Imagine que você está selecionando o capacitor bruto para uma fonte de alimentação industrial de 48 V. O trilho de estado estacionário mede 52 V e os transientes de carga atingem 58 V. Um capacitor de 63 V parece próximo o suficiente, uma parte de 75 V parece mais segura e ambos estão muito abaixo da tensão de ruptura real do capacitor. A questão do projeto, então, não é se a peça pode sobreviver a 58 V. É quase certo que sim. A verdadeira questão é quanta confiabilidade de longo prazo você está disposto a negociar por esse espaço aparente.
A tensão de ruptura em um capacitor eletrolítico é a tensão na qual o dielétrico de óxido de alumínio para de se comportar como isolante e começa a conduzir. É um limite físico definido pela espessura da camada de óxido cultivada na folha anódica. Cada classificação de tensão impressa no capacitor, incluindo tensão nominal, tensão de surto e tensão transitória, existe para manter o dielétrico com segurança abaixo desse limite. Este artigo explica como esse limite é estabelecido, o que acontece quando ele é ultrapassado e como selecionar uma classificação de tensão com a margem correta.
O que é tensão de ruptura em um capacitor eletrolítico?
Os capacitores eletrolíticos de alumínio armazenam carga em uma fina camada de óxido de alumínio (Al2O3) formada eletroquimicamente na superfície da folha anódica gravada. Durante o processo de formação, o óxido cresce até uma espessura proporcional à tensão de formação aplicada, a uma taxa de aproximadamente 1,2 a 1,5 nanômetros por volt. Um capacitor com tensão nominal de 100 V carrega, portanto, uma camada de óxido na faixa de 120 a 150 nm, e essa espessura é o principal fator que determina a tensão de ruptura do dielétrico.
Quando uma tensão CC direta é aplicada, a camada de óxido deve conter o campo elétrico entre o ânodo e o eletrólito. Se a tensão aumentar o suficiente, o campo excederá a rigidez dielétrica do óxido. Os elétrons começam a tunelar através de defeitos microscópicos, a corrente de fuga aumenta acentuadamente e segue-se um aquecimento localizado. Em um capacitor de eletrólito líquido úmido, o calor pode decompor o eletrólito e gerar gás. Em um capacitor de polímero sólido, a mesma sobretensão produz com mais frequência um curto-circuito forte.
Como a espessura do óxido é fixada no final da fabricação, a tensão de ruptura de um capacitor acabado é uma propriedade física, e não um valor que muda com a temperatura ou com a ondulação. As classificações publicadas são escolhidas com uma margem deliberada abaixo dela.
Tensão nominal, tensão de surto e tensão de ruptura: como elas se relacionam
A tensão nominal é a tensão CC contínua máxima que o capacitor foi projetado para suportar em sua temperatura nominal, ao mesmo tempo que atende a todas as especificações de vida, ondulação e vazamento. A tensão de surto é uma sobretensão não repetitiva que o capacitor pode tolerar por um curto período e é definida individualmente para cada série. Ambos são colocados bem abaixo do limite de ruptura dielétrica.
| Parâmetro | Significado | Relação com a tensão de ruptura |
|---|---|---|
| Tensão nominal (CC) | Tensão CC contínua máxima na temperatura nominal para a qual o capacitor atende às especificações de vida útil e ondulação | Normalmente 60 a 80 por cento da tensão de ruptura |
| Sobretensão | Sobretensão máxima não repetitiva que o capacitor pode sobreviver por um período curto e definido | Entre tensão nominal e tensão de ruptura |
| Tensão transitória | Picos de tensão de curta duração que o capacitor pode observar durante comutação, etapas de carga ou eventos do sistema | Acima da tensão nominal, mas ainda abaixo da tensão de ruptura |
| Tensão de ruptura | Tensão na qual o dielétrico de óxido de alumínio perde sua propriedade isolante e conduz corrente | O próprio limite físico |
Para um capacitor eletrolítico de alumínio típico, a tensão nominal fica entre 60 e 80 por cento da tensão de ruptura. Uma peça com classificação de 63 V, por exemplo, pode não quebrar até aproximadamente 85 a 100 V. Essa margem interna é o que permite que o capacitor sobreviva a testes de sobretensão, picos de tensão e breves eventos de sobretensão sem falha imediata. Não deve ser tratado como classificação utilizável.
O que acontece quando a tensão de ruptura é excedida?
Operar acima da tensão nominal, mas abaixo do limite de ruptura, não é instantaneamente fatal, mas é prejudicial. A corrente de fuga aumenta, a camada de óxido sofre maior tensão de campo e o eletrólito é consumido mais rapidamente. Excursões repetidas perto do ponto de ruptura reduzem gradualmente a capacitância e aumentam a ESR, o que em uma parte de eletrólito líquido se traduz em perda de vida mensurável.
Cruzar a tensão de ruptura é um evento diferente. O ponto mais fraco do óxido carrega uma corrente crescente, e a temperatura localizada leva a uma maior degradação. Em capacitores eletrolíticos de alumínio úmido, um pequeno defeito pode se autocurar, porque o calor regenera o óxido no local danificado. Com maior energia disponível, a geração de gás abre a ventilação de pressão e o capacitor é destruído. Os capacitores de polímero sólido quase não têm capacidade de autocura neste modo, e sua falha é normalmente um curto-circuito interno.
A polaridade reversa deve ser tratada como uma condição de falha separada. A camada de óxido chave existe apenas no ânodo, portanto, uma tensão reversa ataca o óxido fino na folha do cátodo. Mesmo uma tensão reversa baixa pode destruir essa camada rapidamente. Os capacitores expostos à polarização reversa durante a inicialização ou desligamento devem ser especificados como bipolares ou protegidos pelo projeto do circuito.
Como selecionar uma classificação de tensão com a margem correta
O ponto de partida prático é a pior tensão que o capacitor verá, e não a tensão nominal do barramento. Adicione o pico de qualquer ondulação CA ou toque transitório ao nível CC máximo e, em seguida, aplique um fator de redução. Uma regra comum para capacitores eletrolíticos de alumínio é manter a tensão máxima aplicada igual ou inferior a 80% da tensão nominal. Para ambientes transitórios severos, muitos projetistas visam 65 a 70 por cento.
Volte ao exemplo do barramento de 48 V. Com um máximo de estado estacionário de 52 V e um transitório de pior caso de 58 V, a regra dos 80 por cento exige uma tensão nominal de pelo menos 72,5 V. As classificações padrão mais próximas são 75 V e 80 V, portanto, um capacitor de 75 V se torna a escolha de engenharia, enquanto uma parte de 63 V elimina o transiente em apenas 8 por cento. O custo da escolha mais segura é o tamanho físico, porque uma tensão nominal mais alta implica um óxido mais espesso e, para a mesma capacitância, uma lata maior.
- Meça ou simule a pior tensão de pico nos terminais do capacitor, incluindo tolerância CC, ondulação, etapas de carga e overshoot de inicialização.
- Multiplique esse pico pelo fator de redução usado em sua meta de confiabilidade, geralmente 1,2 ou superior.
- Selecione a classificação de tensão padrão mais próxima acima do resultado.
- Confirme se a classificação de tensão de surto da peça escolhida também elimina seu pior pico transitório.
Peças radiais para barramentos CC em nível de placa
Capacitores de chumbo radial são comuns em barramentos CC de nível de placa, e examinamos como a classificação de tensão dos capacitores eletrolíticos radiais afeta a confiabilidade do circuito em um artigo separado. No formato radial, a série de capacitores radiais de ultra-alta tensão e longa vida CD11H foi projetado para tensão CC sustentada em posições de média e alta tensão.
Fonte de capacitor eletrolítico de alumínio radial de longa duração e ultra-alta tensão CD11H Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. é fornecedor de capacitor eletrolítico de alumínio radial CD11H de ultra-alta tensão e longa vida por atacado na China... Ver Produto → Peças de encaixe para estágios compactos de alta potência
Em níveis de potência mais elevados, os capacitores snap-in assumem o controle. Quando um estágio retificador ou inversor precisa de alta capacitância em um pacote compacto montado em placa, uma peça como a série de capacitores snap-in CD297 de ultra-alta tensão, baixo vazamento e longa vida útil oferece uma alta tensão nominal enquanto mantém baixa a corrente de fuga.
CD297 Tensão ultra-alta, baixo vazamento, encaixe eletrolítico de alumínio de longa duração Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. é a China Wholesale CD297 de ultra-alta tensão, baixo vazamento, tampa eletrolítica de alumínio snap-in de longa vida... Ver Produto → O que isso significa para o seu design
A tensão de ruptura é um conceito útil para entender por que os capacitores falham, mas não é um parâmetro de projeto. Projete com a tensão nominal, respeite a classificação de surto e mantenha uma margem de redução que corresponda à gravidade transitória do seu circuito. Um capacitor operado com 60 a 80 por cento de sua tensão nominal atenderá ao seu limite de vida útil; um operado no limite de sua classificação pode não. Escolher uma classe de tensão mais alta e aceitar o tamanho do gabinete associado geralmente é um preço pequeno para um desempenho previsível.
Para conversores industriais que operam em tensões ferroviárias muito altas e correntes de ondulação significativas, a construção com terminal de parafuso costuma ser o formato prático. A série de capacitores de terminal de parafuso de alta tensão e alta temperatura CD136 , por exemplo, é construído para operação contínua em temperaturas ambientes elevadas, o que ajuda a preservar a tensão especificada pelo fabricante e os limites de vida útil.
CD136 eletrolítico de alumínio terminal resistente de alta tensão e de alta temperatura Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. é o atacado da China CD136 terminal eletrolítico de alumínio de alta tensão e resistente a altas temperaturas ... Ver Produto → Antes de finalizar um número de peça, meça ou simule a tensão de pico do pior caso nos terminais do capacitor, incluindo ondulação, etapas de carga e overshoot de inicialização. Se esse pico estiver dentro de 20% da tensão nominal, passe para a próxima classe de tensão. Sua estimativa de vida útil e suas avaliações de confiabilidade serão mais saudáveis.
