Guia sobre Dielétricos de Capacitores Cerâmicos e Outros Tipos

Os capacitores formam uma parte importante da maioria dos circuitos eletrônicos. Mas o que eles realmente fazem, e o que os faz funcionar dessa forma? São dispositivos passivos que armazenam energia potencial elétrica como uma voltagem entre dois condutores carregados que são separados por um dielétrico isolante. O material dielétrico isolante restringe a corrente contínua e permite que a corrente alternada induza uma corrente de deslocamento através das duas placas, mediada pela polarização na presença de uma voltagem aplicada. Esses componentes encontram seu caminho em tudo, desde redes de filtros analógicos até fontes de alimentação e componentes digitais de alta velocidade.

O que ajuda os capacitores a alcançar a função que se destinam a desempenhar? A força do campo elétrico no dielétrico do capacitor determina como a corrente de deslocamento surge através do dispositivo, assim podemos categorizar os capacitores com base em seu dielétrico isolante. Neste artigo, discutimos a categorização dos dielétricos de capacitores, incluindo uma seção dedicada aos dielétricos de capacitores cerâmicos.

Dielétricos Comuns de Capacitores

Existem vários tipos de dielétricos de capacitores, cada um disponível em uma variedade de tamanhos de pacotes. Alguns materiais geralmente têm uma constante dielétrica muito maior do que outros, e podem ser considerados como tendo uma maior "densidade de capacitância", o que significa que fornecem uma maior capacitância em pacotes menores. Designers que já olharam por dentro de uma fonte de alimentação provavelmente viram grandes pacotes de capacitores radiais que ficam verticalmente na placa; estes são capacitores eletrolíticos, e eles requerem embalagens desse tamanho para fornecer tais altos valores de capacitância.

Outros dielétricos de capacitores têm outras vantagens além de fornecer uma alta densidade de capacitância. Eles podem ter uma classificação de tensão de ruptura muito alta, podem ser muito úteis para AC, pois não requerem uma polaridade específica, ou podem ter um coeficiente de temperatura muito baixo, o que os torna uma opção melhor para aplicações de precisão. Esta é uma razão pela qual as fichas técnicas e notas de aplicação recomendam selecionar capacitores com base em seu material dielétrico em vez de com base em um valor de capacitância real. Nessas aplicações, o valor do capacitor pode importar menos do que as vantagens específicas do material dielétrico do capacitor em si. Mantenha isso em mente quando você vir recomendações de capacitores em fichas técnicas ou notas de aplicação.

Tipos de Dielétricos de Capacitores

Cerâmicos

A capacitância dos dielétricos de capacitores cerâmicos é afetada pela temperatura e pela tensão aplicada. Eles também apresentam valores mais baixos de corrente de fuga DC e menor resistência equivalente em série (ESR). Os capacitores cerâmicos tendem a ser não polares e, portanto, podem ter qualquer orientação em um layout de PCB; essa é uma das razões pelas quais são preferidos em aplicações de alta frequência AC e de potência. No entanto, seu baixo ESR pode permitir transientes fortes em sistemas de potência, algo que poderia ser evitado com um capacitor de ESR controlado.

Os capacitores cerâmicos são feitos revestindo dois lados de um pequeno disco cerâmico com um filme metálico (como prata) e, em seguida, empilhando-os juntos na embalagem do capacitor. Um único disco cerâmico de cerca de 3-6 mm pode ser usado para alcançar uma capacitância muito baixa. A constante dielétrica (Dk) dos dielétricos de capacitores cerâmicos é muito alta, então uma capacitância relativamente alta pode ser obtida em embalagens pequenas.

Diéletricos eletrolíticos (ou seja, tântalo, alumínio, etc.) ou de óxido

Esses capacitores são usados em circuitos onde a capacitância requerida é muito alta. Aqui, uma solução eletrolítica semi-líquida na forma de uma geleia ou pasta é usada como substituto de uma camada muito fina de filme metálico que serve como cátodo. Eles são mais estáveis em termos de capacitância (por exemplo, tolerâncias mais apertadas e variação de temperatura), e são mais estáveis em alta tensão. Eles têm ESRs mais altos do que os capacitores cerâmicos e são não polarizados.

Filme Plástico

Os dielétricos desses capacitores tendem a ter um valor de Dk mais baixo e, portanto, um tamanho muito maior, mas são muito úteis em circuitos de alta frequência. Os capacitores de filme são o tipo de capacitor mais comumente disponível, envolvendo uma família relativamente grande de capacitores com várias características dielétricas. Portanto, pode haver uma ampla gama de especificações de material para esses capacitores.

Substratos de PCB

Tecnicamente, um PCB é um grande capacitor sempre que contém grandes camadas planas adjacentes. Planos em um PCB podem fornecer cerca de 50 pF/sq. in. de capacitância com ESL muito baixo, é por isso que capacitores planos são frequentemente a forma mais eficaz de capacitor que você pode usar para desacoplar transientes induzidos pelo pacote na PDN de um PCB de alta velocidade.

Diéletricos de Capacitores Cerâmicos e sua Categorização Baseada em Resistência

A classe de um capacitor cerâmico depende de sua força dielétrica, que determina a tensão de ruptura no dielétrico do capacitor.

• Classe 1: Os capacitores cerâmicos de Classe 1 são comumente feitos a partir de aditivos de materiais de óxido de Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co e Sr. Esses capacitores seriam escolhidos em aplicações que requerem um circuito de CA que seja relativamente insensível a mudanças de temperatura. Um exemplo seria em circuitos ressonantes como filtros ou redes de casamento onde um produto precisa ter alta precisão em condições operacionais severas.
• Classe 2: Esses capacitores cerâmicos são feitos a partir de um material dielétrico base de titanato de bário, que é sensível à temperatura. Esses capacitores cerâmicos têm alta densidade de capacitância, ou seja, você pode alcançar uma alta capacitância em um pequeno volume. Em geral, os capacitores cerâmicos de Classe 2 são usados para aplicações de suavização, bypass, acoplamento e desacoplamento.
• Classe 3: Este grupo de dielétricos de capacitores cerâmicos fornece alta capacitância em comparação com os materiais cerâmicos de Classe 2. Os capacitores de Classe 3 são considerados obsoletos e não são mais padronizados pela IEC. Os modernos capacitores cerâmicos multicamada de Classe 2 podem oferecer maiores capacitâncias com melhor estabilidade e precisão mais apertada em um pacote mais compacto.

Observe que as definições acima são padronizadas na IEC/EN 60384-1 e IEC/EN 60384-8/9/21/22. A EIA tem seu próprio conjunto de definições com quatro classes de dielétricos de capacitores cerâmicos. Cada classe é denotada com um numeral romano, então tenha isso em mente se você ver páginas de produtos que definem um capacitor como Classe 3 versus Classe III; essas designações não são equivalentes.

Sistema de Codificação de Capacitores

Existe um sistema de codificação alfanumérico de três caracteres usado para designar capacitores cerâmicos, com o sistema dependendo da classe de cerâmica. Marcas de código adicionais na caixa de um capacitor podem indicar a tensão de operação nominal, tolerâncias e coeficiente de temperatura.

Como exemplo, os capacitores cerâmicos de classe 2 são categorizados pelos seus limites de temperatura de operação e a sensibilidade da capacitância a mudanças de temperatura. O valor da sensibilidade é avaliado dentro dos limites de temperatura superior e inferior e não é garantido fora desses limites. Note que esses códigos não são nomes dados aos materiais dielétricos de capacitores cerâmicos. Compostos cerâmicos podem ser um nome de produto proprietário ou um nome de composto químico. Em vez disso, esses códigos são usados para combinar uma área de aplicação a um nível de tolerância requerido.
A tabela abaixo mostra os caracteres no código de nomeação de 3 caracteres para capacitores cerâmicos Classe 2 (X5R, X7R, etc.).

Como Encontrar Capacitores Com Dielétricos Específicos

Se você está procurando por capacitores com dielétrico eletrolítico, plástico ou até mesmo poliéster, você pode simplesmente procurá-los nas ferramentas da biblioteca de peças de PCB. Um serviço como Octopart pode mostrar várias opções com dielétricos específicos, tamanhos de caixa, estilos de montagem, etc. Existem alguns pontos principais a considerar ao selecionar dielétricos:

• Capacitância e coeficiente de temperatura: Ambos os pontos devem ser considerados juntos ao fazer uma busca de componente baseada em dielétrico.
• Tolerâncias: Isso não é o mesmo que o coeficiente de temperatura; é a variação em torno do valor de capacitância nominal (assim como em outros passivos).
• Vida útil: Os dielétricos dos capacitores têm uma limitação de vida útil, onde a capacitância diminuirá lentamente ao longo do tempo e eventualmente mudará além do limite definido pelo nível de tolerância do dispositivo.
• Parasitas: ESL e ESR são importantes para aplicações de alta frequência, em algumas aplicações de potência envolvendo comutação rápida, ou integridade de potência para sistemas digitais.
• Tamanho da caixa: Para capacitores chip e eletrolíticos radiais/axiais, caixas maiores proporcionam maiores capacitâncias. Estes podem seguir uma designação padrão, como os códigos de caixa SMD para capacitores chip. Caixas menores terão tamanhos de pad menores, e, portanto, menor ESL.

Para capacitores cerâmicos, dentre essas especificações básicas, apenas os pontos 1 e 2 são padronizados com base no código de nomeação de 3 caracteres. Se você sabe que um código específico funcionará na sua aplicação, então você pode procurar por código. Outros tipos de capacitores não possuem o mesmo tipo de sistema de nomeação padronizado que os cerâmicos, então você pode não encontrar os eletrolíticos de que precisa se começar a procurar apenas por letras de codificação.

Finalmente, para aplicações de potência, a tensão de ruptura é importante. Note que os dielétricos dos capacitores são caracterizados em termos de sua força dielétrica, que é a intensidade do campo elétrico necessária para romper o dielétrico. A tensão de ruptura é específica do dispositivo e será a especificação importante ao projetar sistemas de potência. Não se esqueça de considerar essa especificação ao projetar para uma fonte de alimentação, e certifique-se de verificar se a classificação se aplica a tensão AC ou DC; este é um erro comum que pode fazer seu sistema falhar!

Seja você um fornecedor de energia ou um dispositivo sem fio, precisará incluir capacitores e talvez precise selecioná-los com base no dielétrico do capacitor. Quando encontrar os capacitores necessários para o seu projeto, utilize as ferramentas de design de PCB no CircuitMaker para preparar seus esquemáticos e o layout do seu PCB. Todos os usuários do CircuitMaker podem criar esquemáticos, layouts de PCB e documentação de fabricação necessários para mover um design da ideia para a produção. Os usuários também têm acesso a um espaço de trabalho pessoal na plataforma Altium 365™, onde podem fazer upload e armazenar dados de design na nuvem, e visualizar projetos facilmente através de um navegador web em uma plataforma segura.

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