Capacitor
Guia de condensadores
Quais são as caraterísticas de impedância/frequência ESR dos condensadores?
Nesta coluna técnica são explicados os conceitos básicos dos condensadores.
A coluna de hoje descreve as caraterísticas de frequência da quantidade de impedância |Z| e da resistência equivalente em série (ESR) nos condensadores.
A compreensão das caraterísticas de frequência dos condensadores permite determinar, por exemplo, as capacidades de supressão de ruído ou as capacidades de controlo da flutuação de tensão de uma linha de alimentação. As caraterísticas de frequência são, portanto, parâmetros importantes e essenciais para o projeto de circuitos. Esta coluna descreve dois tipos de caraterísticas de frequência: impedância |Z| e ESR.
1. Caraterísticas de frequência dos condensadores
A impedância Z de um condensador ideal (Fig. 1) é representada pela fórmula (1), em que ω é a frequência angular e C é a capacitância eletrostática do condensador.
A partir da fórmula (1), a quantidade de impedância |Z| diminui inversamente com a frequência, como mostrado na Figura 2. Num condensador ideal, não há perdas e a resistência equivalente em série (ESR) é zero.
Nos condensadores reais (Fig. 3), no entanto, existe alguma resistência (ESR) por perda devido a substâncias dieléctricas, eléctrodos ou outros componentes, para além do componente de capacidade C e alguma indutância parasita (ESL) devido a eléctrodos, cabos e outros componentes. Como resultado, as caraterísticas de frequência de |Z| formam uma curva em forma de V (ou em forma de U, dependendo do tipo de condensador), como se mostra na Figura 4, e a ESR também apresenta caraterísticas de frequência para valores equivalentes à perda.
A razão pela qual |Z| e ESR formam curvas como as apresentadas na Figura 4 pode ser explicada da seguinte forma.
Região de baixa frequência:
|Z| em regiões de baixa frequência diminui inversamente com a frequência, semelhante ao condensador ideal. A ESR apresenta um valor equivalente à perda dieléctrica devido ao atraso da polarização na substância dieléctrica.
Perto do ponto de ressonância:
À medida que a frequência aumenta, a ESR resultante da indutância parasita, da resistividade do elétrodo e de outros factores faz com que o comportamento de |Z| se afaste do comportamento de um condensador ideal (linha vermelha quebrada) e atinja um valor mínimo. A frequência na qual |Z| atinge o valor mínimo é chamada de frequência auto-ressonante e, nesse momento, |Z|=ESR. Quando a freqüência auto-ressonante é ultrapassada, a caraterística do elemento muda de capacitor para indutor, e |Z| começa a aumentar. A região abaixo da freqüência auto-ressonante é chamada de região capacitiva e a região acima é chamada de região indutiva.
A ESR é afetada pela perda causada pelo elétrodo, para além da perda dieléctrica.
Região de alta frequência:
Em zonas de frequência ainda mais elevadas do que o ponto de ressonância, as caraterísticas de |Z| são determinadas pela indutância parasita (L). |Z| na região de alta frequência aproxima-se da fórmula (2) e aumenta proporcionalmente com a frequência.
Quanto à ESR, começam a aparecer os efeitos cutâneos dos eléctrodos, os efeitos de proximidade e outros efeitos.
O texto acima foi uma explicação das caraterísticas de frequência de um condensador real. O ponto principal a ter em conta é que, à medida que a frequência aumenta, a ESR e a ESL não podem ser ignoradas. Como há um número crescente de aplicações em que os condensadores são utilizados a altas frequências, a ESR e a ESL tornam-se um parâmetro importante que mostra o desempenho do condensador, para além dos valores da capacitância eletrostática.
2. Caraterísticas de frequência de diferentes tipos de condensadores
A secção anterior explicou que os componentes parasitas dos condensadores, como a ESR e a ESL, afectam grandemente as suas caraterísticas de frequência. Como os tipos de componentes parasitas variam consoante o tipo de condensador, vamos analisar as diferentes caraterísticas de frequência dos diferentes tipos de condensadores.
A Figura 5 mostra as caraterísticas de frequência |Z| e ESR de vários condensadores com uma capacitância eletrostática de 10 uF. Com exceção do condensador de película, todos os condensadores são do tipo SMD.
Como a capacitância eletrostática é de 10 uF em todos os condensadores apresentados na Figura 5, o valor de |Z| é o mesmo para todos os tipos na região capacitiva a frequências inferiores a 1 kHz. Acima de 1 kHz, os valores de |Z| aumentam muito mais no capacitor eletrolítico de alumínio e no capacitor eletrolítico de tântalo do que no capacitor cerâmico de multicamadas e no capacitor de filme. Isto deve-se ao facto de haver uma elevada resistividade do material eletrolítico e uma grande ESR no condensador eletrolítico de alumínio e no condensador eletrolítico de tântalo. O condensador de película e o condensador cerâmico multicamada utilizam materiais metálicos para os seus eléctrodos e, por conseguinte, apresentam uma ESR mínima.
O condensador cerâmico de multicamadas e o condensador de película com chumbo apresentam aproximadamente as mesmas caraterísticas até ao ponto de ressonância, mas a frequência auto-ressonante é mais elevada e |Z| na região indutiva é mais baixa no condensador cerâmico de multicamadas. Isto deve-se ao facto de, nos condensadores de película com chumbo, a indutância ser apenas tão grande como a devida ao fio de chumbo.
Estes resultados mostram que a impedância é pequena numa ampla banda de frequência nos condensadores cerâmicos multicamada do tipo SMD, tornando-os os condensadores mais adequados para aplicações de alta frequência.
3. Caraterísticas de frequência dos condensadores cerâmicos multicamadas
Existem também diferentes tipos de condensadores cerâmicos multicamada feitos de diferentes materiais e com diferentes formas. Vejamos como estes factores afectam as caraterísticas de frequência.
(1) ESR
A ESR na região capacitiva depende da perda dieléctrica causada pelo material dielétrico. Os materiais de alta constante dieléctrica da classe 2 tendem a ter níveis mais elevados de ESR, uma vez que utilizam materiais ferroeléctricos. Os materiais de compensação de temperatura de classe 1 utilizam materiais paraeléctricos, pelo que apresentam muito poucas perdas dieléctricas e têm níveis baixos de ESR.
Para além da resistividade do material do elétrodo, da forma do elétrodo (espessura, comprimento, largura) e do número de camadas, os níveis de ESR a altas frequências, desde o ponto de ressonância até à região indutiva, são também influenciados pelo efeito de pele e pelo efeito de proximidade. O Ni é frequentemente utilizado como material do elétrodo, mas o Cu, que tem baixa resistividade, é por vezes escolhido para condensadores de baixas perdas.
(2) ESL
A ESL dos condensadores cerâmicos multicamadas é fortemente afetada pela estrutura interna do elétrodo. Quando a dimensão do elétrodo interno é indicada como comprimento l, largura w e espessura d, a indutância ESL do elétrodo pode ser indicada pela fórmula (3), de acordo com F. W. Grover.
A partir desta fórmula, é evidente que a ESL diminui à medida que os eléctrodos do condensador se tornam mais curtos, mais largos e mais espessos.
A Figura 6 mostra a relação entre a capacidade nominal e a frequência auto-ressonante para diferentes tamanhos de condensadores cerâmicos multicamada. Pode ver-se que, à medida que o tamanho diminui, a frequência auto-ressonante aumenta e a ESL diminui para a mesma capacidade. Isto significa que os condensadores pequenos com um comprimento l curto são os mais adequados para aplicações de alta frequência.
A figura 7 mostra um condensador de inversão LW com um comprimento curto l e uma largura grande w. A partir das caraterísticas de frequência apresentadas na figura 8, pode ver-se que os condensadores de inversão LW têm uma impedância mais baixa e melhores caraterísticas do que um condensador convencional com a mesma capacidade. Utilizando condensadores de inversão LW, é possível obter o mesmo desempenho que os condensadores convencionais com um menor número de unidades. A redução do número de unidades permite reduzir os custos e o espaço de montagem.
4. Como obter dados sobre as caraterísticas de frequência
Embora os dados sobre as caraterísticas de frequência possam ser obtidos utilizando um analisador de impedância ou um analisador de rede vetorial, esses dados também estão agora disponíveis nos sítios Web dos fabricantes de peças.
A Figura 9 mostra uma vista de ecrã da ferramenta de design "SimSurfing" da Murata. As caraterísticas podem ser visualizadas introduzindo simplesmente o número do modelo e os itens que pretende verificar. Além disso, é possível descarregar listas de redes SPICE e dados S2P como dados para simulações. Não hesite em utilizá-los para a conceção de todos os tipos de circuitos electrónicos.
Seeherefor SimSurfing
Pessoa responsável: A.S., Unidade de Negócios de Componentes, Murata Manufacturing Co., Ltd.
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