Los condensadores electrolíticos de aluminio son condensadores electrolíticos (normalmente) polarizados cuyo electrodo de ánodo (+) está hecho de una lámina de aluminio puro con una superficie grabada . El aluminio forma una capa aislante muy fina de óxido de aluminio mediante anodización que actúa como dieléctrico del condensador. Un electrolito no sólido cubre la superficie rugosa de la capa de óxido, sirviendo en principio como el segundo electrodo ( cátodo ) (-) del condensador. Una segunda lámina de aluminio llamada "lámina de cátodo" entra en contacto con el electrolito y sirve como conexión eléctrica al terminal negativo del condensador.
Los condensadores electrolíticos de aluminio se dividen en tres subfamilias según el tipo de electrolito:
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son los más económicos y también los que tienen la gama más amplia de tamaños, valores de capacidad y voltaje. Se fabrican con valores de capacidad desde 0,1 μF hasta 2.700.000 μF (2,7 F), [1] y valores de voltaje que van desde 4 V hasta 630 V. [2] El electrolito líquido proporciona oxígeno para la reformación o "autocuración" de la capa de óxido dieléctrico. Sin embargo, puede evaporarse a través de un proceso de secado dependiente de la temperatura, lo que hace que los parámetros eléctricos se desvíen, lo que limita la vida útil de los condensadores.
Debido a sus valores de capacitancia relativamente altos, los condensadores electrolíticos de aluminio tienen valores de impedancia bajos incluso a frecuencias más bajas, como la frecuencia de la red . Por lo general, se utilizan en fuentes de alimentación , fuentes de alimentación de modo conmutado y convertidores CC-CC para suavizar y amortiguar voltajes CC rectificados en muchos dispositivos electrónicos, así como en fuentes de alimentación industriales y convertidores de frecuencia como condensadores de enlace CC para accionamientos , inversores para fotovoltaica y convertidores en plantas de energía eólica . Se utilizan tipos especiales para el almacenamiento de energía, por ejemplo, en aplicaciones de flash fotográfico o estroboscópico o para el acoplamiento de señales en aplicaciones de audio.
Los condensadores electrolíticos de aluminio son condensadores polarizados debido a su principio de anodización. Solo pueden funcionar con voltaje de CC aplicado con la polaridad correcta. Hacer funcionar el condensador con la polaridad incorrecta o con voltaje de CA provoca un cortocircuito que puede destruir el componente. La excepción es el condensador electrolítico de aluminio bipolar o no polar, que tiene una configuración de dos ánodos en una sola carcasa y que se puede utilizar de forma segura en aplicaciones de CA.
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, anteriormente llamados "metales de válvula". Al aplicar un voltaje positivo al material del ánodo en un baño electrolítico se forma una capa de óxido aislante con un espesor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de esta capa de óxido de aluminio en comparación con la capa dieléctrica de pentóxido de tantalio se muestran en la siguiente tabla:
Después de formar un óxido dieléctrico en las estructuras rugosas del ánodo, un contraelectrodo tiene que coincidir con la superficie rugosa del óxido aislante. Esto lo proporciona el electrolito, que actúa como electrodo de cátodo de un condensador electrolítico. Los electrolitos pueden ser "no sólidos" (húmedos, líquidos) o "sólidos". Los electrolitos no sólidos, como medio líquido que tiene una conductividad iónica causada por iones en movimiento, son relativamente insensibles a picos de voltaje o picos de corriente. Los electrolitos sólidos tienen una conductividad electrónica , lo que hace que los condensadores electrolíticos sólidos sean sensibles a picos de voltaje o picos de corriente.
La capa de óxido aislante generada anódicamente se destruye si cambia la polaridad del voltaje aplicado.
Todo condensador electrolítico forma en principio un "condensador de placas" cuya capacitancia es mayor cuanto mayor sea el área del electrodo A y la permitividad ε, y cuanto más fino sea el espesor (d) del dieléctrico.
La capacitancia es proporcional al producto del área de una placa multiplicada por la permitividad, dividido por el espesor del dieléctrico.
Los condensadores electrolíticos obtienen sus altos valores de capacidad gracias a una gran superficie y un pequeño espesor dieléctrico. El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy fino, del orden de los nanómetros por voltio, pero la intensidad de tensión de estas capas de óxido es bastante alta. Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa de la misma superficie. Esto aumenta el valor de capacidad en un factor de hasta 200 para los condensadores electrolíticos de aluminio. [6] [7]
Un condensador electrolítico de aluminio con un electrolito no sólido siempre consta de dos láminas de aluminio separadas mecánicamente por un espaciador, generalmente de papel, que está saturado con un electrolito líquido o gelatinoso. Una de las láminas de aluminio, el ánodo, se graba (se hace rugosa) para aumentar la superficie y se oxida (se forma). La segunda lámina de aluminio, llamada "lámina del cátodo", sirve para hacer contacto eléctrico con el electrolito. Un espaciador de papel separa mecánicamente las láminas para evitar el contacto metálico directo. Tanto las láminas como el espaciador se enrollan y el devanado se impregna con electrolito líquido. El electrolito, que sirve como cátodo del condensador, cubre perfectamente la estructura rugosa grabada de la capa de óxido en el ánodo y hace que la superficie del ánodo aumentada sea efectiva. Después de la impregnación, el devanado impregnado se monta en una caja de aluminio y se sella.
Por diseño, un condensador electrolítico de aluminio no sólido tiene una segunda lámina de aluminio, la denominada lámina catódica, para el contacto con el electrolito. Esta estructura de un condensador electrolítico de aluminio produce un resultado característico porque la segunda lámina de aluminio (cátodo) también está cubierta con una capa de óxido aislante formada naturalmente por el aire. Por lo tanto, la construcción del condensador electrolítico consta de dos condensadores individuales conectados en serie con capacidad C A del ánodo y capacidad C K del cátodo. La capacidad total del condensador C e-cap se obtiene de la fórmula de la conexión en serie de dos condensadores:
De ello se deduce que la capacidad total del condensador C e-cap está determinada principalmente por la capacidad del ánodo C A cuando la capacidad del cátodo C K es muy grande en comparación con la capacidad del ánodo C A . Este requisito se da cuando la capacidad del cátodo C K es aproximadamente 10 veces mayor que la capacidad del ánodo C A . Esto se puede lograr fácilmente porque la capa de óxido natural en una superficie del cátodo tiene una prueba de voltaje de aproximadamente 1,5 V y, por lo tanto, es muy delgada.
Aunque el presente artículo se refiere básicamente a los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido, se ofrece una visión general de los diferentes tipos de condensadores electrolíticos de aluminio para destacar las diferencias. Los condensadores electrolíticos de aluminio se dividen en dos subtipos según utilicen sistemas de electrolito líquido o sólido. Dado que los diferentes sistemas de electrolito pueden construirse con una variedad de materiales diferentes, incluyen otros subtipos.
Descripción de los materiales
La siguiente tabla muestra una descripción general de las principales características de los diferentes tipos de condensadores electrolíticos de aluminio.
1) Valores para un condensador típico de 100 μF/10–16 V
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son los más conocidos y utilizados. Estos componentes se encuentran en casi todas las placas de equipos electrónicos. Se caracterizan por tener materiales de base especialmente económicos y fáciles de procesar.
Los condensadores de aluminio con electrolitos líquidos a base de bórax o disolventes orgánicos tienen una amplia gama de tipos y clasificaciones. Los condensadores con electrolitos a base de agua se encuentran a menudo en dispositivos digitales para producción en masa. Los tipos con electrolito de dióxido de manganeso sólido han servido en el pasado como un "sustituto del tantalio". Los condensadores electrolíticos de aluminio polimérico con electrolitos de polímero conductor sólido están adquiriendo cada vez más importancia, especialmente en dispositivos con un diseño plano, como tabletas y pantallas planas. Los condensadores electrolíticos con electrolitos híbridos son relativamente nuevos en el mercado. Con su sistema de electrolito híbrido, combinan la conductividad mejorada del polímero con la ventaja de los electrolitos líquidos para mejores propiedades de autorreparación de la capa de óxido, de modo que los condensadores tienen las ventajas tanto de una ESR baja como de una corriente de fuga baja.
El material básico del ánodo para condensadores electrolíticos de aluminio es una lámina con un espesor de ~ 20–100 μm hecha de aluminio con una alta pureza de al menos 99,99%. [7] [11] Esta se graba (se hace rugosa) en un proceso electroquímico para aumentar la superficie efectiva del electrodo. [12] Al grabar la superficie del ánodo, dependiendo de la tensión nominal requerida, el área de la superficie se puede aumentar en un factor de aproximadamente 200 con respecto a una superficie lisa. [7]
Después de grabar el ánodo de aluminio, la superficie rugosa se "oxida anódicamente" o "se forma". De este modo, al aplicar una corriente con la polaridad correcta, si se introduce en un baño electrolítico, se forma una capa de óxido de Al2O3 eléctricamente aislante sobre la superficie del aluminio. Esta capa de óxido es el dieléctrico del condensador.
Este proceso de formación de óxido se lleva a cabo en dos pasos de reacción en los que el oxígeno para esta reacción debe provenir del electrolito. [13] Primero, una reacción fuertemente exotérmica transforma el aluminio metálico (Al) en hidróxido de aluminio , Al(OH) 3 :
Esta reacción se acelera con un campo eléctrico elevado y altas temperaturas, y va acompañada de una acumulación de presión en la carcasa del condensador causada por el gas hidrógeno liberado. El hidróxido de aluminio gelatinoso Al(OH) 3 , también llamado trihidrato de alúmina (ATH), se convierte mediante un segundo paso de reacción (normalmente de forma lenta durante unas horas a temperatura ambiente, más rápidamente en unos minutos a temperaturas más altas) en óxido de aluminio , Al2O3 :
El óxido de aluminio actúa como dieléctrico y también protege al aluminio metálico contra las reacciones químicas agresivas del electrolito. Sin embargo, la capa de óxido de aluminio transformada no suele ser homogénea. Forma una lámina compleja de múltiples capas de óxido de aluminio amorfo, cristalino y cristalino poroso, recubierta en su mayor parte por pequeñas partes residuales de hidróxido de aluminio no transformado. Por este motivo, en la formación de la lámina del ánodo, la película de óxido se estructura mediante un tratamiento químico especial de modo que se forma un óxido amorfo o un óxido cristalino. La variedad de óxido amorfo produce una mayor estabilidad mecánica y física y menos defectos, lo que aumenta la estabilidad a largo plazo y reduce la corriente de fuga.
El óxido amorfo tiene una relación dieléctrica de ~ 1,4 nm/V. En comparación con el óxido de aluminio cristalino, que tiene una relación dieléctrica de ~ 1,0 nm/V, la variedad amorfa tiene una capacitancia un 40% menor en la misma superficie del ánodo. [3] La desventaja del óxido cristalino es su mayor sensibilidad a la tensión de tracción, que puede provocar microfisuras cuando se somete a estresores mecánicos (bobinado) o térmicos (soldadura) durante los procesos de postconformado.
Las diferentes propiedades de las estructuras de óxido afectan las características posteriores de los condensadores electrolíticos. Las láminas de ánodo con óxido amorfo se utilizan principalmente para condensadores electrolíticos con características estables de larga duración, para condensadores con valores bajos de corriente de fuga y para condensadores electrolíticos con tensiones nominales de hasta aproximadamente 100 voltios. Los condensadores con tensiones más altas, por ejemplo, los condensadores para flashes fotográficos, generalmente contienen láminas de ánodo con óxido cristalino. [14]
Como el espesor del dieléctrico efectivo es proporcional a la tensión de formación, el espesor del dieléctrico se puede adaptar a la tensión nominal del condensador. Por ejemplo, para los tipos de baja tensión, un condensador electrolítico de 10 V tiene un espesor dieléctrico de solo unos 0,014 μm, mientras que un condensador electrolítico de 100 V tiene solo unos 0,14 μm. Por tanto, la rigidez dieléctrica también influye en el tamaño del condensador. Sin embargo, debido a los márgenes de seguridad estandarizados, la tensión de formación real de los condensadores electrolíticos es superior a la tensión nominal del componente.
Las láminas de ánodo de aluminio se fabrican en los llamados "rollos madre" de unos 500 mm de ancho. Se preforman para la tensión nominal deseada y con la estructura de capa de óxido deseada. Para producir los condensadores, se deben cortar del rollo madre los anchos y longitudes de ánodo necesarios para un condensador. [15]
La segunda lámina de aluminio del condensador electrolítico, llamada "lámina catódica", sirve para establecer el contacto eléctrico con el electrolito. Esta lámina tiene un grado de pureza algo menor, aproximadamente el 99,8%. Siempre está provista de una capa de óxido muy fina, que surge del contacto de la superficie de aluminio con el aire de forma natural. Para reducir la resistencia de contacto con el electrolito y dificultar la formación de óxido durante la descarga, la lámina catódica se alea con metales como el cobre , el silicio o el titanio . La lámina catódica también se graba para agrandar la superficie.
Sin embargo, debido a la capa de óxido extremadamente delgada, que corresponde a una prueba de voltaje de aproximadamente 1,5 V, su capacitancia específica es mucho mayor que la de las láminas de ánodo. [7] Para justificar la necesidad de una gran capacitancia superficial de la lámina de cátodo, consulte la sección sobre estabilidad de carga/descarga a continuación.
Las láminas de cátodo, al igual que las láminas de ánodo, se fabrican en los denominados "rollos madre", de los que se cortan los anchos y longitudes necesarios para la producción de condensadores.
El condensador electrolítico debe su nombre al electrolito, el líquido conductor que se encuentra en su interior. Como líquido, puede adaptarse a la estructura porosa del ánodo y a la capa de óxido que crece con la misma forma y forma que un cátodo "a medida". Un electrolito siempre consta de una mezcla de disolventes y aditivos para cumplir con los requisitos dados. La principal propiedad eléctrica del electrolito es su conductividad, que es físicamente una conductividad iónica en líquidos. Además de la buena conductividad de los electrolitos en funcionamiento, otros requisitos diversos son, entre otros, estabilidad química, alto punto de inflamación , compatibilidad química con el aluminio, baja viscosidad , impacto ambiental negativo mínimo y bajo costo. El electrolito también debe proporcionar oxígeno para los procesos de formación y autocuración, y todo esto dentro de un rango de temperatura lo más amplio posible. Esta diversidad de requisitos para el electrolito líquido da como resultado una amplia variedad de soluciones patentadas. [16] [17]
Los sistemas electrolíticos utilizados hoy en día se pueden resumir a grandes rasgos en tres grupos principales:
Dado que la cantidad de electrolito líquido durante el tiempo de funcionamiento de los capacitores disminuye con el tiempo a través de la autorreparación y por difusión a través del sello, los parámetros eléctricos de los capacitores pueden verse afectados negativamente, lo que limita la vida útil o la vida útil de los capacitores electrolíticos "húmedos"; consulte la sección sobre vida útil a continuación.
Las láminas del ánodo y del cátodo deben protegerse del contacto directo entre sí, ya que dicho contacto, incluso a tensiones relativamente bajas, puede provocar un cortocircuito. En caso de contacto directo de ambas láminas, la capa de óxido de la superficie del ánodo no ofrece protección. Un espaciador o separador fabricado con un papel especial altamente absorbente de alta pureza protege las dos láminas metálicas del contacto directo. Este papel para condensadores también sirve como depósito para el electrolito para prolongar la vida útil del condensador.
El espesor del espaciador depende de la tensión nominal del condensador electrolítico. Hasta 100 V, oscila entre 30 y 75 μm. [21] Para tensiones más altas, se utilizan varias capas de papel (papel dúplex) para aumentar la resistencia a la ruptura.
La encapsulación de los condensadores electrolíticos de aluminio también se realiza en aluminio para evitar reacciones galvánicas , normalmente con una carcasa de aluminio (lata, tubo). En el caso de los condensadores electrolíticos radiales, se conecta a través del electrolito con una resistencia no definida al cátodo (tierra). En cambio, en el caso de los condensadores electrolíticos axiales, la carcasa está diseñada específicamente con un contacto directo con el cátodo.
En caso de mal funcionamiento, sobrecarga o polaridad incorrecta en el funcionamiento dentro de la carcasa del condensador electrolítico, puede generarse una presión de gas considerable. Las cubas están diseñadas para abrir un respiradero de alivio de presión y liberar gas a alta presión, incluidas partes del electrolito. Este respiradero protege contra estallidos, explosiones o desprendimientos de la cuba metálica.
En el caso de carcasas más pequeñas, el orificio de ventilación para aliviar la presión está tallado en la parte inferior o en la muesca de la cuba. Los condensadores más grandes, como los condensadores con terminales de tornillo, tienen un orificio de ventilación para sobrepresión bloqueable y deben montarse en posición vertical.
Los materiales de sellado de los condensadores electrolíticos de aluminio dependen de los diferentes estilos. En el caso de los condensadores de terminales roscados y de encastre más grandes, la arandela de sellado está hecha de un material plástico. Los condensadores electrolíticos axiales suelen tener una arandela de sellado hecha de resina fenólica laminada con una capa de goma. Los condensadores electrolíticos radiales utilizan un tapón de goma con una estructura muy densa. Todos los materiales de sellado deben ser inertes a los componentes químicos del electrolito y no pueden contener compuestos solubles que puedan provocar la contaminación del electrolito. Para evitar fugas, el electrolito no debe ser agresivo para el material de sellado.
El proceso de producción comienza con los rollos madre. En primer lugar, la lámina de ánodo grabada, rugosa y preformada en el rollo madre, así como el papel espaciador y la lámina de cátodo se cortan al ancho requerido. [11] [12] Las láminas se introducen en una bobinadora automática, que realiza una sección bobinada en una operación consecutiva que implica tres pasos secuenciales: soldadura de terminales, bobinado y corte de longitud. En el siguiente paso de producción, la sección bobinada fijada en los terminales de salida se empapa con electrolito bajo impregnación al vacío. El bobinado impregnado se construye luego en una caja de aluminio, provista de un disco de sellado de goma y se sella mecánicamente de forma hermética mediante rizado. A continuación, el condensador se proporciona con una película de funda retráctil aislante. Este condensador ópticamente listo se pone en contacto a continuación a voltaje nominal en un dispositivo de postformado de alta temperatura para reparar todos los defectos dieléctricos resultantes del procedimiento de corte y bobinado. Después del postformado, se lleva a cabo una medición final del 100% de la capacitancia, la corriente de fuga y la impedancia. El encintado cierra el proceso de fabricación; Los condensadores están listos para ser entregados.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido están disponibles en diferentes estilos, vea las imágenes de arriba de izquierda a derecha:
En 1875, el investigador francés Eugène Ducretet descubrió que ciertos "metales válvula" (aluminio y otros) pueden formar una capa de óxido que impide que la corriente eléctrica fluya en una dirección, pero le permite fluir en la dirección inversa.
Karol Pollak , un fabricante de acumuladores, descubrió que la capa de óxido de un ánodo de aluminio permanecía estable en un electrolito neutro o alcalino, incluso cuando se cortaba la corriente. En 1896 obtuvo una patente para un condensador eléctrico líquido con electrodos de aluminio (en de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) basada en la idea de utilizar la capa de óxido en un condensador polarizado en combinación con un electrolito neutro o ligeramente alcalino. [22]
Los primeros condensadores electrolíticos fabricados industrialmente consistían en una caja metálica utilizada como cátodo, llena de un electrolito de bórax disuelto en agua, en la que se insertaba una placa anódica de aluminio plegada. Aplicando una tensión continua desde el exterior, se formaba una capa de óxido sobre la superficie del ánodo. La ventaja de estos condensadores era que eran significativamente más pequeños y más baratos que todos los demás condensadores de la época en cuanto a capacidad. Esta construcción con diferentes estilos de construcción del ánodo pero con una caja como cátodo y un contenedor como electrolito se utilizó hasta la década de 1930 y se denominó condensador electrolítico "húmedo", haciendo referencia a su alto contenido de agua.
La primera aplicación común de los condensadores electrolíticos de aluminio húmedos fue en las grandes centrales telefónicas, para reducir el ruido de los relés en la fuente de alimentación de CC de 48 voltios. El desarrollo de los receptores de radio domésticos que funcionaban con CA a finales de la década de 1920 creó una demanda de condensadores de gran capacidad (para la época) y alto voltaje para la técnica de amplificadores de válvulas , normalmente de al menos 4 microfaradios y con una potencia nominal de alrededor de 500 voltios de CC. Se disponía de condensadores de papel encerado y película de seda engrasada , pero los dispositivos con ese orden de capacidad y voltaje nominal eran voluminosos y prohibitivamente caros.
El antecesor del condensador electrolítico moderno fue patentado por Samuel Ruben en 1925, [23] [24] quien se asoció con Philip Mallory , el fundador de la compañía de baterías que ahora se conoce como Duracell International . La idea de Ruben adoptó la construcción apilada de un condensador de mica de plata . Introdujo una segunda lámina separada para contactar el electrolito adyacente a la lámina del ánodo en lugar de usar el contenedor lleno de electrolito como cátodo del condensador. La segunda lámina apilada obtuvo su propio terminal adicional al terminal del ánodo y el contenedor ya no tenía una función eléctrica. Este tipo de condensador electrolítico con una lámina de ánodo separada de una lámina de cátodo por un electrolito líquido o similar a un gel de naturaleza no acuosa, que por lo tanto es seco en el sentido de tener un contenido de agua muy bajo, se conoció como el tipo "seco" de condensador electrolítico. [25] Esta invención, junto con la invención de láminas enrolladas separadas con un espaciador de papel en 1927 por A. Eckel, Hydra-Werke (Alemania), [26] redujo significativamente el tamaño y el precio, lo que ayudó a que las nuevas radios fueran asequibles para un grupo más amplio de clientes. [25]
William Dubilier , cuya primera patente para condensadores electrolíticos fue presentada en 1928, [27] industrializó las nuevas ideas para condensadores electrolíticos y comenzó la producción comercial a gran escala en 1931 en la fábrica Cornell-Dubilier (CD) en Plainfield, Nueva Jersey. [25] Al mismo tiempo, en Berlín, Alemania, la "Hydra-Werke", una empresa de AEG , comenzó la producción de condensadores electrolíticos en grandes cantidades.
En su solicitud de patente de 1886, Pollak escribió que la capacidad del condensador aumentaba si se hacía rugosa la superficie de la lámina del ánodo. Desde entonces, se han desarrollado varios métodos para hacer rugosa la superficie del ánodo, métodos mecánicos como el chorro de arena o el rayado, y el grabado químico con ácidos y sales ácidas forzadas por altas corrientes. [28] Algunos de estos métodos se desarrollaron en la fábrica de CD entre 1931 y 1938. Hoy (2014), el grabado electroquímico de láminas de bajo voltaje puede lograr un aumento de hasta 200 veces en el área de superficie en comparación con una superficie lisa. [6] [7] El progreso relacionado con el proceso de grabado es la razón de la reducción continua de las dimensiones de los condensadores electrolíticos de aluminio en las últimas décadas.
El período posterior a la Segunda Guerra Mundial se asocia con un rápido desarrollo de la tecnología de radio y televisión, así como de las aplicaciones industriales, que tuvo una gran influencia en las cantidades de producción, pero también en los estilos, tamaños y diversificación de series de condensadores electrolíticos. Los nuevos electrolitos basados en líquidos orgánicos redujeron las corrientes de fuga y la ESR, ampliaron los rangos de temperatura y aumentaron la vida útil. Los fenómenos de corrosión causados por el cloro y el agua pudieron evitarse mediante procesos de fabricación de mayor pureza y mediante el uso de aditivos en los electrolitos.
El desarrollo de los condensadores electrolíticos de tantalio a principios de los años 50 [29] [30] con dióxido de manganeso como electrolito sólido, que tiene una conductividad 10 veces mejor que todos los demás tipos de electrolitos no sólidos, también influyó en el desarrollo de los condensadores electrolíticos de aluminio. En 1964 aparecieron en el mercado los primeros condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido ( Condensador de aluminio sólido (SAL) ), desarrollados por Philips . [31]
Las décadas de 1970 a 1990 estuvieron marcadas por el desarrollo de varias nuevas series de condensadores electrolíticos de aluminio profesionales, por ejemplo, con corrientes de fuga muy bajas o con características de larga vida útil o para temperaturas más altas de hasta 125 °C, que eran específicamente adecuados para ciertas aplicaciones industriales. [32] La gran diversidad de las muchas series de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos hasta ahora (2014) es un indicador de la adaptabilidad de los condensadores para satisfacer diferentes requisitos industriales.
En 1983, Sanyo logró una reducción adicional de la ESR con sus condensadores electrolíticos de aluminio " OS-CON ". Estos condensadores utilizan como conductor orgánico sólido la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ ( tetracianoquinodimetano ), que proporcionó una mejora de la conductividad de un factor de 10 con respecto al electrolito de dióxido de manganeso.
Los valores de ESR de los condensadores TCNQ se redujeron significativamente con el descubrimiento de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa . [33] La conductividad de polímeros conductores como el polipirrol [14] o PEDOT [34] es mejor que la del TCNQ por un factor de 100 a 500, y se acerca a la conductividad de los metales. En 1991 Panasonic puso en el mercado su "SP-Cap", [35] un condensador electrolítico de aluminio polimérico. Estos condensadores electrolíticos con electrolitos poliméricos alcanzaron valores de ESR lo suficientemente bajos como para competir con los condensadores multicapa cerámicos (MLCC). Todavía eran menos costosos que los condensadores de tantalio y poco tiempo después se utilizaron en dispositivos con un diseño plano, como ordenadores portátiles y teléfonos móviles .
A mediados de los años 1980, en Japón se desarrollaron nuevos electrolitos a base de agua con el objetivo de reducir la ESR en condensadores electrolíticos no sólidos de bajo costo. El agua es un solvente económico y eficaz para los electrolitos, y mejora significativamente la conductividad del electrolito.
El fabricante japonés Rubycon fue líder en el desarrollo de nuevos sistemas de electrolitos a base de agua con conductividad mejorada a finales de la década de 1990. [19] La nueva serie de condensadores no sólidos con electrolito a base de agua se denominó en las hojas de datos series "Low-ESR", "Low-Impedance", "Ultra-Low-Impedance" o "High-Ripple Current".
Entre 2000 y 2005, el robo de una receta de electrolito a base de agua, en la que faltaban importantes sustancias estabilizadoras [18] [20] [36], provocó el problema de la explosión de los condensadores en ordenadores y fuentes de alimentación, lo que se conoció como la " plaga de los condensadores ". En estos condensadores, el agua reacciona de forma bastante agresiva e incluso violenta con el aluminio, lo que provoca una fuerte generación de calor y gases en el interior del condensador, lo que a menudo provoca la explosión del mismo.
Las características eléctricas de los condensadores están armonizadas por la especificación genérica internacional IEC 60384-1. En esta norma, las características eléctricas de los condensadores se describen mediante un circuito equivalente en serie idealizado con componentes eléctricos que modelan todas las pérdidas óhmicas y los parámetros capacitivos e inductivos de un condensador electrolítico:
La unidad básica de la capacitancia de los condensadores electrolíticos es el microfaradio (μF, o menos correctamente uF).
El valor de capacidad especificado en las hojas de datos de los fabricantes se denomina capacidad nominal C R o capacidad nominal C N y es el valor para el que ha sido diseñado el condensador. Las condiciones de medición normalizadas para los condensadores electrolíticos son una medición de CA con 0,5 V [ aclaración necesaria ] a una frecuencia de 100/120 Hz y una temperatura de 20 °C. [ cita necesaria ]
El valor de la capacidad de un condensador electrolítico depende de la frecuencia de medición y de la temperatura. El valor a una frecuencia de medición de 1 kHz es aproximadamente un 10 % menor que el valor de 100/120 Hz. Por lo tanto, los valores de capacidad de los condensadores electrolíticos no son directamente comparables y difieren de los de los condensadores de película o de los condensadores cerámicos , cuya capacidad se mide a 1 kHz o más.
Medido con un método de medición de CA con 100/120 Hz, el valor de capacitancia medido es el valor más cercano a la carga eléctrica almacenada en el capacitor. La carga almacenada se mide con un método de descarga especial y se denomina capacitancia de CC . La capacitancia de CC es aproximadamente un 10 % mayor que la capacitancia de CA de 100/120 Hz. La capacitancia de CC es de interés para aplicaciones de descarga como flashes fotográficos .
El porcentaje de desviación permitida de la capacidad medida respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacidad. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes series de tolerancias, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en la norma IEC 60063. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, en la norma IEC 60062 se especifica un código de letras para cada tolerancia.
La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Los capacitores electrolíticos que se utilizan a menudo para condensadores de filtrado y derivación no necesitan tolerancias estrechas porque no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisa, como los osciladores .
En la norma IEC 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida se denomina "tensión nominal" U R o "tensión nominal" U N . La tensión nominal 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 resistencia a la tensión de los condensadores electrolíticos, que es directamente proporcional al espesor de la capa dieléctrica, [6] disminuye con el aumento de la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura alto. Reducir la tensión aplicada a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica una segunda "tensión de temperatura reducida" para un rango de temperatura más alto, la "tensión de categoría" U C . La tensión de categoría es la tensión de CC máxima, la tensión de pulso pico o la tensión de CA superpuesta que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría.
Los condensadores electrolíticos de aluminio pueden utilizarse durante un breve periodo de tiempo con una sobretensión, también denominada sobretensión transitoria. La sobretensión transitoria indica el valor máximo de tensión dentro del rango de temperatura que puede aplicarse durante su vida útil a una frecuencia de 1000 ciclos (con un tiempo de permanencia de 30 segundos y una pausa de 5 minutos y 30 segundos en cada caso) sin provocar ningún daño visible al condensador o un cambio de capacidad de más del 15 %.
Por lo general, para los condensadores con una tensión nominal de ≤ 315 voltios, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal y para los condensadores con una tensión nominal superior a 315 voltios, la sobretensión es 1,10 veces la tensión nominal.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son relativamente insensibles a voltajes transitorios altos y de corta duración superiores a la sobretensión, si la frecuencia y el contenido de energía de los transitorios son bajos. Esta capacidad depende del voltaje nominal y del tamaño del componente. Los voltajes transitorios de baja energía conducen a una limitación de voltaje similar a la de un diodo Zener .
Los procesos electroquímicos de formación de óxido se producen cuando se aplica una tensión con la polaridad correcta y generan un óxido adicional cuando surgen transitorios. Esta formación va acompañada de generación de calor y gas hidrógeno. Esto es tolerable si el contenido energético del transitorio es bajo. Sin embargo, si una tensión pico transitoria provoca una intensidad de campo eléctrico demasiado alta para el dieléctrico, puede provocar directamente un cortocircuito. No es posible una especificación inequívoca y general de transitorios o tensiones pico tolerables. En todos los casos en que surgen transitorios, la solicitud debe aprobarse cuidadosamente.
Los condensadores electrolíticos con electrolito sólido no pueden soportar transitorios ni picos de tensión superiores a la sobretensión. Los transitorios de este tipo de condensadores electrolíticos pueden destruir el componente.
Los condensadores electrolíticos son condensadores polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo. Sin embargo, la lámina del cátodo de los condensadores electrolíticos de aluminio está provista de una capa de óxido natural muy delgada, originada por el aire. Esta capa de óxido tiene una resistencia al voltaje de aproximadamente 1 a 1,5 V. [37] Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido pueden soportar continuamente un voltaje inverso muy pequeño [38] y, por ejemplo, pueden medirse con un voltaje de CA de aproximadamente 0,5 V, como se especifica en las normas pertinentes. [ cita requerida ]
A una tensión inversa inferior a −1,5 V [38] a temperatura ambiente, la lámina de aluminio del cátodo comienza a formar una capa de óxido correspondiente a la tensión aplicada. Esto está en línea con la generación de gas hidrógeno con el aumento de la presión. Al mismo tiempo, la capa de óxido en la lámina del ánodo comienza a disolver el óxido, lo que debilita la resistencia a la tensión. Ahora es una cuestión del circuito exterior si la creciente presión del gas por la oxidación provoca la explosión de la caja, o si el óxido del ánodo debilitado provoca una avería con un cortocircuito . Si el circuito exterior es de alta resistencia óhmica, el condensador falla y el respiradero se abre debido a la alta presión del gas. Si el circuito exterior es de baja resistencia óhmica, es más probable que se produzca un cortocircuito interno. En todos los casos, una tensión inversa inferior a −1,5 V a temperatura ambiente puede provocar que el componente falle catastróficamente debido a una ruptura dieléctrica o una sobrepresión, lo que hace que el condensador explote, a menudo de forma espectacularmente dramática. Los condensadores electrolíticos modernos tienen un respiradero de seguridad que normalmente es una sección ranurada de la carcasa o un sello de extremo especialmente diseñado para ventilar el gas/líquido caliente, pero las rupturas aún pueden ser dramáticas.
Para minimizar la posibilidad de que un electrolítico polarizado se inserte incorrectamente en un circuito, la polaridad está indicada muy claramente en la caja; consulte la sección titulada "Marcado de polaridad".
Existen condensadores bipolares especiales diseñados para el funcionamiento con corriente alterna, generalmente denominados de tipo "bipolar", "no polarizado" o "NP". En estos casos, los condensadores tienen dos láminas de ánodo de polaridad opuesta conectadas en serie. En cada una de las mitades alternas del ciclo de corriente alterna, un ánodo actúa como dieléctrico de bloqueo, evitando que el voltaje inverso dañe el ánodo opuesto. La tensión nominal no necesita ser simétrica; los condensadores "semipolares" pueden fabricarse con diferentes espesores de recubrimientos de óxido, de modo que puedan soportar diferentes voltajes en cada dirección, [38] pero estos condensadores electrolíticos bipolares no son adaptables para aplicaciones de corriente alterna principal en lugar de condensadores de potencia con película de polímero metalizado o dieléctrico de papel. [ aclaración necesaria ]
En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Pero esta es solo una de las funciones del condensador. Un condensador también puede actuar como una resistencia de CA. En particular, los condensadores electrolíticos de aluminio se utilizan en muchas aplicaciones como condensadores de desacoplamiento para filtrar o desviar frecuencias de CA polarizadas no deseadas a tierra o para el acoplamiento capacitivo de señales de CA de audio. En ese caso, el dieléctrico se utiliza solo para bloquear la CC. Para tales aplicaciones, la resistencia de CA y la impedancia son tan importantes como el valor de la capacitancia.
La impedancia es la suma vectorial de reactancia y resistencia ; describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre voltaje sinusoidal variable y corriente sinusoidal variable a una frecuencia dada en un circuito de CA. En este sentido, la impedancia puede utilizarse como la ley de Ohm.
En otras palabras, la impedancia es una resistencia de CA dependiente de la frecuencia y posee magnitud y fase en una frecuencia particular.
En las hojas de datos de los capacitores, solo se especifica la magnitud de impedancia |Z| y se escribe simplemente como "Z". En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del capacitor para pasar corrientes alternas.
La impedancia se puede calcular utilizando los componentes idealizados de un circuito equivalente en serie de un condensador, que incluye un condensador ideal , una resistencia y una inductancia . En este caso, la impedancia a la frecuencia angular se obtiene por la suma geométrica (compleja) de ESR, por una reactancia capacitiva ( Capacitancia ).
y por una reactancia inductiva ( Inductancia )
Entonces viene dado por
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas y tienen el mismo valor ( ), entonces la impedancia sólo está determinada por .
La impedancia especificada en las hojas de datos de varios condensadores a menudo muestra curvas típicas para diferentes valores de capacidad. La impedancia en la frecuencia de resonancia define el mejor punto de trabajo para los circuitos de acoplamiento o desacoplamiento. Cuanto mayor sea la capacidad, menor será el rango de frecuencia de funcionamiento. Debido a sus grandes valores de capacidad, los condensadores electrolíticos de aluminio tienen propiedades de desacoplamiento relativamente buenas en el rango de frecuencia inferior, hasta aproximadamente 1 MHz o un poco más. Esto y el precio relativamente bajo son a menudo la razón para utilizar condensadores electrolíticos en fuentes de alimentación estándar o de modo conmutado de 50/60 Hz .
La resistencia en serie equivalente (ESR) resume todas las pérdidas resistivas del capacitor. Estas son las resistencias terminales, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos, la resistencia del electrolito y las pérdidas dieléctricas en la capa de óxido dieléctrico. [39]
La ESR depende de la temperatura y la frecuencia. En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido, la ESR generalmente disminuye con el aumento de la frecuencia y la temperatura. [40] La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta restante detrás del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. En relación con el condensador, la ESR es responsable de la generación de calor interno si una corriente de ondulación fluye sobre el condensador. Este calor interno reduce la vida útil del condensador.
Según la norma IEC/EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos se miden a 10 kHz o 100 kHz, dependiendo de la capacitancia y el voltaje del condensador.
En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio, por razones históricas, a veces se especifica el factor de disipación tan δ en las hojas de datos pertinentes en lugar de . El factor de disipación se determina por la tangente del ángulo de fase entre la reactancia capacitiva menos la reactancia inductiva y . Si la inductancia es pequeña, el factor de disipación para una frecuencia dada se puede aproximar como:
Una corriente de ondulación es el valor eficaz de una corriente alterna superpuesta de cualquier frecuencia y cualquier forma de onda de la curva de corriente para un funcionamiento continuo. Surge, por ejemplo, en las fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación conmutadas ) después de rectificar una tensión alterna y fluye como corriente de carga y descarga polarizada a través del condensador de desacoplamiento o suavizado .
Debido a la ESR del condensador, la corriente de ondulación IR provoca pérdidas de energía eléctrica PV el
lo que genera generación de calor dentro del núcleo del bobinado del condensador.
Este calor generado internamente, junto con la temperatura ambiente y posiblemente otras fuentes de calor externas, conduce a una temperatura en el núcleo del condensador cuya zona más caliente se encuentra en el devanado, con una diferencia de temperatura de Δ T en comparación con la temperatura ambiente. Este calor debe distribuirse en forma de pérdidas térmicas P V th sobre la superficie del condensador A y la resistencia térmica β al entorno ambiental.
La resistencia térmica β depende del tamaño de la carcasa del condensador correspondiente y, si corresponde, de condiciones de enfriamiento adicionales.
Si las pérdidas de potencia generadas internamente P V el disipadas por radiación térmica , convección y conducción térmica al ambiente corresponden a las pérdidas térmicas P V th , entonces se da un equilibrio de temperatura entre la temperatura del capacitor y la temperatura ambiente. [41]
Normalmente, el valor nominal especificado para la corriente de ondulación máxima en las hojas de datos de los fabricantes se calcula para un calentamiento del núcleo del condensador (celda) de 10 °C para la serie de 85 °C, 5 °C para la serie de 105 °C y 3 °C para la serie de 125 °C.
La corriente de rizado nominal de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido se corresponde con la vida útil especificada de la serie de condensadores. Esta corriente puede fluir de forma permanente por el condensador hasta la temperatura máxima durante el tiempo especificado o calculado. Una corriente de rizado inferior a la especificada o un enfriamiento forzado [41] alargan la vida útil del condensador.
La vida útil de los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido depende de la velocidad de evaporación y, por tanto, de la temperatura del núcleo del condensador. Con un enfriamiento forzado o una colocación especial del condensador en la placa de circuito impreso, se puede influir positivamente en la vida útil. [41]
La corriente de ondulación se especifica como un valor eficaz (RMS) a 100 o 120 Hz o a 10 kHz a una temperatura de categoría superior. Las corrientes de ondulación no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias sinusoidales individuales mediante el análisis de Fourier y resumirse mediante la suma al cuadrado de las corrientes individuales. [42]
Los pulsos de corriente alta que aparecen periódicamente, que pueden ser mucho más altos que la corriente de ondulación nominal, deben analizarse de la misma manera.
Debido a que la ESR disminuye con el aumento de frecuencias, el valor de la hoja de datos de corriente de rizado, especificado a 100/120 Hz, puede ser mayor a frecuencias más altas. En casos como este, los fabricantes especifican factores de corrección para los valores de corriente de rizado a frecuencias más altas. Por ejemplo, la corriente de rizado a 10 kHz generalmente se puede aproximar a un 30 a 40 % más alta que el valor de 100/120.
Si la corriente de ondulación supera el valor nominal, la generación de calor correspondiente supera el límite de temperatura del condensador y puede destruir la estructura interna (resistencia a la tensión, punto de ebullición) de los condensadores. Entonces, los componentes tienden a cortocircuitarse, a abrirse o a explotar. Las corrientes de ondulación superiores a los valores nominales solo son posibles con refrigeración forzada. [41] [43]
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos contienen siempre, además de la lámina del ánodo, una lámina del cátodo que sirve de contacto eléctrico con el electrolito. Esta lámina del cátodo está provista de una capa de óxido natural muy fina, de origen aéreo, que actúa también como dieléctrico. De este modo, la construcción del condensador forma un circuito en serie de dos condensadores, la capacidad de la lámina del ánodo C A y la del cátodo C K . Como se ha descrito anteriormente, la capacidad del condensador C e-cap está determinada principalmente por la capacidad del ánodo C A cuando la capacidad del cátodo C K es aproximadamente 10 veces mayor que la capacidad del ánodo C A .
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta el voltaje nominal sin ninguna limitación de corriente. Esta propiedad es resultado de la movilidad limitada de los iones en el electrolito líquido, que ralentiza la rampa de voltaje a través del dieléctrico, y la ESR del condensador.
Durante la descarga, la construcción interna del condensador invierte la polaridad interna. El cátodo (-) recibe un ánodo (+) y cambia la dirección del flujo de corriente. Surgen dos voltajes sobre estos electrodos. En principio, la distribución de voltaje sobre ambos electrodos se comporta como el producto CV inverso de cada electrodo.
La regla de diseño de alta capacitancia del cátodo asegura que el voltaje que aparece sobre el cátodo durante la descarga no sea mayor que aproximadamente 1,5 V, es decir, su voltaje natural originado por el aire a prueba de descarga. No se produce ningún otro post-formado de la lámina del cátodo, lo que puede provocar la degradación de la capacitancia. [21] [44] Entonces los capacitores son a prueba de descarga.
Los condensadores electrolíticos de aluminio pequeños (diámetro <25 mm) con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta la tensión nominal sin ninguna limitación de picos, picos o pulsos de corriente hasta un valor de corriente pico de aproximadamente 50 A. Esta propiedad es resultado de la movilidad limitada de los iones en el electrolito líquido, que ralentiza la rampa de tensión a través del dieléctrico, y la ESR del condensador. Solo la frecuencia de los picos integrados a lo largo del tiempo no debe superar la corriente de rizado máxima especificada.
Una propiedad característica de los condensadores electrolíticos es la "corriente de fuga". Esta corriente continua está representada por la resistencia R de fuga en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos y fluye si se aplica una tensión.
La corriente de fuga incluye todas las imperfecciones débiles del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados y daños mecánicos y es la corriente continua que puede pasar a través del dieléctrico después de aplicar un voltaje con la polaridad correcta. Depende del valor de la capacitancia, del voltaje aplicado y la temperatura del capacitor, del tiempo de medición, del tipo de electrolito y de condiciones previas como el tiempo de almacenamiento previo sin voltaje aplicado o la tensión térmica de la soldadura. (Todos los capacitores electrolíticos no sólidos necesitan un tiempo de recuperación de algunas horas después de la soldadura antes de medir la corriente de fuga. Los capacitores de chip no sólidos necesitan un tiempo de recuperación después de la soldadura por reflujo de aproximadamente 24 horas). La corriente de fuga se reduce aplicando voltaje operativo mediante procesos de autorreparación.
La corriente de fuga disminuye en los primeros minutos después de aplicar la tensión continua. En este tiempo, la capa de óxido dieléctrico puede reparar todas las debilidades mediante la creación de nuevas capas en un proceso de autocuración. El tiempo que tarda en disminuir la corriente de fuga depende generalmente del tipo de electrolito. La corriente de fuga de los electrolitos sólidos disminuye mucho más rápido que en el caso de los tipos no sólidos, pero se mantiene en un nivel algo más alto. Los condensadores electrolíticos húmedos con electrolitos con alto contenido de agua en los primeros minutos generalmente tienen una corriente de fuga más alta que aquellos con electrolito orgánico, pero después de varios minutos alcanzan el mismo nivel. Aunque la corriente de fuga de los condensadores electrolíticos es mayor en comparación con el flujo de corriente a través de la resistencia de aislamiento en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos puede tardar varias semanas.
La corriente de fuga I fuga especificada en las hojas de datos de los fabricantes se refiere al valor de capacitancia del capacitor C R , la tensión nominal U R , un factor de correlación y un valor de corriente mínimo. Por ejemplo,
Después de un tiempo de medición de 2 o 5 minutos, según la especificación de la hoja de datos, el valor de la corriente de fuga medida debe ser inferior al valor calculado. Normalmente, la corriente de fuga es siempre menor cuanto más tiempo se aplica la tensión del condensador. La corriente de fuga durante el funcionamiento después de, por ejemplo, una hora, es la corriente de fuga operativa. Este valor depende en gran medida de las características de serie del fabricante. Podría ser inferior a 1/100 del valor especificado.
La corriente de fuga depende de la tensión aplicada y de la temperatura ambiente. El valor durante el funcionamiento continuo a 85 °C es aproximadamente cuatro veces mayor que a 20 °C. De lo contrario, el valor es aproximadamente la mitad, lo que reduce la tensión aplicada al 70% de la tensión nominal. [42]
Los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos que pierden corriente después de un tiempo de funcionamiento de, por ejemplo, una hora, permanecen en un nivel superior al especificado. En la mayoría de los casos, han sufrido daños mecánicos internos debido a la alta tensión mecánica durante el montaje.
La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga solo de forma incompleta cuando se descarga brevemente. Aunque un condensador ideal alcanzaría cero voltios después de la descarga, los condensadores reales desarrollan un pequeño voltaje a partir de la descarga dipolar retardada en el tiempo, un fenómeno que también se denomina relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".
La absorción dieléctrica puede ser un problema en circuitos que utilizan corrientes muy pequeñas en circuitos electrónicos, como integradores de constante de tiempo larga o circuitos de muestreo y retención . [47] La absorción dieléctrica no es un problema en la mayoría de las aplicaciones de capacitores electrolíticos que soportan líneas de suministro de energía.
Pero, especialmente en el caso de los condensadores electrolíticos con alta tensión nominal, la tensión en los terminales generada por la absorción dieléctrica puede suponer un riesgo para la seguridad del personal o de los circuitos. Para evitar descargas eléctricas, la mayoría de los condensadores de gran tamaño se envían con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de su uso. [48]
La predicción de la fiabilidad de los condensadores electrolíticos de aluminio se expresa generalmente como una tasa de fallos λ, abreviada como FIT (Failures In Time). Es una medida del número de fallos por unidad de hora durante el tiempo de fallos aleatorios constantes en la curva de la bañera . La parte plana de la curva de la bañera se corresponde con la vida útil calculada o la vida útil de los condensadores electrolíticos no sólidos. La tasa de fallos se utiliza para calcular una probabilidad de supervivencia para una vida útil deseada de un circuito electrónico en combinación con otros componentes participantes.
FIT es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) de horas de funcionamiento de componentes en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1000 componentes durante 1 millón de horas o 1 millón de componentes durante 1000 horas) (1 ppm /1000 horas) cada una durante el período de fallas aleatorias constantes. Este modelo de tasa de fallas asume implícitamente la idea de "falla aleatoria". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a una tasa predecible. Las fallas son cortocircuitos, circuitos abiertos y fallas de degradación (que exceden los límites especificados de los parámetros eléctricos).
El valor recíproco de FIT es el MTBF, el tiempo medio entre fallos .
Las condiciones de funcionamiento estándar para la tasa de falla FIT son 40 °C y 0,5 U R . Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, valor de capacitancia, resistencia del circuito (para capacitores de tantalio), influencias mecánicas y humedad, la cifra FIT se puede recalcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales [49] o militares [50] . Cuanto mayor sea la temperatura y el voltaje aplicado, mayor será la tasa de falla.
Es bueno saber que para los condensadores con electrolitos sólidos, la tasa de fallas a menudo se expresa como porcentaje de componentes fallidos por mil horas (n %/1000 h), y se especifica en condiciones de referencia de 85 °C y voltaje nominal U R . Es decir, "n" número de componentes fallidos por 10 5 horas, o en FIT el valor diezmilésimas por 10 9 horas pero para diferentes condiciones de referencia. Para estas otras condiciones, la cifra "%I1000 h" se puede recalcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales [49] o militares [50] .
La mayoría de los condensadores electrolíticos de aluminio modernos con electrolitos no sólidos son hoy en día componentes muy fiables con tasas de fallo muy bajas, con una esperanza de vida prevista de décadas en condiciones normales. Es una buena práctica que los condensadores electrolíticos pasen por un paso de proceso de postformado después de la producción, similar a un " burn in" , de modo que se eliminen los fallos prematuros durante la producción. Los valores FIT que se dan en las hojas de datos se calculan a partir de la experiencia de largo plazo del fabricante, en función de los resultados de las pruebas de vida útil. Los valores de tasa de fallo de referencia típicos para los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos son para los tipos de bajo voltaje (6,3–160 V) tasas FIT en el rango de 1 a 20 FIT [51] y para los tipos de alto voltaje (>160–550 V) tasas FIT en el rango de 20 a 200 FIT. [52] Las tasas de fallo de campo para los condensadores de aluminio están en el rango de 0,5 a 20 FIT. [52]
Los datos para la especificación de "tasa de fallo" se basan en los resultados de pruebas de vida útil (pruebas de resistencia). Además, a veces se especifica una "tasa de fallo de campo". Estas cifras provienen de grandes clientes que notaron fallos en el campo fuera de su aplicación. Las tasas de fallo de campo podrían tener valores mucho más bajos. Para los condensadores electrolíticos de aluminio, están en el rango de 0,5 a 20 FIT. Los valores de la tasa de fallo de campo están en línea con los órdenes de magnitud habituales para los componentes electrónicos.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos ocupan una posición excepcional entre los componentes electrónicos, ya que funcionan con un electrolito como ingrediente líquido. El electrolito líquido determina el comportamiento dependiente del tiempo de los condensadores electrolíticos. Envejecen con el tiempo a medida que el electrolito se evapora. Esto también implica que hay una fuerte disminución de la vida útil con el aumento de la temperatura. Como regla general, cada aumento de 10 grados reduce a la mitad la vida útil. Este secado muy lento del electrolito depende de la construcción en serie, la temperatura ambiente, la tensión y la carga de corriente de ondulación. La reducción del electrolito con el tiempo influye en la capacidad, la impedancia y la ESR de los condensadores. La capacidad disminuye y la impedancia y la ESR aumentan con la disminución de las cantidades de electrolito. La corriente de fuga disminuye porque todas las debilidades se curan después del largo tiempo de formación. A diferencia de los condensadores electrolíticos con electrolitos sólidos, los condensadores electrolíticos "húmedos" tienen un "fin de vida" cuando los componentes alcanzan cambios máximos especificados de capacidad, impedancia o ESR. El período de tiempo hasta el "fin de la vida útil" se denomina "vida útil", "vida útil de carga" o "vida útil de servicio". Representa el tiempo de tasa de falla constante en la curva de tasa de falla de la bañera.
En condiciones ambientales normales, los condensadores electrolíticos pueden tener una vida útil de más de 15 años, pero esto puede verse limitado según el comportamiento de degradación del tapón de goma (que normalmente no envejece durante las pruebas de vida útil). Esta clasificación se prueba con una prueba de envejecimiento acelerado llamada "prueba de resistencia" de acuerdo con IEC 60384-4-1 con voltaje nominal a la temperatura de categoría superior. [53] Uno de los desafíos con esta prueba de envejecimiento es el tiempo necesario para extraer resultados significativos. En respuesta a las demandas de larga vida útil y rendimiento a alta temperatura de las aplicaciones automotrices y de energía verde (microinversores solares, LED, turbinas eólicas, etc.), algunos condensadores requieren más de un año de pruebas (10000 horas) antes de que puedan calificar. Debido a esta limitación, ha habido un creciente interés en metodologías [54] para acelerar la prueba de una manera que aún produzca resultados relevantes.
El gráfico de la derecha muestra el comportamiento de los parámetros eléctricos de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos debido a la evaporación del electrolito en un ensayo de resistencia de 2000 h a 105 °C. El proceso de desecación también es detectable por pérdida de peso.
Después de esta prueba de resistencia, los límites de los parámetros especificados para pasar la prueba son, por un lado, que no se produzcan fallos totales (cortocircuito, circuito abierto) y, por otro lado, que no se alcance el fallo por degradación, que se produzca una reducción de la capacidad superior al 30% y que el ESR, la impedancia o el factor de pérdida aumenten más de un factor de 3 en comparación con el valor inicial. Los parámetros del componente probado que superen estos límites pueden considerarse como evidencia de fallo por degradación.
El tiempo y la temperatura de prueba dependen de la serie que se esté probando. Por eso, en las hojas de datos de los fabricantes se indican diferentes duraciones de vida, que se indican en forma de tiempo/temperatura, por ejemplo: 2000 h/85 °C, 2000 h/105 °C, 5000 h/105 °C, 2000 h/125 °C. Estas cifras indican la duración mínima de vida de los condensadores de una serie cuando se exponen a la temperatura máxima con la tensión nominal aplicada.
En lo que respecta a la prueba de resistencia, esta especificación no incluye que los condensadores se carguen con el valor nominal de la corriente de rizado. Sin embargo, el calor interno adicional de 3 a 10 K, según la serie, que genera la corriente de rizado, generalmente lo tiene en cuenta el fabricante debido a los márgenes de seguridad al interpretar los resultados de sus pruebas de resistencia. Una prueba con una corriente de rizado aplicada real es asequible para cualquier fabricante.
La vida útil de un condensador en diferentes condiciones de funcionamiento se puede estimar mediante fórmulas especiales o gráficos especificados en las hojas de datos de los fabricantes importantes. Estos utilizan diferentes métodos para lograr la especificación; algunos proporcionan fórmulas especiales, [55] [56] [57] otros especifican el cálculo de la vida útil de sus condensadores con gráficos que tienen en cuenta la influencia del voltaje aplicado. [41] [58] [59] El principio básico para calcular el tiempo en condiciones de funcionamiento es la denominada "regla de los 10 grados". [60] [61] [62]
Esta regla, también conocida como regla de Arrhenius , caracteriza el cambio de la velocidad de reacción térmica. Por cada 10 °C de temperatura más baja, la evaporación se reduce a la mitad. Esto significa que por cada 10 °C de temperatura más baja, la vida útil de los condensadores se duplica.
Si la especificación de vida útil de un condensador electrolítico es, por ejemplo, 2000 h/105 °C, la vida útil del condensador a 45 °C se puede "calcular" en 128.000 horas (aproximadamente 15 años) utilizando la regla de los 10 grados. Aunque el resultado de una vida útil más larga a temperaturas más bajas proviene de un cálculo matemático, el resultado es siempre una estimación del comportamiento esperado de un grupo de componentes similares.
La vida útil de los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos depende de la velocidad de evaporación y, por lo tanto, de la temperatura del núcleo del condensador. Esta temperatura del núcleo, por otro lado, depende de la carga de corriente de rizado. El uso de la regla de los 10 grados con la temperatura de la carcasa del condensador proporciona una buena aproximación a las condiciones de funcionamiento. En caso de corrientes de rizado más altas, la vida útil podría verse influida positivamente con un enfriamiento forzado.
Cerca del final de la vida útil del condensador, comienzan a aparecer fallos por degradación. Al mismo tiempo, termina el rango de la tasa de fallo constante. Pero incluso después de superar el final de la vida útil especificada del condensador, el circuito electrónico no está en peligro inmediato; solo se reduce la funcionalidad del condensador. Con los altos niveles de pureza actuales en la fabricación de condensadores electrolíticos, no es de esperar que se produzcan cortocircuitos después del punto de fin de vida útil con evaporación progresiva combinada con degradación de parámetros.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos tienen, en términos de calidad, una imagen pública relativamente negativa. Esto es contrario a la experiencia industrial, donde los condensadores electrolíticos se consideran componentes confiables si se utilizan dentro de sus especificaciones especificadas durante la vida útil calculada. La imagen pública negativa podría deberse, entre otras razones, a que los condensadores electrolíticos defectuosos en los dispositivos son fácil e inmediatamente visibles. [63] Esto es excepcional y no es el caso de otros componentes electrónicos.
Como sucede con cualquier producto industrial, se conocen causas específicas de los modos de falla de los capacitores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos. Se pueden diferenciar en causas de fallas por desarrollo y producción del capacitor, por producción del dispositivo, por aplicación del capacitor o por influencias externas durante el uso. [64]
Las industrias de fabricación de condensadores solo pueden influir en el primer modo de fallo. La mayoría de los fabricantes han tenido departamentos de control de calidad bien estructurados durante décadas, supervisando todos los pasos de desarrollo y fabricación. Los diagramas de flujo de modos de fallo lo demuestran. [55] [65] [66] [67] [68] [69] Sin embargo, no se conoce un modo de fallo importante típico causado física o químicamente durante la aplicación, como la "cristalización de campo" para los condensadores de tantalio, para los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos.
En muchos sectores, los condensadores electrolíticos se consideran componentes muy poco fiables en comparación con otros componentes pasivos. Esto se debe en parte a la historia de estos componentes. Los condensadores fabricados antes y durante la Segunda Guerra Mundial a veces sufrían contaminación durante la fabricación manual y, en particular, las sales de cloro eran a menudo la causa de los procesos corrosivos que provocaban altas corrientes de fuga. El cloro actúa sobre el aluminio como catalizador para la formación de óxido inestable sin unirse químicamente.
Después de la Segunda Guerra Mundial, este problema era conocido, pero el equipo de medición no era lo suficientemente preciso para detectar el cloro en concentraciones de ppm muy bajas. La situación mejoró durante los siguientes 20 años y los condensadores se volvieron lo suficientemente buenos para aplicaciones de mayor duración. Esto conduce a su vez a una corrosión impulsada por el agua que antes no se detectaba, que debilita la capa de óxido dieléctrico estable durante el almacenamiento o el desuso. Esto conduce a altas corrientes de fuga después del almacenamiento. La mayoría de los electrolitos en ese momento contenían agua, y muchos de los condensadores llegan al final de su vida útil secándose. [21] La corrosión impulsada por el agua fue la razón de las instrucciones de acondicionamiento previo recomendadas.
La primera solución en la década de 1970 fue el desarrollo de sistemas de electrolitos libres de agua basados en disolventes orgánicos. Sus ventajas, entre otras cosas, eran corrientes de fuga más bajas y una vida útil casi ilimitada, [70] pero esto condujo a otro problema: la creciente producción en masa con máquinas de inserción automáticas requiere un lavado de las placas de circuito impreso después de la soldadura; estas soluciones de limpieza contenían agentes de cloroalcano ( CFC ). Estas soluciones halógenas a veces permean el sello de un condensador e inician la corrosión por cloro. Nuevamente había un problema de corriente de fuga.
El uso de CFC como disolventes para la limpieza en seco se ha eliminado gradualmente, por ejemplo, mediante la directiva IPPC sobre gases de efecto invernadero en 1994 y mediante la directiva sobre compuestos orgánicos volátiles (COV) de la UE en 1997. Mientras tanto, se han desarrollado sistemas electrolíticos con aditivos para inhibir la reacción entre el óxido de aluminio anódico y el agua, que resuelven la mayoría de los problemas de corrientes de fuga elevadas después del almacenamiento. [71]
La capacidad de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos de tener un comportamiento estable durante períodos de almacenamiento más prolongados se puede probar mediante una prueba de aceleración de almacenamiento del condensador a su temperatura de categoría superior durante un período determinado, normalmente 1000 horas, sin aplicar tensión. Esta "prueba de vida útil" es un buen indicador de un comportamiento químico inerte del sistema electrolítico frente a la capa de óxido de aluminio dieléctrico, ya que todas las reacciones químicas se aceleran con las altas temperaturas. Casi todas las series de condensadores actuales cumplen la prueba de vida útil de 1000 horas, lo que equivale a un mínimo de cinco años de almacenamiento a temperatura ambiente. Los condensadores electrolíticos modernos no necesitan preacondicionamiento después de dicho almacenamiento. Sin embargo, muchas series de condensadores están especificadas solo para un tiempo de almacenamiento de dos años, pero el límite lo establece la oxidación de los terminales y los problemas de soldabilidad resultantes.
Para restaurar equipos de radio antiguos que utilizan condensadores electrolíticos antiguos fabricados en la década de 1970 o antes, a menudo se recomienda un "preacondicionamiento". Para ello, se aplica el voltaje nominal al condensador a través de una resistencia en serie de aproximadamente 1 kΩ durante un período de una hora. La aplicación de un voltaje a través de una resistencia de seguridad repara la capa de óxido mediante autocuración, pero lentamente, lo que minimiza el calentamiento interno. Si los condensadores siguen sin cumplir los requisitos de corriente de fuga después del preacondicionamiento, puede ser una indicación de daño permanente.
Los condensadores electrolíticos de aluminio de menor tamaño o de menor voltaje se pueden conectar en paralelo sin ninguna medida de corrección de seguridad. Los condensadores de mayor tamaño, especialmente los de mayor tamaño y alto voltaje, deben protegerse individualmente contra una carga de energía repentina de todo el banco de condensadores debido a una muestra defectuosa.
Algunas aplicaciones, como los convertidores CA/CA con enlace CC para controles de frecuencia en redes trifásicas, necesitan voltajes más altos que los que suelen ofrecer los condensadores electrolíticos. Para tales aplicaciones, los condensadores electrolíticos se pueden conectar en serie para aumentar la capacidad de soportar voltaje. Durante la carga, el voltaje a través de cada uno de los condensadores conectados en serie es proporcional al inverso de la corriente de fuga del condensador individual. Dado que cada condensador difiere un poco en la corriente de fuga individual, los condensadores con una corriente de fuga más alta obtendrán menos voltaje. El equilibrio de voltaje sobre los condensadores conectados en serie no es simétrico. Se debe proporcionar un equilibrio de voltaje pasivo o activo para estabilizar el voltaje sobre cada condensador individual. [42] [59]
Los condensadores electrolíticos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, tienen marcas impresas que indican el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. En el caso ideal, si son lo suficientemente grandes, el condensador debería estar marcado con:
Los capacitores más pequeños utilizan una notación abreviada para mostrar toda la información relevante en el espacio limitado disponible. El formato más comúnmente utilizado es: XYZ K/M VOLTS V, donde XYZ representa la capacitancia en μF, las letras K o M indican la tolerancia (±10% y ±20% respectivamente) y VOLTS V representa el voltaje nominal. Ejemplo:
La capacidad, la tolerancia y la fecha de fabricación también se pueden identificar con un código corto según IEC 60062. Ejemplos de marcado corto de la capacidad nominal (microfaradios):
La fecha de fabricación suele imprimirse de forma abreviada según las normas internacionales.
Código de año: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, "E" = 2014, "F" = 2015, etc. Código de mes: "1" a "9" = enero a septiembre, "O" = octubre, "N" = noviembre, "D" = diciembre "C5" es entonces "2012, mayo"
Los condensadores electrolíticos de tipo SMD con electrolito no sólido (chips verticales, chips V) tienen un semicírculo relleno de color o una barra negativa en el lado superior de la carcasa visible para indicar el lado del terminal negativo. Además, la placa aislante debajo del cuerpo del condensador utiliza dos bordes sesgados para indicar que el terminal negativo está en la posición complementaria.
Los condensadores electrolíticos radiales o de un solo extremo tienen una barra a lo largo del costado del condensador para indicar el terminal negativo. El cable del terminal negativo puede ser más corto que el cable del terminal positivo (similar a los LED ). Además, el terminal negativo puede tener una superficie moleteada estampada en la parte superior de la lengüeta de conexión.
Los condensadores electrolíticos axiales tienen una barra a lo largo o alrededor de la carcasa que apunta al extremo negativo para indicar el terminal negativo. El terminal positivo del condensador está en el costado del sellado. El cable del terminal negativo es más corto que el cable del terminal positivo.
En una placa de circuito impreso se acostumbra a indicar la orientación correcta mediante un orificio pasante cuadrado para el cable positivo y un orificio redondo para el negativo.
La estandarización de todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [72] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [73] [74]
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de ensayo para condensadores para uso en equipos electrónicos se establecen en la Especificación Genérica:
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes Especificaciones Seccionales:
Las aplicaciones típicas de los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son:
Ventajas:
Desventajas:
El mercado de condensadores electrolíticos de aluminio en 2010 fue de alrededor de 3.900 millones de dólares estadounidenses (aproximadamente 2.900 millones de euros), aproximadamente el 22% del valor del mercado total de condensadores de aproximadamente 18.000 millones de dólares estadounidenses (2008). En número de piezas, estos condensadores cubren aproximadamente el 6% del mercado total de condensadores de unos 70 a 80 mil millones de piezas. [75]
Debido a esta película, se dice que la lámina del cátodo tendrá una tensión de resistencia de aproximadamente 1 a 1,5 V a temperatura ambiente. Dado que esta película no es uniforme, sino inestable, y muestra dispersión en parte o para cada lote, no se ofrece garantía alguna sobre la tensión de resistencia del cátodo.
Si bien los condensadores pueden soportar la aplicación continua de un voltaje inverso de 1,5 V, si se excede ese valor, pueden dañarse por sobrecalentamiento, sobrepresión y ruptura dieléctrica.
