor realmente sólido da imagem acima é o que está marcado "100 16V" em preto, ao lado da bobina (este capacitor é do tipo SMD). Pra piorar, estes capacitores são chineses e, como foi dito no artigo passado, os melhores são os japoneses.

Lembre-se que, ao inverter a polaridade de um capacitor CPA, ele também será danificado, o tornando inutilizável. A sobrecarga de elétrons no polo positivo irá danificar o óxido de alumínio fazendo o componente entrar em curto. A ESR de um capacitor CPA é muito mais baixa devido aos materiais utilizados, e sua degradação é mais lenta, fazendo com que sua vida útil possa ser de décadas e décadas. Veja a imagem abaixo:

Imagem 8


Esta é a parte traseira da embalagem de uma placa de vídeo MSi GTX 1050Ti e mostra a durabilidade de um capacitor sólido: 12 anos se operar sempre no modo gaming (atingindo aproximadamente 70 ºC) ou 40 anos de vida útil se operar sempre em modo normal (atingindo aproximadamente 60 ºC). No caso dos capacitores CPA, para saber a máxima temperatura de operação, corrente de fuga (ripple), ESR e outras características, você deverá procurar pelo datasheet do componente na internet.

Curiosidade: você pode substituir capacitores eletrolíticos de óxido de Alumínio por capacitores CPA! Mas lembre-se: procure componentes com os mesmos valores de tensão e capacitância dos capacitores que vão ser trocados, e faça isso apenas em caso de extrema necessidade. Não faz sentido trocar peças que ainda estão funcionando bem por outras novas!

Felizmente, todas as marcas famosas, entre elas a MSi, Asus, Acer, AsRock, GigaByte e Dell utilizam capacitores CPA em todos os circuitos, apesar de algumas ainda utilizam capacitores com eletrólito no circuito de som devido suas características para filtragem de áudio. Placas mais antigas e de baixo custo podem não ter capacitores sólidos.

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

CRÉDITOS e FONTES

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: InfoEscola; Hardware.com; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas); Micro Star INT`L Co. Ltd.

Última atualização: 02 de Outubro de 2020.

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