Reduza o tamanho da placa e o tempo de colocação no mercado, usando capacitores americanos de alta capacidade e ultrafinos

Os engenheiros de projeto de hardware estão sempre buscando oportunidades para reduzir o custo, tamanho e peso dos componentes, ao mesmo tempo em que atendem ou excedem as metas de eficiência e confiabilidade dos componentes e sistemas. Um dos componentes mais comuns e críticos para otimização são os capacitores montados em placas de circuito impresso devido ao seu uso a granel e amplo. A confiabilidade também deve ser uma consideração ao selecionar um capacitor, devido a sua suscetibilidade a vazamentos e degradação da capacidade ao longo do tempo, quando sujeito a extremos de temperatura. Esta degradação pode resultar em mau funcionamento e intermitência do circuito, comprometendo a eficiência e a confiabilidade do sistema.

Enquanto os fornecedores de capacitores continuam a melhorar os projetos para aumentar a densidade de energia, confiabilidade e peso, a peça ideal para uma aplicação pode não estar disponível devido aos longos tempos de espera causados por problemas na cadeia de suprimentos.

Este artigo discute o papel dos capacitores de filtro e de armazenamento a granel. Ele mostra como um único capacitor pode substituir outros tipos de capacitores, tais como um conjunto de capacitores de montagem em superfície, resultando em menos componentes de placa e interconexões de circuitos, melhorando a confiabilidade geral do circuito. Ao longo do caminho, ele introduz capacitores eletrolíticos de alumínio de alta confiabilidade da Cornell Dubilier Electronics que têm a dupla vantagem de um perfil fino e uma densidade de energia muito alta. Como os capacitores são fabricados nos EUA e estão disponíveis para remessa rápida para instalações de produção norte-americanas, os capacitores também podem proporcionar um caminho para temos de espera mais curtos.

Confiabilidade de capacitores montados em placas

A vida útil de um capacitor eletrolítico é determinada pela taxa de degradação eletroquímica de sua estrutura interna ao longo do tempo. Como esta degradação é previsível sob condições típicas de operação, a vida útil funcional de um capacitor pode ser facilmente calculada pelo fabricante. A confiabilidade de um capacitor é uma medida de quão próxima a vida real de um capacitor corresponde à sua vida útil esperada, diante de variações de construção ou exposição a condições extremas.

Embora a vida útil dos capacitores grandes e pequenos é aproximadamente a mesma, os capacitores menores são mais confiáveis, pois há menos área de superfície entre as superfícies do ânodo e do cátodo. Quanto maior o capacitor, mais confiabilidade é um fator na sua seleção, bem como a disponibilidade. Conforme descrito neste artigo, existem problemas na cadeia de suprimentos dos componentes eletrônicos, incluindo atrasos para muitas remessas internacionais. Por esse motivo, a disponibilidade e o tempo de espera tornaram-se critérios críticos para a seleção de componentes eletrônicos.

Os capacitores não estão sujeitos às otimizações comuns de tamanho a muitos semicondutores, na medida em que o tamanho de um capacitor não pode ser reduzido por retração para uma geometria de processo menor. Devido à física do projeto do capacitor, quanto maior o dimensionamento em Farads (F), maior a área de superfície entre o ânodo e o cátodo, daí seu maior tamanho físico. Os capacitores de montagem vertical, também chamados de chips em V, são opções populares de invólucros para poupar bens da placa, sendo o compromisso um perfil de placa mais alto e menos folga que pode afetar as escolhas de invólucros dos componentes próximos.

A posição de montagem de um grande capacitor eletrolítico de alumínio também pode afetar a confiabilidade. Grandes capacitores podem ficar quentes e exigir fluxo de ar ou até mesmo dissipador térmico sob algumas condições. A tensão CC aplicada, a corrente de ondulação e as temperaturas ambientes extremas encurtam sua vida operacional devido ao desvio paramétrico. Normalmente, a resistência efetiva em série (ESR) de um capacitor é o primeiro parâmetro a se desviar das especificações da ficha técnica. Conforme a ESR se eleva, o capacitor vai ficando progressivamente mais quente. No final das contas, ela falha quando opera tão quente que sua estrutura interna se rompe, e o ânodo e o cátodo entram em curto efetivamente. Em casos muito raros, o calor seca o capacitor e este se torna um circuito aberto.

A degradação do capacitor em um sistema pode primeiro aparecer como falhas aleatórias, que rapidamente se transforma em falha do sistema quando o capacitor entra em curto. Este problema é intensificado para bancos de capacitores conectados em série ou em paralelo; se um capacitor falhar, o banco inteiro falha. Os bancos de capacitores reduzem a confiabilidade do sistema, porque a taxa de falha do banco é a taxa de falha de um capacitor multiplicada pelo número de capacitores no banco. Por este motivo, os bancos de capacitores são desencorajados em projetos de alta confiabilidade em favor de um grande capacitor.

Capacitores de alta confiabilidade e alta densidade

Para aplicações com limitações de espaço e alta confiabilidade, a Cornell Dubilier fornece os capacitores eletrolíticos de alumínio THA e THAS Thinpack. Projetados para uma densidade de energia muito alta com um invólucro fino e de perfil baixo, os capacitores têm uma carcaça soldada a laser que envolve o capacitor eletrolítico para evitar vazamentos. Esta solda a laser elimina a necessidade de grandes juntas de vedação, que são amplamente utilizadas para selar as extremidades da maioria dos capacitores eletrolíticos. Uma válvula na carcaça permite a ventilação de gás, aliviando a pressão interna, o que reduz o inchaço. A linha THA tem 8,2 milímetros (mm) de espessura e a linha THAS tem 9 milímetros (mm) de espessura. O projeto dos capacitores THA e THAS garante 5.000 horas de operação a 85 °C e 105 °C, respectivamente. Eles têm uma densidade de energia de 0,9 Joules por centímetro cúbico (J/cm³).

Para muitas aplicações de filtragem e controle de motores, os projetistas podem usar o capacitor de 130 microfarad (µF) da série THAS THAS131M450AD0C (Figura 1). O capacitor tem 66,5 mm de comprimento e apenas 25,4 mm de largura. Como mencionado, os capacitores da série THAS têm apenas 9 mm de espessura, portanto, quando assentados, permitem um perfil muito baixo da placa de circuito impresso. Dimensionada para 450 volts, a série é adequada para aplicações de controle de motores e fontes de alimentação compactas. Como a série é tão fina, ela também é apropriada para laptops ou eletrônicos similares de perfil baixo, onde o espaço livre para componentes é severamente limitado. O capacitor também pode ser montado verticalmente em uma placa de circuito impresso para economizar espaço, em comparação com capacitores similares.

Figura 1: O capacitor de130 µF THAS131M450AD0C é dimensionado para 450 volts e tem apenas 9 mm de espessura, tornando-o adequado para aplicações de controle de motores e placas de circuito impresso de perfil baixo. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier)

A 130 µF, o THAS131M450AD0C pode ser usado para substituir bancos de capacitores menores para melhorar a confiabilidade. A ESR do THAS131M450AD0C a 25 °C é de 1,12 Ohms (Ω) a 120 hertz (Hz), que cai para 0,54 Ω a 20 quilohertz (kHz). Sua ESR baixa o torna apropriado para fontes de alimentação chaveadas onde a geração de calor deve ser minimizada. A corrente de ondulação a 85 °C está dimensionada em 1,36 amperes (A), também importante para as fontes de alimentação.

Como parte da família de produtos THAS da Cornell Dubilier, o capacitor THAS131M450AD0C tem um revestimento de aço inoxidável para maior durabilidade. Seus terminais são AWG 20, apropriados para a maioria das aplicações de montagem de placas de circuito impresso com furo passante.

Para aplicações onde a tensão deve ser armazenada por um curto período de tempo, os projetistas podem recorrer ao capacitor de 3200 µF, 50 volts da série THAS THAS322M050AD0C. Tem também 66,5 mm de comprimento com uma espessura de 9 mm e possui um revestimento de aço inoxidável. A ESR a 120 Hz é 0,05 Ω, que cai ligeiramente para 0,04 Ω a 20 kHz. Ele pode suportar uma corrente de ondulação de 3,48 A a 20 kHz e 2,90 A a 20 Hz. Com esta ESR baixa e alta capacidade de corrente, é apropriado para uso como um supercapacitor de 50 volts para fornecer energia temporariamente a um pequeno circuito, se a fonte de alimentação principal não estiver disponível.

Como todos os capacitores THAS da Cornell Dubilier, o THAS322M050AD0C tem um respiradouro no topo, mostrado claramente na Figura 2. A ventilação permite que o gás escape do capacitor como parte da operação normal, embora a gaseificação possa aumentar sob altas temperaturas. O gás ventilado é uma mistura de hidrogênio e gases residuais.

Figura 2: O respiradouro visto na parte superior do capacitor THAS322M050AD0C, permite que os gases internos que se acumulam sob operação normal escapem com segurança. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier)

A ventilação dos gases internos é importante, especialmente em capacitores de alto valor. O hidrogênio e outros gases podem se acumular dentro da carcaça de aço, criando uma pressão que pode levar a falhas. Se um capacitor não tiver ventilação suficiente, os gases internos podem se acumular até um ponto onde o eletrólito pode vazar para a placa de circuito impresso e pôr outros componentes eletrônicos em curto, ou em alguns casos, o capacitor pode até explodir. Observe, no entanto, que é importante a disposição dos componentes na placa de circuito impresso, para garantir que o respiradouro do capacitor não tenha obstruções.

Para maior capacidade de carga, a Cornell Dubilier desenvolveu a série THA. Os capacitores THA Thinpack têm revestimentos de alumínio, e com 8,2 mm de espessura são ligeiramente mais finos do que a série THAS. Um exemplo da série THA é o THA442M035AC0C de 4400 µF e 50 volts. Tem 53,8 mm de comprimento e oferece uma densidade de energia muito alta em comparação com capacitores similares. Tem uma ESR de 0,07 Ω a 120 Hz e 0,06 Ω a 20 kHz, tornando-o apropriado para uso como fonte de energia temporária para pequenos componentes eletrônicos durante breves interrupções da fonte de alimentação. Um capacitor de 4400 µF também pode ficar muito quente, portanto é importante fornecer um fluxo de ar adequado para mantê-lo bem dentro da sua faixa de operação recomendada, que é de -55 °C a +85 °C. Para capacitores de grande valor, é ainda mais importante garantir que o respiradouro não tenha obstruções. Também é recomendado que o respiradouro não aponte para nada inflamável, pois o gás hidrogênio é explosivo.

Conclusão

Os capacitores são componentes críticos em sistemas eletrônicos. Ao combinar alta confiabilidade com alta densidade de energia e perfil baixo, os projetistas podem reduzir o tamanho e melhorar a vida operacional dos sistemas eletrônicos. Um capacitor eletrolítico único, feito nos EUA, com alta densidade de energia, pode evitar longos tempos de espera, bem como substituir os bancos de capacitores para conservar espaço na placa.

Recursos

1. Módulo de treinamento de capacitores eletrolíticos de alumínio THA e THAS Thinpack