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 sólido substituindo o eletrólito líquido. Se você leu o artigo sobre capacitores eletrolíticos, o entendimento deste artigo será muito melhor. Caso não tenha lido, CLIQUE AQUI e divirta-se!
Capacitores CPA possuem o mesmo princípio de funcionamento de outros capacitores, ou seja, um dielétrico entre dois terminais. Esse material isolante vai gerar a barreira até que o campo elétrico polarize o dielétrico.
No caso dos capacitores eletrolíticos comuns e dos CPAs, o dielétrico é o Óxido de Alumínio (Alumina), que está fixo no terminal denominado ânion. O papel do eletrólito líquido ou do polímero é melhorar o contato com o polo positivo para que a condutividade elétrica seja mais eficaz.
Mas o que faz o polímero ser melhor que o eletrólito líquido?
Como foi dito no artigo anterior desta série, capacitores eletrolíticos sofrem com a evaporação do eletrólito e pressão interna devido a temperatura e ao uso, e isso os torna 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.
Capacitor Polimérico de Óxido de Alumínio
As cápsulas cilíndricas possuem internamente duas folhas de Alumínio (Ânodo e Catodo), ambas com faces oxidadas, e sendo mecanicamente separados por duas folhas de Polímero Semicondutor, sendo todas estas camadas enroladas juntas. As faces ásperas de Alumina são impregnadas com os precursores do polímero que as ligam na 'junta' feita de Polímero Semicondutor. O enrolamento é então embutido em uma cápsula cilíndrica e selada 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 Semicondutor, que tem função de melhorar a condutividade elétrica.
Devo ressaltar novamente que a superfície de Óxido de Alumínio é bastante áspera...
Imagem 3 - A aspereza da superfície de Alumina
... e por este motivo a impregnação de precursores de polímero para que haja de fato uma condutividade elétrica boa.
Imagem 4 - Estrutura de uma capacitor de polímero de Alumínio (CPA)
Como podemos ver na Imagem 4, internamente o capacitor CPA se assemelha com o capacitor de Óxido de Alumínio com eletrólito líquido.
Algumas curiosidades sobre:
→ Os capacitores CPA são menos caros do que os correspondentes capacitores poliméricos de Tântalo para um dado valor CV (capacitância x 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, uma secção de ruptura não é necessária.
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 5
Capacitores poliméricos de Óxido de Alumínio híbridos
Capacitores poliméricos híbridos estão disponíveis apenas em invólucro cilíndrico (igual aos da imagem 5), no entanto, com Chumbo no design radial ou com uma placa de base em plástico na versão SMD (V-chip).
A diferença do híbrido é que o polímero cobre apenas as superfícies ásperas de Alumina. Com isso, especialmente as partes de alto valor ôhmico nos pequenos poros da folha do ânodo (que é mais densa, mais espessa) podem ser feitas com resistência elétrica menor para reduzir o ESR dos capacitores.
Na conexão elétrica entre as duas camadas de polímero, há um eletrólito líquido, como nos capacitores eletrolíticos convencionais, 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 6 - Vista em corte transversal do capacitor polimérico híbrido de Óxido de Alumínio
Podemos ver o eletrólito sólido de polímero nos poros da face das folhas de Alumínio e o eletrólito líquido como 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 CPAs híbridos, 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 CPAs híbridos 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 poliméricos de Óxido de Alumínio em formato SMD
Além dos velhos conhecidos capacitores com invólucro tubular (chamado também de radial), há a versão com encapsulamento retangular, idêntico aos capacitores SMD de Tântalo.
As cápsulas retangulares 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 condutor, também chamado de contra-eletrodo.
Tal como acontece com os condensadores poliméricos de Óxido 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 feito com uma resina de Poliepóxido. Veja o diagrama destes capacitores CPA:
Imagem 7
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 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 POSCAPs e aos MLCC.
Para conhecer melhor os POSCAPs, CLIQUE AQUI!
Para conhecer melhor os capacitores MLCC, CLIQUE AQUI!
A comparação de capacitores poliméricos de Alumínio e capacitores poliméricos 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 poliméricos 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.
Para saber mais sobre polímeros, tipos de polímeros, características e utilizações, recomendo a leitura do artigo "CTM: Borracha e Plástico - Parte 1". Aproveite e também leia os demais capítulos!
POLÍMEROS SEMICONDUTORES
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 semicondutores 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 o material do polo negativo possui excesso de elétrons, sendo ambos chamadas de “portadores de carga”.
Isso significa que a condutividade dos polímeros condutores só começa quando são dopados, e essa dopagem ocorre de forma oxidativa ou redutora.
CURIOSIDADE: Você pode, de forma informal, chamar estes polímeros de "polímeros condutores", todavia, a forma correta de se referir aos materiais aqui mencionados é "polímero semicondutor".
Um eletrólito de polímero deve ser capaz de penetrar nos poros mais finos do ânodo para formar uma camada homogênea completa, pois 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 Semicondutores mais utilizados são o Polipirrol (PPy) ou Politiofeno (PEDOT ou PEDT).
CURIOSIDADE: Tanto o PPy quanto o PEDT / PEDOT são Semicondutores Orgânicos. Para saber mais sobre o funcionamento de Semicondutores Orgânicos e Inorgânicos, CLIQUE AQUI!
No documento abaixo, algumas informações importantes sobre o Polipirrol e Politiofeno:
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 poliméricos".
Mencionei os capacitores eletrolíticos TCNQ aqui para apontar o perigo de confusão com os capacitores CPA '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 Semicondutor (mais especificamente o PPy).
Veja a fórmula estrutural do TCNQ:
Imagem 8
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 9
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 10
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 11
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.
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.
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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: 08 de Agosto de 2022.