7.5

Tipos de Condensadores

Os condensadores discretos podem ser fixos ou variáveis. A capacidade dos condensadores fixos é pré-estabelecida durante o processo de fabrico, garantindo-se em geral uma determinada precisão no seu valor nominal. Já a capacidade dos condensadores variáveis pode ser alterada ou ajustada pelo utilizador em função das suas necessidades, sendo em geral utilizados na sintonia fina de circuitos. Os mecanismos de ajuste da capacidade eléctrica são basicamente a variação das propriedades do dieléctrico, da superfície e da distância entre placas.

No que respeita ao material do dieléctrico e dos eléctrodos, é comum encontrarem-se no mercado as seguintes variedades de condensadores: dieléctrico de mica, papel, plástico, cerâmica, e electrolíticos de alumínio ou de tântalo (líquido ou sólido), e eléctrodos de metal depositado ou em folha, tipicamente de alumínio, de cobre ou de prata. Cada alternativa apresenta vantagens e inconvenientes, designadamente no que respeita à gama de valores nominais comercializados, à tolerância, tensão máxima de trabalho, coeficiente de temperatura, linearidade, resistência do dieléctrico, indutância parasita e respectivo comportamento em frequência. A escolha do tipo de condensador adequado para cada aplicação pode determinar a qualidade do desempenho de um circuito.

7.5.1 Condensadores de Mica

Os condensadores de mica são constituídos por um dieléctrico deste material interposto entre duas placas de um material bom condutor (Figura 7.12.a). As placas de metal e de mica são empilhadas e intercaladas umas nas outras (b), constituindo as folhas de metal pares e ímpares da pilha um e outro dos eléctrodos. Os eléctrodos são em geral folhas de alumínio coladas sobre o dieléctrico, ou simplesmente um banho de prata depositado sobre a superfície do mesmo. Os condensadores de mica são vulgarmente encapsulados num invólucro de plástico moldado, o que confere resistência mecânica ao componente e isola os eléctrodos do contacto com o exterior. É comum os condensadores de mica existirem em gamas compreendidas entre o picofarad e as dezenas de nanofarad, apresentarem tolerâncias relativamente baixas (0.5 a 1%) e suportarem tensões na gama compreendida entre os 100 V e as várias dezenas de milhar de volt. Em geral, os condensadores de mica apresentam excelentes características técnicas, designadamente no que respeita à estabilidade com a temperatura (~100 ppm/ºK) e à resistência de isolamento (vários GW), sendo vulgarmente utilizados em aplicações de rádio-frequência.

Figura 7.12 Aspectos tecnológicos da construção de um condensador de mica

7.5.2 Condensadores de Película ou Folha

Os condensadores de película consistem em pilhas de folhas de material dieléctrico intercaladas por eléctrodos metálicos. Os materiais dieléctricos mais utilizados são o papel, o poliester, o policarbonato, o polistireno, o polipropileno e o poliphenilenesulfito, cada um deles visando uma gama de aplicações muito bem definida. Por exemplo, os condensadores com dieléctrico de poliester são recomendados para aplicações gerais de baixa tensão e frequência (acoplamento capacitivo, acumulação de carga, supressão de interferências, filtragem, temporização, etc.), ao passo que os de policarbonato são utilizados em aplicações automóveis, portanto em ambientes de elevada temperatura, existindo no entanto também versões para aplicações de filtragem, circuitos amostradores e retentores, etc. Os condensadores de poliphenilenesulfito são geralmente utilizados em montagem superficial (SMD, não encapsulados), em aplicações de sintonia de equipamentos de telecomunicações, os de papel são utilizados na supressão de interferências nas redes de distribuição de energia eléctrica, os de polipropileno utilizam-se em aplicações de alta frequência e tensão, etc. Os condensadores de película existem em gamas de valores nominais muito variadas, por exemplo entre as centenas de picofarad e as dezenas de microfarad, para tolerâncias compreendidas entre 1 e 20%, e para tensões máximas na gama das dezenas, passando pelas centenas e até ao milhar de volt.

7.5.3 Condensadores Cerâmicos

Os condensadores cerâmicos são construídos a partir da deposição ou colagem de um metal bom condutor sobre uma cerâmica de elevada constante dieléctrica. Os condensadores de placa são constituídos por uma folha cerâmica em cuja superfície se encontram colados os eléctrodos, em geral de cobre ou de prata, enquanto os condensadores multicamada são formados por sucessivas folhas de material cerâmico em cuja superfície se encontra depositado um metal bom condutor, tipicamente o paládio ou a platina (Figura 7.13.) Os condensadores multicamada destinam-se em geral a aplicações de montagem superficial, apresentando por isso dimensões típicas da ordem do milímetro.

Figura 7.13 Condensadores cerâmicos: de placa (a) e multi-camada (b)

É comum distinguirem-se duas classes de condensadores cerâmicos:

(i) condensadores da classe-1, com constantes dieléctricas relativamente baixas (algumas unidades a centenas) mas de boa qualidade, designadamente no que respeita à resistência do dieléctrico e à dependência da capacidade com a temperatura (utilizados essencialmente na construção de osciladores e filtros);

(ii) condensadores da classe-2, de elevada constante dieléctrica (algumas centenas a milhares de unidades) mas de piores características técnicas e utilizados essencialmente em aplicações gerais de acoplamento de sinais.

A título de exemplo, a empresa Philips comercializa condensadores cerâmicos de placas e multi-camada cujas constantes dieléctricas são e_r>2000, 5000 ou 14000, da classe-2, e e_r=6~250 da classe-1. Por exemplo, os condensadores da classe-2 apresentam valores nominais compreendidos entre as décimas do picofarad e o microfarad, tolerâncias compreendidas entre os -20 e os 80%, e tensões máximas de trabalho entre 63 e 500 V. Por outro lado, os condensadores da classe-1 cobrem a gama de capacidades compreendidas entre 0.47 e 270 pF, suportam tensões máximas típicas de 100 ou 500 V, e apresentam tolerâncias relativamente baixas, tipicamente 2%. Convém ainda salientar o facto de existirem condensadores cerâmicos para aplicações gerais de baixa frequência (receptores TV, gravadores vídeo, etc.) e para microondas (comunicações via satélite, telefone móvel, etc.).

7.5.4 Condensadores Electrolíticos

Existem dois tipos principais de condensadores electrolíticos: de alumínio e de tântalo, em ambos os casos nas variantes sólida e líquida. Os condensadores electrolíticos baseiam o seu princípio de funcionamento na criação de um dieléctrico de espessura micrométrica directamente na superfície de contacto entre dois materiais condutores. Por exemplo, os condensadores electrolíticos de alumínio líquido são construídos a partir de um conjunto de folhas de alumínio enroladas e intercaladas com um papel fino, absorvente e banhado num electrólito. O conjunto electrólito-alumínio é inicialmente um bom condutor, propriedade que sofre alteração após a aplicação de uma tensão entre o terminal de alumínio e o electrólito. A aplicação de uma tensão constante entre as duas placas do condensador conduz à formação de uma finíssima camada de óxido de alumínio na superfície de contacto entre o alumínio e o electrólito (de aproximadamente 0.1 mm de espessura), processo durante o qual a função do electrólito consiste basicamente em fornecer oxigénio para a reacção química em curso. É a camada de óxido de alumínio criada na superfície de contacto entre o alumínio e o electrólito que constitui o dieléctrico do condensador.

Os condensadores electrolíticos são componentes cujos terminais são geralmente polarizados (hoje em dia existem condensadores electrolíticos não polarizados). Para além do valor nominal da capacidade e da tensão máxima de trabalho, os condensadores electrolíticos contêm na superfície externa uma indicação do terminal positivo (ou negativo) da tensão. As condições de funcionamento devem garantir sempre uma tensão positiva entre os terminais positivo e negativo do condensador. Aplicação de uma tensão negativa pode conduzir à degradação irreversível das suas propriedades, podendo mesmo explodir. Os condensadores electrolíticos apresentam valores de capacidade geralmente elevados, tipicamente entre as décimas do microfarad e do farad, reduzidas tensões máximas de trabalho, geralmente inferior a 100 V, resistência de isolamento do dieléctrico da ordem dos MW (que é um valor baixo), tolerâncias elevadas (podendo mesmo atingir 100%) e coeficientes de temperatura relativamente elevados.

Os condensadores de tântalo, tal como os electrolíticos de alumínio, baseiam o seu funcionamento no crescimento de um dieléctrico de óxido fino entre um material condutor e um electrólito. Estes condensadores são construídos a partir de um pó de tântalo comprimido e aquecido de modo a formar um bloco de material de elevada porosidade. O material é posteriormente imerso numa solução ácida, que conduz à formação de uma fina película de óxido de manganésio envolvente da elevada superfície de contacto. Seguidamente, adiciona-se um electrólito que estabelece o contacto negativo do condensador. Estes condensadores são componentes polarizados, característica geralmente indicada na cápsula do mesmo através de um conjunto de sinais.

Apesar de existirem condensadores da tântalo de elevada capacidade, tipicamente entre 2.2 e 100 mF, estes apresentam dimensões relativamente pequenas quando comparadas com as dos condensadores electrolíticos de alumínio. As características técnicas são bastante semelhantes às dos condensadores de alumínio, nomeadamente algumas dezenas de volt de máxima tensão de trabalho, tolerâncias que podem atingir 50%, coeficientes de temperatura superiores ao milhar de p.p.m./ºK, e resistência de isolamento do dieléctrico de apenas alguns MW.

Os condensadores electrolíticos são utilizados em variadíssimas aplicações: fontes de alimentação, equipamento industrial, de telecomunicações e automóvel (motores), acoplamento, filtragem, temporizadores, etc.

7.5.5 Condensadores Híbridos

Os condensadores de filme espesso e de filme fino são utilizados na realização de circuitos híbridos discreto-integrados. Estes condensadores são construídos por deposição de uma película de material dieléctrico entre dois eléctrodos condutores, tudo sobre um substrato isolante de alumina, magnesia, quartzo, vidro ou safira. Os materiais dieléctricos mais utilizados são o titanato de bário (e_r=1000~3000), os titanatos de magnésio e de zinco, o óxido de titânio (e_r=12~160), no caso dos condensadores de filme espesso; e monóxido de silício, o dióxido de silício, o pentóxido de tântalo (e_r=4~25), no caso dos de filme fino. Em face das aplicações a que se destinam estes condensadores são de dimensão relativamente reduzida, da ordem do milímetro.

7.5.6 Condensadores Variáveis

A capacidade de um condensador pode ser alterada por intermédio de dois mecanismos básicos: variação da espessura do dieléctrico; ou deslocamento da superfície das placas frente a frente. Os condensadores variáveis são utilizados no ajuste fino do desempenho dos circuitos, tipicamente processado pelo fabricante durante a fase de teste, e na sintonia dos circuitos. Os condensadores de ajuste fino são vulgarmente designados por trimmers, podendo ser de pressão, de disco, tubulares ou de placas. Os trimmers são geralmente de relativa pequena capacidade, da ordem das unidades às dezenas de picofarad, e cobrem tipicamente uma gama 1 a 10 do seu valor nominal. Na Figura 7.14 ilustram-se alguns condensadores variáveis actualmente existentes no mercado.

Figura 7.14 Alguns condensadores do tipo discreto actualmente disponíveis

7.5.7 Características Técnicas dos Condensadores

A utilização de condensadores em circuitos cuja qualidade e precisão do desempenho são factor primordial, deve ser acompanhada de precauções no que respeita às características técnicas:

(i) a gama de capacidades coberta;

(ii) a tolerância do valor nominal;

(iii) a tensão máxima de trabalho, cuja superação pode conduzir à destruição do condensador por perfuração do dieléctrico e ao estabelecimento de um curto-circuito entre os eléctrodos;

(iv) a corrente de fugas pelo dieléctrico, também especificada através da resistência de isolamento do mesmo;

(v) os efeitos da temperatura, designadamente o coeficiente de temperatura e a gama de temperaturas de trabalho recomendada;

(vi) a indutância parasita e a respectiva frequência de ressonância;

(vii) a resistência dos terminais de acesso às placas;

(viii) a polarização ou não das placas, como sucede com os condensadores electrolíticos.

Em geral, este tipo de informação (e muito mais) encontra-se explicitada nos catálogos dos componentes, sob a forma de tabelas ou de gráficos.

Figura 7.15 Código de identificação do valor nominal da capacidade e da tensão máxima de trabalho de um condensador electrolítico de tântalo sólido (Philips)

7.5.8 Códigos de Identificação de Condensadores

É comum o valor nominal e algumas características técnicas dos condensadores serem impressos no invólucro, mediante um código de letras, cores ou simplesmente de símbolos geométricos. No caso dos condensadores electrolíticos de alumínio, de dimensões relativamente elevadas, é comum encontrar-se impresso em algarismos e símbolos convencionais tanto o valor nominal da capacidade, como a tensão máxima de trabalho e a polaridade dos terminais. Já os condensadores cerâmicos, de tântalo, poliester, etc., cujas dimensões são bastante reduzidas, é comum encontrar-se as características técnicas impressas com base em códigos de letras, números ou cores. Na Figura 7.15 apresenta-se um condensador electrolítico de tântalo sólido cujos valores nominais da capacidade e da tensão máxima de trabalho são impressos com base num código de cores, bandas e símbolos geométricos.