miniaturadaimagem|Estilos mais comuns de capacitores eletrolíticos de alumínio e tântalo miniaturadaimagem|Uma variedade de capacitores eletrolíticos Um capacitor eletrolítico (e-cap) é um capacitor polarizado cujo anodo ou placa positiva é feito de um metal que forma uma camada de óxido isolante por meio de anodização. Esta camada de óxido atua como o dielétrico do capacitor. Um eletrólito sólido, líquido ou em gel cobre a superfície dessa camada de óxido, servindo como placa (cátodo) ou negativa do capacitor. Devido à sua camada de óxido dielétrico muito fina e superfície de ânodo aumentada, os capacitores eletrolíticos têm um produto de capacitância-voltagem (CV) muito maior por unidade de volume comparado aos capacitores cerâmicos ou capacitores de filme, e assim podem ter grandes valores de capacitância. Existem três famílias de capacitores eletrolíticos: capacitores eletrolíticos de alumínio, capacitores eletrolíticos de tântalo e capacitores eletrolíticos de nióbio.
A grande capacitância dos capacitores eletrolíticos os torna particularmente adequados para passar ou ignorar sinais de baixa frequência e para armazenar grandes quantidades de energia. Eles são amplamente usados para desacoplamento ou filtragem de ruído em fontes de alimentação e circuitos de link CC para inversores de frequência variável, para acoplamento de sinais entre os estágios do amplificador e armazenamento de energia como em uma lâmpada de flash.
Os capacitores eletrolíticos são componentes polarizados devido à sua construção assimétrica e devem ser operados com uma voltagem mais alta (isto é, mais positiva) no ânodo do que no cátodo em todos os momentos. Por esta razão, o terminal do ânodo é marcado com um sinal de mais e o cátodo com um sinal de menos. A aplicação de uma tensão de polaridade reversa, ou uma tensão que exceda a tensão de trabalho nominal máxima de apenas 1 ou 1,5 volts, pode destruir o dielétrico e, portanto, o capacitor. A falha dos capacitores eletrolíticos pode ser perigosa, resultando em explosão ou incêndio. Capacitores eletrolíticos bipolares (ou não polarizados) que podem ser operados com qualquer polaridade são construções especiais com dois ânodos conectados em série.
thumb|right|200px|Capacitores Eletrolíticos Comuns
O capacitor eletrolítico internamente é composto por duas folhas de alumínio, separadas por uma camada de óxido de alumínio, enroladas e embebidas em um eletrólito líquido (composto predominantemente de ácido bórico ou borato de sódio). Por ser composto por folhas enroladas, tem a forma cilíndrica (lembrando que o cilindro não é perfeito,visto que possui uma área de Secção menor na parte de baixo em relação à de cima). Suas dimensões variam de acordo com a capacitância e limite de tensão que suporta.
É um tipo de capacitor que possui polaridade, ou seja, não funciona corretamente se for invertido. Se a polaridade for invertida dá-se início à destruição da camada de óxido, fazendo o capacitor entrar em curto-circuito. Nos capacitores eletrolíticos, uma inversão de polaridade é extremamente perigoso, visto que a reação interna gera vapores que acabam por destruir o capacitor através de uma explosão ou rompimento da carcaça. Os capacitores mais modernos podem inchar e, por isso, raramente explodem (podendo acontecer somente se a tensão inversa aplicada for elevadíssima).
ESR - Equivalent Serie Resistence para o capacitor eletrolítico Esse parâmetro é fundamental para o reparo das fontes chaveadas. O testador de ESR é um equipamento que trabalha com uma frequência na ordem de 100 kHz e nessa frequência o capacitor eletrolítico danificado, que muitas vezes está com a capacitância boa nas baixas frequências, pode ser detectado com mais segurança, sendo muito útil para testar os capacitores de fontes chaveadas.
Capacitores eletrolíticos são mais viáveis na utilização de circuitos fechados.
Informações Gerais
Árvore genealógica dos capacitores eletrolíticos Quanto aos princípios básicos de construção de capacitores eletrolíticos, existem três tipos diferentes: capacitores de alumínio, tântalo e nióbio. Cada uma destas três famílias de capacitores usa dióxido de manganês não sólido e sólido ou eletrólitos de polímero sólido, de modo que uma grande dispersão de diferentes combinações de material anódico e eletrólitos sólidos ou não sólidos está disponível. centro|miniaturadaimagem|400x400px| Dependendo da natureza do metal do ânodo usado e o eletrólito utilizado, há uma grande variedade de capacitores eletrolíticos
Princípio de carga Como outros capacitores convencionais, os capacitores eletrolíticos armazenam a energia elétrica estaticamente por separação de carga em um campo elétrico na camada de óxido dielétrico entre dois eletrodos. O eletrólito não sólido ou sólido, em princípio, é o cátodo, que forma assim o segundo eletrodo do capacitor. Este e o princípio de armazenamento os diferenciam dos capacitores eletroquímicos ou supercapacitores, nos quais o eletrólito geralmente é a conexão condutiva iônica entre dois eletrodos e o armazenamento ocorre com capacitância de camada dupla estaticamente e pseudocapacitância eletroquímica.
Materiais básicos e princípio direita|miniaturadaimagem|Princípio básico da oxidação anódica (formação), em que, aplicando uma voltagem com uma fonte de corrente, uma camada de óxido é formada sobre um ânodo metálico Os capacitores eletrolíticos usam uma característica química de alguns metais especiais, anteriormente chamados de “metais de válvula”, que em contato com um eletrólito particular formam uma camada de óxido isolante muito fina em sua superfície por oxidação anódica que pode funcionar como um dielétrico. Existem três diferentes metais anódicos em uso para capacitores eletrolíticos:
Os capacitores eletrolíticos de alumínio usam uma folha de alumínio gravada de alta pureza com óxido de alumínio como dielétrico Os capacitores eletrolíticos de tântalo usam um pellet sinterizado ("slug") de pó de tântalo de alta pureza com pentóxido de tântalo como dielétrico Os capacitores eletrolíticos de nióbio usam uma "pastilha" sinterizada de nióbio de alta pureza ou óxido de nióbio em pó com pentóxido de nióbio como dielétrico.
Para aumentar a sua capacitância por unidade de volume, todos os materiais anódicos são gravados ou sinterizados e têm uma estrutura de superfície rugosa com uma área superficial muito maior em comparação com uma superfície lisa da mesma área ou com o mesmo volume. Ao aplicar uma voltagem positiva ao material anódico acima mencionado num banho eletrolítico, será formada uma camada de barreira de óxido com uma espessura correspondente à voltagem aplicada (formação). Esta camada de óxido atua como dielétrico em um capacitor eletrolítico. As propriedades dessas camadas de óxidos são dadas na tabela a seguir:+Características das diferentes camadas de óxidos em capacitores eletrolíticos de alumínio, tântalo e nióbioJ.L. Stevens, A.C. Geiculescu, T.F. Strange, Dielectric Aluminum Oxides: Nano-Structural Features and Composites PDF T. Kárník, AVX, NIOBIUM OXIDE FOR CAPACITOR MANUFACTURING , METAL 2008, 13. –15. 5. 2008, PDFMaterial-Ânodico Dielétrico Estrutura de ÓxidoPermissividade Relativa Tensão de Desagregação(V/µm) Espessura da camada Elétrica(nm/V)AlumínioÓxido de alumínio, Al2O3 amorfo 9,6 7101,4 cristalina11,6...14,2Jeng-Kuei Chang, Chia-Mei Lin, Chi-Min Liao, Chih-Hsiung Chen, Wen-Ta Tsai, Journal of The Electrochemical Society, 2004. Effect of Heat-Treatment on Characteristics of Anodized Aluminum Oxide Formed in Ammonium Adipate Solution DOI: 10.1149/1.1646140800 1000...Th. F. Strange, T. R. Marshall, Very high volt oxide formation of aluminum for electrolytic capacitors, US Patent 6299752 B1, 9. Okt. 2001, 1,25...1,0Tântalo Pentóxido de tântalo Ta2O5 amorfo 27 625 1,6Nióbio ouÓxido de nióbio O pentóxido de nióbio (Nb2O5 amorfo41 400 2,5Depois de formar um óxido dielétrico na estrutura do anodo áspero, um contra-eletrodo deve combinar com a superfície áspera do óxido isolante. Isso é realizado pelo eletrólito, que atua como o eletrodo catódico de um capacitor eletrolítico. Existem muitos eletrólitos diferentes em uso. Geralmente são distinguidos em duas espécies, eletrólitos “não sólidos” e “sólidos”. Como um meio líquido que tem condutividade iônica causada por íons móveis, eletrólitos não sólidos podem facilmente se encaixar nas estruturas rugosas. Os eletrólitos sólidos que têm condutividade eletrônica podem se encaixar nas estruturas ásperas com a ajuda de processos químicos especiais, como pirólise de dióxido de manganês ou de polimerização para conduzir polímeros.
Comparando as permissividades dos diferentes materiais de óxido observa-se que o pentóxido de tântalo tem uma permissividade aproximadamente três vezes maior que o óxido de alumínio. Os capacitores eletrolíticos de tântalo de um determinado valor CV teoricamente são, portanto, menores que os capacitores eletrolíticos de alumínio. Na prática, diferentes margens de segurança para alcançar componentes confiáveis dificultam a comparação.
A camada de óxido isolante anodicamente gerada é destruída se a polaridade da tensão aplicada mudar.
O Básico sobre o produto C/V direita|miniaturadaimagem|Um material dielétrico é colocado entre duas placas condutoras (eletrodos), cada uma com área A e com a separação d. Cada capacitor eletrolítico forma, em princípio, um "capacitor de placa" cuja capacitância se torna maior com a área de eletrodo, maior permissividade ε, e espessura do dielétrico (d).
A espessura dielétrica dos capacitores eletrolíticos é muito pequena, na faixa de nanômetros por volt. Por outro lado, as forças de tensão dessas camadas de óxido são bastante altas. Com essa camada de óxido dielétrico muito fina combinada com uma rigidez dielétrica suficiente, os capacitores eletrolíticos já podem alcançar uma alta capacitância volumétrica. Esta é uma razão para os altos valores de capacitância dos capacitores eletrolíticos em comparação com os capacitores convencionais.
Todos os ânodos gravados ou sinterizados têm uma área superficial muito maior em comparação com uma superfície lisa da mesma área ou com o mesmo volume. Isso aumenta o valor de capacitância posterior, dependendo da tensão nominal, por um fator de até 200 para capacitores eletrolíticos de alumínio não sólido, bem como para capacitores eletrolíticos sólidos de tântalo.A. Albertsen, Jianghai Europe, Keep your distance – Voltage Proof of Electrolytic Capacitors, PDFI.Horacek, T.Zednicek, S.Zednicek, T.Karnik, J.Petrzilek, P.Jacisko, P.Gregorova, AVX, High CV Tantalum Capacitors - Challenges and Limitations A grande superfície comparada a uma suave é a segunda razão para os valores relativamente altos de capacitância de capacitores eletrolíticos em comparação com outras famílias de capacitor.
Todos os capacitores eletrolíticos têm uma vantagem especial. Como a tensão de conformação define a espessura da camada de óxido, a prova de tensão do último capacitor eletrolítico pode ser produzida de maneira muito simples para o valor nominal desejado. Portanto, o volume de um capacitor é definido pelo produto de capacitância e tensão, o chamado "produto CV".
Construção básica de capacitores eletrolíticos de alumínio não sólido
Construção básica de capacitores eletrolíticos de tântalo
Tipos e características de capacitores eletrolíticos
Comparação de tipos de capacitores eletrolíticos Combinações de materiais anódicos para capacitores eletrolíticos e eletrólitos usados deram origem a grandes variedades de tipos de capacitores com diferentes propriedades. Um esboço das principais características dos diferentes tipos é mostrado na tabela abaixo.(AxBT