Tipos de condensadores y rendimiento

Los condensadores son componentes pasivos que almacenan carga eléctrica. Sin embargo, esta única función puede utilizarse de muchas maneras en una amplia variedad de aplicaciones: CA y CC, analógicas y digitales. Algunos ejemplos son los circuitos de temporización y conformación de ondas, el acoplamiento y desacoplamiento, los filtros y el suavizado de formas de onda, la sintonización de televisión y radio, los osciladores y, con los supercondensadores, el almacenamiento de carga para dispositivos como los flashes de las cámaras. Esta diversidad, junto con el escalado para acomodar diferentes niveles de potencia, corriente y voltaje, significa que los condensadores tienen muchas formas, tamaños y técnicas de construcción.

Este artículo examina los condensadores y el significado de la capacitancia eléctrica. A continuación, examina las propiedades -además de la capacitancia- que definen el rendimiento de los componentes y su impacto en los circuitos de destino. A continuación, se muestra cómo estas propiedades son exhibidas por los diferentes tipos de condensadores disponibles en la actualidad, y cómo influyen en la elección del diseñador del tipo de condensador.

A veces, sin embargo, la primera opción aparente para un proyecto puede no ser la mejor ruta a seguir; puede ser deseable sustituir una tecnología de condensadores por otra por alguna razón. En consecuencia, el artículo termina con un breve ejemplo de cómo los condensadores de polímero pueden sustituir a los de cerámica multicapa.

¿Qué es un condensador?

Como muestra la Fig.1, un condensador consta de dos placas conductoras muy próximas entre sí, separadas por un aislante o dieléctrico. Si se aplica una corriente continua a través de las placas, éstas acumularán cargas iguales y opuestas: negativas en una placa y positivas en la otra. Si se retira la fuente de alimentación, las placas conservarán su carga, aparte de las fugas. Entonces, si las placas se conectan a través de una carga como la bombilla del flash de una cámara, liberarán toda su energía en ella para alimentar el flash.

Nótese que el diseño de un condensador significa que bloquea la corriente continua, pero conduce la corriente alterna. En general, cuanto mayor sea la frecuencia de la tensión de CA, mejor conducirá el condensador la corriente de CA.

La cantidad de energía que puede almacenar un condensador viene definida por su capacitancia, medida en faradios. Como un faradio es una unidad de capacitancia poco práctica (excepto para los supercondensadores), los componentes reales se clasifican en uno de los siguientes rangos del SI, según corresponda:

• 1 mF (milifaradio, una milésima (10-3) de un faradio)
• 1 μF (microfaradio, una millonésima (10-6) de un faradio)
• 1 nF (nanofaradio, una milmillonésima (10-9) de un faradio)
• 1 pF (picofaradio, una trillonésima (10-12) de un faradio)

En cualquier caso, la capacidad C en faradios viene dada por la ecuación

Donde q es la carga en culombios (cargas +q y -q en las placas) y V es la tensión en voltios a través de las placas.

Esto da una relación tensión/corriente de

Donde i = corriente en amperios.

La energía almacenada en un condensador se encuentra integrando el trabajo W (vatios)

La primera de las ecuaciones anteriores nos dice que el aumento de la capacitancia permite almacenar más carga para una tensión dada a través del condensador. La capacitancia puede incrementarse aumentando el tamaño de las placas, acercando las placas o mejorando las propiedades de aislamiento del dieléctrico. Los condensadores de todos los tipos alcanzan sus valores de capacidad deseados ajustando estas tres variables. Por lo tanto, si un valor de capacitancia requerido puede obtenerse con varios tipos de condensadores, ¿cómo decidimos qué tipo es el mejor para una aplicación determinada?

La respuesta es que, mientras que los condensadores ideales sólo tendrían capacitancia, los dispositivos reales también tienen muchos otros parámetros y características que afectan a su rendimiento dentro de su aplicación objetivo y a su idoneidad. Estos factores dependen de la tecnología de condensadores utilizada, y todos ellos deben tenerse en cuenta a la hora de elegir una solución óptima.

Los criterios incluyen la tensión de funcionamiento, el tamaño del dispositivo, la respuesta en frecuencia, el envejecimiento (desecación del electrolito húmedo) que provoca la pérdida de capacidad, la temperatura máxima de funcionamiento recomendada, la inflamabilidad y las propiedades de autocuración. A veces, es necesaria una resistencia parásita extremadamente baja (conocida como resistencia en serie equivalente o ESR) para minimizar las pérdidas de I2R en aplicaciones de alta corriente.

A continuación, examinamos más detenidamente estas y otras propiedades de los condensadores, y luego cómo se reflejan en los distintos tipos de condensadores.

Propiedades de los condensadores

La publicación de KEMET «Introducción a las tecnologías de los condensadores» contiene mucha información útil, y ha proporcionado los antecedentes para el análisis de las propiedades de los condensadores que se ofrece a continuación.

Características dieléctricas y CV del condensador

Las propiedades dieléctricas influyen en la eficiencia volumétrica de los condensadores, es decir, en la cantidad de capacitancia por volumen determinado. Esto se expresa como un valor CV, donde C = capacitancia y V es la tensión. Los valores de CV son consideraciones importantes cuando se diseñan sistemas portátiles o placas de circuitos muy densamente pobladas en las que es esencial una alta capacitancia dentro de un volumen mínimo.

Algunos dieléctricos, como el tantalio, son conocidos por sus altas propiedades de CV. El CV también puede aumentarse maximizando la superficie de electrodos utilizable y minimizando los gastos generales del paquete.

Problemas prácticos de la capacitancia

La capacitancia utilizable de un condensador puede diferir de su valor nominal debido a varios factores. Estos incluyen:

• Temperatura
• Humedad
• Tensión de CA y CC
• Frecuencia de la señal
• Edad del condensador
• Mecánica
• Efecto piezoeléctrico

Al seleccionar un condensador para una aplicación, deben tenerse en cuenta sus valores nominales para estos factores.

Las tolerancias son otra consideración importante. Los condensadores están codificados por tolerancia, siendo los códigos más comunes:

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2.5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Corriente de fuga frente a la resistencia de aislamiento

Los materiales dieléctricos de los condensadores no son aislantes ideales; pueden dejar pasar una pequeña corriente de fuga de CC por diversas razones específicas de cada tipo de dieléctrico. Esto hará que la tensión terminal de un condensador cargado caiga lentamente a medida que la corriente de fuga drena su carga.

En general, la resistencia de aislamiento tiende a disminuir a medida que aumentan los valores de capacitancia. La corriente de fuga aumenta con el aumento de la temperatura.

La relación entre la corriente de fuga (LC) y la resistencia de aislamiento (IR) del dieléctrico del condensador viene dada por la sencilla fórmula:

I(LC) = V/R(IR)

Comportamiento de carga/descarga

Cuando se aplica una tensión continua a un condensador en serie con una resistencia, el condensador se carga a una velocidad fijada por la tensión aplicada, el estado de carga en relación con su valor final, la resistencia en serie y su propia capacitancia. El producto resistencia-capacitancia, RC, se conoce como la constante de tiempo del circuito. Para ser precisos, la constante de tiempo RC es el tiempo necesario para cargar el condensador en un 63,2% de la diferencia entre los valores inicial y final. El mismo valor de RC también gobierna el tiempo que se necesita para descargar el condensador a través de la resistencia en serie.

Resistencia dieléctrica

Si el voltaje a través de un condensador se incrementa lo suficiente, el campo eléctrico acabará haciendo que el dieléctrico se rompa y conduzca la corriente. Con algunos dieléctricos, el efecto es permanente, por lo que el condensador se destruye.

Sin embargo, algunos dieléctricos pueden autorrepararse. Por ejemplo, los condensadores de película y papel con electrodos muy finos pueden autorrepararse ya que la gran corriente de ruptura calienta las capas de los electrodos haciendo que los metales se evaporen y se oxiden lejos de la zona afectada, aislando así la ruta de cortocircuito del resto del condensador. Este proceso puede ocurrir incluso en aplicaciones de muy alta potencia de hasta varios kilovatios.

Disipación de energía

Cuando se aplica una tensión alterna a través de un condensador, la corriente fluye a través de su material dieléctrico y sus partes conductoras. En la práctica, parte de esta corriente se disipa en la pequeña cantidad de resistencia dentro del condensador. Esta disipación se manifiesta como un aumento de la temperatura en el condensador. La resistencia global del condensador, llamada Resistencia Equivalente en Serie (ESR) es una suma de dos elementos:

• Resistencia del material dieléctrico
• Resistencia de las partes conductoras

Inductancia

Los electrodos y los hilos conductores o terminaciones de un condensador son conductores metálicos, que tienen cierta inductancia asociada. Esta inductancia tiende a resistir los cambios en la corriente alterna a través del condensador. Se conoce como Inductancia Serie Equivalente o ESL.

Descripción del circuito equivalente del condensador

Las partes conductoras de un condensador tienen una resistencia óhmica asociada que se combina con la resistencia dieléctrica para formar una Resistencia Serie Equivalente (ESR). Un condensador práctico puede describirse utilizando un circuito equivalente como el de la Fig.2, donde una resistencia (ESR) y un inductor (ESL) están en serie con una capacitancia pura en paralelo con una resistencia igual a la resistencia de aislamiento del dieléctrico.

Diferentes tipos de condensadores

La Fig.3 resume los diferentes tipos de condensadores actualmente disponibles. A continuación revisamos los tipos de condensadores fijos.

Caoacitorguide.com ofrece explicaciones detalladas de los diferentes tipos de condensadores y su construcción; la información sobre los tipos de condensadores que se ofrece a continuación (excepto los de vidrio y los de paso) se basa en este contenido.

Condensadores de película

Los condensadores de película utilizan una fina lámina de plástico como dieléctrico; ésta puede ser metalizada o dejarse sin tratar, dependiendo de las propiedades requeridas del condensador. Estos tipos ofrecen estabilidad, baja inductancia y bajo coste. Las diferentes versiones de película incluyen poliéster, metalizado, polipropileno, PTFE y poliestireno. Las capacitancias van desde menos de 1nF hasta 30µF.

Estos tipos de condensadores no están polarizados, por lo que son adecuados para aplicaciones de señal y potencia de CA. Los condensadores de película pueden tener valores de condensación de muy alta precisión, que conservan durante más tiempo que otros tipos de condensadores. Son muy fiables y tienen una larga vida útil, con un proceso de envejecimiento generalmente más lento que otros tipos, como los electrolíticos. Tienen valores bajos de ESR y ESL, por lo que los factores de disipación son muy bajos. Pueden soportar tensiones en el rango de los kilovoltios y pueden proporcionar pulsos de corriente de sobretensión muy elevados.

Existen condensadores de película de potencia que pueden soportar una potencia reactiva superior a los 200 voltio-amperios. Se utilizan en dispositivos de electrónica de potencia, en desplazadores de fase, en destellos de rayos X y en láseres pulsados. Las variantes de baja potencia se utilizan como condensadores de desacoplamiento, filtros y en convertidores A/D. Otras aplicaciones destacadas son los condensadores de seguridad, la supresión de interferencias electromagnéticas, los balastos de luz fluorescente y los condensadores snubber.

Cerámicos

Los condensadores cerámicos utilizan un material cerámico como dieléctrico. El condensador de chip multicapa (MLCC) y el condensador de disco cerámico son los tipos más utilizados en la electrónica moderna. Los MLCC se fabrican en forma de tecnología de montaje superficial (SMT) y se utilizan ampliamente debido a su pequeño tamaño. Los valores de capacitancia suelen estar entre 1 nF y 1 µF, aunque existen valores de hasta 100 µF. No están polarizados, por lo que pueden utilizarse en circuitos de corriente alterna. Tienen una gran respuesta en frecuencia debido a los bajos efectos parasitarios resistivos e inductivos.

Hay dos clases de condensadores cerámicos disponibles actualmente: clase 1 y clase 2. Los condensadores cerámicos de clase 1 se utilizan cuando se requiere una alta estabilidad y bajas pérdidas. Son muy precisos y el valor de la capacitancia es estable con respecto a la tensión aplicada, la temperatura y la frecuencia.

Los condensadores de clase 2 tienen una alta capacitancia por volumen y se utilizan para aplicaciones menos sensibles. Su estabilidad térmica suele ser de ±15% en el rango de temperatura de funcionamiento, y las tolerancias del valor nominal se sitúan en torno al 20%.

Los MLCC ofrecen altas densidades de empaquetado para el montaje en placas de circuito impreso, aunque también existen componentes cerámicos de gran potencia física que pueden soportar tensiones de 2 kV hasta 100 kV, con potencias superiores a 200 VA.

Electrolítico

Los condensadores electrolíticos utilizan un electrolito para proporcionar un valor de capacitancia mayor que otros tipos de condensadores. Casi todos los condensadores electrolíticos están polarizados, por lo que deben utilizarse en circuitos de CC y estar correctamente polarizados. Los condensadores electrolíticos pueden ser de electrolito húmedo o de polímero sólido. Suelen ser de tantalio o aluminio. Los condensadores de aluminio suelen tener capacitancias de entre 1 µF y 47 mF, con una tensión de funcionamiento de hasta unos cientos de voltios de CC. Sin embargo, los supercondensadores, a veces denominados condensadores de doble capa, también están disponibles con capacitancias de cientos o miles de faradios.

Los inconvenientes incluyen grandes corrientes de fuga, amplias tolerancias de valor, normalmente del 20%, resistencia en serie equivalente y una vida útil limitada. Los valores de la capacitancia también varían con el tiempo. Los condensadores pueden sobrecalentarse o incluso explotar si se someten a tensiones de polaridad inversa.

Los condensadores electrolíticos se utilizan en aplicaciones que no necesitan tolerancias estrictas ni polarización de CA, pero sí grandes valores de capacitancia. Algunos ejemplos son las etapas de filtrado en las fuentes de alimentación para eliminar el rizado de CA, o para el suavizado de entrada y salida como filtro de paso bajo para las señales de CC con un débil componente de CA.

Los supercondensadores

Los supercondensadores son un tipo de electrolítico, como se ha descrito anteriormente. Pueden almacenar cantidades extremadamente grandes de energía eléctrica utilizando dos mecanismos: la capacitancia de doble capa y la pseudocapacitancia. El primero es electrostático, mientras que el segundo es electroquímico, por lo que los supercondensadores combinan las características de los condensadores normales con las de las baterías ordinarias.

De hecho, se utilizan como alternativas a las baterías en muchas aplicaciones, como los sistemas de recuperación de energía cinética (KERS) de los automóviles, el flash fotográfico y la memoria RAM estática. Entre las posibilidades futuras se encuentran los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles y los coches eléctricos; su ventaja más interesante es su rapidísima velocidad de recarga, lo que significa que un coche eléctrico podría recargarse en pocos minutos.

Esta tecnología puede alcanzar valores de capacitancia de hasta 12000 F. Tienen tiempos de carga y descarga muy rápidos, comparables a los de los condensadores ordinarios, debido a su baja resistencia interna. En cambio, las baterías pueden tardar hasta varias horas en cargarse por completo. Los supercondensadores también tienen potencias específicas entre 5 y 10 veces superiores a las de las baterías; por ejemplo, 10 kW/Kg frente a 1 – 3 kW/Kg de las baterías de iones de litio. Los supercondensadores no se calientan tanto como las baterías cuando se maltratan y tienen una vida útil prácticamente ilimitada, en comparación con los más de 500 ciclos típicos de las baterías.

Las desventajas de los supercondensadores son su baja energía específica (Wh/Kg), una característica de tensión de descarga lineal (un supercondensador con una potencia nominal de 2,7 V bajaría a 1,35 V con una descarga del 50%, por ejemplo) y su elevado coste. Todo ello ha impedido que los supercondensadores sustituyan hasta ahora a las baterías en la mayoría de las aplicaciones.

Mica

Los condensadores de mica actuales son condensadores de mica plateada, fabricados mediante la intercalación de láminas de mica recubiertas de metal por ambas caras. Los valores de capacitancia son pequeños, normalmente desde unos pocos pF hasta unos pocos nF, aunque los tipos de mica más grandes pueden alcanzar 1 µF. Las tensiones nominales suelen ser de 100 a 1000 voltios, aunque algunos condensadores tienen una tensión nominal de hasta 10 kV para aplicaciones de transmisores de RF. También se utilizan en otras aplicaciones de alta tensión, debido a su alta tensión de ruptura.

Son de baja pérdida, lo que permite su uso a altas frecuencias, son fiables y su valor se mantiene estable en el tiempo. Los condensadores también son estables en amplios rangos de tensión, temperatura y frecuencia. Suelen tener un valor capacitivo relativamente pequeño. Ofrecen precisión, con tolerancias de hasta +/- 1%. Sin embargo, los condensadores son voluminosos y caros.

Vidrio

Los condensadores de vidrio se utilizan en circuitos de RF donde se requiere el máximo rendimiento. Ofrecen un bajo coeficiente de temperatura sin histéresis, una tasa de envejecimiento nula, sin ruido piezoeléctrico, una tasa de envejecimiento nula y una pérdida extremadamente baja. También tienen una gran capacidad de corriente de RF, con altas temperaturas de funcionamiento, a menudo de hasta 200°C.

Feedthru

AVX ofrece una línea de condensadores feed-through, que están disponibles en tamaño estándar 0805 y 1206. Estos condensadores son ideales para la supresión de EMI, el filtrado de E/S de banda ancha o el acondicionamiento de la línea de alimentación Vcc. La construcción única de un condensador feedthru proporciona una baja inductancia en paralelo y ofrece una excelente capacidad de desacoplamiento para todos los entornos de alta di/dt y proporciona una importante reducción del ruido en los circuitos digitales de hasta 5 GHz. AVX ofrece condensadores de paso de grado automotriz calificados según AEC-Q200. Estos condensadores están disponibles en dieléctricos NP0 y X7R con opciones de terminación que incluyen Ni y Sn chapados.

Intercambio de tipos de condensadores

Aunque los distintos tipos de condensadores están optimizados para diferentes aplicaciones, puede ser posible o deseable sustituir un tipo por otro. Por ejemplo, Panasonic ha redactado un libro blanco en profundidad que muestra cómo los condensadores de polímero pueden sustituir a los MLCC en varias aplicaciones. La información de este documento se ofrece a continuación.

Los modernos desarrollos de los circuitos integrados, y las expectativas relacionadas con su rendimiento, han impuesto demandas más exigentes a sus componentes relacionados, incluidos los condensadores. Esta tendencia es evidente, por ejemplo, en los diseños de convertidores CC-CC. Éstos se orientan hacia una mayor eficiencia energética, el aumento de las corrientes de carga, la miniaturización y las mayores frecuencias de conmutación. Estas tendencias exigen condensadores que puedan soportar mayores cargas de corriente con un volumen menor. Cada vez es más necesario equilibrar el alto rendimiento y la densidad de potencia con la resistencia a largo plazo, la alta fiabilidad y la seguridad.

Los condensadores de salida son esenciales para los convertidores CC-CC porque, junto con el inductor principal, proporcionan una reserva de energía eléctrica para la salida y suavizan la tensión de salida. Los condensadores de entrada deben tener un buen rendimiento en términos de disipación de energía y rendimiento de ondulación. Deben mantener la tensión y garantizar que la tensión del carril permanezca estable para el inversor.

Pueden utilizarse varios tipos de condensadores para estas funciones de entrada y salida del convertidor CC-CC. La Fig.8 muestra algunas opciones, incluyendo condensadores electrolíticos, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, condensadores de película y condensadores cerámicos multicapa (MLCCs), y clasifica su rendimiento según cada característica. Aunque la mejor elección depende de la aplicación, podemos comparar las características relativas de cada tipo.

Mientras que los condensadores electrolíticos proporcionan la mayor ESR, su capacidad y rendimiento de corriente de fuga se degrada significativamente a temperaturas y frecuencias más altas. La ESR y ESL muy bajas de los condensadores cerámicos proporcionan un gran rendimiento transitorio, pero tienen limitaciones en la reducción de la capacidad. También pueden funcionar con corrientes de rizado muy elevadas, pero son propensos a sufrir fallos por envejecimiento y requieren campos eléctricos de funcionamiento más bajos.

Los condensadores electrolíticos de polímero son muy populares en las fuentes de alimentación de los circuitos integrados para las funciones de amortiguación, derivación y desacoplamiento, especialmente en los dispositivos de diseño plano o compacto. Por lo tanto, compiten con los MLCC, pero ofrecen valores de capacitancia más altos y, a diferencia de los condensadores cerámicos de clase 2 y 3, no muestran ningún efecto microfónico.

Para los filtros de entrada y salida de los convertidores CC-CC, los condensadores MLCC han sido el tipo más utilizado debido a sus bajos costes y a su baja ESR y ESL. Sin embargo, tienen inconvenientes, como:

• Poca capacitancia por volumen, especialmente para los materiales dieléctricos de clase 1 (NO/COG)
• Cuerpos de gran tamaño propensos a agrietarse con la flexión de la placa de circuito impreso
• Instabilidad de polarización de CC
• Efecto Piezo (Singing)

Aquí es donde los condensadores de polímero encuentran un papel. Panasonic fabrica condensadores de polímero sólido de aluminio: SP-Caps y OS-CON, condensadores de polímero de tantalio (POS-CAP), y tecnologías de condensadores electrolíticos de aluminio híbridos de polímero. Estos tipos de condensadores de polímero han ido ampliando su gama de aplicaciones. Tienen una gran capacitancia y excelentes características de polarización, muy superiores a las de los MLCC, además de presentar características de ESR y ESL extremadamente bajas.

Además, los condensadores de polímero consiguen una fiabilidad muy alta y un rendimiento superior a bajas temperaturas al utilizar materiales poliméricos sólidos como electrolito.

El circuito de la Fig. 9 que aparece a continuación muestra un par de ejemplos de cómo los diferentes condensadores de polímero pueden mejorar el rendimiento de los condensadores MLCC.

Suministro de condensadores

Los distintos tipos de condensadores, con una amplia gama de variables de rendimiento, pueden encontrarse en el sitio web de Farnell element14.

Conclusión

Este artículo ha explicado qué es un condensador y cómo funciona una capacitancia pura dentro de un circuito eléctrico. Sin embargo, también reconoce que no existe un condensador puro en el mundo real. En consecuencia, se han explorado las diversas características físicas y eléctricas que inevitablemente conforman un componente de condensador real, y se ha discutido la amplia gama de tipos de condensadores y sus diferentes características disponibles en la actualidad para diferentes aplicaciones.

También se ha examinado cómo un tipo de condensador puede a veces ser sustituido por otro, utilizando la sustitución de condensadores de polímero por MLCC como ejemplo.