Capacitor
Guia de condensadores
As caraterísticas de tensão da capacitância eletrostática
Saudações a todos.
Esta coluna técnica descreve os factos básicos sobre condensadores.
Esta lição descreve as caraterísticas de tensão da capacitância eletrostática.
Caraterísticas de tensão
O fenómeno em que o valor efetivo da capacitância de um condensador varia em função da tensão de corrente contínua (CC) ou de corrente alternada (CA) é designado por caraterísticas de tensão. Diz-se que os condensadores têm boas caraterísticas de tensão quando esta amplitude de variação é pequena, ou más caraterísticas de temperatura quando a amplitude de variação é grande. Ao utilizar condensadores em equipamento eletrónico utilizado para aplicações como a rejeição de ondulações em linhas de energia, o projeto deve ter em conta as condições de tensão de funcionamento.
1. Caraterística de polarização DC
A caraterística de polarização DC refere-se ao fenómeno em que a capacitância eletrostática efectiva muda (diminui) quando a tensão DC é aplicada a um condensador. Este fenómeno é peculiar aos condensadores cerâmicos multicamadas de elevada constante dieléctrica que utilizam ferroeléctricos à base de titanato de bário, e não ocorre de todo nos condensadores electrolíticos de alumínio de polímero condutor (Polímero Al), nos condensadores electrolíticos de tântalo de polímero condutor (Polímero Ta), nos condensadores de película (Película) e nos condensadores cerâmicos multicamadas de tipo compensador de temperatura que utilizam paraeléctricos à base de óxido de titânio ou zirconato de cálcio (MLCC<C0G>) (ver Figura 1).
Vou usar um exemplo para explicar o que realmente acontece. Imaginemos o caso em que é aplicada uma tensão contínua de 1,8 V a um condensador cerâmico multicamada de alta constante dieléctrica com uma tensão nominal de 6,3 V e uma capacidade eletrostática de 100 uF. Neste caso, a capacitância eletrostática de um produto com caraterísticas de temperatura X5R diminui em cerca de 10%, pelo que o valor efetivo da capacitância passa a ser 90 uF. Além disso, a capacitância eletrostática de um produto com caraterísticas Y5V diminui cerca de 40%, pelo que o valor da capacitância efectiva passa a ser de 60 uF.
Quando a tensão contínua é aplicada a um ferroelétrico à base de titanato de bário, a densidade do fluxo elétrico (D) e o campo elétrico (E) são proporcionais quando o campo elétrico é pequeno. No entanto, à medida que o campo elétrico aumenta, a polarização espontânea (Ps), que estava orientada em várias direcções, começa a reorganizar-se na direção do campo elétrico, o material apresenta uma constante dieléctrica extremamente elevada e o valor da capacitância efectiva aumenta. Quando o campo elétrico aumenta até ao ponto em que o rearranjo espontâneo da polarização termina e a polarização se torna saturada, a constante dieléctrica torna-se menor e o valor da capacitância efectiva diminui (ver Figura 2).
Por esta razão, quando se selecionam condensadores cerâmicos multicamada, a capacitância eletrostática indicada no catálogo não deve ser aceite sem questionar. Em vez disso, é necessário medir a capacitância eletrostática enquanto se aplica a componente de tensão CC da linha de alimentação (sinal) onde o condensador vai ser utilizado e compreender o valor da capacitância efectiva. No entanto, esta caraterística de polarização DC é tal que a quantidade de diminuição da capacitância eletrostática se torna menor à medida que a componente de tensão DC aplicada diminui. Recentemente, têm surgido pastilhas semicondutoras, como FPGA e ASIC, que funcionam com uma tensão de alimentação (tensão CC) inferior a 1 V, e as questões relacionadas com as caraterísticas de polarização CC não são tão perceptíveis para os condensadores cerâmicos multicamadas utilizados nas linhas de alimentação destas pastilhas semicondutoras.
2. Caraterística da tensão AC
A caraterística da tensão CA refere-se ao fenómeno em que a capacitância eletrostática efectiva se altera (aumenta ou diminui) quando a tensão CA é aplicada a um condensador. Tal como a caraterística de polarização DC, este fenómeno é peculiar aos condensadores cerâmicos multicamadas de elevada constante dieléctrica que utilizam ferroeléctricos à base de titanato de bário, e não ocorre de todo nos condensadores electrolíticos de polímero condutor de alumínio (Polímero Al), nos condensadores electrolíticos de polímero condutor de tântalo (Polímero Ta), nos condensadores de película (Película) e nos condensadores cerâmicos multicamadas de tipo compensador de temperatura que utilizam paraeléctricos à base de óxido de titânio ou zirconato de cálcio (MLCC<C0G>) (ver figura 3).
Por exemplo, imagine-se o caso em que é aplicada uma tensão alternada (frequência: 120 Hz) de 0,2 Vrms a um condensador cerâmico multicamadas de tipo constante dielétrico elevado com uma tensão nominal de 6,3 V e uma capacidade eletrostática de 22 uF. Neste caso, a capacitância eletrostática de um produto com caraterísticas de temperatura X5R diminui em cerca de 10%, pelo que o valor efetivo da capacitância passa a ser de 20 uF. Além disso, a capacitância eletrostática de um produto com caraterísticas Y5V diminui cerca de 20%, pelo que o valor da capacitância efectiva passa a ser 18 uF.
Como descrito acima, os grãos das cerâmicas ferroeléctricas têm domínios e a polarização espontânea (Ps) de cada domínio está orientada aleatoriamente, o que é equivalente ao estado sem polarização global. Quando um campo elétrico (E) é aplicado a uma cerâmica ferroeléctrica neste estado, a polarização alinha-se na direção do campo elétrico e atinge o valor de saturação. Mesmo quando o campo elétrico é removido deste estado, a direção da polarização não regressa ao estado aleatório original, mas permanece parcialmente no estado polarizado, o que aparece externamente como polarização residual. Para que esta polarização residual volte a 0 (zero) é necessário um campo elétrico com o sentido oposto. Além disso, quando o campo elétrico inverso é reforçado ainda mais, ocorre a inversão da polarização e o material é polarizado na direção oposta. Desta forma, o comportamento de polarização dos ferroeléctricos devido a um campo elétrico externo desenha uma curva de histerese D-E como a mostrada na Figura 4.
A corrente que flui para um condensador ferroelétrico sob condições de tensão CA elevada sofre uma grande distorção na forma de onda, pelo que a definição de materiais lineares (*1) não pode ser aplicada na íntegra. No entanto, pode dizer-se com segurança que a constante dieléctrica (εr) obtida a partir do valor da capacitância efectiva é aproximadamente equivalente ao declive médio da curva de histerese (as linhas rectas indicadas por linhas tracejadas na Figura 4).
*1Material linear: Um material que apresenta caraterísticas lineares de tensão-deformação; isto é, caraterísticas do material em que a tensão σ é proporcional à deformação ε.
A próxima lição descreverá as caraterísticas de frequência da capacitância eletrostática.
Até à próxima!
Pessoa responsável：Zakipedia, Unidade de Negócio de Componentes, Murata Manufacturing Co., Ltd.
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