Los condensadores se fabrican en muchas formas, estilos, longitudes, circunferencias y de muchos materiales. Todos contienen al menos dos conductores eléctricos (llamados "placas") separados por una capa aislante (llamada dieléctrico ). Los condensadores se utilizan ampliamente como partes de circuitos eléctricos en muchos dispositivos eléctricos comunes.
Los condensadores, junto con las resistencias y los inductores , pertenecen al grupo de " componentes pasivos " utilizados en los equipos electrónicos . Aunque, en cifras absolutas, los condensadores más comunes son los condensadores integrados (por ejemplo, en DRAM o estructuras de memoria flash ), este artículo se concentra en los diversos estilos de condensadores como componentes discretos.
Los condensadores pequeños se utilizan en dispositivos electrónicos para acoplar señales entre etapas de amplificadores, como componentes de filtros eléctricos y circuitos sintonizados, o como partes de sistemas de suministro de energía para suavizar la corriente rectificada. Los condensadores más grandes se utilizan para el almacenamiento de energía en aplicaciones tales como luces estroboscópicas, como partes de algunos tipos de motores eléctricos o para la corrección del factor de potencia en los sistemas de distribución de energía de CA. Los condensadores estándar tienen un valor fijo de capacitancia , pero los condensadores ajustables se utilizan con frecuencia en circuitos sintonizados. Se utilizan diferentes tipos según la capacitancia requerida, el voltaje de trabajo, la capacidad de manejo de corriente y otras propiedades.
Observaciones generales
Teoría de la construcción convencional
En un condensador convencional, la energía eléctrica se almacena estáticamente por separación de cargas , típicamente electrones , en un campo eléctrico entre dos placas de electrodos . La cantidad de carga almacenada por unidad de voltaje es esencialmente una función del tamaño de las placas, las propiedades del material de la placa, las propiedades del material dieléctrico colocado entre las placas y la distancia de separación (es decir, el espesor dieléctrico). El potencial entre las placas está limitado por las propiedades del material dieléctrico y la distancia de separación.
Casi todos los condensadores industriales convencionales, excepto algunos estilos especiales como los "condensadores de paso", se construyen como "condensadores de placa" incluso si sus electrodos y el dieléctrico entre ellos están enrollados o enrollados. La fórmula de capacitancia para los capacitores de placa es:
- .
La capacitancia C aumenta con el área A de las placas y con la permitividad ε del material dieléctrico y disminuye con la distancia de separación de las placas d . Por lo tanto, la capacitancia es mayor en dispositivos hechos de materiales con una permitividad alta, área de placa grande y distancia pequeña entre placas.
Teoría de la construcción electroquímica
Otro tipo, el condensador electroquímico , utiliza otros dos principios de almacenamiento para almacenar energía eléctrica. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos , los supercondensadores (también conocidos como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores) no tienen un dieléctrico convencional. El valor de capacitancia de un condensador electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento de alta capacidad. Estos principios son:
- almacenamiento electrostático dentro de capas dobles de Helmholtz logrado en la interfaz de fase entre la superficie de los electrodos y el electrolito (capacitancia de doble capa) ; y
- almacenamiento electroquímico logrado por una transferencia de carga de electrones faradaicos mediante iones específicamente adsorbidos con reacciones redox (pseudocapacitancia) . A diferencia de las baterías, en estas reacciones, los iones simplemente se adhieren a la estructura atómica de un electrodo sin formar o romper enlaces químicos, y ninguna o insignificantemente pequeñas modificaciones químicas están involucradas en la carga / descarga.
La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar mucho, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de capacitancia hasta en un orden de magnitud sobre el de la doble capa por sí misma. [1]
Condensadores comunes y sus nombres
Los condensadores se dividen en dos grupos mecánicos: condensadores fijos con valores de capacitancia fijos y condensadores variables con valores de capacitancia variables (trimmer) o ajustables (sintonizables).
El grupo más importante son los condensadores fijos. Muchos obtuvieron sus nombres del dieléctrico. Para una clasificación sistemática, estas características no se pueden utilizar, porque una de las más antiguas, el condensador electrolítico, se denomina en cambio por su construcción de cátodo. Entonces, los nombres más utilizados son simplemente históricos.
Los tipos más comunes de condensadores son:
- Los condensadores cerámicos tienen un dieléctrico cerámico .
- Los condensadores de película y papel se denominan así por sus dieléctricos.
- Los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio llevan el nombre del material utilizado como ánodo y la construcción del cátodo ( electrolito ).
- Los condensadores de polímero son condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio o niobio con polímero conductor como electrolito.
- Supercapacitor es el apellido de:
- Los condensadores de doble capa recibieron su nombre del fenómeno físico de la doble capa de Helmholtz.
- Los pseudocondensadores fueron nombrados por su capacidad para almacenar energía eléctrica electroquímicamente con transferencia de carga faradaica reversible.
- Los condensadores híbridos combinan pseudocondensadores y de doble capa para aumentar la densidad de potencia
- Los condensadores de mica plateada, vidrio, silicio, espacio de aire y vacío reciben su nombre por su dieléctrico.
Además de los tipos de condensadores mostrados anteriormente, que derivaron su nombre del desarrollo histórico, hay muchos condensadores individuales que han sido nombrados en función de su aplicación. Incluyen:
- Los condensadores de potencia , condensadores de motor , condensadores de enlace de CC , los condensadores de supresión , condensadores filtro de cruce , iluminación condensadores de lastre , condensadores snubber , acoplamiento , desacoplamiento o sin pasar por condensadores.
A menudo, se emplea más de una familia de condensadores para estas aplicaciones, por ejemplo, la supresión de interferencias puede utilizar condensadores cerámicos o condensadores de película .
Otros tipos de condensadores se analizan en la sección #Condensadores especiales .
Dieléctricos
Los dieléctricos más comunes son:
- Cerámica
- Películas de plástico
- Capa de óxido sobre metal ( aluminio , tantalio , niobio )
- Materiales naturales como mica , vidrio , papel , aire , SF 6 , vacío
Todos ellos almacenan su carga eléctrica estáticamente dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos (paralelos).
Debajo de estos condensadores convencionales se desarrolló una familia de condensadores electroquímicos llamados supercondensadores . Los supercondensadores no tienen un dieléctrico convencional. Almacenan su carga eléctrica estáticamente en capas dobles de Helmholtz y faradaically en la superficie de los electrodos.
- con capacitancia estática de doble capa en un condensador de doble capa y
- con pseudocapacitancia (transferencia de carga faradaica) en un pseudocondensador
- o con ambos principios de almacenamiento juntos en condensadores híbridos .
Los parámetros de material más importantes de los diferentes dieléctricos utilizados y el espesor aproximado de la capa de Helmholtz se dan en la siguiente tabla.
Estilo de condensador | Dieléctrico | Permitividad relativa a 1 kHz | Rigidez dieléctrica máxima / realizada (voltios / µm) | Espesor mínimo del dieléctrico (µm) |
---|---|---|---|---|
Condensadores cerámicos , clase 1 | paraeléctrico | 12 hasta 40 | <100 (?) | 1 |
Condensadores cerámicos, clase 2 | ferroeléctrico | 200 hasta 14.000 | <35 | 0,5 |
Condensadores de película | Polipropileno (PP) | 2.2 | 650/450 | 1,9 hasta 3,0 |
Condensadores de película | Tereftalato de polietileno , poliéster (PET) | 3.3 | 580/280 | 0,7 hasta 0,9 |
Condensadores de película | Sulfuro de polifenileno (PPS) | 3,0 | 470/220 | 1.2 |
Condensadores de película | Naftalato de polietileno (PEN) | 3,0 | 500/300 | 0,9 hasta 1,4 |
Condensadores de película | Politetrafluoroetileno (PTFE) | 2.0 | 450 (?) / 250 | 5.5 |
Condensadores de papel | Papel | 3,5 hasta 5,5 | 60 | 5 a 10 |
Condensadores electrolíticos de aluminio | Óxido de aluminio Al 2 O 3 | 9,6 [7] | 710 | <0,01 (6,3 V) <0,8 (450 V) |
Condensadores electrolíticos de tantalio | Pentóxido de tantalio Ta 2 O 5 | 26 [7] | 625 | <0,01 (6,3 V) <0,08 (40 V) |
Condensadores electrolíticos de niobio | Pentóxido de niobio , Nb 2 O 5 | 42 | 455 | <0,01 (6,3 V) <0,10 (40 V) |
Supercondensadores Condensadores de doble capa | Helmholtz de doble capa | - | 5000 | <0,001 (2,7 V) |
Condensadores de vacío | Aspiradora | 1 | 40 | - |
Condensadores de espacio de aire | Aire | 1 | 3.3 | - |
Condensadores de vidrio | Vidrio | 5 a 10 | 450 | - |
Condensadores de mica | Mica | 5 a 8 | 118 | 4 hasta 50 |
El área de la placa del condensador se puede adaptar al valor de capacitancia deseado. La permitividad y el espesor dieléctrico son el parámetro determinante de los condensadores. La facilidad de procesamiento también es fundamental. Las láminas delgadas y mecánicamente flexibles se pueden envolver o apilar fácilmente, lo que produce diseños grandes con altos valores de capacitancia. Sin embargo, las capas de cerámica sinterizada metalizada delgadas como una cuchilla cubiertas con electrodos metalizados ofrecen las mejores condiciones para la miniaturización de circuitos con estilos SMD .
Una breve vista de las cifras de la tabla anterior da la explicación de algunos hechos simples:
- Los supercondensadores tienen la densidad de capacitancia más alta debido a sus principios especiales de almacenamiento de carga
- Los capacitores electrolíticos tienen menor densidad de capacitancia que los supercondensadores, pero la densidad de capacitancia más alta de los capacitores convencionales debido al dieléctrico delgado.
- Los condensadores cerámicos de clase 2 tienen valores de capacitancia mucho más altos en un caso dado que los condensadores de clase 1 debido a su permitividad mucho más alta.
- Los condensadores de película con sus diferentes materiales de película plástica tienen una pequeña extensión en las dimensiones para un valor de capacitancia / voltaje dado de un condensador de película porque el espesor mínimo de película dieléctrica difiere entre los diferentes materiales de película.
Rango de capacitancia y voltaje
La capacitancia varía desde picofaradios hasta más de cientos de faradios. Las clasificaciones de voltaje pueden alcanzar los 100 kilovoltios. En general, la capacitancia y el voltaje se correlacionan con el tamaño físico y el costo.
Miniaturización
Como en otras áreas de la electrónica, la eficiencia volumétrica mide el desempeño de la función electrónica por unidad de volumen. En el caso de los condensadores, la eficiencia volumétrica se mide con el "producto CV", que se calcula multiplicando la capacitancia (C) por la tensión nominal máxima (V), dividida por el volumen. De 1970 a 2005, las eficiencias volumétricas han mejorado drásticamente.
Condensador de papel apilado (condensador de bloque) de 1923 para desacoplamiento (bloqueo) de ruido en líneas telegráficas
Condensador enrollado de papel metalizado de principios de la década de 1930 en estuche de papel duro, valor de capacitancia especificado en "cm" en el sistema cgs ; 5.000 cm corresponden a 0,0056 µF.
Condensador electrolítico de aluminio húmedo plegado, Bell System 1929, vista sobre el ánodo plegado, que estaba montado en una carcasa cuadrada (no mostrada) llena de electrolito líquido
Dos condensadores electrolíticos de aluminio húmedo enrollados de 8 μF, 525 V en una carcasa de papel sellada con alquitrán de una radio de la década de 1930.
Gama superpuesta de aplicaciones
Estos condensadores individuales pueden realizar su aplicación independientemente de su afiliación a un tipo de condensador mostrado anteriormente, de modo que existe una gama de aplicaciones superpuestas entre los diferentes tipos de condensadores.
Tipos y estilos
Condensadores cerámicos
Un condensador cerámico es un condensador fijo no polarizado hecho de dos o más capas alternas de cerámica y metal en el que el material cerámico actúa como dieléctrico y el metal actúa como electrodos. El material cerámico es una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos o ferroeléctricos , modificados por óxidos mixtos necesarios para lograr las características deseadas del condensador. El comportamiento eléctrico del material cerámico se divide en dos clases de estabilidad:
- Condensadores cerámicos de clase 1 con alta estabilidad y bajas pérdidas que compensan la influencia de la temperatura en la aplicación del circuito resonante. Las abreviaturas comunes de códigos EIA / IEC son C0G / NP0, P2G / N150, R2G / N220, U2J / N750, etc.
- Condensadores cerámicos de clase 2 con alta eficiencia volumétrica para aplicaciones de búfer, derivación y acoplamiento Las abreviaturas comunes de los códigos EIA / IEC son: X7R / 2XI, Z5U / E26, Y5V / 2F4, X7S / 2C1, etc.
La gran plasticidad de la materia prima cerámica funciona bien para muchas aplicaciones especiales y permite una enorme diversidad de estilos, formas y una gran distribución dimensional de los condensadores cerámicos. El condensador discreto más pequeño, por ejemplo, es un condensador de chip "01005" con una dimensión de sólo 0,4 mm × 0,2 mm.
La construcción de condensadores cerámicos multicapa con capas en su mayoría alternas da como resultado condensadores individuales conectados en paralelo. Esta configuración aumenta la capacitancia y disminuye todas las pérdidas e inductancias parásitas . Los condensadores cerámicos son adecuados para altas frecuencias y cargas de pulsos de alta corriente.
Debido a que el espesor de la capa dieléctrica de cerámica se puede controlar y producir fácilmente con el voltaje de aplicación deseado, los capacitores de cerámica están disponibles con voltajes nominales hasta el rango de 30 kV.
Algunos condensadores cerámicos de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos los condensadores de supresión de RFI / EMI para la conexión a la red eléctrica, también conocidos como condensadores de seguridad, [8] X2Y® y condensadores de tres terminales para aplicaciones de derivación y desacoplamiento, [9] [10] condensadores de paso para la supresión de ruido mediante filtros de paso bajo [11] y condensadores de potencia de cerámica para transmisores y aplicaciones de alta frecuencia. [12] [13]
Condensadores cerámicos multicapa (chips MLCC) para montaje SMD
Condensadores de desacoplamiento cerámicos X2Y®
Condensadores cerámicos de supresión de EMI para la conexión a la red de alimentación (condensador de seguridad)
Condensador de potencia cerámico de alto voltaje
Condensadores de película
Los condensadores de película o condensadores de película de plástico son condensadores no polarizados con una película de plástico aislante como dieléctrico. Las películas dieléctricas se estiran en una capa delgada, provistas de electrodos metálicos y se enrollan en un devanado cilíndrico. Los electrodos de los condensadores de película pueden ser de aluminio o zinc metalizados, aplicados en uno o ambos lados de la película de plástico, lo que da como resultado condensadores de película metalizada o una lámina metálica separada que recubre la película, denominados condensadores de película / lámina.
Los condensadores de película metalizada ofrecen propiedades de autocuración. Las averías dieléctricas o los cortocircuitos entre los electrodos no destruyen el componente. La construcción metalizada hace posible producir condensadores bobinados con valores de capacitancia mayores (hasta 100 µF y mayores) en casos más pequeños que dentro de la construcción de película / lámina.
Los condensadores de película / lámina o los condensadores de lámina metálica utilizan dos películas de plástico como dieléctrico. Cada película está cubierta con una fina lámina de metal, principalmente de aluminio, para formar los electrodos. La ventaja de esta construcción es la facilidad de conectar los electrodos de lámina metálica, junto con una excelente fuerza de pulso de corriente.
Una ventaja clave de la construcción interna de cada condensador de película es el contacto directo con los electrodos en ambos extremos del devanado. Este contacto mantiene todos los caminos actuales muy cortos. El diseño se comporta como una gran cantidad de condensadores individuales conectados en paralelo, reduciendo así las pérdidas óhmicas internas ( resistencia en serie equivalente o ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL). La geometría inherente de la estructura del condensador de película da como resultado pérdidas óhmicas bajas y una inductancia parásita baja, lo que los hace adecuados para aplicaciones con altas corrientes de sobretensión ( amortiguadores ) y para aplicaciones de alimentación de CA, o para aplicaciones a frecuencias más altas.
Las películas plásticas utilizadas como dieléctrico para los condensadores de película son polipropileno (PP), poliéster (PET), sulfuro de polifenileno (PPS), naftalato de polietileno (PEN) y politetrafluoroetileno (PTFE). El polipropileno tiene una cuota de mercado de aproximadamente el 50% y el poliéster con aproximadamente el 40% son los materiales de película más utilizados. El otro 10% usa todos los demás materiales, incluidos PPS y papel con aproximadamente un 3% cada uno. [14] [15]
Material de película, códigos abreviados | |||||
---|---|---|---|---|---|
Características de la película | MASCOTA | BOLÍGRAFO | PPS | PÁGINAS | |
Permitividad relativa a 1 kHz | 3.3 | 3,0 | 3,0 | 2.2 | |
Espesor mínimo de película (µm) | 0,7-0,9 | 0,9–1,4 | 1.2 | 2.4-3.0 | |
Absorción de humedad (%) | bajo | 0.4 | 0,05 | <0,1 | |
Rigidez dieléctrica (V / µm) | 580 | 500 | 470 | 650 | |
Prueba de voltaje comercial realizada (V / µm) | 280 | 300 | 220 | 400 | |
Rango de voltaje DC (V) | 50-1.000 | 16–250 | 16-100 | 40-2.000 | |
Rango de capacitancia | 100 pF – 22 µF | 100 pF – 1 µF | 100 pF – 0,47 µF | 100 pF – 10 µF | |
Rango de temperatura de aplicación (° C) | −55 a +125 / + 150 | −55 a +150 | −55 a +150 | −55 hasta +105 | |
C / C 0 versus rango de temperatura (%) | ± 5 | ± 5 | ± 1,5 | ± 2,5 | |
Factor de disipación (• 10 −4 ) | |||||
a 1 kHz | 50-200 | 42–80 | 2-15 | 0,5–5 | |
a 10 kHz | 110-150 | 54-150 | 2,5-25 | 2-8 | |
a 100 kHz | 170–300 | 120–300 | 12–60 | 2–25 | |
a 1 MHz | 200–350 | - | 18–70 | 4–40 | |
Constante de tiempo R Insul • C (s) | a 25 ° C | ≥10.000 | ≥10.000 | ≥10.000 | ≥100.000 |
a 85 ° C | 1.000 | 1.000 | 1.000 | 10,000 | |
Absorción dieléctrica (%) | 0,2-0,5 | 1–1,2 | 0.05-0.1 | 0.01-0.1 | |
Capacitancia específica (nF • V / mm 3 ) | 400 | 250 | 140 | 50 |
Algunos condensadores de película de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos los condensadores de supresión de RFI / EMI para la conexión a la red de suministro, también conocidos como condensadores de seguridad, [16] condensadores amortiguadores para sobrecorrientes muy altas, [17] motor haga funcionar condensadores y condensadores de CA para aplicaciones de motor. [18]
Estilo radial (un solo extremo) para montaje con soldadura de orificio pasante en placas de circuito impreso
Estilo SMD para montaje en superficie de placa de circuito impreso, con contactos metalizados en dos bordes opuestos
Estilo radial con terminales de soldadura de alta resistencia para aplicaciones de amortiguación y altas cargas de pulsos de sobretensión
Condensador amortiguador de alta resistencia con terminales de tornillo
Condensadores de película de potencia
Un tipo relacionado es el condensador de película de potencia . Los materiales y las técnicas de construcción utilizados para los condensadores de película de gran potencia son en su mayoría similares a los de los condensadores de película ordinarios. Sin embargo, los condensadores con clasificaciones de potencia de alta a muy alta para aplicaciones en sistemas de energía e instalaciones eléctricas a menudo se clasifican por separado, por razones históricas. La estandarización de los condensadores de película ordinarios está orientada a parámetros eléctricos y mecánicos. La estandarización de los capacitores de potencia, por el contrario, enfatiza la seguridad del personal y el equipo, tal como lo establece la autoridad reguladora local.
A medida que los equipos electrónicos modernos adquirieron la capacidad de manejar niveles de potencia que anteriormente eran del dominio exclusivo de los componentes de "energía eléctrica", la distinción entre las clasificaciones de potencia "electrónica" y "eléctrica" se difuminó. Históricamente, el límite entre estas dos familias estaba aproximadamente a una potencia reactiva de 200 voltios-amperios.
Los condensadores de potencia de película utilizan principalmente películas de polipropileno como dieléctrico. Otros tipos incluyen condensadores de papel metalizado (condensadores MP) y condensadores de película dieléctrica mixta con dieléctricos de polipropileno. Los condensadores MP sirven para aplicaciones de coste y como electrodos portadores sin campo (condensadores de lámina empapada) para cargas de pulsos de corriente alterna o alta. Los devanados se pueden rellenar con un aceite aislante o con resina epoxi para reducir las burbujas de aire y evitar así cortocircuitos.
Encuentran uso como convertidores para cambiar voltaje, corriente o frecuencia, para almacenar o entregar energía eléctrica abruptamente o para mejorar el factor de potencia. El rango de voltaje nominal de estos condensadores es de aproximadamente 120 V CA (balastos de iluminación capacitiva) a 100 kV. [19]
Condensador de película de potencia para corrección del factor de potencia de CA (PFC), empaquetado en una lata de metal cilíndrica
Condensador de película de potencia en carcasa rectangular
Uno de los varios bancos de condensadores de película de potencia de almacenamiento de energía, para la generación de campos magnéticos en el Acelerador de anillo de electrones y hadrones ( HERA ), ubicado en el sitio DESY en Hamburgo.
Banco de condensadores de subestación de 75MVAR a 150 kV
Condensadores electrolíticos
Los condensadores electrolíticos tienen un ánodo metálico cubierto con una capa oxidada que se utiliza como dieléctrico. El segundo electrodo es un electrolito no sólido (húmedo) o sólido. Los condensadores electrolíticos están polarizados. Hay tres familias disponibles, categorizadas según su dieléctrico.
- Condensadores electrolíticos de aluminio con óxido de aluminio como dieléctrico
- Condensadores electrolíticos de tantalio con pentóxido de tantalio como dieléctrico
- Condensadores electrolíticos de niobio con pentóxido de niobio como dieléctrico.
El ánodo está muy rugoso para aumentar el área de la superficie. Esto y la permitividad relativamente alta de la capa de óxido dan a estos condensadores una capacitancia muy alta por unidad de volumen en comparación con los condensadores de película o cerámica.
La permitividad del pentóxido de tantalio es aproximadamente tres veces mayor que la del óxido de aluminio, lo que produce componentes significativamente más pequeños. Sin embargo, la permitividad determina solo las dimensiones. Los parámetros eléctricos, especialmente la conductividad , son establecidos por el material y la composición del electrolito. Se utilizan tres tipos generales de electrolitos:
- no sólido (húmedo, líquido): conductividad de aproximadamente 10 mS / cm y son el costo más bajo
- Óxido de manganeso sólido: la conductividad de aproximadamente 100 mS / cm ofrece alta calidad y estabilidad.
- polímero conductor sólido ( polipirrol o PEDOT: PSS ): conductividad de aproximadamente 100 ... 500 S / cm, [20] [21] ofrecen valores de ESR tan bajos como <10 mΩ
Las pérdidas internas de los condensadores electrolíticos, que se utilizan predominantemente para aplicaciones de desacoplamiento y amortiguación, están determinadas por el tipo de electrolito.
Material del ánodo | Electrólito | Rango de capacitancia (µF) | Max. tensión nominal a 85 ° C (V) | Temperatura de categoría superior (° C) | Corriente de ondulación específica (mA / mm 3 ) 1) |
---|---|---|---|---|---|
Aluminio (lámina rugosa) | no sólido, por ejemplo , etilenglicol , DMF , DMA , GBL | 0,1–2,700,000 | 600 | 150 | 0.05–2.0 |
sólido, dióxido de manganeso (MnO 2 | 0,1-1,500 | 40 | 175 | 0,5-2,5 | |
polímero conductor sólido (por ejemplo, PEDOT: PSS ) | 10-1,500 | 250 | 125 | 10-30 | |
Tantalio (lámina rugosa) | ácido sulfúrico no sólido | 0,1-1 000 | 630 | 125 | - |
Tantalio (sinterizado) | ácido sulfúrico no sólido | 0,1-15 000 | 150 | 200 | - |
Dióxido de manganeso sólido (MnO 2 | 0,1–3,300 | 125 | 150 | 1,5-15 | |
polímero conductor sólido (por ejemplo, PEDOT: PSS) | 10-1,500 | 35 | 125 | 10-30 | |
Niobio u óxido de niobio (sinterizado) | Dióxido de manganeso sólido (MnO 2 | 1–1,500 | 10 | 125 | 5-20 |
|
La gran capacidad por unidad de volumen de los condensadores electrolíticos los hace valiosos en circuitos eléctricos de baja frecuencia y corriente relativamente alta , por ejemplo, en filtros de suministro de energía para desacoplar componentes de CA no deseados de las conexiones de alimentación de CC o como condensadores de acoplamiento en amplificadores de audio, para pasar o desviar señales de baja frecuencia y que almacenan grandes cantidades de energía. El valor de capacitancia relativamente alto de un condensador electrolítico combinado con la ESR muy baja del electrolito de polímero de los condensadores de polímero , especialmente en los estilos SMD, los convierte en un competidor de los condensadores de chip MLC en las fuentes de alimentación de las computadoras personales.
Los condensadores electrolíticos de aluminio bipolares (también llamados condensadores no polarizados) contienen dos láminas de aluminio anodizado, que se comportan como dos condensadores conectados en serie en oposición.
Los condensadores electrolíticos para aplicaciones especiales incluyen condensadores de arranque de motor, [22] condensadores de linterna [23] y condensadores de frecuencia de audio. [24]
Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de aluminio enrollado con electrolito no sólido (líquido)
Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de tantalio sinterizado con electrolito sólido y capas en contacto con el cátodo
Estilos axiales, radiales (de un solo extremo) y de chip en V de condensadores electrolíticos de aluminio
Estilo a presión de condensadores electrolíticos de aluminio para aplicaciones de energía
Estilo SMD para montaje en superficie de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito de polímero
Condensadores de chip electrolítico de tantalio para montaje en superficie
Supercondensadores
Los supercondensadores (SC) , [25] comprenden una familia de condensadores electroquímicos . Supercondensador, a veces llamado ultracondensador es un término genérico para condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), pseudocondensadores y condensadores híbridos. No tienen un dieléctrico sólido convencional . El valor de capacitancia de un capacitor electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento, los cuales contribuyen a la capacitancia total del capacitor: [26] [27] [28]
- Capacitancia de doble capa : el almacenamiento se logra mediante la separación de la carga en una capa doble de Helmholtz en la interfaz entre la superficie de un conductor y una solución electrolítica. La distancia de separación de la carga en una doble capa es del orden de unos pocos Angstroms (0,3–0,8 nm ). Este almacenamiento es de origen electrostático . [1]
- Pseudocapacitancia : el almacenamiento se logra mediante reacciones redox , electrosorción o intercalación en la superficie del electrodo o mediante iones específicamente adsorbidos que dan como resultado una transferencia de carga faradaica reversible . La pseudocapacidad es de origen faradaico. [1]
La relación de almacenamiento resultante de cada principio puede variar mucho, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de capacitancia hasta en un orden de magnitud sobre el de la doble capa por sí misma. [25]
Los supercondensadores se dividen en tres familias, según el diseño de los electrodos:
- Condensadores de doble capa : con electrodos de carbono o derivados con una capacitancia estática de doble capa mucho más alta que la pseudocapacitancia faradaica.
- Pseudocondensadores : con electrodos de óxidos metálicos o polímeros conductores con una gran cantidad de pseudocapacitancia faradaica
- Condensadores híbridos : condensadores con electrodos especiales y asimétricos que exhiben tanto capacitancia significativa de doble capa como pseudocapacitancia, como los capacitores de iones de litio.
Los supercondensadores acortan la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías recargables . Tienen los valores de capacitancia disponibles más altos por unidad de volumen y la mayor densidad de energía de todos los capacitores. Soportan hasta 12.000 faradios / 1,2 voltios, [29] con valores de capacitancia de hasta 10.000 veces los de los condensadores electrolíticos . [25] Si bien los supercondensadores existentes tienen densidades de energía que son aproximadamente el 10% de una batería convencional, su densidad de energía es generalmente de 10 a 100 veces mayor. La densidad de potencia se define como el producto de la densidad de energía, multiplicado por la velocidad a la que se entrega la energía a la carga . La mayor densidad de potencia da como resultado ciclos de carga / descarga mucho más cortos de lo que es capaz una batería y una mayor tolerancia para numerosos ciclos de carga / descarga. Esto los hace adecuados para la conexión en paralelo con baterías y puede mejorar el rendimiento de la batería en términos de densidad de potencia.
Dentro de los condensadores electroquímicos, el electrolito es la conexión conductora entre los dos electrodos, distinguiéndolos de los condensadores electrolíticos, en los que el electrolito solo forma el cátodo, el segundo electrodo.
Los supercondensadores están polarizados y deben funcionar con la polaridad correcta. La polaridad se controla por diseño con electrodos asimétricos o, para electrodos simétricos, por un potencial aplicado durante el proceso de fabricación.
Los supercondensadores admiten un amplio espectro de aplicaciones para los requisitos de potencia y energía, que incluyen:
- Baja corriente de suministro durante tiempos más largos para respaldo de memoria ( SRAM ) en equipos electrónicos
- La electrónica de potencia que requieren muy corto, de gran intensidad, como en el KERSsystem en la Fórmula 1 los coches
- Recuperación de energía de frenado para vehículos como autobuses y trenes
Los supercondensadores rara vez son intercambiables, especialmente aquellos con densidades de energía más altas. La norma IEC 62391-1 Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos identifica cuatro clases de aplicaciones:
- Clase 1, respaldo de memoria, corriente de descarga en mA = 1 • C (F)
- Clase 2, almacenamiento de energía, corriente de descarga en mA = 0,4 • C (F) • V (V)
- Clase 3, potencia, corriente de descarga en mA = 4 • C (F) • V (V)
- Clase 4, potencia instantánea, corriente de descarga en mA = 40 • C (F) • V (V)
Excepcionales para componentes electrónicos como condensadores son los diferentes nombres comerciales o de serie utilizados para supercondensadores como: APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, condensador Kapton, Supercondensador, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor, lo que dificulta a los usuarios clasificar estos capacitores.
Condensador de doble capa con 1 F a 5,5 V para retención de datos cuando está apagado.
Estilo radial (de un solo extremo) de condensadores de iones de litio para alta densidad de energía
Supercondensadores
Condensadores de clase X y clase Y
Muchas regulaciones de seguridad exigen que los capacitores de Clase X o Clase Y deben usarse siempre que una "falla en cortocircuito" pueda poner en peligro a las personas, para garantizar el aislamiento galvánico incluso cuando el capacitor falla.
Los rayos y otras fuentes provocan sobretensiones de alta tensión en la red eléctrica. Los condensadores de seguridad protegen a los seres humanos y a los dispositivos de las sobrecargas de voltaje al desviar la energía de la sobretensión a tierra. [30]
En particular, las normas de seguridad exigen una disposición particular de Clase X y Clase Y red de filtrado condensadores . [31]
En principio, cualquier dieléctrico podría usarse para construir capacitores Clase X y Clase Y; quizás incluyendo un fusible interno para mejorar la seguridad. [32] [33] [34] [35] En la práctica, los condensadores que cumplen con las especificaciones de Clase X y Clase Y suelen ser condensadores cerámicos de supresión de RFI / EMI o condensadores de supresión de RFI / EMI de película plástica .
Condensadores varios
Debajo de los condensadores descritos anteriormente que cubren más o menos casi el mercado total de condensadores discretos, se pueden encontrar algunos desarrollos nuevos o tipos de condensadores muy especiales, así como tipos más antiguos, en electrónica.
Condensadores integrados
- Condensadores integrados: en los circuitos integrados , los condensadores a nanoescala se pueden formar mediante patrones apropiados de metalización en un sustrato aislante. Pueden estar empaquetados en múltiples arreglos de capacitores sin otras partes semiconductoras como componentes discretos. [36]
- Condensadores de vidrio: el primer condensador de jarra de Leyden se hizo de vidrio, a partir de 2012[actualizar] Los condensadores de vidrio se usaban como versión SMD para aplicaciones que requerían un servicio ultra confiable y ultra estable.
Condensadores de potencia
- Condensadores de vacío: se utilizan en transmisores de RF de alta potencia.
- Condensadores llenos de gas SF 6 : se utilizan como estándar de capacitancia en la medición de circuitos de puente
Condensadores especiales
- Placas de circuito impreso: las áreas conductoras de metal en diferentes capas de una placa de circuito impreso multicapa pueden actuar como un condensador altamente estable en filtros de elementos distribuidos . Es una práctica común de la industria rellenar las áreas no utilizadas de una capa de PCB con el conductor de tierra y otra capa con el conductor de potencia, formando un gran condensador distribuido entre las capas.
- Alambre: 2 piezas de alambre aislado trenzadas. Los valores de capacitancia suelen oscilar entre 3 pF y 15 pF. Se utiliza en circuitos VHF caseros para retroalimentación de oscilación.
También existen dispositivos especializados, como condensadores incorporados con áreas conductoras de metal en diferentes capas de una placa de circuito impreso multicapa y obstáculos tales como retorcer dos piezas de alambre aislado.
Los condensadores fabricados retorciendo 2 piezas de cable aislado se denominan condensadores de truco. Los condensadores de truco se utilizaron en receptores de radio comerciales y aficionados. [37] [38] [39] [40] [41]
Condensadores obsoletos
- Leyden jars el primer condensador conocido
- Condensadores de mica sujetados: los primeros condensadores con un comportamiento de frecuencia estable y bajas pérdidas, utilizados para aplicaciones de radio militar durante la Segunda Guerra Mundial.
- Condensadores de espacio de aire: utilizados por los primeros transmisores de espacio de chispa
Algunos condensadores de mica de plata con clasificación de 1 nF × 500 VCC
Condensador de vacío con encapsulado de vidrio de uranio
Condensadores variables
Los condensadores variables pueden tener su capacitancia cambiada por movimiento mecánico. Generalmente se deben distinguir dos versiones de condensadores variables
- Condensador de sintonización: condensador variable para sintonizar intencionada y repetidamente un circuito oscilador en una radio u otro circuito sintonizado.
- Condensador de ajuste: condensador variable pequeño generalmente para ajuste interno del circuito del oscilador de una sola vez
Los condensadores variables incluyen condensadores que utilizan una construcción mecánica para cambiar la distancia entre las placas, o la cantidad de superficie de la placa que se superpone. En su mayoría utilizan aire como medio dieléctrico.
Los diodos de capacitancia variable semiconductores no son capacitores en el sentido de componentes pasivos, pero pueden cambiar su capacitancia en función de la tensión de polarización inversa aplicada y se utilizan como un capacitor variable. Han reemplazado gran parte de los condensadores de ajuste y trimmer.
Condensador de ajuste de espacio de aire
Condensador de ajuste de vacío
Condensador de ajuste para montaje en orificio pasante
Condensador de ajuste para montaje en superficie
Comparación de tipos
Tipo de condensador | Dieléctrico | Características / aplicaciones | Desventajas |
---|---|---|---|
Condensadores cerámicos | |||
Condensadores cerámicos de clase 1 | mezcla cerámica paraeléctrica de dióxido de titanio modificada por aditivos | Cambio de capacitancia lineal y baja predecible con la temperatura de funcionamiento . Excelentes características de alta frecuencia con bajas pérdidas. Para compensación de temperatura en aplicaciones de circuito resonante . Disponible en voltajes de hasta 15.000 V | Cerámica de baja permitividad , condensadores con baja eficiencia volumétrica , dimensiones más grandes que los condensadores de clase 2 |
Condensadores cerámicos de clase 2 | mezcla de cerámica ferroeléctrica de titanato de bario y aditivos adecuados | Alta permitividad, alta eficiencia volumétrica, dimensiones más pequeñas que los capacitores de Clase 1. Para aplicaciones de búfer, derivación y acoplamiento. Disponible en voltajes de hasta 50.000 V. | Estabilidad más baja y pérdidas más altas que la Clase 1. La capacitancia cambia con el cambio en el voltaje aplicado, con la frecuencia y con los efectos del envejecimiento. Ligeramente microfónico |
Condensadores de película | |||
Condensadores de película metalizada | PP, PET, PLUMA, PPS, (PTFE) | Los condensadores de película metalizada tienen un tamaño significativamente más pequeño que las versiones de película / lámina y tienen propiedades de autocuración. | Los electrodos metalizados delgados limitan la capacidad máxima de transporte de corriente , respectivamente, el voltaje de pulso máximo posible. |
Condensadores de película / película de aluminio | PP, PET, PTFE | Los condensadores de película / película de lámina tienen los índices de sobretensión / voltaje de pulso más altos, respectivamente. Las corrientes máximas son más altas que para los tipos metalizados. | Sin propiedades de autocuración: el corto interno puede ser incapacitante. Dimensiones más grandes que la alternativa metalizada. |
Condensadores de película de polipropileno (PP) | Polipropileno | Dieléctrico de condensador de película más popular. Cambio de capacitancia lineal y baja predecible con la temperatura de funcionamiento. Adecuado para aplicaciones en circuitos de determinación de frecuencia de clase 1 y aplicaciones analógicas de precisión. Capacidades muy estrechas. Factor de disipación extremadamente bajo. Baja absorción de humedad, por lo que es adecuado para diseños "desnudos" sin recubrimiento. Alta resistencia de aislamiento. Utilizable en aplicaciones de alta potencia como amortiguadores o IGBT. También se utiliza en aplicaciones de alimentación de CA , como motores o corrección del factor de potencia . Pérdidas dieléctricas muy bajas. Aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia como calentamiento por inducción . Ampliamente utilizado para seguridad / supresión de EMI, incluida la conexión a la red eléctrica. | Temperatura máxima de funcionamiento de 105 ° C. Permitividad relativamente baja de 2.2. Los condensadores de película de PP tienden a ser más grandes que otros condensadores de película. Más susceptibles a daños por sobretensiones transitorias o inversiones de tensión que los condensadores MKV impregnados de aceite para aplicaciones de potencia pulsada . |
Condensadores de película de poliéster (PET) (Mylar) | Tereftalato de polietileno, poliéster (Hostaphan®, Mylar®) | De tamaño más pequeño que los condensadores de película de polipropileno funcionalmente comparables. Baja absorción de humedad. Han reemplazado casi por completo el papel metalizado y la película de poliestireno para la mayoría de las aplicaciones de CC. Se utiliza principalmente para aplicaciones de uso general o circuitos semicríticos con temperaturas de funcionamiento de hasta 125 ° C. Tensiones de funcionamiento hasta 60.000 V CC. | Utilizable a frecuencias bajas (alimentación de CA). Uso limitado en electrónica de potencia debido a mayores pérdidas con el aumento de temperatura y frecuencia. |
Condensadores de película de naftalato de polietileno (PEN) | Naftalato de polietileno (Kaladex®) | Mejor estabilidad a altas temperaturas que el PET. Más adecuado para aplicaciones de alta temperatura y para envases SMD. Se utiliza principalmente para filtrado, acoplamiento y desacoplamiento no críticos, porque las dependencias de temperatura no son significativas. | Una permitividad relativa más baja y una rigidez dieléctrica más baja implican dimensiones más grandes para una capacitancia y voltaje nominal dados que el PET. |
Condensadores de película de sulfuro de polifenileno (PPS) | Polifenileno (Torelina®) | Pequeña dependencia de la temperatura en todo el rango de temperatura y una estrecha dependencia de la frecuencia en un amplio rango de frecuencia. El factor de disipación es bastante pequeño y estable. Temperaturas de funcionamiento hasta 270 ° C. Adecuado para SMD. Tolerar el aumento de las temperaturas de soldadura por reflujo para la soldadura sin plomo exigida por la directiva RoHS 2002/95 / Unión Europea | Por encima de 100 ° C, el factor de disipación aumenta, aumentando la temperatura del componente, pero puede funcionar sin degradación. El costo suele ser más alto que el PP. |
Condensadores de politetrafluoroetileno (PTFE) ( película de teflón ) | Politetrafluoroetileno (Teflon®) | Dieléctrico sólido de menor pérdida. Temperaturas de funcionamiento hasta 250 ° C. Resistencia de aislamiento extremadamente alta. Buena estabilidad. Utilizado en aplicaciones de misión crítica. | Gran tamaño (debido a la baja constante dieléctrica). Mayor costo que otros condensadores de película. |
Condensadores de película de policarbonato (PC) | Policarbonato | Casi completamente reemplazado por PP | Fabricantes limitados |
Condensadores de película de poliestireno (PS) | Poliestireno (Styroflex) | Buena estabilidad térmica, alto aislamiento, baja distorsión [42] pero inadecuado para SMT y ahora reemplazado casi por completo por PET | Fabricantes limitados |
Condensadores de película de polisulfona | Polisulfona | Similar al policarbonato. Soporta voltaje total a temperaturas comparativamente más altas. | Solo desarrollo, no se encontraron series (2012) |
Condensadores de película de poliamida | Poliamida | Temperaturas de funcionamiento de hasta 200 ° C. Alta resistencia de aislamiento. Buena estabilidad. Factor de disipación bajo. | Solo desarrollo, no se encontraron series (2012) |
Condensadores de película de poliimida (Kapton) | Poliamida (Kapton) | La rigidez dieléctrica más alta de cualquier dieléctrico de película de plástico conocido. | Solo desarrollo, no se encontraron series (2012) |
Condensadores de potencia basados en película | |||
Condensadores de potencia de papel metalizado | Papel impregnado con aceite aislante o resina epoxi | Propiedades autocurativas. Originalmente impregnado con cera, aceite o epoxi. Versión de papel Oil-Kraft utilizada en determinadas aplicaciones de alto voltaje . Principalmente reemplazado por PP. | Talla grande. Altamente higroscópico , absorbe la humedad de la atmósfera a pesar de las envolturas de plástico y las impregnaciones. La humedad aumenta las pérdidas dieléctricas y disminuye la resistencia del aislamiento . |
Condensadores de potencia de película / lámina de papel | Papel kraft impregnado de aceite | Papel cubierto con láminas metálicas a modo de electrodos. Bajo costo. Aplicaciones de alta descarga y servicio intermitente. | Físicamente grande y pesado. Densidad de energía significativamente menor que el dieléctrico PP. No autocurativo. Posible falla catastrófica debido a una gran cantidad de energía almacenada. |
Condensadores de potencia de papel sin campo , dieléctricos PP (condensadores de potencia MKV) | Papel metalizado de doble cara (sin campo) como soporte de electrodo. PP como dieléctrico, impregnado con aceite aislante, resina epoxi o gas aislante | Autocuración. Pérdidas muy bajas. Alta resistencia de aislamiento. Alta intensidad de corriente de entrada. Alta estabilidad térmica. Aplicaciones de servicio pesado como conmutación con alta potencia reactiva, altas frecuencias y una carga de corriente de pico alta y otras aplicaciones de CA. | Físicamente más grandes que los condensadores de potencia de PP. |
Condensadores de potencia de PP metalizados de una o dos caras | PP como dieléctrico, impregnado con aceite aislante, resina epoxi o gas aislante | Capacitancia más alta por condensador de potencia de volumen. Autocuración. Amplia gama de aplicaciones, como condensadores de CA de uso general, condensadores de motor , suavizado o filtrado, enlaces de CC, amortiguación o sujeción, CA de amortiguación, circuitos de CC resonantes en serie, descarga de CC, conmutación de CA, corrección del factor de potencia de CA. | crítico para un funcionamiento confiable de alto voltaje y cargas de corriente de irrupción muy altas, resistencia al calor limitada (105 ° C) |
Condensadores de potencia de película / lámina de PP | PP impregnado o gas aislante, aceite aislante, resina epoxi o gas aislante | Intensidad de corriente de irrupción más alta | Más grande que las versiones metalizadas de PP. No autocurativo. |
Condensadores electrolíticos | |||
Condensadores electrolíticos con no sólida (húmeda, líquido) electrolito | Óxido de aluminio Al 2 O 3 | Relación de capacitancia a volumen muy grande. Valores de capacitancia hasta 2,700,000 µF / 6.3 V. Voltaje hasta 550 V. El costo más bajo por valores de capacitancia / voltaje. Se utiliza donde las bajas pérdidas y la alta estabilidad de capacitancia no son de gran importancia, especialmente para frecuencias más bajas, como aplicaciones de derivación, acoplamiento, suavizado y búfer en fuentes de alimentación y enlaces de CC. | Polarizado. Fuga significativa. Valores de ESR y ESL relativamente altos, lo que limita la corriente de ondulación alta y las aplicaciones de alta frecuencia. Se requiere el cálculo de la vida útil debido al fenómeno de secado. Ventile o explote cuando esté sobrecargado, sobrecalentado o conectado con polarización incorrecta. El electrolito a base de agua puede ventilarse al final de su vida útil, mostrando fallas como " plaga de capacitores " |
Pentóxido de tantalio Ta 2 O 5 | Condensadores electrolíticos de tantalio húmedo (babosa húmeda) [43] La fuga más baja entre los electrolíticos. Tensión hasta 630 V (película de tantalio) o 125 V (cuerpo sinterizado de tantalio). Sellado herméticamente. Estable y confiable. Aplicaciones militares y espaciales. | Polarizado. Explosión violenta cuando se excede el voltaje, la corriente de ondulación o las velocidades de variación, o cuando se encuentra bajo voltaje inverso. Costoso. | |
Condensadores electrolíticos con electrolito sólido de dióxido de manganeso | Óxido de aluminio Al 2O 3 Pentóxido de tantalio Ta 2 O 5 , Pentóxido de niobio Nb 2O 5 | Tantalio y niobio con dimensiones más pequeñas para una capacitancia / voltaje dado frente al aluminio. Parámetros eléctricos estables. Buen rendimiento a largo plazo a altas temperaturas. Menor ESR más bajo que los electrolíticos no sólidos (húmedos). | Polarizado. Aproximadamente 125 V. Baja tensión y tolerancia limitada, transitoria, inversa o sobretensión. Posible combustión en caso de avería. ESR mucho más alta que los electrolíticos de polímeros conductores. Se espera que el manganeso sea reemplazado por polímero. |
Condensadores electrolíticos con electrolito de polímero sólido ( condensadores de polímero ) | Óxido de aluminio Al 2O 3, Pentóxido de tantalio Ta 2 O 5 , Pentóxido de niobio Nb 2O 5 | ESR muy reducida en comparación con los electrolíticos de manganeso o no sólidos (húmedos). Clasificaciones de corriente de ondulación más altas. Vida operativa extendida. Parámetros eléctricos estables. Autocuración. [44] Se utiliza para suavizar y almacenar en búfer en fuentes de alimentación más pequeñas, especialmente en SMD. | Polarizado. Corriente de fuga más alta entre los electrolíticos. Precios más altos que el dióxido de manganeso o no sólido. Voltaje limitado a aproximadamente 100 V. Explota cuando se excede el voltaje, la corriente o las velocidades de variación o se encuentra bajo voltaje inverso. |
Supercondensadores | |||
Supercondensadores Pseudocondensadores | Helmholtz de doble capa más pseudocapacidad faradaica | La densidad de energía suele ser de diez a cientos de veces mayor que la de los electrolíticos convencionales. Más comparable a las baterías que a otros condensadores. Gran relación capacitancia / volumen. ESR relativamente baja. Miles de faradios. Copia de seguridad de la memoria RAM. Energía temporal durante el reemplazo de la batería. Absorbe / entrega rápidamente corrientes mucho mayores que las baterías. Cientos de miles de ciclos de carga / descarga. Vehículos híbridos. Recuperación | Polarizado. Voltaje de funcionamiento bajo por celda. (Las celdas apiladas proporcionan un voltaje operativo más alto). Costo relativamente alto. |
Condensadores híbridos Condensadores de iones de litio (LIC) | Helmholtz de doble capa más pseudocapacidad faradaica. Ánodo dopado con iones de litio . | Mayor voltaje de funcionamiento. Densidad de energía más alta que los EDLC comunes, pero más pequeña que las baterías de iones de litio (LIB). Sin reacciones térmicas descontroladas. | Polarizado. Voltaje de funcionamiento bajo por celda. (Las celdas apiladas proporcionan un voltaje operativo más alto). Costo relativamente alto. |
Condensadores varios | |||
Condensadores de espacio de aire | Aire | Pérdida dieléctrica baja. Se utiliza para circuitos HF resonantes para soldadura HF de alta potencia. | Físicamente grande. Capacitancia relativamente baja. |
Condensadores de vacío | Aspiradora | Pérdidas extremadamente bajas. Se utiliza para aplicaciones de RF de alta tensión y alta potencia, como transmisores y calentamiento por inducción. Autorreparable si la corriente de arco es limitada. | Costo muy elevado. Frágil. Grande. Capacitancia relativamente baja. |
SF 6-condensadores llenos de gas | SF6 gas | Alta precisión. [45] Pérdidas extremadamente bajas. Muy alta estabilidad. Tensión nominal de hasta 1600 kV. Se utiliza como estándar de capacitancia en la medición de circuitos de puente. | Costo muy alto |
Condensadores de mica metalizada ( mica plateada ) | Mica | Muy alta estabilidad. Sin envejecimiento. Pérdidas bajas. Se utiliza para circuitos de RF de HF y VHF bajo y como estándar de capacitancia en circuitos de puente de medición. Principalmente reemplazado por condensadores cerámicos de clase 1 | Mayor costo que los capacitores cerámicos de clase 1 |
Condensadores de vidrio | Vidrio | Mejor estabilidad y frecuencia que la mica plateada. Ultra confiable. Ultraestable. Resistente a la radiación nuclear. Temperatura de funcionamiento: −75 ° C a +200 ° C e incluso sobreexposición breve a +250 ° C. [46] | Mayor costo que la cerámica de clase 1 |
Condensadores integrados | óxido-nitruro-óxido (ONO) | Delgado (hasta 100 µm). Huella más pequeña que la mayoría de MLCC. ESL bajo. Muy alta estabilidad hasta 200 ° C. Alta fiabilidad | Producción personalizada |
Condensadores variables | |||
Condensadores de ajuste de espacio de aire | Aire | Cortes circulares o logarítmicos varios del electrodo del rotor para diferentes curvas de capacitancia. Rotor dividido o corte de estator para ajuste simétrico. Eje de rodamiento de bolas para un ajuste reducido del ruido. Para dispositivos de alta profesionalidad. | Grandes dimensiones. Alto costo. |
Condensadores de ajuste de vacío | Aspiradora | Pérdidas extremadamente bajas. Se utiliza para aplicaciones de RF de alta tensión y alta potencia, como transmisores y calentamiento por inducción. Autorreparable si la corriente de arco es limitada. | Costo muy elevado. Frágil. Grandes dimensiones. |
SF 6 condensador de sintonización lleno de gas | SF 6 | Pérdidas extremadamente bajas. Se utiliza para aplicaciones de RF de muy alta tensión y alta potencia. | Muy alto costo, frágil, grandes dimensiones |
Condensadores de ajuste de espacio de aire | Aire | Principalmente reemplazado por diodos de capacitancia variable semiconductores | Alto costo |
Condensadores de ajuste cerámicos | Cerámica clase 1 | Comportamiento de frecuencia lineal y estable en un amplio rango de temperatura | Alto costo |
Características electricas
Circuito equivalente en serie
Los condensadores discretos se desvían del condensador ideal. Un condensador ideal solo almacena y libera energía eléctrica, sin disipación. Los componentes del condensador tienen pérdidas y partes inductivas parásitas. Estas imperfecciones en el material y la construcción pueden tener implicaciones positivas, como la frecuencia lineal y el comportamiento de la temperatura en los condensadores cerámicos de clase 1. Por el contrario, las implicaciones negativas incluyen la capacitancia no lineal dependiente del voltaje en los capacitores cerámicos de clase 2 o el aislamiento dieléctrico insuficiente de los capacitores que conduce a corrientes de fuga.
Todas las propiedades pueden definirse y especificarse mediante un circuito equivalente en serie compuesto por una capacitancia idealizada y componentes eléctricos adicionales que modelan todas las pérdidas y los parámetros inductivos de un capacitor. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas están definidas por:
- C , la capacitancia del condensador
- R insul , la resistencia de aislamiento del dieléctrico, que no debe confundirse con el aislamiento de la carcasa.
- R fuga , la resistencia que representa la corriente de fuga del condensador
- R ESR , la resistencia en serie equivalente que resume todas las pérdidas óhmicas del condensador, generalmente abreviado como "ESR"
- L ESL , la inductancia en serie equivalente que es la autoinductancia efectiva del condensador, generalmente abreviada como "ESL".
El uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo se especifica en IEC / EN 60384-1.
Valores y tolerancias de capacitancia estándar
La capacitancia nominal C R o la capacitancia nominal C N es el valor para el cual se ha diseñado el capacitor. La capacitancia real depende de la frecuencia medida y la temperatura ambiente. Las condiciones de medición estándar son un método de medición de CA de bajo voltaje a una temperatura de 20 ° C con frecuencias de
- 100 kHz, 1 MHz (preferido) o 10 MHz para condensadores no electrolíticos con C R ≤ 1 nF:
- 1 kHz o 10 kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF
R ≤ 10 μF - 100/120 Hz para condensadores electrolíticos
- 50/60 Hz o 100/120 Hz para condensadores no electrolíticos con C R > 10 μF
Para los supercondensadores se aplica un método de caída de voltaje para medir el valor de capacitancia. .
Los condensadores están disponibles en valores preferidos geométricamente crecientes ( estándares de la serie E ) especificados en IEC / EN 60063. Según el número de valores por década, estos se denominaron series E3, E6, E12, E24 , etc. La gama de unidades utilizadas para especificar los valores de los condensadores se ha ampliado para incluir todo, desde pico- (pF), nano- (nF) y microfaradio (µF) hasta faradio (F). Los milifaradios y los kilofaradios son poco frecuentes.
El porcentaje de desviación permitida del valor nominal se llama tolerancia . El valor de capacitancia real debe estar dentro de sus límites de tolerancia o fuera de especificación. IEC / EN 60062 especifica un código de letras para cada tolerancia.
Serie E | Tolerancia | |||
---|---|---|---|---|
C R > 10 pF | Código de letra | C R <10 pF | Código de letra | |
E 96 | 1% | F | 0,1 pF | B |
E 48 | 2% | GRAMO | 0,25 pF | C |
E 24 | 5% | J | 0,5 pF | D |
E 12 | 10% | K | 1 pF | F |
E 6 | 20% | METRO | 2 pF | GRAMO |
E3 | −20 / + 50% | S | - | - |
−20 / + 80% | Z | - | - |
La tolerancia requerida está determinada por la aplicación particular. Las estrechas tolerancias de E24 a E96 se utilizan para circuitos de alta calidad, como osciladores de precisión y temporizadores. Las aplicaciones generales, como los circuitos de acoplamiento o filtrado no críticos, emplean E12 o E6. Los condensadores electrolíticos, que se utilizan a menudo para filtrar y derivar condensadores, tienen en su mayoría un rango de tolerancia de ± 20% y deben ajustarse a los valores de la serie E6 (o E3).
Dependencia de la temperatura
La capacitancia típicamente varía con la temperatura. Los diferentes dieléctricos expresan grandes diferencias en la sensibilidad a la temperatura. El coeficiente de temperatura se expresa en partes por millón (ppm) por grado Celsius para los condensadores cerámicos de clase 1 o en% sobre el rango de temperatura total para todos los demás.
Tipo de condensador, material dieléctrico | Coeficiente de temperatura C / C 0 | Rango de temperatura de aplicación |
---|---|---|
Condensador cerámico clase 1 paraeléctrico NP0 | ± 30 ppm / K (± 0,5%) | −55 hasta +125 ° C |
Condensador cerámico clase 2 ferroeléctrico X7R | ± 15% | −55 hasta +125 ° C |
Condensador cerámico clase 2, ferroeléctrico Y5V | + 22% / −82% | −30 hasta +85 ° C |
Condensador de película Polipropileno (PP) | ± 2,5% | −55 hasta +85/105 ° C |
Condensador de película Tereftalato de polietileno, poliéster (PET) | + 5% | −55 hasta +125/150 ° C |
Condensador de película Polifenileno sulfuro (PPS) | ± 1,5% | −55 hasta +150 ° C |
Condensador de película Naftalato de polietileno (PEN) | ± 5% | −40 hasta +125/150 ° C |
Condensador de película Politetrafluoroetileno (PTFE) | ? | −40 hasta +130 ° C |
Condensador de papel metalizado (impregnado) | ± 10% | −25 hasta +85 ° C |
Condensador electrolítico de aluminio Al 2 O 3 | ± 20% | −40 hasta +85/105/125 ° C |
Condensador electrolítico de tantalio Ta 2 O 5 | ± 20% | −40 hasta +125 ° C |
Dependencia de la frecuencia
La mayoría de los tipos de condensadores discretos tienen más o menos cambios de capacitancia al aumentar las frecuencias. La rigidez dieléctrica de la película de plástico y cerámica de clase 2 disminuye al aumentar la frecuencia. Por lo tanto, su valor de capacitancia disminuye al aumentar la frecuencia. Este fenómeno para los dieléctricos de cerámica de clase 2 y de película plástica está relacionado con la relajación dieléctrica en la que la constante de tiempo de los dipolos eléctricos es la razón de la dependencia de la permitividad en la frecuencia . Los gráficos siguientes muestran el comportamiento de frecuencia típico de la capacitancia para capacitores cerámicos y de película.
Dependencia de la frecuencia de la capacitancia para condensadores cerámicos de clase 2 (NP0 clase 1 para comparación)
Dependencia de la frecuencia de la capacitancia para condensadores de película con diferentes materiales de película
En el caso de los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido, se produce un movimiento mecánico de los iones . Su movilidad es limitada de modo que a frecuencias más altas no todas las áreas de la estructura rugosa del ánodo están cubiertas con iones portadores de carga. Cuanto más alta es la estructura del ánodo, cuanto más disminuye el valor de capacitancia al aumentar la frecuencia. Los tipos de bajo voltaje con ánodos muy rugosos muestran capacitancia a 100 kHz aproximadamente del 10 al 20% del valor medido a 100 Hz.
Dependencia de voltaje
La capacitancia también puede cambiar con el voltaje aplicado. Este efecto es más frecuente en los condensadores cerámicos de clase 2. La permitividad del material ferroeléctrico de clase 2 depende del voltaje aplicado. Un voltaje aplicado más alto reduce la permitividad. El cambio de capacitancia puede caer al 80% del valor medido con el voltaje de medición estandarizado de 0.5 o 1.0 V. Este comportamiento es una pequeña fuente de no linealidad en filtros de baja distorsión y otras aplicaciones analógicas. En aplicaciones de audio, esto puede causar distorsión (medida mediante THD ).
Los condensadores de película y los condensadores electrolíticos no tienen una dependencia significativa del voltaje.
Diagrama simplificado del cambio de capacitancia en función de la tensión aplicada para condensadores de 25 V en diferentes tipos de calidades cerámicas
Diagrama simplificado del cambio de capacitancia en función del voltaje aplicado para cerámicas X7R con diferentes voltajes nominales
Voltaje nominal y de categoría
El voltaje al que el dieléctrico se vuelve conductor se llama voltaje de ruptura y viene dado por el producto de la rigidez dieléctrica y la separación entre los electrodos. La rigidez dieléctrica depende de la temperatura, la frecuencia, la forma de los electrodos, etc. Debido a que una falla en un capacitor normalmente es un cortocircuito y destruye el componente, el voltaje de operación es menor que el voltaje de ruptura. La tensión de funcionamiento se especifica de modo que la tensión se pueda aplicar de forma continua durante toda la vida útil del condensador.
En IEC / EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida se denomina "tensión nominal" o "tensión nominal". La tensión nominal (UR) es la tensión de CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal.
La prueba de voltaje de casi todos los capacitores disminuye al aumentar la temperatura. Algunas aplicaciones requieren un rango de temperatura más alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica un segundo "voltaje con reducción de temperatura" para un rango de temperatura más alto, el "voltaje de categoría". El voltaje de categoría (UC) es el voltaje de CC máximo o el voltaje de pulso pico que se puede aplicar continuamente a un capacitor a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría.
La relación entre los voltajes y las temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.
Impedancia
En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Pero esta es solo una función de condensador. Un condensador también puede actuar como un AC resistor . En muchos casos, el condensador se utiliza como condensador de desacoplamiento para filtrar o desviar frecuencias de CA polarizadas no deseadas a tierra. Otras aplicaciones utilizan condensadores para el acoplamiento capacitivo de señales de CA; el dieléctrico se usa solo para bloquear CC. Para tales aplicaciones, la resistencia de CA es tan importante como el valor de capacitancia.
La resistencia de CA dependiente de la frecuencia se llama impedancia y es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de CA. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de CA y posee tanto magnitud como fase a una frecuencia particular. Esto es diferente a la resistencia, que solo tiene magnitud.
La magnitud representa la relación entre la amplitud de la diferencia de voltaje y la amplitud de la corriente, es la unidad imaginaria , mientras que el argumento da la diferencia de fase entre voltaje y corriente.
En las hojas de datos de los condensadores, solo la magnitud de impedancia | Z | se especifica, y simplemente se escribe como "Z" para que la fórmula de la impedancia se pueda escribir en forma cartesiana
donde la parte real de la impedancia es la resistencia (para condensadores ) y la parte imaginaria es la reactancia .
Como se muestra en el circuito equivalente en serie de un capacitor, el componente real incluye un capacitor ideal , una inductancia y una resistencia . La reactancia total a la frecuencia angularpor lo tanto viene dada por la adición geométrica (compleja) de una reactancia capacitiva ( Capacitancia )y una reactancia inductiva ( inductancia ):.
Para calcular la impedancia la resistencia debe agregarse geométricamente y luego es dado por
- . La impedancia es una medida de la capacidad del capacitor para pasar corrientes alternas. En este sentido, la impedancia se puede utilizar como la ley de Ohm.
para calcular el pico o el valor efectivo de la corriente o el voltaje.
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas
- y
tienen el mismo valor), entonces la impedancia solo será determinada por .
La impedancia especificada en las hojas de datos a menudo muestra curvas típicas para los diferentes valores de capacitancia. Con frecuencia creciente a medida que la impedancia disminuye al mínimo. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente se pueden pasar corrientes alternas a través del condensador. En el vértice , el punto de resonancia, donde XC tiene el mismo valor que XL, el condensador tiene el valor de impedancia más bajo. Aquí solo la ESR determina la impedancia. Con frecuencias por encima de la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL del capacitor. El condensador se convierte en inductancia.
Como se muestra en el gráfico, los valores de capacitancia más altos pueden ajustarse mejor a las frecuencias más bajas, mientras que los valores de capacitancia más bajos pueden ajustarse mejor a las frecuencias más altas.
Los condensadores electrolíticos de aluminio tienen propiedades de desacoplamiento relativamente buenas en el rango de frecuencia más bajo hasta aproximadamente 1 MHz debido a sus grandes valores de capacitancia. Esta es la razón por la que se utilizan condensadores electrolíticos en fuentes de alimentación de modo estándar o conmutado detrás del rectificador para aplicaciones de suavizado.
Los condensadores cerámicos y de película ya están fuera de sus valores de capacitancia más pequeños, adecuados para frecuencias más altas de hasta varios 100 MHz. También tienen una inductancia parásita significativamente menor, lo que los hace adecuados para aplicaciones de frecuencia más alta, debido a su construcción con contacto de los electrodos con la superficie del extremo. Para aumentar el rango de frecuencias, a menudo se conecta un condensador electrolítico en paralelo con un condensador cerámico o de película. [47]
Muchos nuevos desarrollos están destinados a reducir la inductancia parásita (ESL). Esto aumenta la frecuencia de resonancia del condensador y, por ejemplo, puede seguir la velocidad de conmutación en constante aumento de los circuitos digitales. La miniaturización, especialmente en los condensadores de chip cerámico multicapa SMD ( MLCC ), aumenta la frecuencia de resonancia. La inductancia parasitaria se reduce aún más colocando los electrodos en el lado longitudinal del chip en lugar del lado lateral. La construcción "boca abajo" asociada con la tecnología de múltiples ánodos en los condensadores electrolíticos de tantalio redujo aún más el ESL. Las familias de condensadores, como el denominado condensador MOS o los condensadores de silicio, ofrecen soluciones cuando se necesitan condensadores en frecuencias de hasta el rango de GHz.
Inductancia (ESL) y frecuencia de autorresonación
El ESL en los condensadores industriales se debe principalmente a los cables y las conexiones internas que se utilizan para conectar las placas de los condensadores al mundo exterior. Los condensadores grandes tienden a tener un ESL más alto que los pequeños porque las distancias a la placa son más largas y cada mm cuenta como una inductancia.
Para cualquier condensador discreto, existe una frecuencia por encima de la CC en la que deja de comportarse como un condensador puro. Esta frecuencia, donde es tan alto como , se llama frecuencia autorresonante. La frecuencia autorresonante es la frecuencia más baja a la que la impedancia pasa por un mínimo. Para cualquier aplicación de CA, la frecuencia autorresonante es la frecuencia más alta a la que los condensadores se pueden utilizar como componente capacitivo.
Esto es de vital importancia para desacoplar los circuitos lógicos de alta velocidad de la fuente de alimentación. El condensador de desacoplamiento suministra corriente transitoria al chip. Sin desacopladores, el IC demanda corriente más rápido de lo que la conexión a la fuente de alimentación puede suministrarla, ya que partes del circuito se encienden y apagan rápidamente. Para contrarrestar este problema potencial, los circuitos utilizan con frecuencia varios condensadores de derivación: condensadores pequeños (100 nF o menos) clasificados para altas frecuencias, un condensador electrolítico grande clasificado para frecuencias más bajas y ocasionalmente, un condensador de valor intermedio.
Pérdidas óhmicas, ESR, factor de disipación y factor de calidad
Las pérdidas resumidas en los condensadores discretos son pérdidas de CA óhmicas . Las pérdidas de CC se especifican como " corriente de fuga " o "resistencia de aislamiento" y son insignificantes para una especificación de CA. Las pérdidas de CA no son lineales, posiblemente dependiendo de la frecuencia, temperatura, edad o humedad. Las pérdidas resultan de dos condiciones físicas:
- pérdidas de línea, incluidas las resistencias de la línea de suministro interno, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos y en los condensadores electrolíticos de aluminio "húmedo" y especialmente los supercondensadores, la conductividad limitada de los electrolitos líquidos y
- pérdidas dieléctricas de polarización dieléctrica .
La mayor parte de estas pérdidas en condensadores más grandes suele ser las pérdidas dieléctricas óhmicas dependientes de la frecuencia. Para componentes más pequeños, especialmente para capacitores electrolíticos húmedos, la conductividad de los electrolitos líquidos puede exceder las pérdidas dieléctricas. Para medir estas pérdidas, debe establecerse la frecuencia de medición. Dado que los componentes disponibles comercialmente ofrecen valores de capacitancia que cubren 15 órdenes de magnitud, que van desde pF ( 10-12 F) hasta unos 1000 F en supercondensadores, no es posible capturar todo el rango con una sola frecuencia. IEC 60384-1 establece que las pérdidas óhmicas deben medirse a la misma frecuencia utilizada para medir la capacitancia. Estos son:
- 100 kHz, 1 MHz (preferido) o 10 MHz para condensadores no electrolíticos con C R ≤ 1 nF:
- 1 kHz o 10 kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF
R ≤ 10 μF - 100/120 Hz para condensadores electrolíticos
- 50/60 Hz o 100/120 Hz para condensadores no electrolíticos con C R > 10 μF
Las pérdidas resistivas resumidas de un condensador se pueden especificar como ESR, como factor de disipación (DF, tan δ) o como factor de calidad (Q), según los requisitos de la aplicación.
Condensadores con mayor corriente de ondulación Las cargas, como los condensadores electrolíticos, se especifican con una resistencia en serie equivalente ESR. La ESR se puede mostrar como una parte óhmica en el diagrama vectorial anterior. Los valores de ESR se especifican en hojas de datos por tipo individual.
Las pérdidas de los condensadores de película y algunos condensadores cerámicos de clase 2 se especifican principalmente con el factor de disipación tan δ. Estos condensadores tienen pérdidas más pequeñas que los condensadores electrolíticos y, en su mayoría, se utilizan a frecuencias más altas de hasta unos cientos de MHz. Sin embargo, el valor numérico del factor de disipación, medido a la misma frecuencia, es independiente del valor de capacitancia y se puede especificar para una serie de capacitores con un rango de capacitancia. El factor de disipación se determina como la tangente de la reactancia () y la ESR, y puede mostrarse como el ángulo δ entre el eje imaginario y de impedancia.
Si la inductancia es pequeño, el factor de disipación se puede aproximar como:
Los condensadores con pérdidas muy bajas, como los condensadores cerámicos de Clase 1 y Clase 2, especifican pérdidas resistivas con un factor de calidad (Q). Los condensadores cerámicos de clase 1 son especialmente adecuados para circuitos resonantes LC con frecuencias de hasta el rango de GHz y filtros precisos de paso alto y paso bajo. Para un sistema de resonancia eléctrica, Q representa el efecto de la resistencia eléctrica y caracteriza el ancho de banda de un resonador. relativo a su centro o frecuencia resonante . Q se define como el valor recíproco del factor de disipación.
Un valor alto de Q es para circuitos resonantes una marca de la calidad de la resonancia.
Tipo de condensador | Capacitancia (pF) | ESR a 100 kHz (mΩ) | ESR a 1 MHz (mΩ) | tan δ a 1 MHz (10 −4 ) | Factor de calidad |
---|---|---|---|---|---|
Condensador de silicio [48] | 560 | 400 | - | 2,5 | 4000 |
Condensador de mica [49] | 1000 | 650 | sesenta y cinco | 4 | 2500 |
Condensador cerámico de clase 1 (NP0) [50] | 1000 | 1600 | 160 | 10 | 1000 |
Limitación de cargas de corriente
Un condensador puede actuar como una resistencia CA, acoplando voltaje CA y corriente CA entre dos puntos. Cada flujo de corriente alterna a través de un condensador genera calor dentro del cuerpo del condensador. Estas pérdidas de potencia de disipación es causado por y es el valor al cuadrado de la corriente efectiva (RMS)
La misma pérdida de potencia se puede escribir con el factor de disipación como
El calor generado internamente debe distribuirse al ambiente. La temperatura del condensador, que se establece en el equilibrio entre el calor producido y distribuido, no debe exceder la temperatura máxima especificada del condensador. Por lo tanto, la ESR o factor de disipación es una marca para la potencia máxima (carga de CA, corriente de ondulación, carga de pulso, etc.) para la que se especifica un capacitor.
Las corrientes de CA pueden ser:
- Corriente de ondulación: una corriente de CA efectiva (RMS), que proviene de un voltaje de CA superpuesto a una polarización de CC, una
- Corriente de pulso: una corriente de pico de CA, procedente de un pico de voltaje o un
- Corriente CA: una corriente sinusoidal efectiva (RMS)
Las corrientes de ondulación y CA calientan principalmente el cuerpo del condensador. Por estas corrientes, la temperatura interna generada influye en la tensión de ruptura del dieléctrico. Una temperatura más alta reduce la prueba de voltaje de todos los condensadores. En los condensadores electrolíticos húmedos, las temperaturas más altas fuerzan la evaporación de los electrolitos, lo que acorta la vida útil de los condensadores. En los condensadores de película, las temperaturas más altas pueden encoger la película de plástico y cambiar las propiedades del condensador.
Las corrientes de pulso, especialmente en los condensadores de película metalizada, calientan las áreas de contacto entre la pulverización final (schoopage) y los electrodos metalizados. Esto puede reducir el contacto con los electrodos, aumentando el factor de disipación.
Para un funcionamiento seguro, la temperatura máxima generada por cualquier flujo de corriente CA a través del condensador es un factor limitante, que a su vez limita la carga CA, la corriente de ondulación, la carga de pulsos, etc.
Corriente de rizado
Una "corriente de ondulación" es el valor eficaz de una corriente CA superpuesta de cualquier frecuencia y cualquier forma de onda de la curva de corriente para un funcionamiento continuo a una temperatura especificada. Surge principalmente en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación de modo conmutado ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado. La "corriente de ondulación nominal" no debe superar un aumento de temperatura de 3, 5 o 10 ° C, según el tipo de condensador, a la temperatura ambiente máxima especificada.
La corriente de ondulación genera calor dentro del cuerpo del condensador debido a la ESR del condensador. Los componentes del condensador ESR son: las pérdidas dieléctricas causadas por la intensidad de campo cambiante en el dieléctrico, la resistencia del conductor de alimentación y la resistencia del electrolito. Para un condensador eléctrico de doble capa (ELDC), estos valores de resistencia se pueden derivar de un diagrama de Nyquist de la impedancia compleja del condensador. [51]
La ESR depende de la frecuencia y la temperatura. Para los condensadores cerámicos y de película, en general, la ESR disminuye con el aumento de la temperatura, pero aumenta con las frecuencias más altas debido al aumento de las pérdidas dieléctricas. Para condensadores electrolíticos de hasta aproximadamente 1 MHz, la ESR disminuye con el aumento de frecuencias y temperaturas.
Los tipos de condensadores utilizados para aplicaciones de energía tienen un valor nominal específico para la corriente de ondulación máxima. Se trata principalmente de condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio, así como algunos condensadores de película y condensadores cerámicos de Clase 2.
Los condensadores electrolíticos de aluminio, el tipo más común de fuentes de alimentación, experimentan una esperanza de vida más corta con corrientes de ondulación más altas. Exceder el límite tiende a resultar en fallas explosivas.
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso sólido también están limitados por la corriente de ondulación. Exceder sus límites de ondulación tiende a cortocircuitar y a quemar componentes.
En el caso de los condensadores cerámicos y de película, normalmente especificados con un factor de pérdida tan δ, el límite de corriente de ondulación se determina mediante un aumento de temperatura en el cuerpo de aproximadamente 10 ° C. Exceder este límite puede destruir la estructura interna y provocar cortocircuitos.
Corriente de pulso
La carga de pulso nominal para un determinado capacitor está limitada por el voltaje nominal, la frecuencia de repetición de pulso, el rango de temperatura y el tiempo de aumento de pulso. El "tiempo de subida del pulso", representa el gradiente de voltaje más pronunciado del pulso (tiempo de subida o bajada) y se expresa en voltios por μs (V / μs).
El tiempo de aumento de pulso nominal también es indirectamente la capacidad máxima de una corriente de pico aplicable . La corriente de pico se define como:
dónde: está en un; en µF; en V / µs
La capacidad de corriente de pulso permisible de un condensador de película metalizada generalmente permite un aumento de temperatura interna de 8 a 10 K.
En el caso de los condensadores de película metalizada, la carga del pulso depende de las propiedades del material dieléctrico, el grosor de la metalización y la construcción del condensador, especialmente la construcción de las áreas de contacto entre la pulverización final y los electrodos metalizados. Los picos de corriente elevados pueden provocar un sobrecalentamiento selectivo de los contactos locales entre la pulverización final y los electrodos metalizados, lo que puede destruir algunos de los contactos y provocar un aumento de la ESR.
En el caso de los condensadores de película metalizada, las denominadas pruebas de pulso simulan la carga de pulso que puede ocurrir durante una aplicación, de acuerdo con una especificación estándar. IEC 60384 parte 1, especifica que el circuito de prueba se carga y descarga de forma intermitente. La tensión de prueba corresponde a la tensión CC nominal y la prueba comprende 10000 pulsos con una frecuencia de repetición de 1 Hz. La capacidad de tensión del pulso es el tiempo de subida del pulso. El tiempo de subida de pulso nominal se especifica como 1/10 del tiempo de subida de pulso de prueba.
La carga de impulsos debe calcularse para cada aplicación. No se dispone de una regla general para calcular el manejo de potencia de los condensadores de película debido a los detalles de construcción internos relacionados con el proveedor. Para evitar que el condensador se sobrecaliente, deben tenerse en cuenta los siguientes parámetros de funcionamiento:
- corriente pico por µF
- Tiempo de subida o bajada de pulso dv / dt en V / µs
- duración relativa de los períodos de carga y descarga (forma de pulso)
- voltaje de pulso máximo (voltaje pico)
- voltaje inverso pico;
- Frecuencia de repetición del pulso
- Temperatura ambiente
- Disipación de calor (enfriamiento)
Se permiten tiempos de aumento de pulso más altos para voltaje de pulso menor que el voltaje nominal.
Muchos fabricantes, como WIMA [52] y Kemet, dan ejemplos de cálculos de cargas de impulsos individuales . [53]
Corriente alterna
Solo se puede aplicar una carga de CA a un condensador no polarizado. Los condensadores para aplicaciones de CA son principalmente condensadores de película, condensadores de papel metalizado, condensadores cerámicos y condensadores electrolíticos bipolares.
La carga de CA nominal para un capacitor de CA es la corriente CA efectiva sinusoidal máxima (rms) que se puede aplicar continuamente a un capacitor dentro del rango de temperatura especificado. En las hojas de datos, la carga de CA se puede expresar como
- voltaje CA nominal a bajas frecuencias,
- potencia reactiva nominal a frecuencias intermedias,
- voltaje CA reducido o corriente CA nominal a altas frecuencias.
El voltaje de CA nominal para los capacitores de película generalmente se calcula de modo que un aumento de temperatura interna de 8 a 10 ° K sea el límite permitido para un funcionamiento seguro. Debido a que las pérdidas dieléctricas aumentan con el aumento de la frecuencia, el voltaje de CA especificado debe reducirse a frecuencias más altas. Las hojas de datos de los condensadores de película especifican curvas especiales para reducir los voltajes de CA a frecuencias más altas.
Si los condensadores de película o los condensadores cerámicos solo tienen una especificación de CC, el valor pico de la tensión de CA aplicada debe ser menor que la tensión de CC especificada.
Las cargas de CA pueden ocurrir en capacitores de funcionamiento de motores de CA, para duplicar el voltaje, en amortiguadores , balasto de iluminación y para PFC para cambio de fase para mejorar la estabilidad y eficiencia de la red de transmisión, que es una de las aplicaciones más importantes para capacitores de gran potencia. Estos condensadores de papel metalizado o película de PP, en su mayoría grandes, están limitados por la potencia reactiva nominal VAr.
Los condensadores electrolíticos bipolares, a los que puede aplicarse un voltaje de CA, se especifican con una corriente de ondulación nominal.
Resistencia de aislamiento y autodescarga constante
La resistencia del dieléctrico es finita, lo que lleva a cierto nivel de "corriente de fuga" de CC que hace que un condensador cargado pierda carga con el tiempo. En el caso de los condensadores cerámicos y de película, esta resistencia se denomina "resistencia de aislamiento R ins ". Esta resistencia está representada por la resistencia R ins en paralelo con el condensador en el circuito de condensadores equivalente en serie. La resistencia del aislamiento no debe confundirse con el aislamiento exterior del componente con respecto al medio ambiente.
La curva de tiempo de autodescarga sobre la resistencia de aislamiento con voltaje del capacitor decreciente sigue la fórmula
Con voltaje DC almacenado y autodescarga constante
Por lo tanto, después de Voltaje cae al 37% del valor inicial.
La constante de autodescarga es un parámetro importante para el aislamiento del dieléctrico entre los electrodos de los condensadores cerámicos y de película. Por ejemplo, se puede utilizar un condensador como componente que determina el tiempo para los relés de tiempo o para almacenar un valor de voltaje como en un circuito de muestreo y retención o amplificadores operacionales .
Los condensadores cerámicos de clase 1 tienen una resistencia de aislamiento de al menos 10 GΩ, mientras que los condensadores de clase 2 tienen al menos 4 GΩ o una constante de autodescarga de al menos 100 s. Los condensadores de película plástica suelen tener una resistencia de aislamiento de 6 a 12 GΩ. Esto corresponde a condensadores en el rango de uF de una constante de autodescarga de aproximadamente 2000–4000 s. [54]
La resistencia de aislamiento, respectivamente la constante de autodescarga, se puede reducir si la humedad penetra en el devanado. Es parcialmente dependiente de la temperatura y disminuye con el aumento de temperatura. Ambos disminuyen al aumentar la temperatura.
En los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento se define como corriente de fuga.
Corriente de fuga
En el caso de los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento del dieléctrico se denomina "corriente de fuga". Esta corriente continua está representada por la fuga de la resistencia R en paralelo con el capacitor en el circuito equivalente en serie de capacitores electrolíticos. Esta resistencia entre los terminales de un condensador también es finita. La fuga R es menor para los electrolíticos que para los condensadores cerámicos o de película.
La corriente de fuga incluye todas las imperfecciones débiles del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados y daños mecánicos. También es la corriente continua que puede pasar a través del dieléctrico después de aplicar un voltaje. Depende del intervalo sin voltaje aplicado (tiempo de almacenamiento), la tensión térmica de la soldadura, el voltaje aplicado, la temperatura del condensador y el tiempo de medición.
La corriente de fuga cae en los primeros minutos después de aplicar voltaje CC. En este período, la capa de óxido dieléctrico puede autorepararse debilidades mediante la formación de nuevas capas. El tiempo necesario depende generalmente del electrolito. Los electrolitos sólidos caen más rápido que los electrolitos no sólidos, pero permanecen en un nivel ligeramente más alto.
La corriente de fuga en los condensadores electrolíticos no sólidos, así como en los condensadores de tantalio sólido de óxido de manganeso, disminuye con el tiempo de conexión del voltaje debido a los efectos de autocuración. Aunque la corriente de fuga de electrolíticos es más alta que el flujo de corriente sobre la resistencia de aislamiento en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos lleva varias semanas.
Un problema particular de los condensadores electrolíticos es el tiempo de almacenamiento. Una corriente de fuga más alta puede ser el resultado de tiempos de almacenamiento más prolongados. Estos comportamientos se limitan a los electrolitos con un alto porcentaje de agua. Los disolventes orgánicos como GBL no tienen fugas elevadas con tiempos de almacenamiento más prolongados.
La corriente de fuga se mide normalmente 2 o 5 minutos después de aplicar la tensión nominal.
Microfónica
Todos los materiales ferroeléctricos exhiben un efecto piezoeléctrico . Debido a que los capacitores cerámicos de Clase 2 utilizan dieléctricos cerámicos ferroeléctricos, estos tipos de capacitores pueden tener efectos eléctricos llamados microfónicos . La microfonía (microfonía) describe cómo los componentes electrónicos transforman las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica no deseada ( ruido ). [55] El dieléctrico puede absorber fuerzas mecánicas de choque o vibración cambiando el grosor y cambiando la separación del electrodo, afectando la capacitancia, que a su vez induce una corriente alterna. La interferencia resultante es especialmente problemática en aplicaciones de audio, y puede causar retroalimentación o grabación no deseada.
En el efecto microfónico inverso, la variación del campo eléctrico entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, convirtiéndolas en un altavoz de audio. Las cargas de impulso de alta corriente o las altas corrientes de ondulación pueden generar un sonido audible desde el propio condensador, lo que drena energía y tensiona el dieléctrico. [56]
Absorción dieléctrica (remojo)
La absorción dieléctrica ocurre cuando un capacitor que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo de manera incompleta cuando se descarga brevemente. Aunque un capacitor ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los capacitores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga de dipolo retardada, un fenómeno que también se llama relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".
Tipo de condensador | Absorción dieléctrica |
---|---|
Condensadores de aire y vacío | No medible |
Condensadores cerámicos de clase 1, NP0 | 0,6% |
Condensadores cerámicos de clase 2, X7R | 2,5% |
Condensadores de película de polipropileno (PP) | 0,05 a 0,1% |
Condensadores de película de poliéster (PET) | 0,2 a 0,5% |
Condensadores de película de sulfuro de polifenileno (PPS) | 0,05 a 0,1% |
Condensadores de película de naftalato de polietileno (PEN) | 1.0 a 1.2% |
Condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido | 2 a 3%, [57] 10% [58] |
Condensador electrolítico de aluminio con electrolito no sólido | 10 a 15% |
Condensador de doble capa o supercondensadores | informacion no disponible |
En muchas aplicaciones de condensadores de absorción dieléctrica no es un problema, pero en algunas aplicaciones, tales como largo tiempo constantes integradores , muestra y retención circuitos, conmutación de condensador- analógico-digital convertidores , y muy baja distorsión filtros , la El condensador no debe recuperar una carga residual después de la descarga completa, por lo que se especifican condensadores con baja absorción. [59] El voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede en algunos casos causar problemas en el funcionamiento de un circuito electrónico o puede ser un riesgo para la seguridad del personal. Para evitar descargas, la mayoría de los condensadores muy grandes se envían con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de usarse. [60]
Densidad de energia
El valor de capacitancia depende del material dieléctrico (ε), la superficie de los electrodos (A) y la distancia (d) que separa los electrodos y viene dado por la fórmula de un capacitor de placa:
La separación de los electrodos y la prueba de voltaje del material dieléctrico define el voltaje de ruptura del capacitor. El voltaje de ruptura es proporcional al espesor del dieléctrico.
Teóricamente, dados dos condensadores con las mismas dimensiones mecánicas y dieléctrico, pero uno de ellos tiene la mitad del espesor del dieléctrico. Con las mismas dimensiones, este podría colocar el doble del área de la placa paralela en el interior. Este capacitor tiene teóricamente 4 veces la capacitancia del primer capacitor pero la mitad de la prueba de voltaje.
Dado que la densidad de energía almacenada en un condensador viene dada por:
por lo tanto, un capacitor que tiene una mitad dieléctrica del espesor de otro tiene una capacitancia 4 veces mayor pero a prueba de ½ voltaje, produciendo una densidad de energía máxima igual.
Por lo tanto, el espesor dieléctrico no afecta la densidad de energía dentro de un capacitor de dimensiones generales fijas. El uso de unas pocas capas gruesas de dieléctrico puede soportar un voltaje alto, pero una capacitancia baja, mientras que las capas delgadas de dieléctrico producen un voltaje de ruptura bajo, pero una capacitancia más alta.
Esto supone que ni las superficies de los electrodos ni la permitividad del dieléctrico cambian con la prueba de voltaje. Una simple comparación con dos series de condensadores existentes puede mostrar si la realidad coincide con la teoría. La comparación es fácil, porque los fabricantes utilizan cajas de tamaño estandarizado o cajas para diferentes valores de capacitancia / voltaje dentro de una serie.
Condensadores electrolíticos NCC, serie KME Ǿ D × H = 16,5 mm × 25 mm [61] | Condensadores de película de PP metalizados KEMET; Serie PHE 450 An × Al × L = 10,5 mm × 20,5 mm × 31,5 mm [62] | ||
Capacitancia / voltaje | Energía almacenada | Capacitancia / voltaje | Energía almacenada |
4700 µF / 10 V | 235 mW · s | 1,2 µF / 250 V | 37,5 mW · s |
2200 µF / 25 V | 688 mW · s | 0,68 µF / 400 V | 54,4 mW · s |
220 µF / 100 V | 1100 mW · s | 0,39 µF / 630 V | 77,4 mW · s |
22 µF / 400 V | 1760 mW · s | 0,27 µF / 1000 V | 135 mW · s |
En realidad, las series modernas de condensadores no se ajustan a la teoría. En el caso de los condensadores electrolíticos, la superficie rugosa esponjosa de la lámina del ánodo se vuelve más suave con voltajes más altos, lo que disminuye el área de la superficie del ánodo. Pero debido a que la energía aumenta al cuadrado con el voltaje y la superficie del ánodo disminuye menos que la prueba de voltaje, la densidad de energía aumenta claramente. Para los condensadores de película, la permitividad cambia con el espesor dieléctrico y otros parámetros mecánicos, por lo que la desviación de la teoría tiene otras razones. [63]
Comparando los condensadores de la tabla con un supercondensador, la familia de condensadores de mayor densidad de energía. Para ello, el condensador 25 F / 2,3 V en dimensiones D × H = 16 mm × 26 mm de la serie Maxwell HC, en comparación con el condensador electrolítico de aproximadamente el mismo tamaño en la tabla. Este supercondensador tiene aproximadamente 5000 veces más capacitancia que el condensador electrolítico 4700/10 pero ¼ del voltaje y tiene aproximadamente 66,000 mWs (0.018 Wh) de energía eléctrica almacenada, [64] aproximadamente 100 veces mayor densidad de energía (40 a 280 veces) que el capacitor electrolítico.
Comportamiento prolongado, envejecimiento
Los parámetros eléctricos de los condensadores pueden cambiar con el tiempo durante el almacenamiento y la aplicación. Las razones de los cambios de parámetros son diferentes, puede ser una propiedad del dieléctrico, influencias ambientales, procesos químicos o efectos de secado para materiales no sólidos.
Envejecimiento
En los condensadores cerámicos ferroeléctricos de clase 2, la capacitancia disminuye con el tiempo. Este comportamiento se denomina "envejecimiento". Este envejecimiento ocurre en los dieléctricos ferroeléctricos, donde los dominios de polarización en el dieléctrico contribuyen a la polarización total. La degradación de los dominios polarizados en el dieléctrico disminuye la permitividad y, por lo tanto, la capacitancia con el tiempo. [65] [66] El envejecimiento sigue una ley logarítmica. Esto define la disminución de la capacitancia como porcentaje constante durante una década después del tiempo de recuperación de la soldadura a una temperatura definida, por ejemplo, en el período de 1 a 10 horas a 20 ° C. Como la ley es logarítmica, el porcentaje de pérdida de capacitancia será el doble entre 1 hy 100 hy 3 veces entre 1 hy 1000 hy así sucesivamente. El envejecimiento es más rápido cerca del comienzo y el valor de capacitancia absoluta se estabiliza con el tiempo.
La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos de clase 2 depende principalmente de sus materiales. Generalmente, cuanto mayor es la dependencia de la temperatura de la cerámica, mayor es el porcentaje de envejecimiento. El envejecimiento típico de los condensadores cerámicos X7R es de aproximadamente un 2,5% por década. [67] La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos Z5U es significativamente mayor y puede llegar hasta un 7% por década.
El proceso de envejecimiento de los condensadores cerámicos de Clase 2 se puede revertir calentando el componente por encima del punto de Curie .
Los condensadores cerámicos de clase 1 y los condensadores de película no tienen envejecimiento ferroeléctrico. Las influencias ambientales como la temperatura más alta, la humedad alta y el estrés mecánico pueden, durante un período más largo, conducir a un pequeño cambio irreversible en el valor de capacitancia, a veces también llamado envejecimiento.
El cambio de capacitancia para los condensadores cerámicos P 100 y N 470 Clase 1 es inferior al 1%, para los condensadores con cerámicas N 750 a N 1500 es ≤ 2%. Los condensadores de película pueden perder capacitancia debido a procesos de autocuración o ganarla debido a influencias de la humedad. Los cambios típicos durante 2 años a 40 ° C son, por ejemplo, ± 3% para condensadores de película de PE y ± 1% de condensadores de película de PP.
Toda la vida
Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido envejecen a medida que el electrolito se evapora. Esta evaporación depende de la temperatura y la carga de corriente que experimentan los condensadores. El escape de electrolitos influye en la capacitancia y la ESR. La capacitancia disminuye y la ESR aumenta con el tiempo. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos con electrolitos sólidos, los condensadores electrolíticos "húmedos" alcanzan un "final de vida útil" especificado y alcanzan un cambio máximo especificado de capacitancia o ESR. El final de la vida útil, la "vida útil de la carga" o la "vida útil" se pueden estimar mediante fórmulas o diagramas [68] o aproximadamente mediante la denominada "ley de 10 grados". Una especificación típica para un capacitor electrolítico establece una vida útil de 2000 horas a 85 ° C, duplicándose por cada 10 grados de temperatura más baja, logrando una vida útil de aproximadamente 15 años a temperatura ambiente.
Los supercondensadores también experimentan evaporación de electrolitos con el tiempo. La estimación es similar a la de los condensadores electrolíticos húmedos. Además de la temperatura, el voltaje y la carga de corriente influyen en la vida útil. Un voltaje más bajo que el voltaje nominal y cargas de corriente más bajas, así como una temperatura más baja, prolongan la vida útil.
Tasa de fracaso
Los capacitores son componentes confiables con bajas tasas de falla , que alcanzan una expectativa de vida de décadas en condiciones normales. La mayoría de los condensadores pasan una prueba al final de la producción similar a un " quemado ", de modo que se detectan fallas tempranas durante la producción, lo que reduce el número de fallas posteriores al envío.
La confiabilidad de los capacitores generalmente se especifica en número de fallas en el tiempo (FIT) durante el período de fallas aleatorias constantes. FIT es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) componentes-horas de funcionamiento en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1000 dispositivos durante 1 millón de horas, o 1 millón de dispositivos durante 1000 horas cada uno, a 40 ° C y 0,5 U R ). Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, influencias mecánicas y humedad, el FIT puede recalcularse con términos estandarizados para contextos industriales [69] o militares [70] .
Información Adicional
Soldadura
Los condensadores pueden experimentar cambios en los parámetros eléctricos debido a influencias ambientales como soldadura, factores de estrés mecánico (vibración, choque) y humedad. El mayor factor de estrés es la soldadura. El calor del baño de soldadura, especialmente para los condensadores SMD, puede hacer que los condensadores cerámicos cambien la resistencia de contacto entre los terminales y los electrodos; en los condensadores de película, la película puede contraerse, y en los condensadores electrolíticos húmedos, el electrolito puede hervir. Un período de recuperación permite que las características se estabilicen después de la soldadura; algunos tipos pueden requerir hasta 24 horas. Algunas propiedades pueden cambiar irreversiblemente en un pequeño porcentaje debido a la soldadura.
Comportamiento electrolítico por almacenamiento o desuso
Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido se "envejecen" durante la fabricación mediante la aplicación de voltaje nominal a alta temperatura durante un tiempo suficiente para reparar todas las grietas y debilidades que puedan haber ocurrido durante la producción. Algunos electrolitos con un alto contenido de agua reaccionan de forma bastante agresiva o incluso violenta con el aluminio desprotegido. Esto conduce a un problema de "almacenamiento" o "desuso" de los condensadores electrolíticos fabricados antes de la década de 1980. Los procesos químicos debilitan la capa de óxido cuando estos condensadores no se utilizan durante demasiado tiempo. Durante la década de 1980 se desarrollaron nuevos electrolitos con "inhibidores" o "pasivadores" para resolver este problema. [71] [72] A partir de 2012, el tiempo de almacenamiento estándar para componentes electrónicos de dos años a temperatura ambiente comprobados (encerrados) por la oxidación de los terminales también se especificará para los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos. Se especifican series especiales para 125 ° C con disolventes orgánicos como GBL hasta 10 años de tiempo de almacenamiento que garantizan sin preacondicionamiento el correcto comportamiento eléctrico de los condensadores. [73]
Para equipos de radio antiguos, se puede recomendar el "preacondicionamiento" de condensadores electrolíticos más antiguos. Esto implica aplicar la tensión de funcionamiento durante unos 10 minutos sobre una resistencia limitadora de corriente a los terminales del condensador. La aplicación de voltaje a través de una resistencia de seguridad repara las capas de óxido.
Normas IEC / EN
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en la especificación genérica IEC / EN 60384-1 en los siguientes apartados. [74]
Especificación genérica
- IEC / EN 60384-1 - Condensadores fijos para uso en equipos electrónicos
Condensadores cerámicos
- IEC / EN 60384-8— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 1
- IEC / EN 60384-9— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 2
- IEC / EN 60384-21— Condensadores multicapa de montaje en superficie fijo de dieléctrico cerámico, Clase 1
- IEC / EN 60384-22— Condensadores multicapa de montaje en superficie fijo de dieléctrico cerámico, Clase 2
Condensadores de película
- IEC / EN 60384-2— Condensadores de CC dieléctricos fijos de película de polietileno-tereftalato metalizado
- IEC / EN 60384-11— Condensadores de CC de lámina metálica dieléctrica de película fija de tereftalato de polietileno
- IEC / EN 60384-13— Condensadores de CC de lámina metálica dieléctrica de película de polipropileno fija
- IEC / EN 60384-16— Condensadores de CC dieléctricos de película de polipropileno metalizado fijo
- IEC / EN 60384-17— Película de polipropileno metalizado fijo dieléctrico ac y pulso
- IEC / EN 60384-19— Condensadores de CC de montaje superficial dieléctricos de película de tereftalato de polietileno metalizado fijo
- IEC / EN 60384-20— Condensadores de CC de montaje superficial dieléctricos de película de sulfuro de polifenileno metalizado fijo
- IEC / EN 60384-23— Condensadores de CC de chip dieléctrico de película de naftalato de polietileno metalizado fijo
Condensadores electrolíticos
- IEC / EN 60384-3- superficie de la montura fija de tantalio condensadores electrolíticos con dióxido de manganeso electro sólido Lyte
- IEC / EN 60384-4— Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido (MnO2) y no sólido
- IEC / EN 60384-15: condensadores de tantalio fijos con electrolito sólido y no sólido
- IEC / EN 60384-18: condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido (MnO 2 ) y no sólido
- IEC / EN 60384-24— Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de polímero conductor
- IEC / EN 60384-25— Condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje en superficie con electrolito sólido de polímero conductor
- IEC / EN 60384-26- Condensadores electrolíticos de aluminio fijos con electrolito sólido de polímero conductor
Supercondensadores
- IEC / EN 62391-1— Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos eléctricos y electrónicos - Parte 1: Especificación genérica
- IEC / EN 62391-2— Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos - Parte 2: Especificación seccional - Condensadores eléctricos de doble capa para aplicaciones de energía
Símbolos de condensadores
Condensador | Polarizado condensador electrolítico condensador | Condensador electrolítico bipolar | Alimentar a través del condensador | Condensador de ajuste | Condensador variable |
Marcas
Impreso
Los condensadores, como la mayoría de los demás componentes electrónicos y si hay suficiente espacio disponible, tienen marcas impresas para indicar el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. Si son lo suficientemente grandes, el condensador está marcado con:
- nombre o marca comercial del fabricante;
- designación de tipo del fabricante;
- polaridad de las terminaciones (para condensadores polarizados)
- capacitancia nominal;
- tolerancia en capacitancia nominal
- voltaje nominal y naturaleza del suministro (CA o CC)
- categoría climática o temperatura nominal;
- año y mes (o semana) de fabricación;
- marcas de certificación de normas de seguridad (para condensadores de supresión de EMI / RFI de seguridad)
Los capacitores polarizados tienen marcas de polaridad, generalmente un signo "-" (menos) en el lado del electrodo negativo para capacitores electrolíticos o una raya o un signo "+" (más), consulte la marca #Polaridad . Además, la ventaja negativa de los e-caps "húmedos" con plomo suele ser más corta.
Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más utilizado es: XYZ J / K / M VOLTS V, donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 Z pF), las letras J, K o M indican la tolerancia (± 5%, ± 10% y ± 20% respectivamente) y VOLTIOS V representa el voltaje de trabajo.
Ejemplos:
- 105K 330V implica una capacitancia de 10 × 10 5 pF = 1 µF (K = ± 10%) con una tensión de trabajo de 330 V.
- 473M 100V implica una capacitancia de 47 × 10 3 pF = 47 nF (M = ± 20%) con una tensión de trabajo de 100 V.
La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden indicar con un código corto especificado en IEC / EN 60062. Ejemplos de marcación corta de la capacitancia nominal (microfaradios): µ47 = 0,47 µF, 4µ7 = 4,7 µF, 47µ = 47 µF
La fecha de fabricación se imprime a menudo de acuerdo con las normas internacionales.
- Versión 1: codificación con código numérico año / semana, "1208" es "2012, semana número 8".
- Versión 2: codificación con código de año / código de mes. Los códigos de año son: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, etc. Los códigos de mes son: "1" a "9" = de enero a septiembre, "O" = octubre, "N" = Noviembre, "D" = diciembre. "X5" es entonces "2009, mayo"
Para condensadores muy pequeños como chips MLCC no es posible marcar. Aquí solo la trazabilidad de los fabricantes puede garantizar la identificación de un tipo.
Codificación de color
Como de 2013[actualizar] Los condensadores no utilizan codificación de colores.
Marcado de polaridad
Los e-caps de aluminio con electrolito no sólido tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo ( menos ). Los e-caps de aluminio, tántalo y niobio con electrolito sólido tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo ( más ). Los supercondensadores están marcados en el lado negativo .
Los condensadores rectangulares de polímero , tanto de tantalio como de aluminio, tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo ( más )
Los condensadores de polímero cilíndricos tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo ( menos )
Los supercondensadores están marcados en el lado del cátodo ( menos )
Segmentos de mercado
Los condensadores discretos de hoy son productos industriales producidos en cantidades muy grandes para su uso en equipos electrónicos y eléctricos. A nivel mundial, el mercado de condensadores fijos se estimó en aproximadamente US $ 18 mil millones en 2008 para 1,400 mil millones (1,4 × 10 12 ) piezas. [75] Este mercado está dominado por condensadores cerámicos con una estimación de aproximadamente un billón (1 × 10 12 ) de artículos por año. [76]
Las cifras estimadas detalladas en valor para las principales familias de condensadores son:
- Condensadores cerámicos: US $ 8,3 mil millones (46%);
- Condensadores electrolíticos de aluminio: 3.900 millones de dólares EE.UU. (22%);
- Condensadores de película y condensadores de papel: 2.600 millones de dólares (15%);
- Condensadores electrolíticos de tantalio: 2.200 millones de dólares EE.UU. (12%);
- Supercondensadores ( condensadores de doble capa ): 0,3 mil millones de dólares estadounidenses (2%); y
- Otros, como la mica plateada y los condensadores de vacío, 0,7 mil millones de dólares (3%).
Todos los demás tipos de condensadores son insignificantes en términos de valor y cantidad en comparación con los tipos anteriores.
Ver también
- Diseño de circuito
- Condensador de desacoplamiento
- Lista de fabricantes de condensadores
Referencias
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enlaces externos
- Museo Spark (von Kleist y Musschenbroek)
- Modelado de absorción dieléctrica en condensadores
- Una vista diferente de todo este material de condensadores.
- Imágenes de diferentes tipos de condensadores.
- Resumen de diferentes tipos de condensadores
- Capsite 2015 Introducción a los condensadores