Capacitor de polímero - Polymer capacitor

Um capacitor de polímero , ou mais precisamente um capacitor eletrolítico de polímero , é um capacitor eletrolítico (e-cap) com um eletrólito de polímero condutor sólido . Existem quatro tipos diferentes:

• Capacitor eletrolítico de tântalo de polímero (Polímero Ta-e-cap)
• Capacitor eletrolítico de polímero de alumínio (Polímero Al-e-cap)
• Capacitor de polímero híbrido (polímero híbrido Al-e-cap)
• Capacitores eletrolíticos de nióbio de polímero

As tampas Ta-e de polímero estão disponíveis em estilo de chip de dispositivo retangular montado na superfície ( SMD ). As cápsulas de polímero Al-e e as cápsulas híbridas de polímero Al-e estão disponíveis no estilo de chip de dispositivo retangular montado na superfície (SMD), no estilo SMD cilíndrico (V-chips) ou em versões com chumbo radial (extremidade única).

Capacitores eletrolíticos de polímero são caracterizados por resistências de série equivalente interna (ESR) particularmente baixas e altas classificações de corrente de ondulação. Seus parâmetros elétricos têm dependência de temperatura, confiabilidade e vida útil semelhantes aos dos capacitores sólidos de tântalo, mas têm uma dependência muito melhor da temperatura e uma vida útil consideravelmente mais longa do que os capacitores eletrolíticos de alumínio com eletrólitos não sólidos. Em geral, os e-caps de polímero têm uma classificação de corrente de fuga mais alta do que os outros capacitores eletrolíticos sólidos ou não sólidos.

Capacitores eletrolíticos de polímero também estão disponíveis em uma construção híbrida. Os capacitores eletrolíticos de alumínio de polímero híbrido combinam um eletrólito de polímero sólido com um eletrólito líquido. Esses tipos são caracterizados por baixos valores de ESR, mas têm baixas correntes de fuga e são insensíveis a transientes; entretanto, eles têm uma vida útil dependente da temperatura semelhante a e-caps não sólidos.

Os capacitores eletrolíticos poliméricos são utilizados principalmente em fontes de alimentação de circuitos eletrônicos integrados como capacitores de buffer, bypass e desacoplamento, principalmente em dispositivos com design plano ou compacto. Portanto, eles competem com os capacitores MLCC , mas oferecem valores de capacitância mais altos do que o MLCC e não exibem nenhum efeito microfônico (como os capacitores de cerâmica de classe 2 e 3 ).

História

Capacitores eletrolíticos de alumínio (Al-e-caps) com eletrólitos líquidos foram inventados em 1896 por Charles Pollak .

Capacitores eletrolíticos de tântalo com eletrólitos de dióxido de manganês sólido (MnO ₂ ) foram inventados pelos Laboratórios Bell no início dos anos 1950, como um capacitor de suporte de baixa tensão miniaturizado e mais confiável para complementar o transistor recém-inventado , consulte Capacitor de tântalo . Os primeiros Ta-e-caps com eletrólitos MnO ₂ tinham condutividade 10 vezes melhor e uma carga de ondulação mais alta do que os tipos anteriores de Al-e-caps com eletrólito líquido. Além disso, ao contrário dos Al-e-caps padrão, a resistência em série equivalente (ESR) dos Ta-caps é estável em temperaturas variáveis.

Durante a década de 1970, a digitalização crescente de circuitos eletrônicos veio com tensões operacionais decrescentes e frequências de comutação crescentes e cargas de corrente ondulada. Isso teve consequências para as fontes de alimentação e seus capacitores eletrolíticos. Capacitores com menor ESR e menor indutância de série equivalente (ESL) para capacitores de desvio e desacoplamento usados ​​nas linhas de alimentação eram necessários. veja Papel de ESR, ESL e capacitância .

Um grande avanço veio em 1973, com a descoberta por A. Heeger e F. Wudl de um condutor orgânico, o sal de transferência de carga TCNQ. TCNQ ( 7,7,8,8-tetracianoquinodimetano ou Nn-butil isoquinolínio em combinação com TTF ( Tetratiafulvaleno )) é uma molécula de cadeia de estrutura unidimensional quase perfeita que tem uma condutividade 10 vezes melhor ao longo das cadeias do que o MnO ₂ , e tem uma condutividade 100 vezes melhor do que eletrólitos não sólidos.

O primeiro Al-e-caps a usar o sal de transferência de carga TTF-TCNQ como um eletrólito orgânico sólido foi a série OS-CON oferecida em 1983 pela Sanyo . Estes eram capacitores cilíndricos enrolados com condutividade eletrolítica 10x aumentada em comparação com MnO ₂

Esses capacitores foram usados ​​em dispositivos para aplicações que exigiam o ESR mais baixo possível ou a corrente de ondulação mais alta possível. Um OS-CON e-cap poderia substituir três e-caps "úmidos" mais volumosos ou dois Ta-caps. Em 1995, o Sanyo OS-CON se tornou o capacitor de desacoplamento preferido para computadores pessoais IBM baseados no processador Pentium. A linha de produtos Sanyo OS-CON e-cap foi vendida em 2010 para a Panasonic. A Panasonic então substituiu o sal TCNQ por um polímero condutor da mesma marca.

O próximo passo na redução de ESR foi o desenvolvimento de polímeros condutores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid e Hideki Shirakawa em 1975. A condutividade de polímeros condutores, como polipirrol (PPy) ou PEDOT é melhor do que TCNQ por um fator de 100 a 500, e perto da condutividade dos metais.

Em 1988, o primeiro eletrólito de polímero e-cap, "APYCAP" com eletrólito de polímero PPy, foi lançado pelo fabricante japonês Nitsuko. O produto não teve sucesso, em parte porque não estava disponível nas versões SMD.

Em 1991, a Panasonic lançou sua série de polímero Al-e-cap "SP-Cap". Esses e-caps usavam eletrólito de polímero PPy e alcançaram valores ESR que eram diretamente comparáveis ​​aos capacitores de cerâmica multicamadas (MLCCs). Eles ainda eram mais baratos do que os capacitores de tântalo e, com seu design plano, útil em dispositivos compactos, como laptops e telefones celulares, também competiam com os capacitores de chip de tântalo.

Capacitores eletrolíticos de tântalo com catodo de eletrólito de polímero PPy surgiram três anos depois. Em 1993, a NEC introduziu seu Ta-e-caps de polímero SMD denominado "NeoCap". Em 1997, a Sanyo lançou os chips de polímero de tântalo "POSCAP".

Um novo polímero condutor para capacitores de polímero de tântalo foi apresentado por Kemet na conferência "1999 Carts". Este capacitor utilizou o recém-desenvolvido polímero condutor orgânico PEDT ( Poli (3,4-etilenodioxitiofeno) ), também conhecido como PEDOT (nome comercial Baytron®).

Dois anos depois, na Conferência da APEC de 2001, a Kemet apresentou ao mercado as tampas eletrônicas de alumínio polimérico PEDOT. O polímero PEDOT tem uma estabilidade de temperatura mais elevada e, como solução PEDOT: PSS, este eletrólito pode ser inserido apenas por imersão em vez de polimerização in-situ como para PPy o que torna a produção mais rápida e barata. Sua série AO-Cap incluía capacitores SMD com ânodo empilhado no tamanho "D" com alturas de 1,0 a 4,0 mm, competindo com os SP-Caps da Panasonic usando PPy na época.

Por volta da virada do milênio, foram desenvolvidos capacitores de polímero híbrido, que têm, além do eletrólito de polímero sólido, um eletrólito líquido conectando as camadas de polímero que cobrem a camada dielétrica do ânodo e a folha do cátodo. O eletrólito não sólido fornece oxigênio para fins de autocura para reduzir a corrente de fuga. Em 2001, a NIC lançou um e-cap de polímero híbrido para substituir um tipo de polímero a um preço mais baixo e com menor corrente de fuga. Em 2016, os capacitores de polímero híbrido estão disponíveis em vários fabricantes.

Noções básicas de aplicativos

Papel de ESR, ESL e capacitância

A aplicação predominante de todos os capacitores eletrolíticos é em fontes de alimentação . Eles são usados ​​em capacitores de suavização de entrada e saída, como capacitores de desacoplamento para circular a corrente harmônica em um circuito curto, como capacitores de desvio para desviar o ruído CA para o solo, desviando das linhas de alimentação, como capacitores de backup para mitigar a queda na tensão da linha durante demanda repentina de energia ou como capacitor de filtro no filtro passa-baixa para reduzir ruídos de comutação. Nessas aplicações, além do tamanho, estão a capacitância, a impedância Z , a ESR, e a indutância ESL características elétricas importantes para a funcionalidade desses capacitores nos circuitos.

A mudança para equipamento eletrônico digital levou ao desenvolvimento de fontes de alimentação chaveadas com frequências mais altas e conversor DC / DC "on-board" , tensões de alimentação mais baixas e correntes de alimentação mais altas. Os capacitores para essas aplicações precisavam de valores ESR mais baixos, que naquela época com os Al-e-caps só podiam ser realizados com caixas maiores ou por substituição por Ta-caps sólidos muito mais caros.

A razão pela qual o ESR influencia a funcionalidade de um circuito integrado é simples. Se o circuito, por exemplo um microprocessador , tiver uma demanda repentina de energia, a tensão de alimentação cai por ESL, ESR e perda de carga de capacitância. Porque no caso de uma demanda repentina de corrente, a tensão da linha de alimentação cai:

Δ U = ESR × I .

Por exemplo:

Dada uma tensão de alimentação de 3 V, com uma tolerância de 10% (300 mV) e corrente de alimentação de no máximo 10 A, uma demanda repentina de energia cai a tensão em

ESR = U / I = (0,3 V) / (10 A) = 30 mΩ.

Isso significa que o ESR em uma fonte de alimentação da CPU deve ser inferior a 30 mΩ, caso contrário, o circuito não funcionará corretamente. Regras semelhantes são válidas para capacitância e ESL. A capacitância específica pode ser aumentada ao longo dos anos por folhas de ânodo gravadas mais altas, respectivamente, por grãos de pó de tântalo menores e mais finos por um fator de 10 a 15 e pode seguir a tendência de miniaturização. O desafio do ESL levou às versões de alumínio empilhado de e-caps de polímero. No entanto, para diminuir o ESR apenas o desenvolvimento de novos materiais condutores sólidos, primeiro TCNQ, depois os polímeros condutores, que levaram ao desenvolvimento dos capacitores eletrolíticos de polímero com seus valores ESR muito baixos, o desafio ESR da digitalização de circuitos eletrônicos poderia ser aceito.

Capacitores eletrolíticos - básico

Oxidação anódica

Os capacitores eletrolíticos usam uma característica química de alguns metais especiais, anteriormente chamados de "metais valvares", que por oxidação anódica formam uma camada de óxido isolante. Ao aplicar uma voltagem positiva ao material do ânodo (+) em um banho eletrolítico, pode ser formada uma camada de barreira de óxido com uma espessura correspondente à voltagem aplicada. Esta camada de óxido atua como o dielétrico em um e-cap. Para aumentar a capacitância dos capacitores, a superfície do ânodo é áspera e, portanto, a superfície da camada de óxido também é áspera. Para completar um capacitor, um contra-eletrodo deve corresponder à superfície áspera de óxido isolante. Isso é realizado pelo eletrólito, que atua como o eletrodo catódico (-) de um capacitor eletrolítico. A principal diferença entre os capacitores de polímero é o material do ânodo e seu óxido usado como dielétrico:

• Capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero usam pó de tântalo sinterizado de alta pureza como um ânodo com pentóxido de tântalo (Ta ₂ O ₅ ) como um dielétrico e
• Capacitores eletrolíticos de polímero de alumínio usam uma folha de alumínio de alta pureza e eletroquimicamente gravada (áspera) como um ânodo com óxido de alumínio (Al ₂ O ₃ ) como o dielétrico

As propriedades da camada de óxido de alumínio em comparação com a camada dielétrica de pentóxido de tântalo são fornecidas na tabela a seguir:

Características das diferentes camadas de óxido em capacitores eletrolíticos de alumínio, tântalo e nióbio

Anodo- material	Dielétrico	Estrutura de óxido	Permissividade relativa	Tensão de ruptura (V / µm)	Espessura da camada elétrica (nm / V)
Tântalo	Pentóxido de tântalo Ta 2 O 5	amorfo	27	625	1,6
Alumínio	Óxido de alumínio Al 2 O 3	amorfo	9,6	710	1,4
		cristalino	11,6 ... 14,2	800 ... 1000	1,25 ... 1,0

Cada e-cap em princípio forma um "capacitor de placa" cuja capacitância é uma função crescente da área A do eletrodo, da permissividade ε do material dielétrico e da espessura do dielétrico (d).

${\ displaystyle C = \ varepsilon \ cdot {\ frac {A} {d}}}$

A capacitância é proporcional ao produto da área de uma placa multiplicado pela permissividade e dividido pela espessura dielétrica.

A espessura dielétrica está na faixa de nanômetros por volt. Por outro lado, a tensão de ruptura dessas camadas de óxido é bastante alta. Usando ânodos gravados ou sinterizados, com sua área de superfície muito maior em comparação com uma superfície lisa do mesmo tamanho ou volume, os e-caps podem atingir uma alta capacitância volumétrica. Os últimos desenvolvimentos em ânodos de alta corrosão ou sinterizados aumentam o valor da capacitância, dependendo da tensão nominal, em um fator de até 200 para Al-e-caps ou Ta-e-caps em comparação com ânodos lisos.

Como a voltagem de formação define a espessura do óxido, a tolerância de voltagem desejada pode ser facilmente produzida. Portanto, o volume de um capacitor é definido pelo produto da capacitância e da tensão, o chamado "produto CV".

Comparando as constantes dielétricas de tântalo e óxidos de alumínio, Ta ₂ O ₅ tem permissividade aproximadamente 3 vezes maior que Al ₂ O ₃ . Os Ta-caps, portanto, teoricamente podem ser menores do que os Al-caps com a mesma capacitância e tensão nominal. Para capacitores eletrolíticos de tântalo reais, as espessuras da camada de óxido são muito mais espessas do que a tensão nominal do capacitor realmente requer. Isso é feito por razões de segurança para evitar curtos provenientes da cristalização do campo. Por esta razão, as diferenças reais de tamanhos que derivam das diferentes permissividades são parcialmente ineficazes.

Eletrólitos

A propriedade elétrica mais importante de um eletrólito em um capacitor eletrolítico é sua condutividade elétrica . O eletrólito forma o contra-eletrodo, do e-cap, o cátodo . As estruturas rugosas da superfície do ânodo continuam na estrutura da camada de óxido, o dielétrico, o cátodo deve se adaptar precisamente à estrutura rugosa. Com um líquido, como nas convencionais e-caps "molhadas", é fácil de conseguir. Em e-caps de polímero em que um polímero condutor sólido forma o eletrólito, isso é muito mais difícil de conseguir, porque sua condutividade é obtida por um processo químico de polimerização. No entanto, os benefícios de um eletrólito de polímero sólido, o ESR significativamente menor do capacitor e a baixa dependência de temperatura dos parâmetros elétricos, em muitos casos justificam as etapas de produção adicionais, bem como custos mais elevados.

Conduzindo eletrólito de sal TCNQ

Os capacitores eletrolíticos com o sal de transferência de carga tetracianoquinodimetano TCNQ como eletrólito, anteriormente produzidos pela Sanyo com o nome comercial "OS-CON", no verdadeiro sentido do termo "polímero", não eram "condensadores de polímero". Os capacitores eletrolíticos TCNQ são mencionados aqui para apontar o perigo de confusão com os capacitores de polímero 'reais', que são vendidos hoje em dia com o mesmo nome comercial OS-CON. Os capacitores OS-CON originais com eletrólito TCNQ vendidos pelo antigo fabricante Sanyo foram descontinuados com a integração dos negócios de capacitores Sanyo pela Panasonic 2010. Panasonic mantém o nome comercial OS-CON, mas muda o eletrólito TCNQ em um eletrólito de polímero condutor (PPy) .

Os condensadores eletrolíticos com eletrólito TCNQ não estão mais disponíveis.

Eletrólito de polímero

Os polímeros são formados por uma reação química , a polimerização . Nesta reação, os monômeros são continuamente ligados a um filamento de polímero em crescimento. Normalmente, os polímeros são isolantes elétricos, na melhor das hipóteses, semicondutores. Para uso como eletrólito em e-caps, polímeros condutores elétricos são empregados. A condutividade de um polímero é obtida por ligações duplas conjugadas que permitem a livre movimentação dos portadores de carga no estado dopado . Como portadores de carga, servem buracos de elétrons . Isso significa que a condutividade dos polímeros condutores, que é quase comparável aos condutores metálicos, só começa quando os polímeros são dopados de forma oxidativa ou redutora.

Um eletrólito de polímero deve ser capaz de penetrar nos poros mais finos do ânodo para formar uma camada homogênea completa, porque apenas as seções de óxido do ânodo cobertas pelo eletrólito contribuem para a capacitância. Para isso, os precursores do polímero têm de consistir em materiais de base muito pequenos que podem penetrar até os menores poros. O tamanho desses precursores é o fator limitante no tamanho dos poros nas folhas de ânodo de alumínio gravadas ou no tamanho do pó de tântalo. A taxa de polimerização deve ser controlada para a fabricação do capacitor. A polimerização muito rápida não leva a uma cobertura anódica completa, enquanto a polimerização muito lenta aumenta os custos de produção. Nem os precursores, nem o polímero ou seus resíduos podem atacar o óxido anódico química ou mecanicamente. O eletrólito de polímero deve ter alta estabilidade em uma ampla faixa de temperatura por longos períodos. O filme de polímero não é apenas o contra-eletrodo do e-cap, mas também protege o dielétrico mesmo contra influências externas, como o contato direto do grafite nesses capacitores, que são providos de contato catódico via grafite e prata.

Polímero e-tampões empregar qualquer polipirrol (PPy) ou politiofeno (PEDOT ou PEDT)

Polipirrol PPy

O polipirrol (PPy) é um polímero condutor formado pela polimerização oxidativa do pirrol . Um agente oxidante adequado é o cloreto de ferro (III) (FeCl3). Água, metanol, etanol, acetonitrila e outros solventes polares podem ser usados ​​para a síntese de PPy. Como eletrólito de polímero condutor sólido, atinge condutividades de até 100  S / m. O polipirrol foi o primeiro polímero condutor usado em cápsulas de Al-e de polímero, bem como em cápsulas de Ta-e.

O problema com a polimerização do PPy era a taxa de polimerização. Quando o pirrol é misturado com os agentes oxidantes desejados à temperatura ambiente, a reação de polimerização começa imediatamente. Assim, o polipirrol começa a se formar, antes que a solução química possa entrar nos poros do ânodo. A taxa de polimerização pode ser controlada por resfriamento criogênico ou por polimerização eletroquímica.

O método de resfriamento requer um grande esforço técnico e é desfavorável para a produção em massa. Na polimerização eletroquímica, em primeiro lugar, uma camada de eletrodo auxiliar no dielétrico deve ser aplicada e conectada ao ânodo. Para tanto, dopantes iônicos são adicionados às substâncias básicas do polímero, formando uma camada superficial condutora sobre o dielétrico durante a primeira impregnação. Durante os ciclos de impregnação subsequentes, a polimerização in situ pode ser controlada por tempo pelo fluxo de corrente após a aplicação de uma voltagem entre o ânodo e o cátodo. Com este método, um filme de polipirrol fino e estável na camada de óxido dielétrico do ânodo pode ser realizado. No entanto, ambos os métodos de polimerização in situ são complexos e requerem várias etapas de polimerização de repetição que aumentam os custos de fabricação.

O eletrólito polipirrol tem duas desvantagens fundamentais. É tóxico na produção de condensadores e torna-se instável nas temperaturas de soldagem mais altas necessárias para soldar com soldas sem chumbo.

Polietiopeno PEDOT e PEDOT: PSS

Poli (3,4-etilenodioxitiofeno) , abreviado PEDOT ou PEDT, é um polímero condutor baseado em 3,4-etilenodioxitiofeno ou monômero EDOT. PEDOT é polarizado pela oxidação de EDOT com quantidades catalíticas de sulfato de ferro (III) . A reoxidação do ferro é feita pelo persulfato de sódio . As vantagens do PEDOT são a transparência ótica em seu estado condutor , não tóxico, estável até temperaturas de 280 ° C e uma condutividade de até 500  S / m. Sua resistência ao calor permite que capacitores de polímero sejam fabricados para suportar as altas temperaturas exigidas para a soldagem sem chumbo. Além disso, esses capacitores têm melhores valores de ESR como e-caps de polímero com eletrólito PPy.

Os difíceis métodos de polimerização in situ de PEDOT nos ânodos dos condensadores inicialmente eram os mesmos do polipirrol. Isso mudou com o desenvolvimento de dispersões pré-polimerizadas de PEDOT nas quais os ânodos do capacitor simples podiam ser mergulhados e depois secos à temperatura ambiente. Para esta finalidade, os produtos químicos de PEDOT é adicionado com sódio de sulfonato de poliestireno (PSS) e dissolvido em água. A camada de polímero completa no dielétrico é então composta de partículas pré-polimerizadas da dispersão. Essas dispersões são conhecidas como PEDOT: PSS, nomes comerciais Baytron P® e Clevios ™, protegendo as propriedades valiosas do PEDOT.

PEDOT: dispersões PSS estão disponíveis em diferentes variantes. Para capacitores com altos valores de capacitância com folhas de ânodo de alumínio de alta rugosidade ou pós de tântalo de granulação fina, dispersões com tamanhos de partícula muito pequenos são oferecidas. O tamanho médio dessas partículas pré-polimerizadas é de cerca de 30 nm, pequeno o suficiente para penetrar nos capilares anódicos mais finos. Outra variante de uma dispersão PEDOT: PSS foi desenvolvida com partículas maiores pré-polimerizadas levando a uma camada de polímero relativamente espessa a fim de fazer uma proteção envolvente da célula capacitiva de capacitores retangulares de polímero de Ta e Al contra tensões mecânicas e elétricas.

Com PEDOT: dispersões PSS produzidas capacitores eletrolíticos de polímero de alumínio são bem adequados para atingir valores de tensão nominal mais altos de 200 V e 250 V. Além disso, os valores de corrente de fuga dos capacitores eletrolíticos de polímero, que são produzidos com essas dispersões, são significativamente menores do para capacitores de polímero com camadas de polímero polimerizadas in-situ. Abaixo dos melhores valores ESR, maior estabilidade de temperatura e menores valores de corrente de fuga, no entanto, a facilidade de fabricação de capacitores de polímero com as dispersões PEDOT: PSS pré-polimerizadas, que já estão apenas três mergulhos de imersão têm uma cobertura quase completa do dielétrico com uma camada de polímero condutor. Essa abordagem reduziu significativamente os custos de produção.

Eletrólito híbrido

Capacitores eletrolíticos de alumínio de polímero híbrido combinam um revestimento da estrutura anódica de alumínio rugosa e oxidada com um polímero condutor junto com um eletrólito líquido. O eletrólito líquido é embebido no separador (espaçador) e consegue com sua condutividade iônica o contato elétrico entre as duas camadas de polímero que cobrem o dielétrico e a folha catódica. O eletrólito líquido pode fornecer o oxigênio para processos de autocura do capacitor, o que reduz a corrente de fuga, de forma que valores como no convencional "úmido" do capacitor eletrolítico possam ser alcançados. Além disso, a margem de segurança para a espessura de óxido necessária para uma tensão nominal desejada pode ser reduzida.

Os efeitos prejudiciais do eletrólito líquido na ESR e nas características de temperatura são relativamente baixos. Usando eletrólitos orgânicos apropriados e uma boa vedação dos capacitores, uma longa vida útil pode ser alcançada.

Tipos e estilos

Com base no metal anódico usado e na combinação de um eletrólito de polímero junto com um eletrólito líquido, existem três tipos diferentes:

• Capacitor eletrolítico de tântalo de polímero
• Capacitor eletrolítico de polímero de alumínio
• Capacitor eletrolítico de alumínio de polímero híbrido

Esses três tipos ou famílias diferentes são produzidos em dois estilos diferentes,

• Chip SMD retangular, geralmente moldado com uma caixa de plástico, disponível com ânodo de tântalo sinterizado ou com folhas de ânodo de alumínio empilhadas e
• Estilo cilíndrico com uma célula enrolada em uma caixa de metal, disponível como estilo SMDs cilíndricos (V-chips) ou como versões com chumbo radial (extremidade única)

• Estilos de capacitores eletrolíticos de polímero
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  Os chips retangulares SMD estão disponíveis com ânodo de tântalo sinterizado ou com folhas de ânodo de alumínio empilhadas

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  Estilos cilíndricos com uma célula enrolada em uma caixa de metal estão disponíveis como SMDs (V-chips) ou como versões com chumbo radial (extremidade única) para capacitores de polímero ou polímero híbrido de alumínio

Estilo de chip retangular

No início dos anos 1990, os Ta-caps de polímero coincidiram com o surgimento de dispositivos planos, como telefones celulares e laptops, usando a tecnologia de montagem SMD. A superfície de base retangular atinge o máximo espaço de montagem, o que não é possível com superfícies de base redondas. A célula sinterizada pode ser fabricada de modo que o componente acabado tenha uma altura desejada, normalmente a altura de outros componentes. As alturas típicas variam de cerca de 0,8 a 4 mm.

Capacitores de chip de tântalo de polímero

Capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero são essencialmente capacitores de tântalo em que o eletrólito é um polímero condutor em vez de dióxido de manganês, consulte também capacitor de tântalo # Materiais, produção e estilos Os capacitores de tântalo são fabricados a partir de um pó de metal elementar 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 pelota / fio é subsequentemente sinterizada a vácuo em alta temperatura (normalmente 1200 a 1800 ° C), o que produz um pellet de ânodo mecanicamente forte. Durante a sinterização, o pó assume uma estrutura esponjosa, com todas as partículas interconectadas em uma rede espacial monolítica. Esta estrutura é de resistência mecânica e densidade previsíveis, mas também é altamente porosa, produzindo uma grande área de superfície do ânodo.

A camada dielétrica é então formada sobre todas as superfícies das partículas de tântalo do ânodo pelo processo eletroquímico de anodização ou formação. Para conseguir isso, o “pellet” é submerso em uma solução muito fraca de ácido e é aplicada uma voltagem DC. A espessura dielétrica total é determinada pela tensão final aplicada durante o processo de conformação. Depois disso, o bloco sinterizado oxidado é impregnado com os precursores do polímero, para obter o eletrólito do polímero, o contra-eletrodo. Este pelete polimerizado é agora sucessivamente mergulhado em grafite condutor e depois prata para fornecer uma boa conexão com o polímero condutor. Essas camadas conseguem a conexão catódica do capacitor. A célula capacitiva é geralmente moldada por uma resina sintética.

• Construção básica de um capacitor de polímero de tântalo
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  Estrutura da camada de um capacitor de polímero de tântalo com conexão de cátodo de grafite / prata

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  Seção transversal básica de um capacitor de chip de tântalo de polímero retangular

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  Capacitor de chip de tântalo de polímero retangular

Os capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero 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 em um caso, o valor ESR pode ser reduzido novamente. A vantagem da tecnologia multi-ânodo, além dos valores de ESR muito baixos, é o ESL de baixa indutância, em que os capacitores são adequados para frequências mais altas.

A desvantagem de todos os capacitores de tântalo de polímero é a maior corrente de fuga, que é aproximadamente por um fator de 10 maior em comparação com os capacitores com eletrólito de dióxido de manganês. Capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero SMD estão disponíveis até um tamanho de 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.

Novos designs - reduzindo ESR e ESL

Reduzir ESR e ESL continua sendo um objetivo importante de pesquisa e desenvolvimento para todos os capacitores de polímero. Algumas medidas construtivas também podem ter um grande impacto nos parâmetros elétricos dos capacitores. Valores ESR menores podem ser alcançados, por exemplo, pela conexão paralela de várias células capacitivas convencionais em um caso. Três capacitores paralelos com ESR de 60 mΩ cada têm um ESR resultante de 20 mΩ. Essa tecnologia é chamada de construção “multi-ânodo” e é usada em capacitores de polímero de tântalo com ESR muito baixo. Nesta construção, até seis ânodos individuais em um caso são conectados. Este projeto é oferecido como capacitores de chip de tântalo de polímero, bem como capacitores de chip de tântalo de baixo custo com eletrólito MnO ₂ . Capacitores de polímero de tântalo com vários ânodos têm valores ESR na faixa de miliohm de um dígito.

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 reduzida reduzindo o comprimento dos cabos internos por sinterização assimétrica do cabo do ânodo. Essa técnica é chamada de construção “voltada para baixo”. Devido ao ESL mais baixo dessa construção voltada para baixo, 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.

Capacitores de chip de tântalo de polímero com esses novos aprimoramentos de design, que tanto o ESR quanto o ESL diminuíram as propriedades de alcance, aproximando-se cada vez mais daqueles dos capacitores MLCC.

Capacitores com chip de polímero de alumínio

As cápsulas retangulares de polímero Al têm uma ou mais folhas de anodo de alumínio em camadas e um eletrólito de polímero condutor. As folhas de ânodo em camadas estão em um lado em contato umas com as outras, este bloco é oxidado anodicamente para obter o dielétrico e o bloco é impregnado com os precursores do polímero para obter o eletrólito do polímero, o contra-eletrodo. Como para os condensadores de polímero de tântalo, este bloco polimerizado é agora sucessivamente mergulhado em grafite condutor e depois prata para fornecer uma boa ligação ao polímero condutor. Essas camadas alcançam a conexão catódica do capacitor. A célula capacitiva geralmente é moldada por uma resina sintética.

• Construção básica de um capacitor de polímero de alumínio com faixas anódicas em camadas
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  Estrutura da camada de um capacitor de polímero de alumínio com conexão de cátodo de grafite / prata

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  Seção transversal básica de um capacitor de chip de alumínio de polímero retangular

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  Capacitor retangular com chip de alumínio polímero. A aparência externa não tem indicação do material anódico usado internamente.

As folhas anódicas em camadas no polímero Al-chip-e-caps de formato retangular são capacitores simples conectados eletricamente em paralelo. Assim, os valores ESR e ESL são conectados em paralelo, reduzindo ESR e ESL correspondentemente, e permitindo que operem em frequências mais altas.

Essas cápsulas retangulares de polímero de Al-chip-e estão disponíveis na caixa "D" com dimensões de 7,3x4,3 mm e alturas entre 2 e 4 mm. Eles fornecem uma alternativa competitiva aos Ta-caps.

A comparação de Al-chip-e-caps de polímero comparável mecânico e Ta-chip-e-caps de polímero mostra que as diferentes permissividades de óxido de alumínio e pentóxido de tântalo têm pouco impacto sobre a capacidade específica devido às diferentes margens de segurança nas camadas de óxido. Os Ta-e-caps de polímero usam uma espessura de camada de óxido que corresponde a aproximadamente quatro vezes a voltagem nominal, enquanto os polímeros Al-e-caps têm cerca de duas vezes a voltagem nominal.

Estilo cilíndrico (radial)

Capacitores cilíndricos de polímero de alumínio baseados na técnica de capacitores eletrolíticos de alumínio bobinados com eletrólitos líquidos. Eles estão disponíveis apenas com alumínio como material do ânodo.

Eles são projetados para valores de capacitância maiores em comparação com capacitores de polímero retangulares. Devido ao seu design, eles podem variar em altura em uma determinada área de montagem de superfície, de modo que maiores valores de capacitância podem ser obtidos por uma caixa mais alta sem aumentar a superfície de montagem. Isso é útil principalmente para placas de circuito impresso sem limite de altura.

Capacitores de alumínio de polímero cilíndrico

As cápsulas cilíndricas de polímero de Al-e são feitas de duas folhas de alumínio, um ânodo formado e gravado e uma folha catódica que são mecanicamente separados por um separador e enrolados juntos. O enrolamento é impregnado com os precursores de polímero para obter o polímero condutor polimerizado para formar o cátodo o eletrodo de polímero, conectado eletricamente à folha do cátodo. O enrolamento é então embutido em uma caixa de alumínio e selado com uma vedação de borracha. Para a versão SMD (chip vertical = V-chip), a caixa é fornecida com uma placa inferior.

• Princípios de design de capacitores de alumínio de polímero cilíndrico
• 

  Enrolamento de um capacitor eletrolítico de alumínio

• 

  Vista em corte transversal da célula capacitiva de um capacitor de polímero de alumínio enrolado com eletrólito de polímero

• 

  Capacitores de alumínio de polímero cilíndrico com célula enrolada em caixa de metal cilíndrica, em chumbo radial (single-ended) e estilo SMD (V-chip)

O polímero cilíndrico Al-e-caps são mais baratos do que os correspondentes capacitores de polímero de tântalo para um dado valor CV (capacitância × tensão nominal). Eles estão disponíveis até um tamanho de 10 × 13 mm (diâmetro × altura) com um valor CV de 3900 µF × 2,5 V Eles podem cobrir faixas de temperatura de -55 ° C a +125 ° C e estão disponíveis em valores de tensão nominal de 2,5 a 200 V respectivamente 250 V.

Ao contrário das cápsulas de Al-e "úmidas", as caixas dos capacitores de Al de polímero não possuem um orifício (entalhe) na parte inferior da caixa, já que um curto-circuito não forma gás, o que aumentaria a pressão na caixa. Portanto, um ponto de ruptura predeterminado não é necessário.

Capacitores de alumínio de polímero híbrido

Capacitores de polímero híbrido estão disponíveis apenas na construção de estilo cilíndrico, portanto, corresponde ao polímero cilíndrico Al-e-caps acima descrito com chumbo no design radial (extremidade única) ou com uma placa de base na versão SMD (V-chip). A diferença é que o polímero cobre apenas a superfície da estrutura rugosa do dielétrico Al ₂ O ₃ e a superfície da folha catódica como camadas finas. Com isso, especialmente as partes de alto ôhmico nos pequenos poros da folha do ânodo podem ser feitas de baixo ôhmico para reduzir o ESR dos capacitores. Como a conexão elétrica entre as duas camadas de polímero, serve um eletrólito líquido como em cápsulas de Al-e convencionais úmidas que impregnam o separador. A pequena distância da conduta do eletrólito não sólido aumenta um pouco o ESR, mas na verdade não dramaticamente. A vantagem desta construção é que o eletrólito líquido em operação fornece o oxigênio necessário para a autocura da camada dielétrica na presença de quaisquer pequenos defeitos.

A corrente que flui por um pequeno defeito resulta em aquecimento seletivo, que normalmente destrói o filme de polímero sobrejacente, isolando, mas não cicatrizando, o defeito. Em condensadores de polímero híbrido, o líquido pode fluir para o defeito, entregando oxigênio e curando o dielétrico ao gerar novos óxidos, diminuindo a corrente de fuga. As cápsulas de Al-e de polímero híbrido têm uma corrente de fuga muito menor do que as cápsulas de Al-e de polímero padrão.

Comparação das famílias de polímeros

Comparação de benchmarks

O eletrólito de polímero, os dois materiais anódicos diferentes, alumínio e tântalo, juntamente com os diferentes designs, levaram a várias famílias de e-cap de polímero com especificações diferentes. Para comparação, os parâmetros básicos dos capacitores eletrolíticos de tântalo com eletrólito de dióxido de manganês também são listados.

Comparação de valores de referência das diferentes famílias de capacitores de polímero

Material ânodo	Eletrólito	Estilo	Faixa de capacitância (µF)	M tensão (V)	Máx. temperatura de operação (° C)
Tântalo	Dióxido de manganês	retangular	0,1 ... 1.500	2,5 ... 63	105/125/150/175
	Polímero	retangular	0,47 ... 3.300	2,5 ... 125	105/125
Alumínio	Polímero	retangular	2,2 ... 560	2.0 ... 16	105/125
	Polímero	cilíndrico (SMD e radial)	3,3 ... 3.900	2,0 ... 200	105/125/135
	Híbrido, polímero e não sólido	cilíndrico (SMD e radial)	6,8 ... 1.000	6,3 ... 125	105/125

(Em abril de 2015)

Comparação de parâmetros elétricos

As propriedades elétricas dos capacitores de polímero podem ser melhor comparadas, usando capacitância, tensão nominal e dimensões consistentes. Os valores do ESR e da corrente de ondulação são os parâmetros mais importantes para o uso de capacitores de polímero em equipamentos eletrônicos. A corrente de fuga é significativa, pois é maior do que a dos e-caps com eletrólitos não poliméricos. Os respectivos valores de Ta-e-caps com eletrólito MnO ₂ e Al-e-caps úmidos estão incluídos.

Comparação dos principais parâmetros elétricos de diferentes famílias de e-cap para tipos com o mesmo tamanho

Eletrólito da família E-cap	Tipo 1	Dimensões 2 L × C × A P × C (mm)	Máx. ESR 100 kHz, 20 ° C (mΩ)	Máx. corrente de ondulação 85/105 ° C (mA)	Máx. corrente de fuga 3 após 2 min (µA)
MnO 2 -tantalum capacitores MnO 2 -electrolyte	Kemet, T494 330/10	7,3 × 4,3 × 4,0	100	1.285	10 (0,01 CV)
MnO 2 -tântalo capacitores Multianodo, MnO 2 -Electrólito	Kemet, T510 330/10	7,3 × 4,3 × 4,0	35	2.500	10 (0,01 CV)
Capacitores de polímero de tântalo eletrólito de polímero	Kemet, T543 330/10	7,3 × 4,3 × 4,0	10	4.900	100 (0,1CV)
Capacitores de tântalo de polímero multianodo, eletrólito de polímero	Kemet, T530 150/10	7,3 × 4,3 × 4,0	5	4.970	100 (0,1CV)
Capacitores de polímero de alumínio eletrólito de polímero	Panasonic, SP-UE 180 / 6.3	7,3 × 4,3 × 4,2	7	3.700	40 (0,04 CV)
Capacitores de polímero de alumínio eletrólito de polímero	Kemet, A700 220 / 6,3	7,3 × 4,3 × 4,3	10	4.700	40 (0,04 CV)
Capacitores de alumínio "úmidos", SMD etilenoglicol / eletrólito forax	NIC, NACY, 220/10	6,3x8	300	300	10 (0,01 CV)
Capacitores de alumínio "úmidos", eletrólito à base de água SMD	NIC, NAZJ, 220/16	6,3 × 8	160	600	10 (0,01 CV)
Capacitores de polímero de alumínio eletrólito de polímero	Panasonic, SVP 120 / 6.3	6,3 × 6	17	2.780	200 (0,2CV)
Capacitores de alumínio de polímero híbrido polímero + eletrólito não sólido	Panasonic, ZA 100/25	6,3 × 7,7	30	2.000	10 (0,01 CV)

¹ Fabricante, série, capacitância / tensão nominal.

² W × L × A para o estilo retangular (chip), D × L para o estilo cilíndrico.

³ Calculado para um capacitor de 100 µF, 10 V.

(Em junho de 2015)

Vantagens e desvantagens

Vantagens dos e-caps de polímero contra os Al-e-caps úmidos:

• valores ESR mais baixos.
• capacidade de ondulação de corrente mais alta
• temperatura mais baixa dependendo das características
• sem evaporação de eletrólito, maior vida útil
• sem queimar ou explodir no caso de shorts

Desvantagens dos e-caps de polímero contra os Al-e-caps úmidos:

• mais caro
• corrente de fuga mais alta
• danificável por transientes e picos de tensões mais altas

Vantagens do polímero híbrido Al-e-caps :

• menos caro do que e-caps de polímero de alumínio
• corrente de fuga mais baixa
• impassível contra transientes

Desvantagem do polímero híbrido Al-e-caps :

• vida útil limitada devido à evaporação

Vantagens do polímero Ta e Al-e-caps contra MLCCs (cerâmica):

• sem capacitância dependente de tensão (exceto cerâmicas tipo 1)
• sem microfônico (exceto cerâmicas tipo 1)
• maiores valores de capacitância possíveis

Características elétricas

Circuito equivalente em série

As características elétricas dos capacitores são harmonizadas pela especificação genérica internacional IEC 60384-1. Nesta norma, as características elétricas dos capacitores são descritas por um circuito equivalente em série idealizado com componentes elétricos que modelam todas as perdas ôhmicas, parâmetros capacitivos e indutivos dos capacitores eletrolíticos:

• C , a capacitância do capacitor
• R _ESR , a resistência em série equivalente que resume todas as perdas ôhmicas do capacitor, geralmente abreviado como "ESR"
• L _ESL , a indutância em série equivalente que é a auto-indutância efetiva do capacitor, geralmente abreviada como "ESL".
• _Vazamento R , a resistência que representa a corrente de fuga do capacitor

Capacitância nominal, valores padrão e tolerâncias

O valor da capacitância dos capacitores eletrolíticos de polímero depende da frequência e da temperatura de medição. Os capacitores eletrolíticos com eletrólitos não sólidos mostram uma aberração mais ampla nas faixas de frequência e temperatura do que os capacitores de polímero.

A condição de medição padronizada para polímeros Al-e-caps é um método de medição AC com 0,5 V a uma frequência de 100/120 Hz e uma temperatura de 20 ° C. Para Ta-e-caps de polímero, uma tensão de polarização DC de 1,1 a 1,5 V para tipos com uma tensão nominal ≤2,5 V, ou 2,1 a 2,5 V para tipos com uma tensão nominal de> 2,5 V, pode ser aplicada durante a medição para evitar voltagem inversa.

O valor de capacitância medido na frequência de 1 kHz é cerca de 10% menor que o valor de 100/120 Hz. Portanto, os valores de capacitância dos e-caps de polímero não são diretamente comparáveis ​​e diferem daqueles dos capacitores de filme ou de cerâmica , cuja capacitância é medida em 1 kHz ou mais.

A unidade básica da capacitância de um capacitor eletrolítico de polímero é o microfarad (μF). O valor da capacitância especificado em folhas de dados do fabricante é chamado a capacitância classificado C _R ou capacidade nominal C _N . É administrado de acordo com a norma IEC 60063 em valores correspondentes para a série E . Esses valores são especificados com uma tolerância de capacitância de acordo com a IEC 60062, evitando sobreposições.

E3 series	E6 series	E12 series
22-10-47	10-15-22-33-47-68	10-12-15-18-22-27 33-39-47-56-68-82
tolerância de capacitância ± 20%	tolerância de capacitância ± 20%	tolerância de capacitância ± 10%
código da letra "M"	código da letra "M"	código da letra "K"

O valor de capacitância real medido deve estar dentro dos limites de tolerância.

Tensão nominal e de categoria

Com referência à IEC 60384-1, a tensão de operação permitida para e-caps de polímero é chamada de "tensão nominal U _R ". A tensão nominal L _R é a máxima tensão de impulso de tensão de pico ou que pode ser aplicada continuamente, a qualquer temperatura dentro do intervalo de temperatura nominal T _R .

A prova de tensão dos capacitores eletrolíticos diminui com o aumento da temperatura. Para algumas aplicações, é importante usar uma faixa de temperatura mais alta. Reduzir a tensão aplicada em uma temperatura mais alta mantém as margens de segurança. Para alguns tipos de capacitores, portanto, o padrão IEC especifica uma "tensão reduzida de temperatura" para uma temperatura mais alta, a "tensão de categoria U _C ". A tensão categoria é a máxima tensão de impulso de tensão de pico ou que pode ser aplicada de forma contínua para um condensador, a qualquer temperatura dentro do intervalo de temperatura categoria T _C . A relação entre tensões e temperaturas é dada na imagem à direita.

Aplicar uma tensão mais alta do que a especificada pode destruir os capacitores eletrolíticos.

A aplicação de uma tensão mais baixa pode ter uma influência positiva nos capacitores eletrolíticos de polímero. Para polímeros híbridos Al-e-caps, uma tensão aplicada mais baixa em alguns casos pode estender a vida útil. Para Ta-e-caps de polímero, a redução da voltagem aplicada aumenta a confiabilidade e reduz a taxa de falha esperada.

Temperatura nominal e categoria

A relação entre a temperatura nominal T _R e a tensão nominal U _R , bem como a temperatura de categoria superior T _C e a tensão de categoria reduzida U _C são fornecidas na figura à direita.

Surge Voltage

Camadas de óxido de e-cap de polímero são formadas por razões de segurança em uma tensão mais alta do que a tensão nominal, chamada de sobretensão. Portanto, é permitido aplicar uma tensão de surto por períodos curtos e um número limitado de ciclos.

A tensão de surto indica o valor máximo de tensão de pico que pode ser aplicado durante sua aplicação por um número limitado de ciclos. A sobretensão é padronizada em IEC 60384-1.

Para cápsulas de polímero de Al-e, a tensão de surto é 1,15 vezes a tensão nominal. Para Ta-e-caps de polímero, a sobretensão pode ser 1,3 vezes a tensão nominal, arredondada para o volt mais próximo.

A sobretensão aplicada aos capacitores de polímero pode influenciar a taxa de falha do capacitor.

Tensão Transiente

Os transientes são picos rápidos e de alta tensão . Os capacitores eletrolíticos de polímero, os capacitores de polímero de alumínio e tântalo não podem suportar transientes ou tensões de pico superiores à tensão de surto. Transientes para este tipo de e-caps podem destruir os componentes.

Os polímeros híbridos Al-e-caps são relativamente insensíveis a tensões transitórias de curto e alto prazo, superiores à tensão de surto, se a frequência e o conteúdo de energia dos transitórios forem baixos. Essa capacidade depende da tensão nominal e do tamanho do componente. Tensões transitórias de baixa energia levam a uma limitação de tensão semelhante a um diodo zener. Uma especificação inequívoca e geral de transitórios toleráveis ​​ou tensões de pico não é possível. Em todos os casos de ocorrência de transientes, a aplicação deve ser avaliada individualmente.

Voltagem inversa

Capacitores eletrolíticos de polímero, tântalo e também capacitores de polímero de alumínio são capacitores polarizados e geralmente requerem que a voltagem do eletrodo anódico seja positiva em relação à voltagem catódica. No entanto, eles podem suportar por curtos instantes uma tensão reversa dependente do tipo por um número limitado de ciclos. Uma tensão reversa superior ao nível de limite dependente do tipo aplicada por um longo tempo ao capacitor de eletrólito de polímero leva a um curto-circuito e à destruição do capacitor.

Para minimizar a probabilidade de um eletrolítico polarizado ser inserido incorretamente em um circuito, a polaridade deve ser claramente indicada na caixa, consulte a seção "Marcação de polaridade" abaixo.

Impedância e ESR

Veja também: Capacitor eletrolítico # Impedância e capacitor eletrolítico # ESR e fator de dissipação tan δ

A impedância é a relação complexa entre a tensão e a corrente em um circuito CA e expressa como resistência CA a magnitude e a fase em uma determinada frequência. Nas folhas de dados de capacitores de eletrólito de polímero, apenas a magnitude da impedância | Z | é especificado e simplesmente escrito como "Z" . Em relação ao padrão IEC 60384-1, os valores de impedância dos capacitores eletrolíticos de polímero são medidos e especificados em 100 kHz.

No caso especial de ressonância , em que ambas as resistências reativas X _C e X _L têm o mesmo valor ( X _C = X _L ), a impedância será determinada apenas pela resistência série equivalente ESR , que resume todas as perdas resistivas do capacitor . A 100 kHz, a impedância e o ESR têm quase o mesmo valor para e-caps de polímero com valores de capacitância na faixa de µF. Com frequências acima da ressonância a impedância aumenta novamente devido ao ESL do capacitor, transformando o capacitor em um indutor.

A impedância e o ESR, conforme mostrado nas curvas, conforme mostrado nas curvas, dependem muito do eletrólito usado. As curvas mostram os valores de impedância e ESR progressivamente mais baixos de Al-e-caps "úmidos" e MnO ₂ Ta-e-caps, Al / TCNQ e e-caps de polímero de tântalo. A curva de um capacitor de cerâmica MLCC Classe 2, com valores de Z e ESR ainda mais baixos, também é mostrada, mas cuja capacitância é dependente da tensão.

Uma vantagem dos e-caps de polímero sobre os Al-e-caps não sólidos é a dependência de baixa temperatura e a curva quase linear do ESR ao longo da faixa de temperatura especificada. Isso se aplica tanto ao polímero de tântalo, polímero de alumínio, como também para e-caps de polímero híbrido.

A impedância e o ESR também dependem do design e dos materiais dos capacitores. Os caps Al-e cilíndricos com a mesma capacitância que os caps Al-e retangulares têm maior indutância do que os caps Al-e retangulares com eletrodos em camadas e, portanto, têm uma frequência de ressonância mais baixa. Este efeito é amplificado pela construção de vários ânodos, em que as indutâncias individuais são reduzidas por sua conexão paralela e pela técnica "voltada para baixo".

Ripple current

Uma "corrente de ondulação" é o valor quadrático médio (RMS) de uma corrente CA sobreposta de qualquer frequência e qualquer forma de onda da curva de corrente para operação contínua dentro da faixa de temperatura especificada. Ele surge principalmente em fontes de alimentação (incluindo fontes de alimentação comutadas ) após retificar uma tensão CA e flui como corrente de carga e descarga através do capacitor de desacoplamento ou suavização.

As correntes onduladas geram calor dentro do corpo do capacitor. Esta perda de potência de dissipação P _G é causada por ESR e é o valor ao quadrado da eficaz (RMS) ondulação da corrente I _R .

${\ displaystyle P_ {L} = I_ {R} ^ {2} \ cdot ESR}$

Este calor gerado internamente, além da temperatura ambiente e outras fontes externas de calor, leva a uma temperatura corporal do capacitor mais alta com uma diferença de temperatura de Δ T em relação ao ambiente. Este calor deve ser distribuído como perdas térmicas P _th sobre a superfície A do capacitor e a resistência térmica β para o ambiente.

${\ displaystyle P_ {th} = \ Delta T \ cdot A \ cdot \ beta}$

Esse calor é distribuído ao ambiente por radiação térmica , convecção e condução térmica . A temperatura do capacitor, que é o equilíbrio líquido entre o calor produzido e distribuído, não deve exceder a temperatura máxima especificada do capacitor.

A corrente de ondulação para e-caps de polímero é especificada como um valor efetivo máximo (RMS) a 100 kHz na temperatura nominal superior. As correntes ondulantes não senoidais devem ser analisadas e separadas em suas frequências individuais por meio da análise de Fourier e resumidas por adição ao quadrado para calcular um valor RMS.

${\ displaystyle I_ {R} = {\ sqrt {{i_ {1}} ^ {2} + {i_ {2}} ^ {2} + {i_ {3}} ^ {2} + {i_ {n} } ^ {2}}}}$

Normalmente, o valor da corrente de ondulação é calculado para um aumento da temperatura central de 2 a 6 ° C em relação ao ambiente, dependendo do tipo e do fabricante. A ondulação da corrente pode ser aumentada em temperaturas mais baixas. Como o ESR é dependente da frequência e aumenta na faixa de baixa frequência, a ondulação da corrente deve ser reduzida nas frequências mais baixas.

Em Ta-e-caps de polímero, o calor gerado pela ondulação da corrente influencia a confiabilidade dos capacitores. Exceder o limite pode resultar em falhas catastróficas com curtos-circuitos e queima de componentes.

O calor gerado pela ondulação da corrente também influencia a vida útil dos capacitores eletrolíticos de alumínio e tântalo com eletrólitos de polímero sólido.

O calor da corrente ondulada afeta a vida útil de todos os três tipos de e-cap de polímero.

Surto atual, pico ou corrente de pulso

Capacitores eletrolíticos de tântalo de polímero são sensíveis a correntes de pico ou pulso. Os Ta-e-caps de polímero que são expostos a surtos, pico ou correntes de pulso, por exemplo, em circuitos altamente indutivos, requerem uma redução de tensão. Se possível, o perfil de tensão deve ser uma rampa de ativação, pois isso reduz a corrente de pico experimentada pelo capacitor.

As cápsulas de Al-e-caps de polímero híbrido não têm restrições de pico de corrente, pico ou pulso de corrente. No entanto, as correntes resumidas não devem exceder a corrente de ondulação especificada.

Corrente de fuga

A corrente de fuga DC (DCL) é uma característica única dos capacitores eletrolíticos que outros capacitores convencionais não possuem. É a corrente DC que flui quando uma tensão DC de polaridade correta é aplicada. Esta corrente é representada pela _fuga do resistor R em paralelo com o capacitor no circuito equivalente em série dos e-caps. As principais causas de DCL para capacitores de polímero sólido são fe pontos de quebra de dielétrico elétrico após a soldagem, caminhos condutores indesejados devido a impurezas ou devido a anodização pobre e para tipos retangulares de desvio de dielétrico devido ao excesso de MnO ₂ , devido a caminhos de umidade ou cátodo condutores (carbono, prata).

A especificação da corrente de fuga da folha de dados é dada pela multiplicação do valor da capacitância nominal C _R com o valor da tensão nominal U _R juntamente com um valor adicionado, medido após 2 ou 5 minutos, por exemplo, uma fórmula para Al-e-caps não sólidos :

${\ displaystyle I _ {\ mathrm {Vazamento}} = 0 {.} 01 \, \ mathrm {{A} \ over {V \ cdot F}} \ cdot U _ {\ mathrm {R}} \ cdot C _ {\ mathrm {R}} +3 \, \ mathrm {\ mu A}}$

A corrente de fuga em e-caps de polímero sólido geralmente cai muito rápido, mas permanece no nível atingido. O valor depende da tensão aplicada, temperatura, tempo de medição e influência da umidade causada pelas condições de vedação da caixa.

Os e-caps de polímero têm valores de corrente de fuga relativamente altos. Essa corrente de fuga não pode ser reduzida pela "cura" no sentido de gerar novo óxido, porque em condições normais os eletrólitos do polímero não podem fornecer oxigênio para os processos de formação. O recozimento de defeitos na camada dielétrica só pode ser realizado por meio de superaquecimento local e evaporação do polímero. Os valores de corrente de fuga para capacitores de eletrólito de polímero estão entre 0,2 C _R U _R a 0,04 C _R U _R , dependendo do fabricante e da série. Assim, o valor da corrente de fuga para capacitores de polímero é maior do que para Al-e-caps e MnO ₂ Ta-e-caps "úmidos" .

Esta maior desvantagem de fuga de corrente de cápsulas de Al-e de polímero sólido é evitada por cápsulas de Al-e híbridas. Seu eletrólito líquido fornece o oxigênio necessário para a reforma dos defeitos de óxido, de forma que os híbridos atinjam os mesmos valores dos Al-e-caps úmidos.

Absorção dielétrica (absorção)

A absorção dielétrica ocorre quando um capacitor que permaneceu carregado por um longo tempo descarrega apenas de forma incompleta quando descarregado brevemente. Embora um capacitor ideal atingiria zero volts após a descarga, os capacitores reais desenvolvem uma pequena tensão de descarga dipolo retardada, um fenômeno que também é chamado de relaxamento dielétrico , "absorção" ou "ação da bateria".

Para capacitores eletrolíticos de polímero de tântalo e alumínio, não há números disponíveis para absorção dielétrica.

Confiabilidade e vida útil

Confiabilidade (taxa de falha)

A confiabilidade de um componente é uma propriedade que indica a confiabilidade com que esse componente executa sua função em um intervalo de tempo. Está sujeito a um processo estocástico e pode ser descrito qualitativa e quantitativamente, mas não é mensurável diretamente. A confiabilidade dos capacitores eletrolíticos é determinada empiricamente pela identificação da taxa de falha na produção que acompanha os testes de resistência . A confiabilidade normalmente é mostrada como uma curva de banheira e é dividida em três áreas: falhas precoces ou falhas na mortalidade infantil, falhas aleatórias constantes e falhas de desgaste. As falhas totalizadas em uma taxa de falha são curto-circuito, circuito aberto e falhas de degradação (excedendo os parâmetros elétricos). Para Ta-e-caps de polímero, a taxa de falha também é influenciada pelo resistor em série do circuito, que não é necessário para polímeros Al-e-caps.

Bilhões de horas-unidade de teste são necessários para verificar as taxas de falha na faixa de nível muito baixo que são necessárias hoje para garantir a produção de grandes quantidades de componentes sem falhas. Isso requer cerca de um milhão de unidades testadas por um longo período, o que significa uma grande equipe e um financiamento considerável. As taxas de falha testadas são frequentemente complementadas com feedback do campo de grandes usuários (taxa de falha de campo), o que reduz principalmente as estimativas de taxa de falha

Por razões históricas, as unidades de taxa de falha de Ta-e-caps e Al-e-caps são diferentes. Para Al-e-caps, a previsão de confiabilidade é geralmente expressa em uma taxa de falha λ , com a unidade F ailures I n T ime ( FIT ) em condições operacionais padrão de 40 ° C e 0,5 U _R durante o período de falhas aleatórias constantes. Este é o número de falhas que podem ser esperadas em um bilhão (10 ⁹ ) horas de componentes de operação (por exemplo, 1000 componentes por 1 milhão de horas, ou 1 milhão de componentes por 1000 horas, que é 1 ppm / 1000 horas) no padrão condições de funcionamento. Este modelo de taxa de falha assume implicitamente que as falhas são aleatórias. Os componentes individuais falham em momentos aleatórios, mas a uma taxa previsível. O valor recíproco da FIT é H ean t ime B ntre F ailures (MTBF).

Para Ta-e-caps, a taxa de falha "F _Ta " é especificada com a unidade "n% de falhas por 1000 horas" a 85 ° C, U = U _R e uma resistência do circuito de 0,1 Ω / V. Este é o percentual de falha que pode ser esperado em 1000 horas de operação em condições operacionais muito mais exigentes em comparação com o modelo “FIT”. As taxas de falha "λ" e "F _Ta " dependem das condições operacionais, incluindo temperatura, tensão aplicada e vários fatores ambientais, como umidade, choques ou vibrações e do valor de capacitância do capacitor. As taxas de falha são uma função crescente da temperatura e da tensão aplicada.

As taxas de falha de Ta-e-caps sólidos e "molhados" de Al-e-caps podem ser recalculadas com fatores de aceleração padronizados para contextos industriais ou militares. Este último é estabelecido na indústria e freqüentemente usado para aplicações industriais. No entanto, para Ta-e-caps de polímero e Al-e-caps de polímero, nenhum fator de aceleração foi publicado em 2016. Um exemplo de um recálculo de uma taxa de falha de capacitor de tântalo F _Ta para uma taxa de falha λ, portanto, só pode ser dado por comparando capacitores padrão. Exemplo:

Uma taxa de falha F _Ta = 0,1% / 1000 h a 85 ° C e L = L _R devem ser recalculadas em uma taxa de falha λ a 40 ° C e L = 0,5  L _R .

Os seguintes fatores de aceleração do MIL-HDBK 217F são usados:

F _U = fator de aceleração de tensão, para U = 0,5  U _R é F _U = 0,1

F _T = fator de aceleração da temperatura, para T = 40 ° C é F _T = 0,1

F _R = fator de aceleração para a resistência em série R _V , com o mesmo valor é = 1

Segue-se

λ = F _Ta x F _U x F _T x F _R

λ = (0,001 / 1000 h) × 0,1 × 0,1 × 1 = 0,00001 / 1000 h = 1 • 10 ⁻⁹ / h = 1 FIT

Em 2015, os números publicados da taxa de falha para o polímero de tântalo, bem como para os capacitores de polímero de alumínio, estão na faixa de 0,5 a 20 FIT. Esses níveis de confiabilidade dentro da vida útil calculada são comparáveis ​​a outros componentes eletrônicos e alcançam uma operação segura por décadas em condições normais.

Vida, vida útil

O tempo de vida , a vida de serviço , a vida da carga ou da vida útil de condensadores electrolíticos é uma característica especial dos condensadores electrolíticos não sólidos, cujo electrólito líquido pode evaporar durante o tempo que leva a falhas de desgaste para fora. Os capacitores de tântalo sólidos com eletrólito MnO ₂ não têm mecanismo de desgaste, de modo que a taxa de falha constante, pelo menos até o ponto em que todos os capacitores falharam. Eles não têm uma especificação vitalícia, como tampas de alumínio não sólidas.

No entanto, os capacitores eletrolíticos de polímero de tântalo e alumínio de polímero têm uma especificação de tempo de vida. O eletrólito de polímero tem uma pequena deterioração da condutividade por um mecanismo de degradação térmica do polímero condutor. A condutividade elétrica diminui em função do tempo, de acordo com uma estrutura do tipo metal granular, em que o envelhecimento é devido ao encolhimento dos grãos do polímero condutor.

O tempo de funcionalidade dos capacitores (vida útil, vida de carga, vida útil) é testado com um teste de resistência de aceleração de tempo de acordo com IEC 60384-24 / -25 / -26 com tensão nominal na temperatura de categoria superior. As condições de teste para passar no teste são

• sem curto-circuito ou circuito aberto
• redução da capacitância em menos de 20%
• aumento de ESR, impedância ou fator de perda menor que fator de 2

Os limites especificados para falhas de degradação do capacitor de polímero são muito mais próximos do que para Al-e-caps não sólidos. Isso significa que o comportamento do tempo de vida dos e-caps de polímero é muito mais estável do que os Al-e-caps molhados.

A especificação de vida útil para capacitores de polímero é especificada em termos semelhantes aos Al-e-caps não sólidos com um tempo em horas na tensão e temperatura máximas, por exemplo: 2000h / 105 ° C. Este valor pode ser usado para uma estimativa de um tempo de vida operacional em condições individuais por uma fórmula chamada "regra dos 20 graus":

${\ displaystyle L_ {x} = L _ {\ text {Spec}} \ cdot 10 ^ {\ frac {T_ {0} -T_ {A}} {20}}}$

• L _x = tempo de vida a ser estimado
• L _Spec = tempo de vida especificado (vida útil, vida útil, vida útil)
• T ₀ = temperatura de categoria superior (° C)
• T _A = temperatura (° C) da caixa do e-cap ou temperatura ambiente perto do capacitor

Esta regra caracteriza a mudança da velocidade das reações do polímero térmico dentro dos limites de degradação especificados. De acordo com esta fórmula, a vida útil teórica esperada de um capacitor de polímero de 2.000 h / 105 ° C, que opera a 65 ° C, pode ser calculada (melhor estimada) com cerca de 200.000 horas ou aproximadamente 20 anos.

Para polímeros híbridos Al-e-caps, a regra dos 20 graus não se aplica. A expectativa de vida desses e-caps híbridos de polímero pode ser calculada usando a regra dos 10 graus . Para as condições acima, os e-caps com eletrólito líquido podem ter uma vida útil de 32.000 horas ou aproximadamente 3,7 anos.

Modos de falha, mecanismo de autocorreção e regras de aplicação

Cristalização de campo

Capacitores de polímero, de tântalo e alumínio, são confiáveis ​​no mesmo nível alto que outros componentes eletrônicos com taxas de falha muito baixas. No entanto, todos os capacitores eletrolíticos de tântalo, incluindo o polímero de tântalo, têm um modo de falha exclusivo denominado "cristalização de campo".

A cristalização em campo é a principal razão para a degradação e falhas catastróficas dos capacitores sólidos de tântalo. Mais de 90% das raras falhas dos Ta-e-caps atuais são causadas por curtos ou aumento da corrente de fuga devido a este modo de falha.

O filme de óxido extremamente fino de um capacitor eletrolítico de tântalo, a camada dielétrica, deve ser formado como uma estrutura amorfa. Mudar a estrutura amorfa em uma estrutura cristalizada aumenta a condutividade, supostamente em 1.000 vezes, e também aumenta o volume do óxido.

A cristalização de campo seguida por uma ruptura dielétrica é caracterizada por um aumento repentino na corrente de fuga, dentro de alguns milissegundos, de magnitude de nano ampere para magnitude de ampere em circuitos de baixa impedância. O aumento do fluxo de corrente pode ser acelerado como um “efeito avalanche” e espalhar-se rapidamente através do metal / óxido. Isso pode resultar em vários graus de destruição, variando de pequenas áreas queimadas no óxido a faixas queimadas em zigue-zague cobrindo grandes áreas do pellet ou oxidação completa do metal. Se a fonte de corrente for ilimitada, uma cristalização de campo pode causar um curto-circuito no capacitor . No entanto, se a fonte de corrente for limitada em MnO ₂ Ta-e-caps sólidos, ocorre um processo de autocura, oxidando MnO ₂ em Mn ₂ O ₃ isolante

No polímero Ta-e-caps, a combustão não é um risco. A cristalização de campo pode ocorrer, no entanto. Nesse caso, a camada de polímero é seletivamente aquecida e queimada pela crescente corrente de fuga, de forma que o ponto defeituoso é isolado. Como o material polimérico não fornece oxigênio, a corrente de fuga não pode acelerar. No entanto, a área defeituosa não contribui mais para a capacitância dos capacitores.

Autocura

As cápsulas de polímero Al-e exibem o mesmo mecanismo de autocura que as cápsulas de polímero Ta-e. Após a aplicação de uma tensão em pontos enfraquecidos no óxido, um caminho de corrente de fuga mais alto localizado é formado. Isso leva a um aquecimento local do polímero; em que o polímero oxida e se torna altamente resistivo - ou evapora. Além disso, os polímeros híbridos Al-e-caps mostram esse mecanismo de autocura. No entanto, o eletrólito líquido pode fluir para o local com defeito e pode fornecer oxigênio para formar um novo óxido dielétrico. Esta é a razão para valores de corrente de fuga relativamente baixos para capacitores de polímero híbrido.

Regras de aplicação

Os muitos tipos diferentes de capacitores eletrolíticos de polímero mostram diferenças no comportamento elétrico de longo prazo, seus modos de falha inerentes e seu mecanismo de autocura. Para garantir a operação de salvamento, os fabricantes recomendam diferentes regras de aplicação, orientadas sobre o tipo de comportamento, consulte a tabela a seguir:

Comportamento elétrico de longo prazo, modos de falha, mecanismo de autocura e regras de aplicação dos diferentes tipos de capacitores eletrolíticos

Tipo de capacitores eletrolíticos	Comportamento elétrico de longo prazo	Modos de falha	Mecanismo de autocura	Regras de aplicação
AL-e-caps "úmidos"	Secagem ao longo do tempo, diminui a capacitância, aumenta o ESR	Nenhum determinável único	Novo óxido formado pela aplicação de uma voltagem	Regra de cálculo da vida útil de 10 ° C
Polímero Al-e-caps	Deterioração da condutividade, aumenta ESR	Nenhum determinável único	Isolamento de falha dielétrica por oxidação ou evaporação de eletrólito	Regra de 20 ° C de cálculo de vida útil
MnO 2 Ta-e-caps	Estábulo	Cristalização de campo	Isolamento termicamente induzido de falhas no dielétrico por oxidação do eletrólito MnO 2 em isolante MnO 2 O 3 se a corrente for limitada	Desclassificação de tensão 50% Resistência da série 3 Ω / V
Ta-e-caps de polímero	Deterioração da condutividade, aumenta ESR	Cristalização de campo	Isolamento de falha dielétrica por oxidação ou evaporação de eletrólito	Desclassificação de tensão em 20%
Polímero híbrido Al-e-caps	Deterioração da condutividade, secagem ao longo do tempo, diminuição da capacitância, aumento do ESR	Nenhum determinável único	Novo óxido formado pela aplicação de uma voltagem	Regra de cálculo da vida útil de 10 ° C

Informações adicionais

Símbolo do capacitor

Símbolos de capacitores eletrolíticos

Capacitor eletrolítico	Capacitor eletrolítico	Capacitor eletrolítico

Marcação de polaridade

Marcação de polaridade para capacitores eletrolíticos de polímero

Capacitores retangulares de polímero, de tântalo e alumínio, têm uma marcação de polaridade no lado do ânodo ( positivo )	Capacitores de polímero cilíndricos têm uma marcação de polaridade no lado do cátodo ( menos )

Marcações impressas

Capacitores eletrolíticos de polímero, com espaço suficiente, têm marcações impressas para indicar

• nome do fabricante ou marca comercial;
• designação de tipo do fabricante;
• polaridade
• capacitância nominal;
• tolerância na capacitância nominal
• tensão nominal
• categoria climática ou temperatura nominal;
• ano e mês (ou semana) de fabricação;

Para capacitores muito pequenos, nenhuma marcação é possível.

O código das marcações varia de acordo com o fabricante.

estandardização

A padronização de componentes eletrônicos e tecnologias relacionadas segue as regras fornecidas pela International Electrotechnical Commission (IEC), uma organização não governamental de padrões internacionais sem fins lucrativos .

A definição das características e o procedimento dos métodos de teste para capacitores para uso em equipamentos eletrônicos estão estabelecidos na especificação genérica :

• IEC / EN 60384-1 - Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos

Os testes e requisitos a serem cumpridos por capacitores eletrolíticos de polímero de tântalo e alumínio de polímero para uso em equipamentos eletrônicos para aprovação como tipos padronizados são estabelecidos nas seguintes especificações seccionais :

• IEC / EN 60384-24— Capacitores eletrolíticos de tântalo fixos de montagem em superfície com eletrólito sólido de polímero condutor
• IEC / EN 60384-25— Capacitores eletrolíticos de alumínio fixos de montagem em superfície com eletrólito sólido de polímero condutor
• IEC / EN 60384-26— Capacitores eletrolíticos de alumínio fixos com eletrólito sólido de polímero condutor

Competição tecnológica

As características ESR e ESL dos capacitores eletrolíticos de polímero estão convergindo para as dos capacitores MLCC. Por outro lado, a capacitância específica dos capacitores Classe 2-MLCC está se aproximando dos capacitores de chip de tântalo. No entanto, além desta comparabilidade crescente, existem argumentos a favor ou contra certos tipos de capacitores. Muitos fabricantes de capacitores compõem esses argumentos cruciais de suas tecnologias contra a concorrência em apresentações e artigos, f. e .:

• E-caps de Al-Polymer contra MLCC: Panasonic
• MLCC contra polímero e e-caps "molhadas": Murata
• E-caps de Al-Polymer contra e-caps "molhadas": NCC, NIC
• E-caps de Ta-Polymer contra e-caps sólidas de Ta-MnO ₂ : Kemet

Fabricantes e produtos

Fabricantes de operação mundial de capacitores eletrolíticos de polímero e seu espectro de tipo

Fabricante	Capacitores de polímero de tântalo	Capacitores de polímero de alumínio
	SMD retangular	SMD retangular	SMD com chumbo cilíndrico , V-Chip	cilíndrico híbrido
AVX	X	-	-	-
CapXon	-	-	X	-
CDE Cornell Dubilier	X	-	-	X
Chinsan, (Elite)	-	-	X	-
Elna	-	-	X	-
Illinois	-	X	X	-
Jianghai	-	-	X	-
KEMET	X	X	X	-
Lelon	-	-	X	-
Matsuo	X	X	-	-
Murata	-	X	-	-
Nippon Chemi-Con	-	-	X	X
NIC	X	-	X	X
Nichicon	-	X	X	-
Panasonic	X	X	X	X
PolyCap	-	-	X
ROHM	X	-	-	-
Rubycon	-	X	-	-
Samsung	X	-	-	-
Samwha	-	-	-	X
Sun Electronic (Suncon)	-	-	-	X
Teapo / Luxon	-	-	X	-
Vishay	X	-	-	-
Würth Elektronik eiSos	-	X	X	-
Yageo	-	-	X

Em julho de 2016

Veja também

• Capacitor eletrolítico de alumínio
• Capacitor eletrolítico
• Capacitor de nióbio
• Capacitor eletrolítico SAL
• Capacitor de tântalo
• Tipos de capacitores

Referências

links externos