Capacitores Eletrolíticos Explicados: Formação, Benefícios e Aplicações

Para entender formação, vantagens e usos de capacitores eletrolíticos, revisemos: o que é capacitor? Em que parâmetros depende a capacitância?

O que é "CAPACITOR"?

"Capacitor é dispositivo eletrônico usado para armazenar cargas elétricas na forma de campo elétrico."

Componente passivo. "Passivo = dispositivos incapazes de controlar corrente por outro sinal elétrico" (resistores, transformadores, indutores, diodos, capacitores).

Dois tipos: polar e não-polar. Capacitor eletrolítico é polar (tem polaridade). Discutiremos capacitor polar — alumínio eletrolítico.

Duas placas metálicas (ânodo e cátodo) armazenam cargas quando polaridade correta é aplicada. Em capacitor de placas paralelas, tensão aplicada cria campo elétrico alto → capacitância diminui (inversamente proporcional ao campo). Capacitância = capacidade de armazenar carga em 1V diferença de potencial. Para aumentar capacitância, insere-se dielétrico entre placas — material isolante elétrico.

Dielétrico reduz campo elétrico → tensão diminui → capacitância aumenta. Capacitância depende de 3 parâmetros: área das placas, distância entre elas, permissividade do dielétrico.

CAPACITORES ELETROLÍTICOS:

Usados em fontes de alimentação, placas-mãe de TV/computadores, circuitos inertes, placas de microcontrolador, amplificadores de áudio, acoplamento/desacoplamento. Fornecem capacitância muito alta pelo uso de dielétrico entre placas.

COMO SÃO FORMADOS BASICAMENTE OS CAPACITORES ELETROLÍTICOS?

Dois placas metálicas (ânodo e cátodo). Dielétrico formado no ânodo por oxidação anódica — camada isolante de óxido (dielétrico) no ânodo. Oxidação anódica = processo eletroquímico para tornar metal durável e resistente à corrosão. Eletrolito (líquido ionizado) serve como cátodo. Espessura da camada de óxido depende da tensão máxima de operação para proteger dielétrico de ruptura.

Três tipos por metal das placas:

1. CAPACITOR ELETROLÍTICO DE ALUMÍNIO
2. CAPACITOR ELETROLÍTICO DE TÂNTALO
3. CAPACITOR ELETROLÍTICO DE NÍOBIO

Focaremos no de alumínio.

CAPACITOR ELETROLÍTICO DE ALUMÍNIO:

Posição principal entre capacitores. Usado em vasta gama de aplicações. Vantagens: capacitância muito alta, alta confiabilidade, melhor desempenho.

PRINCÍPIOS DE CONSTRUÇÃO:

Duas folhas de alumínio (ânodo e cátodo), separadas por dielétrico. No cátodo: solução eletrolítica e papel espaçador.

FOLHA DE ÂNODO:

Alumínio alta pureza (99.99%). Espessura ~20-100µm.

• GRAVAÇÃO (ETCHING/ROUGHENING):

Capacitância depende da área superficial. Gravação aumenta área efetiva.

Dois processos básicos:

1. Folha em solução de ácido clorídrico (gravação física).
2. Folha como ânodo por eletrólise em solução aquosa de HCl (eletroquímico). Eletrolise = folha em líquido com íons submetida a corrente (DC ou AC).

Método depende da performance desejada. Após gravação, íons cloro na superfície podem destruir alumínio lentamente. Para proteger, folha é enxaguada em água. Imagem mostra área superficial para folhas de baixa/alta tensão após gravação.

• FORMAÇÃO (OXIDAÇÃO ANÓDICA):

Formação do dielétrico. Camada de óxido na folha gravada = dielétrico. Folha imersa em solução eletrolítica (fosfato amônio ou ácido bórico amônio) submetida a tensão DC. Forma-se camada Al2O3 (dielétrico). Espessura proporcional à tensão aplicada (~1.4nm/V).

FOLHA DE CÁTODODE:

Alumínio baixa pureza (9.8%). Fornece contato elétrico entre eletrolito e terminal externo. Também gravada, mas não oxidada como ânodo. Camada natural de óxido (reação com ar) suporta ~1-2V.

ELETROLITO: Líquido condutivo ionizado entre ânodo e cátodo = cátodo do capacitor.

Requisitos: condutivo; quimicamente estável em contato com folhas; baixa volatilidade em alta temperatura.

PAPEL ESPAÇADOR:

Protege ânodo e cátodo de curto-circuito (contato direto). Papel de alta pureza absorvente entre eles. Espessura depende da tensão nominal. Para 100V: 35-75µm. Feito espesso para tolerar tensão nominal. Razão de explosão acima da tensão nominal: papel não tolera tensão excessiva → ruptura → curto ânodo-cátodo → capacitor explode.

FABRICAÇÃO:

Rolo mestre de alumínio → gravação → formação (camada dielétrica). Ânodo e cátodo cortados do rolo em largura/comprimento especificados. Terminais soldados, papel espaçador + folhas enroladas. Elemento enrolado imerso em banho eletrolítico (impregnação) sob baixa pressão.

Eletrolito: polialcoois (glicol etileno = solvente) + sais amônio (solutos) para restaurar camada de óxido danificada e melhorar performance/vida. Elemento impregnado montado com vedação de borracha, colocado em caixa de alumínio, vedado com borracha.

Capacitor vedado coberto com manga PVC (informações do capacitor). Durante corte/soldagem, camada de óxido pode ser danificada — processo de ENVELHECIMENTO (AGING): tensão DC em alta temperatura para restaurar camada de óxido. Estabiliza corrente de fuga. Finalmente, testado para critérios exigidos.

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