Diferenças entre capacitores eletrolíticos e capacitores de filme

Os capacitoRes são coeuponentes cRuciais eeu diveRsos ciRcuitos eletRônicos e elétRicos, deseeupenheo ueu papel fundaeuental no aReuazenamento de eneRgia, estabilização de tensão e filtragem. Entre os diferentes tipos de capacitores, capacitores eletrolíticos and capacitores de filme são amplamente utilizados, mas diferem significativamente em termos de construção, desempenho e aplicações. Neste blog, não apenas exploraremos as principais diferenças, mas também mergulharemos em alguns cálculos técnicos para entender melhor seu comportamento nos circuitos.

1. Materiais de Construção e Dielétricos

• Capacitores Eletrolíticos:
  Os capacitores eletrolíticos são construídos usando duas placas condutoras (geralmente alumínio ou tântalo), com uma camada de óxido servindo como dielétrico. UM segunda placa é normalmente um eletrólito líquido ou sólido. UM camada de óxido fornece alta capacitância por unidade de volume devido à sua estrutura extremamente fina. Esses capacitores são polarizados, exigindo polaridade correta no circuito.

• Capacitores de filme:
  Os capacitores de filme utilizam filmes plásticos finos (como polipropileno, poliéster ou policarbonato) como material dielétrico. Esses filmes são enrolados ou empilhados entre duas camadas metalizadas, que funcionam como placas. Os capacitores de filme são apolares, tornando-os utilizáveis ​​em circuitos CUM e CC.

2. Cálculo de capacitância

UM capacitância ( $C$ ) de um capacitor de placas paralelas, que se aplica tanto a capacitores eletrolíticos quanto a capacitores de filme, é dado pela fórmula:

$$C = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r A}{d}$$

Onde:

• $C$ = capacitância (farads, F)

• $\varepsilon_0$ = permissividade do espaço livre ( $8.854 \times 10^{-12}$ F/m)

• $\varepsilon_r$ = permissividade relativa do material dielétrico

• $A$ = área das placas (m²)

• $d$ = distância entre as placas (m)

Exemplo de cálculo : Para um capacitor eletrolítico usando um dielétrico de óxido ( $\varepsilon_r = 8,5$ ), com área de placa de $10^{-4} \, \text{m}^2$ e uma separação de $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 8.5 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 7.53 \times 10^{-9} \, \text{F} = 7.53 \, \text{nF}$$

Para um capacitor de filme usando polipropileno ( $\varepsilon_r = 2,2$ ), a mesma área da placa e uma espessura dielétrica de $10^{-6} \, \text{m}$ :

$$C = \frac{8.854 \times 10^{-12} \times 2.2 \times 10^{-4}}{10^{-6}} = 1.95 \times 10^{-9} \, \text{F} = 1.95 \, \text{nF}$$

Como mostra o cálculo, os capacitores eletrolíticos fornecem capacitância significativamente maior para a mesma área de placa e espessura dielétrica devido à maior permissividade relativa do material de óxido.

3. Resistência em série equivalente (VHS)

• Capacitores Eletrolíticos :

  Capacitores eletrolíticos tendem a ter maior Resistência em Série Equivalente (VHS) em comparação com capacitores de filme. A ESR pode ser calculada como:

$$ESR = \frac{1}{2 \pi f C P}$$

Onde :

• $f$ = frequência de operação (hertz)

• $C$ = capacitância (F)

• $P$ = fator de qualidade

Os capacitores eletrolíticos geralmente têm valores ESR na faixa de 0,1 a vários ohms devido à sua resistência interna e às perdas de eletrólitos. Esta ESR mais elevada torna-os menos eficientes em aplicações de alta frequência, levando a uma maior dissipação de calor.

• Capacitores de filme :

  Os capacitores de filme normalmente têm ESR muito baixo, geralmente na faixa de miliohm, o que os torna altamente eficientes para aplicações de alta frequência, como filtragem e comutação de fontes de alimentação. A ESR mais baixa resulta em perda mínima de energia e geração de calor.

Exemplo de ESR :
Para um capacitor eletrolítico com $C = 100 \, \mu F$ , operando com uma frequência de $f = 50 \, \text{Hz}$ e um fator de qualidade $P = 20$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 20} = 0.159 \, \Omega$$

Para um capacitor de filme com a mesma capacitância e frequência de operação, mas com um fator de qualidade mais alto $Q = 200$ :

$$ESR = \frac{1}{2 \pi \times 50 \times 100 \times 10^{-6} \times 200} = 0.0159 \, \Omega$$

EUsso mostra que os capacitores de filme têm ESR muito mais baixo, tornando-os mais adequados para aplicações de alto desempenho e alta frequência.

4. Corrente de ondulação e estabilidade térmica

• Capacitores Eletrolíticos :
  Os capacitores eletrolíticos são conhecidos por terem capacidades limitadas de manipulação de corrente de ondulação. A corrente de ondulação gera calor devido à ESR, e a ondulação excessiva pode fazer com que o eletrólito evapore, levando à falha do capacitor. A corrente nominal de ondulação é um parâmetro importante, especialmente em fontes de alimentação e circuitos de acionamento de motores.

  A corrente de ondulação pode ser estimada usando a fórmula:

$$P_{\text{perda}} = EU_{\text{ondulação}}^2 \times ESR$$

Onde:

• $P_{\text{perda}}$ = perda de potência (watts)

• $I_{\text{ripple}}$ = corrente de ondulação (amperes)

Se a corrente de ondulação em um capacitor eletrolítico de 100 µF com ESR de 0,1 ohms for 1 A:

$$P_{\text{loss}} = 1^2 \times 0.1 = 0.1 \, \text{W}$$

• Capacitores de filme:

  Os capacitores de filme, com seu baixo ESR, podem lidar com correntes de ondulação mais altas com geração mínima de calor. Isso os torna ideais para aplicações CA, como circuitos amortecedores e capacitores de funcionamento de motores, onde ocorrem grandes flutuações de corrente.

5. Classificação e divisão de tensão

• Capacitores Eletrolíticos:
  Os capacitores eletrolíticos geralmente têm classificações de tensão mais baixas, normalmente variando de 6,3 V a 450 V. A sobretensão pode levar à ruptura dielétrica e eventual falha. Sua construção os torna mais propensos a curtos-circuitos se a camada de óxido for danificada.

• Capacitores de filme:
  Capacitores de filme, especialmente aqueles com dielétrico de polipropileno, podem suportar tensões muito mais altas, muitas vezes superiores a 1.000V. Isso os torna adequados para aplicações de alta tensão, como circuitos de barramento CC, onde a estabilidade da tensão é crítica.

6. Expectativa de vida e confiabilidade

• Capacitores Eletrolíticos:
  A expectativa de vida de um capacitor eletrolítico é afetada pela temperatura, corrente de ondulação e tensão operacional. A regra geral é que para cada aumento de 10°C na temperatura, a expectativa de vida cai pela metade. Eles também estão sujeitos a envelhecimento do capacitor , à medida que o eletrólito seca com o tempo.

• Capacitores de filme:
  Os capacitores de filme são altamente confiáveis, com longa vida operacional, muitas vezes excedendo 100.000 horas em condições nominais. Eles são resistentes ao envelhecimento e a fatores ambientais, o que os torna ideais para aplicações de longo prazo e de alta confiabilidade.

7. Aplicações

• Capacitores Eletrolíticos:

  • Filtragem da fonte de alimentação

  • Circuitos de áudio (suavização de sinal)

  • Circuitos de partida do motor

  • Armazenamento de energia em circuitos de baixa tensão

• Capacitores de filme:

  • Circuitos CA/CC de alta tensão

  • Circuitos amortecedores para proteção contra surtos

  • Capacitores de funcionamento do motor

  • Supressão EMI/RFI

Então, Qual capacitor escolher?

A escolha entre capacitores eletrolíticos e de filme depende das necessidades específicas da aplicação. Os capacitores eletrolíticos oferecem alta capacitância em um tamanho compacto e são econômicos para aplicações de baixa tensão. No entanto, a sua ESR mais elevada, a esperança de vida mais curta e a sensibilidade à temperatura tornam-nos menos ideais para aplicações de alta frequência e alta fiabilidade.

Os capacitores de filme, com sua confiabilidade superior, baixa ESR e manuseio de alta tensão, são preferidos em aplicações que exigem alto desempenho e durabilidade, como circuitos de motores CA, inversores de potência e controles industriais.

Ao compreender as principais diferenças e realizar os cálculos técnicos necessários, você pode tomar decisões mais informadas para o projeto do seu circuito.