• Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 2.3. Os componentes: Capacitor de Óxido de Tântalo

Atualizado: Out 2

Mais um artigo da série sobre eletrônica, desta vez sobre o capacitor de Óxido de Tântalo!

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Estes componentes são, assim como os capacitores CPA, substitutos dos capacitores eletrolíticos de Óxido de Alumínio (Al2O3). Capacitores de Tântalo tem várias vantagens em relação aos eletrolíticos, entre elas, a maior capacitância por unidade de volume, ou seja, capacitores de Tântalo podem ser fabricados em tamanhos menores que os eletrolíticos comuns e mesmo assim ter a mesma capacitância, isso porque a rigidez dielétrica do Óxido Tântalo é superior ao do Óxido de Alumínio.

Outras vantagens são, a maior estabilidade, ESR extremamente baixa, corrente de fuga na faixa de 1 microAmpere, faixa ampla de temperaturas de operação e elevada tolerância de capacitância.

Por mais que capacitores de Tântalo existam a muito tempo, sua utilização só aumentou nas últimas duas décadas pois, são componentes mais difíceis e caros de serem fabricados e só a tecnologia de fabricação atual que permitiu que eles fossem produzidos em larga escala com preços baixos.

Por ocuparem muito pouco espaço e terem uma grande capacitância, na casa dos microFarads, capacitores de Tântalo são fabricados no formato SMD para serem utilizados em circuitos extremamente pequenos, como por exemplo, placas de smartphone, placas de TV, placas-mãe de desktop e notebook, entre vários outros equipamentos.



Abaixo você vê o diagrama interno de um capacitor de Tântalo:

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Como você pode ver acima, o eletrodo que se carrega de cargas negativas é feito de Tântalo (Ta) e o polo positivo, que se carrega de cargas positivas, é feito de Bióxido de Manganês (MnO2) e Carbono (C). O dielétrico é uma fina camada de Pentóxido de Tântalo (Ta2O5). Assim como o Óxido de Alumínio, o Pentóxido de Tântalo é criado sob um processo de oxidação anódica.

Observe que, no caso do capacitor eletrolítico os eletrodos são iguais (são de Alumínio), o dielétrico é Óxido de Alumínio e o eletrólito serve para melhorar o contato entre o cátodo e o dielétrico. Já no capacitor de Tântalo, o polo negativo possui um eletrodo de Tântalo, e o positivo um eletrodo de grafite, o dielétrico é o Pentóxido de Tântalo e o Dióxido de Manganês serve para melhorar o contato entre o dielétrico e o cátodo, funcionando como um eletrólito.

O princípio de funcionamento do capacitor de Tântalo é o mesmo do capacitor eletrolítico, portanto, recomendo que leia o artigo sobre estes capacitores. Caso não tenha lido ainda:

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

É válido lembrar que, o capacitor de Tântalo também possui polaridade. Caso o capacitor tenha suas polaridades invertidas no circuito, os elétrons irão sobrecarregar o Dióxido de Manganês que irá superaquecer e ser danificado instantaneamente e, caso isso não aconteça de forma imediata, a resistência interna (ESR) poderá aumentar drasticamente, o tornado inutilizável também.

O polo positivo destes capacitores é marcado com um ponto, ou uma listra ou até mesmo o sinal "+" numa cor diferente do restante da carcaça. O polo negativo sempre possui o terminal mais curto. Em capacitores eletrolíticos ou CPA, a listra na carcaça é utilizada para marcar o polo negativo do componente.

Algumas curiosidades sobre o Tântalo: É um elemento químico cujo nome é Tantálio (Símbolo Ta) possuindo número atômico 73 (73 prótons e 73 elétrons) e massa atômica 181. É um metal de transição e está situado no grupo 5B, período 6 e bloco D da tabela periódica.

Há três tipos principais de capacitores de tântalo, que serão detalhados abaixo:

Capacitores de Tântalo com invólucro tubular:

Faixa de temperatura de operação: - 55º C a + 125º C;

Tensões de trabalho: 6,3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 40 v, 63 V e 100 V;

Faixa de capacitância: 100 nF a 470 µF;

Tolerância da capacitância nominal: +/- 20%.

Capacitores de Tântalo com invólucro de epóxi:

Faixa de temperatura de operação: - 55º C a +125º C;

Tensões de trabalho: 3 V a 50 V;

Faixa de capacitância: 10 µF a 4 700 µF;

Tolerância da capacitância nominal: +/- 20%.

Capacitores de Tântalo com invólucro de resina:

Faixa de temperatura de operação: -55º C a 85º C;

Tensões de trabalho: 3 a 50 V;

Capacitâncias: 10 nF a 100 µF;

Tolerância da capacitância nominal:+/- 20%.


Já os capacitores de Tântalo em formato SMD, podem utilizar o Dióxido de Manganês com eletrólito, porém também podem fazer uso de Polímero Condutor.


Capacitores de polímero de Tântalo


Capacitores eletrolíticos de polímero de Tântalo possuem um eletrólito feito de Polímero Condutor. Os capacitores de tântalo são fabricados a partir de um pó de Tântalo relativamente puro.

O pó é comprimido em torno de um fio de tântalo, a conexão do ânodo, para formar um “pellet”. Esta combinação pó / fio é sinterizada a vácuo em alta temperatura (normalmente 1200 a 1800 ° C), o que produz um pellet de ânodo muito forte mecanicamente. Durante a sinterização, o pó assume uma estrutura esponjosa, com todas as partículas interligadas em uma rede espacial monolítica. Esta estrutura é de resistência mecânica e densidade previsíveis, mas também é altamente porosa, tendo uma grande área de superfície no ânodo.

A camada dielétrica é então formada sobre todas as superfícies das partículas de Tântalo do ânodo através do processo eletroquímico de anodização ou formação. Para conseguir isso, o “pellet” é submerso em uma solução muito fraca de ácido e uma tensão elétrica DC é aplicada. A espessura dielétrica total é determinada pela tensão final aplicada durante este processo.

Depois disso, o bloco sinterizado oxidado é impregnado com os precursores do Polímero Condutor, para assim obter o eletrólito do Polímero, o contra-eletrodo. Este “pellet” polimerizado é agora sucessivamente mergulhado em Grafite condutor e depois Prata para fornecer uma boa conexão com o Polímero Condutor. Essas camadas alcançam o Catodo do capacitor. Veja o diagrama abaixo:

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O invólucro do capacitor é geralmente moldado por uma resina sintética. Os capacitores eletrolíticos de polímero de tântalo têm valores de ESR que são aproximadamente apenas 1/10 do valor dos capacitores eletrolíticos de Tântalo com eletrólito de Dióxido de Manganês do mesmo tamanho.


Por uma técnica multi-ânodo em que vários blocos de ânodo são conectados em paralelo dentro de um capacitor, o valor ESR pode ser reduzido novamente. A vantagem da tecnologia multi-ânodo, além dos valores de ESR muito baixos, é o ESL de indutância mais baixa, em que os capacitores são adequados para frequências mais altas.

Por exemplo, três capacitores paralelos com ESR de 60 mΩ cada têm um ESR resultante de 20 mΩ. Nesta construção, até seis ânodos individuais em um único capacitor são conectados. Esta tecnologia é oferecida em capacitores de polímero de Tântalo, bem como capacitores de tântalo com eletrólito de Dióxido de Manganês.

Veja abaixo o digrama de um capacitor de polímero de Tântalo comum e um capacitor de polímero de Tântalo com tecnologia multi-ânodo:

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A desvantagem de todos os capacitores de polímero de tântalo é a maior corrente de fuga, que é aproximadamente 10 vezes maior em comparação com os capacitores com eletrólito de Dióxido de Manganês. Capacitores eletrolíticos de polímero de tântalo SMD estão disponíveis entre os tamanhos 7,3x4, 3x4,3 mm (comprimento × largura × altura) com uma capacidade de 1000 µF a 2,5 V. Eles cobrem faixas de temperatura de −55 ° C a +125 ° C e estão disponíveis em valores de tensão nominal de 2,5 a 63 V.


Outra medida construtiva simples altera a indutância parasita do capacitor, o ESL. Uma vez que o comprimento dos cabos dentro do invólucro do capacitor tem uma grande quantidade de ESL total, a indutância do capacitor pode ser diminuída através do comprimento dos cabos internos por sinterização assimétrica do fio de Tântalo do ânodo. Essa técnica é chamada de construção “voltada para baixo”. Para entender melhor, observe o diagrama abaixo:

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Devido ao ESL mais baixo dessa construção, a ressonância do capacitor é deslocada para frequências mais altas, o que leva em consideração as mudanças de carga mais rápidas dos circuitos digitais com frequências de chaveamento cada vez mais altas.


CURIOSIDADE: Capacitores SMD feitos de Tântalo com dielétrico de Polímero condutor são chamado de POSCAP's, sigla para Conductive Polymer Tantalum Solid Capacitors. Os POSCAP's não lidam bem com altas frequências, são bem maiores, porém aguentam altas temperaturas, demoram mais pra se degradar e não sofrem com efeitos piezoelétricos.


CURIOSIDADE: Neste texto falamos o termo "sinterização" por várias vezes, Caso tenha interesse em ter uma noção sobre este termo e seu uso na Química, disponibilizo um PDF da UFPR sobre a sinterização de pós metálicos. O documento está linkado abaixo:

Sinterizacão de pó metálico
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CURIOSIDADE: Neste texto mostramos que existem capacitores de Tântalo que utilizam eletrólito de Polímero Condutor. Caso tenha interesse em saber mais sobre Polímeros Condutores e os mais utilizados na construção destes capacitores, aconselho-te a ler o artigo sobre capacitores CPA, que pode ser acessado CLICANDO AQUI!


CURIOSIDADE: Além dos POSCAP's tratados neste texto, há os capacitores SMD de Óxido de Alumínio que utilizam os mesmo Polímero Condutor dos POSCAP's. Para acessar o artigo sobre estes capacitores, CLIQUE AQUI!

Talvez o grande problema destes capacitores seja identificar a tensão, a capacitância e a tolerância deles pois, não há um padrão de nomenclatura. Capacitores SMD de Tântalo, em alguns casos, chegam a ser tão pequenos que não há números de identificação. Capacitores de Tântalo mais antigos utilizam um sistema parecido com o utilizado em resistores axiais, eles são listrados e há uma tabela de cores. As duas formas de identificar o significado destas cores são mostradas abaixo:

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Atualmente, apenas olhando o datasheet do componente podemos ter certeza de suas características técnicas. Observe as imagens abaixo:

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CURIOSIDADE: você pode substituir um capacitor eletrolítico de Óxido de Alumínio por um de Óxido de Tântalo! Desde que respeite os valores de tensão e capacitância! Colocar um capacitor com tensão nominal mais alta do que o necessário também não há problemas na maioria dos casos!

Existem várias outras versões de capacitores de Tântalo e com cores diferentes, o que depende do fabricante.

Algumas formas de identificação de capacitores SMD serão mostradas num artigo futuro, já que, é um componente que possui algumas peculiaridades.

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CRÉDITOS e FONTES

Texto, diagrama e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Instituto Newton C. Braga; Meus cadernos e apostilas de eletrônica e química.

Última atualização: 02 de Outubro de 2020.

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