Uma comparação entre capacitores de tântalo e de cerâmica multicamada

Introdução

Os capacitores de tântalo (Ta) e os capacitores de cerâmica multicamada (MLCC) são dois capacitores amplamente usados em aplicações eletrônicas. Embora as tecnologias e os materiais de construção dos capacitores de tântalo e dos MLCCs sejam bastante diferentes, suas funções básicas ainda são as mesmas. Atuando como uma bateria temporária, os capacitores mantêm a tensão CC constante fornecendo cargas. Os capacitores também podem ser usados em circuitos de canal de desvio como filtros de polo único. Eles podem até mesmo se conectar com resistores e indutores para criar circuitos de filtro de alta ordem.

Embora os capacitores de tântalo e os MLCCs funcionem como capacitores, eles têm muitas diferenças desde a fabricação até seus parâmetros durante o uso. Antes de apresentarmos suas diferenças, vamos primeiro obter algumas informações básicas sobre capacitores. Para um capacitor de placa paralela, seu valor de capacitância deve ser calculado pela seguinte equação.

C = εr*ε0*A/d

C = capacitância (F)

A = a área de sobreposição das duas placas (m2)

εr = a permissividade relativa/constante dielétrica (εr é determinado pelo material entre as placas)

ε0 = a constante elétrica (8,854 * 10-12 F*m-1)

d = a distância entre duas placas (m)

A capacitância é um dos parâmetros importantes quando se pensa em escolher o tipo de capacitor. Devido à pequena distância, às grandes áreas das placas e à alta constante dielétrica do Ta2O5, os capacitores de tântalo geralmente têm grandes valores de capacitância/volume.

Este artigo comparará os capacitores de tântalo e os MLCCs nos seguintes aspectos: curva de impedância, indutância parasita (ESL), resistência equivalente em série (ESR), efeitos de temperança e efeitos microfônicos. Todas as comparações são limitadas a capacitores com capacitância e tamanho semelhantes.

Informações básicas sobre capacitores de tântalo e MLCC

O que é um capacitor de tântalo?

Os capacitores de tântalo usam pó e fios de tântalo como matéria-prima. Ao pressionar o pó de tântalo em torno de um fio de tântalo, forma-se uma pastilha de tântalo. Essa pastilha de tântalo é o ânodo do capacitor. Como o pellet é muito poroso, ele permite que muitas cargas sejam coletadas. Esse é um dos motivos da alta capacitância/volume dos capacitores de tântalo. Ao formar Ta2O5 fora do ânodo, forma-se um dielétrico. A última etapa é formar um cátodo fora do dielétrico usando Mn(NO3)2 para formar a camada de cátodo de MnO2.

A Figura 1a é um capacitor de tântalo tradicional que usa um fio de tântalo para conectar o ânodo ao circuito. A Figura 1b é um novo e pequeno capacitor de tântalo que foi introduzido no mercado nos últimos anos. Ele é frequentemente usado em ambientes com alta densidade de componentes e espaço limitado na placa. Seu ânodo é feito pressionando uma pastilha de tântalo com pó de tântalo [2].

Figura 1a e b: um capacitor de tântalo estilo moldado (parte superior) e um capacitor de tântalo estilo microchip (parte inferior) [2]

O que é um capacitor de cerâmica multicamada?

Diferentemente dos capacitores de tântalo, os capacitores de cerâmica têm uma camada mais espessa e uma área de placa sobreposta menor, o que significa menor capacitância/volume. TiO2 e BaTiO3 são os dois materiais mais populares usados em MLCCs. A Figura 2 mostra os componentes de um MLCC.

Figura 2: Um capacitor de cerâmica multicamada [2]

Entre os MLCCs, há dois grupos diferentes: classe 1 e classe 2. Os capacitores de cerâmica de classe 1 usam materiais cerâmicos que não são sensíveis a mudanças de temperatura. Portanto, sua capacitância não mudará significativamente de uma temperatura baixa para uma temperatura alta, como de -25°C a 80°C. Os capacitores de classe 1 geralmente são feitos de TiO2 e têm εr relativamente baixo.

Por outro lado, os capacitores de classe 2 são sensíveis à temperatura. Eles são feitos de materiais ferroelétricos, como BaTiO3, Al2SiO5 e MgO:XSiO2. Os capacitores de classe 2 têm εr relativamente alto, mas baixa precisão e estabilidade.

Os capacitores de cerâmica usam o código EIA para mostrar a estabilidade dos capacitores em uma faixa de temperatura. A Figura 3 mostra a média de cada código. Por exemplo, X7R significa que a capacitância varia ±15% de -55℃ a 125℃.

Figura 3: Tabela de códigos EIA [2]

Qual é a diferença entre capacitores de tântalo e MLCCs?

Impedância e resistência equivalente em série

A impedância, a indutância parasita (ESL) e a resistência em série equivalente (ESR) podem fornecer muitas informações sobre o funcionamento do capacitor. A ESL e a ESR podem ser calculadas por analisadores de impedância. ESL e ESR menores significam capacitores melhores. A Figura 4 mostra a impedância e a ESR de um MLCC de 4,7 µF, Y5V, 16 V e de um capacitor de tântalo de 4,7 µF, 16 V [1].

Figura 4: Curvas de impedância e ESR para capacitores de tântalo de 4,7uf e de cerâmica [1]

Em baixas frequências, suas impedâncias são as mesmas, o que significa que seus valores de capacitância são os mesmos. À medida que a frequência aumenta, a ESR do capacitor de cerâmica é muito menor do que a do capacitor de tântalo. Quanto às curvas de impedância, ambas mostram uma forma de "V" que diminui primeiro e depois aumenta. A primeira parte decrescente é afetada pelo aumento do valor capacitivo. Em seguida, a constituição indutiva (ESL) ocorre e move a curva de impedância para cima. Voltando à Figura 4, a ESL do capacitor de cerâmica é muito menor do que a do capacitor de tântalo quando se observa a extremidade das curvas de impedância. Isso é causado principalmente pelas estruturas de chumbo usadas no pacote de tântalo [1].

Efeitos da temperatura

Conforme mencionado anteriormente, os capacitores de cerâmica Classe 1 não são sensíveis à temperatura, enquanto os capacitores de cerâmica Classe 2 são sensíveis à temperatura. A Figura 5 ilustra que a capacitância dos capacitores de tântalo tem uma relação linear com a temperatura, enquanto a capacitância dos capacitores de cerâmica de Classe 2 tem uma relação irregular com a temperatura.

Figura 5: Variação da capacitância versus temperatura para capacitores de Ta, cerâmica Classe 1 e cerâmica Classe 2 [2]

Efeitos microfônicos

Quando os capacitores são usados em aplicações de áudio, o efeito microfônico ou piezoelétrico torna-se uma das características importantes na seleção de capacitores [1]. O BaTiO3, que é amplamente usado em MLCCs, apresenta efeitos microfônicos. Entretanto, os capacitores de tântalo não apresentam efeitos microfônicos. Ao testar capacitores de 1 µF, obtemos a Figura 6, que confirma ainda mais que os capacitores de cerâmica de Classe 2 produzem efeitos microfônicos.

Figura 6: Efeito microfônico dos capacitores de tântalo e de cerâmica [1]

Conclusão

Não há uma resposta simples para dizer qual capacitor é melhor, pois ambos são boas opções. Os capacitores de tântalo têm uma vida útil mais longa, maior capacitância/volume e maior estabilidade; os MLCCs têm menor indutância e ESR. Você pode escolher de acordo com sua aplicação específica. A tabela abaixo lista as diferenças entre os capacitores de tântalo e os capacitores de cerâmica multicamada.

A Stanford Advanced Materials (SAM) fornece capacitores de tântalo e capacitores de cerâmica multicamadas. Se ainda tiver dificuldade em escolher o capacitor, forneça as informações da sua aplicação à nossa equipe técnica para obter orientação.

Referência:

Cain, J. (s.d.). Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors (Comparação entre capacitores de cerâmica multicamada e de tântalo).

Zedníček, T. (2022, 1º de junho). Os princípios básicos e os benefícios dos capacitores de tântalo e de cerâmica. Blog de componentes passivos. Recuperado em 11 de janeiro de 2023, de https://passive-components.eu/the-basics-benefits-of-tantalum-ceramic-capacitors/