miniaturadaimagem|Capacitores de filme plástico envasados em tripas retangulares ou imersos em revestimento de verniz epóxi (cor vermelha) Capacitores de filme, capacitores de filme plástico, capacitores dielétricos de filme ou capacitores de filme de polímero, genericamente chamados de “caps de filme” bem como capacitores de filme de potência, são capacitores elétricos com um filme plástico isolante como dielétrico, às vezes combinados com papel como suporte dos eletrodos.
Os filmes dielétricos, dependendo da força dielétrica desejada, são desenhados em um processo especial para uma espessura extremamente fina, e são então fornecidos com eletrodos. Os eletrodos dos capacitores de filme podem ser de alumínio ou zinco metalizado, aplicados diretamente na superfície do filme plástico ou em uma folha metálica separada. Duas dessas camadas condutoras são enroladas em um enrolamento cilíndrico, geralmente achatadas para reduzir os requisitos de espaço de montagem em uma placa de circuito impresso, ou em camadas como múltiplas camadas únicas e empilhadas juntas, para formar um corpo de capacitor. Capacitores de filme, juntamente com capacitores cerâmicos e capacitores eletrolíticos, são os tipos de capacitores mais comuns para uso em equipamentos eletrônicos, e são usados em muitos circuitos eletrônicos e microeletrônicos de CA e CC.
Um tipo de componente relacionado é o capacitor (de filme) de potência . Embora os materiais e técnicas de construção usados para os capacitores de filme de grande potência sejam muito semelhantes àqueles usados para capacitores de filmes comuns, capacitores com altas a muito altas taxas de potência para aplicações em sistemas de potência e instalações elétricas são frequentemente classificados separadamente, por razões históricas. Como os equipamentos eletrônicos modernos ganharam a capacidade de lidar com níveis de energia que antes eram de domínio exclusivo de componentes de "energia elétrica", a distinção entre as classificações de energia "eletrônica" e "elétrica" tornou-se menos distinta. No passado, a fronteira entre essas duas famílias estava aproximadamente em uma potência reativa de 200 volts-ampères, mas a eletrônica de potência moderna pode lidar com quantidades crescentes de energia.
Visão geral da construção e características Os capacitores de filme são feitos de dois pedaços de filme plástico cobertos com eletrodos metálicos, enrolados em um enrolamento de formato cilíndrico, com terminais conectados e depois encapsulados. Em geral, os capacitores de filme não são polarizados, então os dois terminais são intercambiáveis. Existem dois tipos diferentes de capacitores de filme plástico, feitos com duas configurações diferentes de eletrodos:
Capacitores de filme/folha ou capacitores de folha metálica são feitos com dois filmes plásticos como o dielétrico. Cada um é coberto com uma fina folha de metal, geralmente de alumínio, como os eletrodos. As vantagens desse tipo de construção são a conexão elétrica fácil com os eletrodos de folha de metal e sua capacidade de lidar com altas variações de corrente. Os capacitores de filme metalizados são feitos de dois filmes metalizados com filme plástico como o dielétrico. Muito fino (~ 0.03 µm) com metalização de alumínio depositada a vácuo e é aplicada a um ou ambos os lados para servir como eletrodos. Esta configuração pode ter propriedades de "auto-cura", em que as interrupções dielétricas ou curto-circuitos entre os eletrodos não levam necessariamente à destruição do componente. Com este projeto básico, é possível fabricar produtos de alta qualidade, como capacitores de "defeito zero", e produzir capacitores enrolados com maiores valores de capacitância (até 100 µF ou maiores) em gabinetes menores (alta eficiência volumétrica) em comparação a construção do filme/folha. No entanto, uma desvantagem da construção metalizada é a sua classificação limitada de surto de corrente.
Uma das principais vantagens da construção interna do capacitor de filme moderno é o contato direto com os eletrodos em ambas as extremidades do enrolamento. Esse contato mantém todos os caminhos de corrente para todo o eletrodo muito curtos. A configuração comporta-se como um grande número de capacitores individuais conectados em paralelo, reduzindo assim as perdas ôhmicas internas (ESR) e a indutância parasítica (ESL). A geometria inerente da estrutura do capacitor de filme resulta em perdas ôhmicas muito baixas e uma indutância parasita muito baixa, o que as torna especialmente adequadas para aplicações com correntes de pico muito altas (snubbers) e para aplicações de energia CA ou para aplicações em altas frequências.
Outra característica dos capacitores de filme é a possibilidade de escolher diferentes materiais de filme para a camada dielétrica para selecionar características elétricas desejáveis, como estabilidade, ampla faixa de temperatura ou capacidade de suportar tensões muito altas. Os capacitores de filme de polipropileno são especificados devido a suas baixas perdas elétricas e seu comportamento quase linear em uma faixa de frequência muito ampla, para aplicações de Classe 1 de estabilidade em circuitos ressonantes, comparáveis apenas aos capacitores cerâmicos. Para circuitos simples de filtro de alta freqüência, os capacitores de poliéster oferecem soluções de baixo custo com excelente estabilidade a longo prazo, permitindo a substituição de capacitores eletrolíticos de tântalo mais caros. As variantes de filme/folha dos capacitores de filme plástico são especialmente capazes de lidar com picos de corrente altos e muito altos.
Os valores típicos de capacitância de capacitores de filme menores usados em eletrônica começam em torno de 100 picofarads e se estendem para microfarads.
Propriedades mecânicas únicas de filmes de plástico e papel em algumas configurações especiais permitem que eles sejam usados em capacitores de dimensões muito grandes. Os capacitores de filme maiores são usados como capacitores de energia em instalações e usinas de energia elétrica, capazes de resistir a uma potência muito alta ou a tensões aplicadas muito altas. A resistência dielétrica desses capacitores pode atingir a faixa de tensão de quatro dígitos.
Estrutura interna A fórmula para a capacitância (C) de uma placa do capacitor é:
(ε significa permissividade dielétrica; A para área de superfície do eletrodo; e d para a distância entre os eletrodos.
De acordo com a equação, um dielétrico mais fino ou uma área de eletrodo maior aumentará o valor de capacitância, assim como um material dielétrico de maior permissividade.
Exemplo de processo de fabricação O exemplo a seguir descreve um fluxo de processo de fabricação típico para capacitores de filme plástico metalizado
Alongamento e metalização do filme - Para aumentar o valor de capacitância do capacitor, o filme plástico é desenhado usando um processo especial de extrusão de alongamento bi-axial em direções longitudinal e transversal, tão fino quanto tecnicamente possível e permitido pela tensão de ruptura desejada. A espessura desses filmes pode ser tão pequena quanto 0,6 µm. Em um sistema de evaporação adequado e sob condições de alto vácuo (aproximadamente 10a 15 10a 19 moléculas de ar por metro cúbico) o filme plástico é metalizado com alumínio ou zinco. É então enrolado no chamado "rolo mãe" com uma largura de cerca de 1 metro. Corte de filme - Em seguida, os rolos-mãe são cortados em pequenas tiras de filme plástico na largura necessária de acordo com o tamanho dos capacitores que estão sendo fabricados. Enrolamento - Dois filmes são enrolados juntos em um enrolamento cilíndrico. Os dois filmes metalizados que compõem um capacitor são enrolados levemente deslocados um do outro, de modo que, pela disposição dos eletrodos, uma borda da metalização em cada extremidade do enrolamento se estende lateralmente. Achatamento - O enrolamento geralmente é achatado em uma forma oval, aplicando pressão mecânica. Como o custo de uma placa de circuito impresso é calculado por milímetro quadrado, um tamanho menor de capacitor reduz o custo total do circuito. Aplicação da camada de contato metálico ("schoopage") - Os eletrodos terminais são cobertos com um metal de contato liquefeito como o estanho, zinco ou alumínio, que é pulverizado com ar comprimido em ambas as extremidades laterais do enrolamento. Este processo de metalização é chamado de schoopage, após o engenheiro suíço Max Schoop, que inventou uma aplicação de spray de combustão para estanho e chumbo. Cura - Os enrolamentos que agora estão eletricamente conectados pelo schoopage devem ser "curados". Isso é feito aplicando-se uma tensão precisamente calibrada através dos eletrodos do enrolamento, de modo que quaisquer defeitos existentes sejam "queimados" (veja também "autocura" abaixo). Impregnação - Para maior proteção do capacitor contra influências ambientais, especialmente umidade, o enrolamento é impregnado com um fluido isolante, como o óleo de silicone. Fixação dos terminais - Os terminais do capacitor são soldados ou soldados nas camadas de contato de metal final da schoopage. Revestimento - Depois de anexar os terminais, o corpo do capacitor é envasado em um invólucro externo ou mergulhado em uma camada protetora. Para custos de produção mais baixos, alguns capacitores de filme podem ser usados "nus", sem revestimento adicional do enrolamento. Teste final elétrico - Todos os capacitores (100%) devem ser testados quanto aos parâmetros elétricos mais importantes, capacitância (C), fator de dissipação (tan δ) e impedância (Z).
centro|miniaturadaimagem|Diagrama de fluxo de processo para produção de capacitores de filme metalizado com revestimento lacado por imersão A produção de capacitores de filme laminado/metal laminado com folha metálica em vez de filmes metalizados é feita de maneira muito semelhante.
Como uma alternativa à construção tradicional de capacitores de filme, eles também podem ser fabricados em uma configuração “empilhada”. Para esta versão, os dois filmes metalizados que representam os eletrodos são enrolados em um núcleo muito maior com um diâmetro de mais de 1 m. Os chamados capacitores multicamadas (MLP, Multilayer Polymer Capacitors) podem ser produzidos pela serração desse grande enrolamento em vários segmentos menores. A serra causa defeitos nos lados colaterais dos capacitores, que depois são queimados (autocura) durante o processo de fabricação. Capacitores de filme plástico metalizado de baixo custo para aplicações de uso geral são produzidos desta maneira. Essa técnica também é usada para produzir "dados" de capacitores para componentes de encapsulamento do tipo Dispositivo de Montagem em Superfície (SMD).
Auto-cura de capacitores de filme metalizado direita|miniaturadaimagem|Diagrama de corte transversal altamente simplificado de autocorreção, após um curto-circuito de defeito de ponto entre os eletrodos metalizados. O diagrama inferior mostra a vista superior da folha após a queima de um defeito pontual. direita|miniaturadaimagem|Segmentação "T metalização" para isolar e reduzir danos durante o processo de autocura Os capacitores de filme metalizado possuem propriedades de "autocura", que não estão disponíveis nas configurações de filme/folha. Quando uma tensão suficiente é aplicada, um curto-circuito de defeito pontual entre os eletrodos metalizados vaporiza devido à alta temperatura do arco, uma vez que tanto o material plástico dielétrico no ponto de ruptura como os eletrodos metalizados ao redor do ponto de ruptura são muito finos (cerca de 0,02 a 0,05 µm). A causa do defeito pontual do curto-circuito é queimada, e a pressão de vapor resultante também afasta o arco. Este processo pode ser concluído em menos de 10 μs, muitas vezes sem interromper a operação útil do capacitor afetado.