Talvez o tema de maior destaque em nossa seção de dúvidas e também sobre o qual somos consultados em conversas com nossos seguidores é o que envolve o uso de capacitores eletrolíticos. Para muitos, pode parecer um simples capacitor, mas pelas suas características ele não tem um comportamento tão simples assim. Nesse artigo abordamos o comportamento desses capacitores de uma forma um pouco mais profunda, tirando assim dúvidas que podem ser de muitos.
Um capacitor é um simples capacitor, mas um capacitor eletrolítico é mais que isso. Envolvendo reações químicas e uma substância volátil em seu interior, esse componente apresenta um comportamento que vai além do comum e que exige extremos cuidados e conhecimentos pelos que o utilizam.
Baseados numa ampla literatura técnica que colhemos na internet. Focalizamos alguns pontos de extrema importância para quem usa esse tipo de componente quer seja no projeto, na manutenção ou simplesmente porque deseja aproveitar um deles de sua caixa de sucatas.
Os tipos
Se bem que o princípio de funcionamento dos eletrolíticos seja o mesmo, uma cama de um óxido de metal como o alumínio, o tântalo ou o nióbio, o que os leva a comportamentos algo semelhantes, para nossa análise vamos nos concentrar no tipo mais comum que é o capacitor eletrolítico de alumínio.
Na figura 1 temos o modelo físico e o circuito equivalente a um capacitor eletrolítico plano.
Observe as resistências e capacitâncias associadas. Mas, um ponto interessante que já nos leva a suspeitar de algo diferente nesse componente é que existe um diodo equivalente e um diodo é um componente polarizado. Na prática, o capacitor eletrolítico não é plano, ele tem uma estrutura tubular que lhe agrega uma indutância. Temos então a estrutura básica desse componente na forma tubular mostrada na figura 2.
Os tipos SMD e de terminais paralelo.
Não nos preocuparemos com o modo como são fabricados, mas sim com suas características que levam ao comportamento que apresentam.
Assim, conforme sabemos, a capacitância desse componente se deve a finíssima camada de óxido de alumínio que se forma numa folha de alumínio. Essa capa de Al2O3 funciuna como um dielétrico e também dota o componente de propriedades retificadores. Assim, sua curva característica é a de um diodo, conforme mostra a figura 4.
Isso mostra o motivo pelo qual esses componentes não devem ser invertidos e o motivo de não poderem trabalhar diretamente com correntes alternadas.
Características
O capacitor eletrolítico é fabricado para funcionar como um capacitor e, portanto, deve apresentar uma capacitância dentro de determinadas condições de funcionamento e poder trabalhar com determinadas tensões e tipos de sinais.
Uma primeira característica desse componente, que talvez muitos não saibam, é que a capacitância de um capacitor eletrolítico varia sensivelmente com a temperatura. Fato curioso é que, enquanto em muitos componentes as características deterioram, no eletrolítico podemos dizer que funciona ao contrário com a temperatura. Quando a temperatura aumenta, também aumenta sua capacitância, conforme mostra a figura 5.
Uma outra característica que é pouco conhecida é a referente à variação da corrente de fuga com o tempo.
Quando aplicamos uma tensão contínua num capacitor eletrolítico de modo a carregá-lo, circula uma pequena corrente de fuga através do dielétrico. Essa corrente de fuga não é constante. Inicialmente mais elevada, ela diminui com o tempo, podendo-se dizer que estabiliza depois de alguns minutos de funcionamento. Observe que essa não é a corrente de carga do capacitor. Ela é medida, imediatamente após terminar a carga do capacitor. Na figura 6 mostramos essa curva.
Não é preciso dizer que a corrente de fuga também varia com a temperatura, aumentando com ela.
Um outro comportamento do capacitor eletrolítico que precisa ser levado em conta por quem o usa é o modo como ele reage a um sinal. Conforme vemos pela figura 6, o circuito equivalente a esse componente é um RLC-série, conforme mostra a figura 7. Assim, encontramos na sua característica um ponto em que sua impedância é menor.
Confiabilidade e durabilidade
Pelas suas características de componente com operação baseada em química, o capacitor eletrolítico talvez seja o que esteja sujeito a maior taxa de falhas e por isso existe a necessidade de se tomar cuidados especiais com ele.
Assim, uma curva interessante que deve ser observada por quem usa esse tipo de componente em projetos é a “curva da banheira”, mostrada na figura 8.
(a) Conforme podemos ver, logo após a fabricação e começo do uso, os capacitores passam por um período em que a quantidade de falhas maior, normalmente devido a falhas no processo de fabricação, incompatibilidade de operação. A maioria dos fabricantes elimina os problemas desta fase, submetendo-os a um teste por um certo período antes de despachá-los.
(b) Esta é a fase normal de operação em que os capacitores apresentam a menor taxa de falhas e que normalmente é especificada nas folhas de dados como determinante de sua durabilidade (vida útil)
(c) No final da sua vida útil temos então um aumento da taxa de falhas, indicando que o componente já não atende mais às suas funções.
As falhas têm diversas naturezas, tais como, entrada em curto, abertura, perda de capacitância, aumento da corrente de fuga, escape de eletrólito.
Diversos são os fatores que vão influir na vida útil de um capacitor eletrolítico.
Efeito da tensão sobre a durabilidade
Um primeiro efeito que deve ser analisado é de que modo a tensão aplicada a um capacitor eletrolítico influi na sua vida útil.
Segundo os estudos, se utilizarmos um capacitor eletrolítico num circuito com menor tensão do que a especificada, ele não durará mais por isso. Segundo esses estudos, as variações na taxa de falhas são muito pequenas para serem consideradas.
Efeito da carga e descarga na vida útil
Quando um capacitor eletrolítico se descarrega e se carrega ocorrem processos químicos no eletrólito que podem ter influência na sua vida útil. Um dos efeitos é a corrente criada no processo que pode gerar calor reduzindo tanto a capacitância como a vida útil.
Corrente de pico
Numa fonte de alimentação, ou num circuito de comutação, por exemplo, a corrente inicial quando a tensão é aplicada e o capacitor se encontra completamente carregado pode ser muito intensa. Se essa corrente durar muito pouco, o calor gerado neste processo não afetará o componente, mas se for um processo repetitivo, isso pode afetar a durabilidade do capacitor.
Sobretensão
A aplicação de uma tensão maior do que a especificada pode fazer com que ocorram reações no sentido de se formar mais dielétrico no anodo com o aumento da corrente de fuga.
Se essa reação aumentar com a ação da tensão, a temperatura se eleva com a formação de gases. Com esses gases a pressão pode aumentar a ponto de destruir o componente.
Influência do meio ambiente
A presença de íons no meio ambiente pode afetar os capacitores eletrolíticos. Esses componentes são especialmente sensíveis aos íons de cloro e de bromo. É claro que entra em jogo a capacidade dos selantes.
A penetração desses contaminantes afeta as propriedades elétricas dos capacitores, podendo levá-los a falhas.
Uma precaução deve ser levada em conta na limpeza que deve atingir apenas a placa de circuito impresso e não os componentes. Existem diversas substâncias que não devem ser usadas na limpeza de placas em que existam esses componentes. Os datasheets dos fabricantes devem ser consultados.
Armazenamento
Este é talvez o problema principal que se tem com os capacitores eletrolíticos, tanto quando estão isolados como quando já fazem parte de um equipamento. O maior número de consultas que recebemos estão justamente relacionadas com este tema.
Pelo fato de usar um eletrólito que está diretamente envolvido no seu funcionamento, os capacitores eletrolíticos dependem da temperatura e do tempo, pois esses eletrólitos perdem suas propriedades químicas.
No armazenamento, os capacitores eletrolíticos podem deteriorar por dois motivos: evaporação do eletrólito ou dissolução do dielétrico.
Segundo os fabricantes, um capacitor guardado por um longo período que os faz perder suas propriedades pode ser submetido a um processo de tratamento por tensão (ART169 – Restaurador de eletrolíticos).
Uma técnica comum de restauração consiste em ligar um resistor de 470 ohms a 1 a 100 k em série com capacitor e aplicar a tensão nominal por períodos de 30 a 4 horas. A cada período, mede-se o capacitor, com atenção para suas fugas. O procedimento varia conforme o fabricante.
Os fabricantes de capacitores atuais conseguem obter componentes com excelente durabilidade, mas sempre devemos considerar a recuperação ou armazenamento de equipamentos antigos. Fabricantes atuais chegam a garantir vida útil de mais de 15 anos para seus componentes.
Na figura 9 temos uma curva de degradação para um capacitor eletrolítico depois de 1 ano de armazenamento em duas temperaturas.
No armazenamento, é comum que tenhamos um aumento da corrente de fuga que depende do valor da tensão do componente. Maior a tensão do capacitor, maior será o aumento da corrente de fuga com o tempo de armazenamento.
Um fabricante importante de capacitores eletrolíticos recomenda que uma vez armazenados (sem uso):
- Testar depois de 3 anos antes de se verificar se podem ser restaurados para se conseguir a corrente de fuga especificada.
- Depois de 4 anos, possivelmente será preciso passar por um processo de restauração.
- Depois de 5 anos, certamente será preciso passar por um processo de restauração.
- Depois de 10 anos já estará no fim da vida útil, não devendo ser usado
Para equipamentos que devam ser armazenados por um longo período, existem alguns procedimentos que são bastante controvertidos, pois variam conforme a fonte.
Assim, recomenda-se que periodicamente os equipamentos sejam colocados em funcionamento para que os capacitores eletrolíticos, ao receber alimentação, passem automaticamente pelo processo de restauração.
Para alguns, os equipamentos devem ser religados em intervalos que podem variar entre 3 meses e 1 anos. No entanto, analisando as curvas de deterioração dos eletrolíticos vemos que o tempo ideal não deve passar de 1 anos. E, o equipamento deve permanecer ligado por tempos de pelo menos 4 horas, por 1 a 3 ciclos.
Lembre-se: armazenar em lugar fresco e seco. Use sílica-gel se necessário e evite a presença de contaminantes como substâncias de limpeza armazenadas no mesmo lugar. As quais podem liberar íons de cloro e bromo.
Eventualmente, se algum capacitor apresentar problemas nesse processo e ele puder ser identificado, pode ser retirado do circuito e levado a um processo de restauração independente.
Documentação consultada das empresas:
TDK, Panasonic, DfR, Nippon Chemi-Com. Cornell Dublier
