Un condensador electrolítico es un condensador polarizado cuyo ánodo o placa positiva está hecha de un metal que forma una capa de óxido aislante a través de la anodización . Esta capa de óxido actúa como dieléctrico del condensador. Un electrolito sólido, líquido o en gel cubre la superficie de esta capa de óxido, que sirve como cátodo o placa negativa del condensador. Debido a su capa de óxido dieléctrico muy delgada y a la superficie del ánodo agrandada, los condensadores electrolíticos tienen un producto de capacitancia - voltaje (CV) mucho mayor por unidad de volumen que los condensadores cerámicos o los condensadores de película , y por lo tanto pueden tener valores de capacitancia grandes. Hay tres familias de condensadores electrolíticos: condensadores electrolíticos de aluminio , condensadores electrolíticos de tantalio y condensadores electrolíticos de niobio .
La gran capacidad de los condensadores electrolíticos los hace especialmente adecuados para pasar o desviar señales de baja frecuencia y para almacenar grandes cantidades de energía. Se utilizan ampliamente para desacoplar o filtrar ruido en fuentes de alimentación y circuitos de enlace de CC para variadores de frecuencia , para acoplar señales entre etapas de amplificación y para almacenar energía como en una lámpara de destellos .
Los condensadores electrolíticos son componentes polarizados debido a su construcción asimétrica y deben funcionar con un potencial más alto (es decir, más positivo) en el ánodo que en el cátodo en todo momento. Por este motivo, la polaridad está marcada en la carcasa del dispositivo. La aplicación de un voltaje de polaridad inversa, o un voltaje que exceda el voltaje de trabajo nominal máximo de tan solo 1 o 1,5 voltios, puede dañar el dieléctrico y causar una falla catastrófica del propio condensador. La falla de los condensadores electrolíticos puede provocar una explosión o un incendio, lo que puede causar daños a otros componentes, así como lesiones. También se fabrican condensadores electrolíticos bipolares que pueden funcionar con cualquier polaridad, utilizando construcciones especiales con dos ánodos conectados en serie. Un condensador electrolítico bipolar se puede fabricar conectando dos condensadores electrolíticos normales en serie, ánodo con ánodo o cátodo con cátodo, junto con diodos .
En cuanto a los principios básicos de construcción de los condensadores electrolíticos, existen tres tipos diferentes: condensadores de aluminio, de tantalio y de niobio. Cada una de estas tres familias de condensadores utiliza electrolitos de dióxido de manganeso o polímeros sólidos y no sólidos, por lo que existe una gran variedad de combinaciones diferentes de material de ánodo y electrolitos sólidos o no sólidos.
Al igual que otros condensadores convencionales, los condensadores electrolíticos almacenan la energía eléctrica de forma estática mediante la separación de cargas en un campo eléctrico en la capa de óxido dieléctrico entre dos electrodos . El electrolito no sólido o sólido en principio es el cátodo, que forma así el segundo electrodo del condensador. Esto y el principio de almacenamiento los distinguen de los condensadores electroquímicos o supercondensadores , en los que el electrolito generalmente es la conexión conductora iónica entre dos electrodos y el almacenamiento se produce con capacitancia de doble capa estática y pseudocapacitancia electroquímica .
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, anteriormente llamados "metales de válvula", que al entrar en contacto con un electrolito en particular forman una capa de óxido aislante muy fina en su superficie mediante oxidación anódica que puede funcionar como dieléctrico. Existen tres metales de ánodo diferentes en uso para los condensadores electrolíticos:
Para aumentar su capacidad por unidad de volumen, todos los materiales de ánodo se graban o sinterizan y tienen una estructura de superficie rugosa con una superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa de la misma área o el mismo volumen. Al aplicar un voltaje positivo al material de ánodo mencionado anteriormente en un baño electrolítico se formará una capa de barrera de óxido con un espesor correspondiente al voltaje aplicado (formación). Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de estas capas de óxido se dan en la siguiente tabla:
Después de formar un óxido dieléctrico en la estructura rugosa del ánodo, un contraelectrodo tiene que adaptarse a la superficie rugosa del óxido aislante. Esto lo logra el electrolito, que actúa como electrodo de cátodo de un condensador electrolítico. Existen muchos electrolitos diferentes en uso. Generalmente se distinguen en dos especies, electrolitos "no sólidos" y "sólidos". Como medio líquido que tiene conductividad iónica causada por iones en movimiento, los electrolitos no sólidos pueden adaptarse fácilmente a las estructuras rugosas. Los electrolitos sólidos que tienen conductividad electrónica pueden adaptarse a las estructuras rugosas con la ayuda de procesos químicos especiales como la pirólisis para el dióxido de manganeso o la polimerización para polímeros conductores .
Comparando las permitividades de los diferentes materiales de óxido se observa que el pentóxido de tantalio tiene una permitividad aproximadamente tres veces mayor que el óxido de aluminio. Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de tantalio con un valor de CV determinado son teóricamente más pequeños que los condensadores electrolíticos de aluminio. En la práctica, los diferentes márgenes de seguridad para alcanzar componentes confiables dificultan la comparación.
La capa de óxido aislante generada anódicamente se destruye si cambia la polaridad del voltaje aplicado.
Los condensadores electrolíticos se basan en el principio de un "condensador de placas" cuya capacitancia aumenta con un área de electrodo mayor A, una permitividad dieléctrica más alta ε y un mayor delgadez del dieléctrico (d).
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy pequeño, del orden de los nanómetros por voltio. Por otra parte, la resistencia a la tensión de estas capas de óxido es bastante alta. Con esta capa de óxido dieléctrico muy fina combinada con una rigidez dieléctrica suficientemente alta, los condensadores electrolíticos pueden alcanzar una alta capacidad volumétrica. Esta es una de las razones de los altos valores de capacidad de los condensadores electrolíticos en comparación con los condensadores convencionales.
Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa de la misma área o el mismo volumen. Esto aumenta el valor de la capacitancia, dependiendo de la tensión nominal, en un factor de hasta 200 para los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos, así como para los condensadores electrolíticos de tantalio sólidos. [5] [6] [7] La gran superficie en comparación con una lisa es la segunda razón de los valores de capacitancia relativamente altos de los condensadores electrolíticos en comparación con otras familias de condensadores.
Debido a que el voltaje de formación define el espesor de la capa de óxido, el voltaje nominal deseado se puede producir de manera muy sencilla. Los capacitores electrolíticos tienen una alta eficiencia volumétrica , el llamado "producto CV", definido como el producto de la capacitancia y el voltaje dividido por el volumen.
Las combinaciones de materiales de ánodo para condensadores electrolíticos y los electrolitos utilizados han dado lugar a una amplia variedad de tipos de condensadores con diferentes propiedades. En la siguiente tabla se muestra un resumen de las principales características de los diferentes tipos.
Los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos, o denominados "húmedos", eran y son los más económicos de todos los condensadores convencionales. No sólo ofrecen las soluciones más económicas para valores de capacitancia o tensión elevados para fines de desacoplamiento y amortiguación, sino que también son insensibles a cargas y descargas de baja resistencia óhmica, así como a transitorios de baja energía. Los condensadores electrolíticos no sólidos se pueden encontrar en casi todas las áreas de los dispositivos electrónicos, con la excepción de las aplicaciones militares.
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido como condensadores de chip para montaje en superficie se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos en los que se dispone de poco espacio o se requiere un perfil bajo. Funcionan de forma fiable en un amplio rango de temperaturas sin grandes desviaciones de parámetros. En aplicaciones militares y espaciales, solo los condensadores electrolíticos de tantalio cuentan con las homologaciones necesarias.
Los condensadores electrolíticos de niobio compiten directamente con los condensadores electrolíticos de tantalio industriales porque el niobio está más disponible y sus propiedades son comparables.
Las propiedades eléctricas de los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio se han mejorado enormemente gracias al electrolito de polímero.
Para comparar las diferentes características de los distintos tipos de condensadores electrolíticos, en la siguiente tabla se comparan condensadores con las mismas dimensiones y de similar capacidad y tensión. En dicha comparación, los valores de ESR y de carga de corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores electrolíticos en equipos electrónicos modernos. Cuanto menor sea el ESR, mayor será la corriente de rizado por volumen y mejor será la funcionalidad del condensador en el circuito. Sin embargo, mejores parámetros eléctricos conllevan precios más altos.
1 ) Fabricante, nombre de la serie, capacitancia/voltaje
2 ) calculado para un condensador de 100 μF/10 V,
3 ) de una hoja de datos de 1976
Los condensadores electrolíticos de aluminio constituyen la mayor parte de los condensadores electrolíticos utilizados en electrónica debido a la gran diversidad de tamaños y a su bajo coste de producción. Los condensadores electrolíticos de tántalo, que se utilizan habitualmente en versión SMD (dispositivo de montaje superficial), tienen una capacidad específica superior a la de los condensadores electrolíticos de aluminio y se utilizan en dispositivos con espacio limitado o diseño plano, como los ordenadores portátiles. También se utilizan en tecnología militar, sobre todo en estilo axial, sellados herméticamente. Los condensadores electrolíticos de chip de niobio son un nuevo desarrollo en el mercado y están pensados como sustitutos de los condensadores electrolíticos de chip de tántalo.
El fenómeno de que en un proceso electroquímico, el aluminio y metales como el tántalo , niobio , manganeso , titanio , zinc , cadmio , etc., pueden formar una capa de óxido que bloquea el flujo de corriente eléctrica en una dirección pero permite que la corriente fluya en la dirección opuesta, fue observado por primera vez en 1857 por el físico y químico alemán Johann Heinrich Buff (1805-1878). [8] Fue utilizado por primera vez en 1875 por el investigador y fundador francés Eugène Ducretet , [9] quien acuñó el término "metal de válvula" para dichos metales.
Charles Pollak (nacido 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, presentó una patente para un "condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio" (en alemán: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) basada en su idea de utilizar la capa de óxido en un condensador polarizado en combinación con un electrolito neutro o ligeramente alcalino. [10] [11]
Los primeros condensadores electrolíticos fabricados industrialmente consistían en una caja metálica que se utilizaba como cátodo y que se llenaba con un electrolito de bórax disuelto en agua, en el que se insertaba una placa anódica de aluminio plegada. Aplicando una tensión continua desde el exterior, se formaba una capa de óxido en 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 relación con el valor de capacidad obtenido. Esta construcción con diferentes estilos de construcción del ánodo pero con una caja como cátodo y contenedor para el electrolito se utilizó hasta la década de 1930 y se denominó condensador electrolítico "húmedo", en el sentido de que tenía un alto contenido de agua.
La primera aplicación más 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, [12] [13] 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 combinado con 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. [14]
Con la invención de Rubens, junto con la invención de láminas enrolladas separadas con un espaciador de papel en 1927 por A. Eckel de Hydra-Werke (Alemania), [15] comenzó el desarrollo real de los condensadores electrolíticos. [14]
William Dubilier , cuya primera patente para condensadores electrolíticos se presentó en 1928, [16] industrializó las nuevas ideas para condensadores electrolíticos y comenzó la primera producción comercial a gran escala en 1931 en la fábrica Cornell-Dubilier (CD) en Plainfield, Nueva Jersey. [14] Al mismo tiempo, en Berlín, Alemania, la "Hydra-Werke", una empresa de AEG , comenzó la producción de condensadores electrolíticos en grandes cantidades. Otro fabricante, Ralph D. Mershon , tuvo éxito en atender la demanda del mercado de radio de condensadores electrolíticos. [17]
En su patente de 1896, Pollak ya reconoció que la capacidad del condensador aumenta al hacer rugosa la superficie de la lámina del ánodo. Hoy (2014), las láminas de bajo voltaje grabadas electroquímicamente pueden lograr un aumento de hasta 200 veces en el área de superficie en comparación con una superficie lisa. [5] [6] Los avances en el proceso de grabado son la razón de las reducciones de dimensión en los condensadores electrolíticos de aluminio en las últimas décadas.
En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio, las décadas de 1970 a 1990 se caracterizaron por el desarrollo de nuevas series profesionales especialmente adaptadas a determinadas aplicaciones industriales, por ejemplo, con corrientes de fuga muy bajas o con características de larga duración o para temperaturas más elevadas de hasta 125 °C. [18] [19]
Uno de los primeros condensadores electrolíticos de tantalio fue desarrollado en 1930 por Tansitor Electronic Inc. EE. UU., para fines militares. [20] Se adoptó la construcción básica de una celda enrollada y se utilizó una lámina de ánodo de tantalio junto con una lámina de cátodo de tantalio, separadas con un espaciador de papel impregnado con un electrolito líquido, principalmente ácido sulfúrico , y encapsuladas en una caja de plata.
El desarrollo de los condensadores de tantalio con electrolito sólido comenzó algunos años después de que William Shockley , John Bardeen y Walter Houser Brattain inventaran el transistor en 1947. Fue inventado por Bell Laboratories a principios de la década de 1950 como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su transistor recién inventado. La solución encontrada por RL Taylor y HE Haring en Bell Labs a principios de 1950 se basó en la experiencia con cerámica. Molieron tantalio hasta convertirlo en polvo, que prensaron en una forma cilíndrica y luego sinterizaron a una temperatura alta entre 1500 y 2000 °C en condiciones de vacío, para producir un pellet ("slug"). [21] [22]
Estos primeros condensadores de tantalio sinterizado utilizaban un electrolito no sólido, que no se ajustaba al concepto de electrónica sólida. En 1952, una búsqueda específica en Bell Labs por parte de DA McLean y FS Power de un electrolito sólido condujo a la invención del dióxido de manganeso como electrolito sólido para un condensador de tantalio sinterizado. [23]
Aunque las invenciones fundamentales vinieron de Bell Labs, las invenciones para fabricar condensadores electrolíticos de tantalio comercialmente viables vinieron de investigadores de la Sprague Electric Company . Preston Robinson, Director de Investigación de Sprague, es considerado el inventor real de los condensadores de tantalio en 1954. [24] [25] Su invención fue apoyada por RJ Millard, quien introdujo el paso de "reforma" en 1955, [26] [27] una mejora significativa en la que el dieléctrico del condensador se reparaba después de cada ciclo de inmersión y conversión de deposición de MnO 2 , lo que redujo drásticamente la corriente de fuga de los condensadores terminados.
Aunque los condensadores de tantalio sólido ofrecían condensadores con valores de ESR y corriente de fuga más bajos que los condensadores electrolíticos de aluminio, un shock de precios del tantalio en 1980 redujo drásticamente las aplicaciones de los condensadores electrolíticos de tantalio, especialmente en la industria del entretenimiento. [28] [29] La industria volvió a utilizar condensadores electrolíticos de aluminio.
El primer electrolito sólido de dióxido de manganeso desarrollado en 1952 para los condensadores de tantalio tenía una conductividad diez 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, los condensadores electrolíticos SAL , desarrollados por Philips . [30]
Con el inicio de la digitalización, Intel lanzó su primer microordenador, el MCS 4, en 1971. En 1972 Hewlett Packard lanzó una de las primeras calculadoras de bolsillo, la HP 35. [31] [32] Los requisitos para los condensadores aumentaron en términos de reducción de la resistencia en serie equivalente (ESR) para los condensadores de derivación y desacoplamiento. [33]
No fue hasta 1983 cuando Sanyo dio un nuevo paso hacia la reducción de la ESR con sus condensadores electrolíticos de aluminio " OS-CON ". Estos condensadores utilizaban un conductor orgánico sólido, la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ ( tetracianoquinodimetano ), que proporcionaba una mejora de la conductividad de un factor de 10 en comparación con el electrolito de dióxido de manganeso. [34] [35] [36]
El siguiente paso en la reducción de ESR fue el desarrollo de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa en 1975. [37] La conductividad de los polímeros conductores como el polipirrol (PPy) [38] o PEDOT [39] es mejor que la del TCNQ en un factor de 100 a 500, y cercana a la conductividad de los metales.
En 1991, Panasonic lanzó su serie "SP-Cap", [40] de condensadores electrolíticos de aluminio y polímero . Estos condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos de polímero alcanzaban valores de ESR muy bajos, directamente comparables a los condensadores multicapa cerámicos (MLCC). Eran aún menos costosos que los condensadores de tantalio y, con su diseño plano para ordenadores portátiles y teléfonos móviles, competían también con los condensadores de chip de tantalio.
Tres años más tarde aparecieron los condensadores electrolíticos de tantalio con cátodo de electrolito de polímero PPy. En 1993, NEC presentó sus condensadores electrolíticos de tantalio de polímero SMD, denominados "NeoCap". En 1997, Sanyo siguió con los chips de tantalio de polímero "POSCAP".
En la conferencia "1999 Carts" de Kemet se presentó un nuevo polímero conductor para los condensadores de polímero de tantalio. [41] Este condensador utilizaba el polímero conductor orgánico recientemente desarrollado PEDT Poly(3,4-etilendioxitiofeno), también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron®) [42].
Otra explosión de precios del tantalio en 2000/2001 obligó al desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con electrolito de dióxido de manganeso, que han estado disponibles desde 2002. [43] [44] El niobio es un metal hermano del tantalio y sirve como metal de válvula que genera una capa de óxido durante la oxidación anódica. El niobio como materia prima es mucho más abundante en la naturaleza que el tantalio y es menos costoso. Fue una cuestión de disponibilidad del metal base a fines de la década de 1960 lo que llevó al desarrollo e implementación de condensadores electrolíticos de niobio en la ex Unión Soviética en lugar de condensadores de tantalio como en Occidente. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que para los condensadores dieléctricos de tantalio existentes. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y los condensadores electrolíticos de tantalio son aproximadamente comparables. [45]
Con el objetivo de reducir la ESR de los condensadores electrolíticos no sólidos de bajo coste, a mediados de los años 1980 en Japón se desarrollaron nuevos electrolitos a base de agua para condensadores electrolíticos de aluminio. El agua es barata, un disolvente 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 los años 1990. [46] La nueva serie de condensadores electrolíticos no sólidos con electrolito a base de agua se describía en las hojas de datos como de "baja ESR", "baja impedancia", "impedancia ultrabaja" o "alta corriente de rizado".
Desde 1999 hasta al menos 2010, una receta robada para un electrolito a base de agua, en la que faltaban estabilizadores importantes [47] [48] , [49] condujo al problema generalizado de los "condensadores defectuosos" (condensadores electrolíticos defectuosos), que tenían fugas o, en ocasiones, estallaban en computadoras, fuentes de alimentación y otros equipos electrónicos, lo que se conoció como la " plaga de los condensadores ". En estos condensadores electrolíticos, el agua reacciona de manera bastante agresiva con el aluminio, acompañado de un fuerte desarrollo de calor y gas en el condensador, lo que resulta en un fallo prematuro del equipo y el desarrollo de una industria de reparación casera .
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:
Las características eléctricas de los condensadores electrolíticos dependen de la estructura del ánodo y del electrolito utilizado. Esto influye en el valor de la capacidad de los condensadores electrolíticos, que depende de la frecuencia de medición y de la temperatura. Los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos muestran una aberración más amplia en los rangos de frecuencia y temperatura que los condensadores con electrolitos sólidos.
La unidad básica de la capacidad de un condensador electrolítico es el microfaradio (μF). 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.
La condición de medición estandarizada para los condensadores electrolíticos es un método de medición de CA con 0,5 V a una frecuencia de 100/120 Hz a una temperatura de 20 °C. Para los condensadores de tantalio, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5 V para los tipos con una tensión nominal ≤2,5 V, o de 2,1 a 2,5 V para los tipos con una tensión nominal >2,5 V, durante la medición para evitar la tensión inversa.
El valor de capacitancia medido a la frecuencia de 1 kHz es aproximadamente un 10% menor que el valor de 100/120 Hz. Por lo tanto, los valores de capacitancia de los capacitores electrolíticos no son directamente comparables y difieren de los de los capacitores de película o capacitores cerámicos , cuya capacitancia se mide a 1 kHz o más.
Medido con un método de medición de CA a 100/120 Hz, el valor de capacitancia es el valor más cercano a la carga eléctrica almacenada en los condensadores electrónicos. 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 a 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 filtrado y derivación , no necesitan tolerancias estrechas porque, en su mayoría, no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisa, como en osciladores .
En referencia a la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores electrolíticos se denomina "tensión nominal U R " o "tensión nominal U N ". La tensión nominal U R 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 T R .
La resistencia a la tensión de los condensadores electrolíticos disminuye con el aumento de la temperatura. Para algunas aplicaciones, es importante utilizar un rango de temperatura más 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 "tensión de temperatura reducida" para una temperatura más alta, la "tensión de categoría U C ". La tensión de categoría es la tensión de CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de la categoría T C . La relación entre las tensiones y las temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos.
La aplicación de un voltaje más bajo puede tener una influencia positiva en los condensadores electrolíticos. En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio, un voltaje aplicado más bajo puede, en algunos casos, prolongar la vida útil. [5] En el caso de los condensadores electrolíticos de tantalio, reducir el voltaje aplicado aumenta la fiabilidad y reduce la tasa de fallos esperada. [50 ]
La sobretensión indica el valor máximo de tensión de pico que se puede aplicar a los condensadores electrolíticos durante su funcionamiento durante un número limitado de ciclos. [5] La sobretensión está normalizada en la norma IEC/EN 60384-1. Para los condensadores electrolíticos de aluminio con una tensión nominal de hasta 315 V, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal, y para los condensadores con una tensión nominal superior a 315 V, la sobretensión es 1,10 veces la tensión nominal.
En el caso de los condensadores electrolíticos de tantalio, la sobretensión puede ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más próximo. La sobretensión aplicada a los condensadores de tantalio puede influir en la tasa de fallos del condensador. [51] [52]
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 un diodo Zener . [53] No es posible una especificación inequívoca y general de los voltajes transitorios o picos tolerables. En todos los casos en que surgen transitorios, la solicitud debe aprobarse con mucho cuidado.
Los condensadores electrolíticos con óxido de manganeso sólido o electrolito de polímero, así como los condensadores electrolíticos de aluminio y de tantalio, no pueden soportar transitorios o picos de tensión superiores a la sobretensión. Los transitorios pueden destruir este tipo de condensadores electrolíticos. [51] [52]
Los condensadores electrolíticos estándar, así como los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio, están polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa durante un número limitado de ciclos. En concreto, los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido pueden soportar una tensión inversa de aproximadamente 1 V a 1,5 V. Esta tensión inversa nunca debe utilizarse para determinar la tensión inversa máxima por debajo de la cual un condensador puede utilizarse de forma permanente. [54] [55] [56]
Los condensadores de tantalio sólido también pueden soportar tensiones inversas durante períodos cortos. Las pautas más comunes para la tensión inversa del tantalio son:
Estas pautas se aplican para excursiones cortas y nunca deben utilizarse para determinar el voltaje inverso máximo bajo el cual se puede usar un capacitor de forma permanente. [57] [58]
Pero en ningún caso, tanto para los condensadores electrolíticos de aluminio como de tantalio y niobio, se puede utilizar una tensión inversa para una aplicación de CA permanente.
Para minimizar la probabilidad de que un electrolítico polarizado se inserte incorrectamente en un circuito, la polaridad debe estar indicada muy claramente en la carcasa; consulte la sección sobre marcado de polaridad a continuación.
Existen condensadores electrolíticos bipolares de aluminio especiales diseñados para el funcionamiento bipolar, que suelen denominarse de tipo "no polarizado" o "bipolar". En estos casos, los condensadores tienen dos láminas de ánodo con capas de óxido de espesor completo conectadas en polaridad inversa. En las mitades alternas de los ciclos de CA, uno de los óxidos de la lámina actúa como dieléctrico de bloqueo, evitando que la corriente inversa dañe el electrolito del otro. Sin embargo, estos condensadores electrolíticos bipolares no son adecuados para aplicaciones de CA principales en lugar de condensadores de potencia con película de polímero metalizado o dieléctrico de papel.
En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica, pero esta es solo una de las aplicaciones de los condensadores. Un condensador también puede actuar como una resistencia de CA. Los condensadores electrolíticos de aluminio, en particular, se utilizan a menudo como condensadores de desacoplamiento para filtrar o desviar frecuencias de CA 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 impedancia ( resistencia de CA ) es tan importante como el valor de la capacitancia.
La impedancia Z es la suma vectorial de la reactancia y la resistencia ; describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre la tensión que varía sinusoidalmente y la corriente que varía sinusoidalmente a una frecuencia dada. En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del condensador para pasar corrientes alternas y se puede utilizar 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 condensadores electrolíticos solo se especifica la magnitud de impedancia |Z| y se escribe simplemente como "Z". De acuerdo con la norma IEC/EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos se miden y especifican a 10 kHz o 100 kHz, dependiendo de la capacidad y la tensión del condensador.
Además de medir, la impedancia se puede calcular utilizando los componentes idealizados de un circuito equivalente en serie de un capacitor, que incluye un capacitor ideal C , una resistencia ESR y una inductancia ESL . En este caso, la impedancia en la frecuencia angular ω se da por la adición geométrica (compleja) de ESR , por una reactancia capacitiva X C
y por una reactancia inductiva X L ( Inductancia )
.
Entonces Z viene dado por
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas X C y X L tienen el mismo valor ( X C = X L ), la impedancia solo estará determinada por la ESR . Con frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido a la ESL del capacitor. El capacitor se convierte en un inductor.
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. [59]
En el caso de los condensadores electrolíticos, la ESR generalmente disminuye con el aumento de la frecuencia y la temperatura. [60]
La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta después del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. Dentro del capacitor, la ESR es responsable de la generación de calor interno si fluye una corriente de ondulación a través del capacitor. Este calor interno reduce la vida útil de los capacitores electrolíticos de aluminio no sólido y afecta la confiabilidad de los capacitores electrolíticos de tantalio sólido.
En el caso de los condensadores electrolíticos, por razones históricas, en la hoja de datos se especifica a veces el factor de disipación tan δ en lugar del ESR . El factor de disipación se determina por la tangente del ángulo de fase entre la reactancia capacitiva X C menos la reactancia inductiva X L y el ESR . Si la inductancia ESL es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
El factor de disipación se utiliza para condensadores con pérdidas muy bajas en circuitos de determinación de frecuencia, donde el valor recíproco del factor de disipación se denomina factor de calidad (Q), que representa el ancho de banda de un resonador .
La "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 dentro del rango de temperatura especificado. Surge principalmente 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 a través de cualquier condensador de desacoplamiento y suavizado.
Las corrientes de ondulación generan calor dentro del cuerpo del capacitor. Esta pérdida de potencia de disipación P L es causada por la ESR y es el valor al cuadrado de la corriente de ondulación efectiva (RMS) I R .
Este calor generado internamente, sumado a la temperatura ambiente y posiblemente a otras fuentes de calor externas, hace que la temperatura del cuerpo del condensador tenga una diferencia de temperatura de Δ T con respecto a la temperatura ambiente. Este calor debe distribuirse en forma de pérdidas térmicas P th sobre la superficie A del condensador y la resistencia térmica β con respecto a la temperatura ambiente.
El calor generado internamente debe distribuirse al ambiente por radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del condensador, que es la diferencia neta entre el calor producido y el calor disipado, no debe superar la temperatura máxima especificada del condensador.
La corriente de ondulación se especifica como un valor eficaz (RMS) a 100 o 120 Hz o a 10 kHz a 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. [61]
En los condensadores electrolíticos no sólidos, el calor generado por la corriente de ondulación provoca la evaporación de los electrolitos, acortando la vida útil de los condensadores. [62] [63] [64] [65] [66] Exceder el límite tiende a provocar una falla explosiva.
En los condensadores electrolíticos de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso, el calor generado por la corriente de ondulación afecta la confiabilidad de los condensadores. [67] [68] [69] [70] Exceder el límite tiende a resultar en una falla catastrófica, falla por cortocircuito, con quemaduras visibles.
El calor generado por la corriente de ondulación también afecta la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolitos de polímero sólido. [71] Exceder el límite tiende a provocar una falla catastrófica y un cortocircuito.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta la tensión nominal sin ninguna limitación de picos, impulsos o sobretensiones de corriente. 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 de 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.
Los condensadores electrolíticos de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso o electrolito de polímero se dañan por corrientes pico o de pulso. [51] [52] Los condensadores de tantalio sólido que están expuestos a corrientes de sobretensión, pico o pulso, por ejemplo, en circuitos altamente inductivos, deben usarse con una reducción de potencia de voltaje. Si es posible, el perfil de voltaje debe ser una activación en rampa, ya que esto reduce la corriente pico experimentada por el condensador.
En el caso de los condensadores electrolíticos, la corriente de fuga continua (DCL) es una característica especial que no tienen otros condensadores convencionales. Esta corriente está representada por la resistencia R de fuga en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos.
Las causas de la corriente de fuga son diferentes en los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido y en los condensadores electrolíticos con electrolito sólido, o más comunes en el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio "húmedo" y de los condensadores electrolíticos de tántalo "sólido" con electrolito de dióxido de manganeso, así como en el caso de los condensadores electrolíticos con electrolito de polímero. En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólido, la corriente de fuga incluye todas las imperfecciones debilitadas del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados que tienen lugar durante el tiempo sin tensión aplicada (tiempo de almacenamiento) entre los ciclos de funcionamiento. Estos procesos químicos no deseados dependen del tipo de electrolito. Los electrolitos a base de agua son más agresivos para la capa de óxido de aluminio que los electrolitos a base de líquidos orgánicos. Por eso, las distintas series de condensadores electrolíticos especifican diferentes tiempos de almacenamiento sin reformado. [72]
La aplicación de un voltaje positivo a un capacitor "húmedo" provoca un proceso de reformado (autorreparación) que repara todas las capas dieléctricas debilitadas y la corriente de fuga permanece en un nivel bajo. [73]
Aunque la corriente de fuga de los condensadores electrolíticos no sólidos es mayor que el flujo de corriente a través del dieléctrico en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos con electrolitos orgánicos tarda varias semanas.
Las principales causas de DCL para los condensadores de tantalio sólido incluyen la ruptura eléctrica del dieléctrico; caminos conductores debido a impurezas o anodización deficiente; y derivación del dieléctrico debido al exceso de dióxido de manganeso, a caminos de humedad o a conductores de cátodo (carbono, plata). [74] Esta corriente de fuga "normal" en los condensadores de electrolito sólido no se puede reducir mediante "curación", porque en condiciones normales los electrolitos sólidos no pueden proporcionar oxígeno para los procesos de formación. Esta afirmación no debe confundirse con el proceso de autocuración durante la cristalización de campo, consulte a continuación, Confiabilidad (tasa de falla).
La especificación de la corriente de fuga en las hojas de datos a menudo se da como la multiplicación del valor de capacitancia nominal CR por el valor de la tensión nominal U R junto con una cifra adicional, medida después de un tiempo de medición de dos o cinco minutos, por ejemplo:
El valor de la corriente de fuga depende de la tensión aplicada, de la temperatura del condensador y del tiempo de medición. La corriente de fuga en los condensadores electrolíticos de tantalio MnO2 sólidos generalmente disminuye mucho más rápido que en los condensadores electrolíticos no sólidos, pero se mantiene en el nivel alcanzado.
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 donde se utilizan corrientes muy pequeñas en la función de un circuito electrónico, como integradores de constante de tiempo larga o circuitos de muestreo y retención . [78] En la mayoría de las aplicaciones de condensadores electrolíticos que admiten líneas de suministro de energía, la absorción dieléctrica no es un problema.
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 de seguridad para el personal o 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 utilizarlos. [79]
La confiabilidad de un componente es una propiedad que indica la fiabilidad con la que este componente realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeta a un proceso estocástico y se puede describir de forma cualitativa y cuantitativa; no es directamente medible. La confiabilidad de los condensadores electrolíticos se determina empíricamente identificando la tasa de fallos en la producción que acompaña a las pruebas de resistencia , véase Ingeniería de confiabilidad .
La confiabilidad normalmente se muestra como una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallas tempranas o fallas de mortalidad infantil, fallas aleatorias constantes y fallas por desgaste. Las fallas totalizadas en una tasa de fallas son fallas de cortocircuito, circuito abierto y degradación (exceso de parámetros eléctricos).
La predicción de la fiabilidad se expresa generalmente en una tasa de fallos λ, abreviada como FIT ( Fallos en el tiempo ). Se trata del número de fallos que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) de horas de funcionamiento de los componentes (por ejemplo, 1000 componentes durante 1 millón de horas, o 1 millón de componentes durante 1000 horas, lo que equivale a 1 ppm/1000 horas) en condiciones de trabajo fijas durante el período de fallos aleatorios constantes. Este modelo de tasa de fallos supone implícitamente la idea de "fallo aleatorio". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios, pero a una tasa predecible.
Se necesitarían miles de millones de horas-unidad de condensadores probados para establecer tasas de fallos en el rango de niveles muy bajos que se requieren hoy en día para garantizar la producción de grandes cantidades de componentes sin fallos. Esto requiere alrededor de un millón de unidades durante un largo período de tiempo, lo que significa una gran cantidad de personal y una financiación considerable. [80] Las tasas de fallos probadas a menudo se complementan con cifras resultantes de la retroalimentación de campo de los principales clientes (tasa de fallos de campo), lo que generalmente da como resultado una tasa de fallos inferior a la probada.
El valor recíproco de FIT es el tiempo medio entre fallos (MTBF).
Las condiciones de funcionamiento estándar para las pruebas 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 convertir con factores de aceleración estandarizados para aplicaciones industriales [81] o militares [82] . Cuanto mayor sea la temperatura y el voltaje aplicado, mayor será la tasa de fallas, por ejemplo.
La fuente más citada para la conversión de la tasa de fallas es MIL-HDBK-217F, la “biblia” de los cálculos de la tasa de fallas para componentes electrónicos. SQC Online, la calculadora estadística en línea para muestreo de aceptación y control de calidad, proporciona una herramienta en línea para un examen breve para calcular valores de tasa de fallas dados para condiciones de aplicación dadas. [83]
Algunos fabricantes pueden tener sus propias tablas de cálculo FIT para condensadores de tantalio. [84] [85] o para condensadores de aluminio [86]
En el caso de los condensadores de tantalio, la tasa de fallos se especifica a menudo a 85 °C y con la tensión nominal U R como condiciones de referencia y se expresa como porcentaje de componentes averiados por cada mil horas (n %/1000 h). Es decir, “n” número de componentes averiados cada 10 5 horas, o en FIT el valor multiplicado por diez mil cada 10 9 horas.
Los condensadores de tantalio son ahora componentes muy fiables. La mejora continua en las tecnologías de condensadores y polvo de tantalio ha dado como resultado una reducción significativa en la cantidad de impurezas que anteriormente causaban la mayoría de los fallos de cristalización en campo. Los condensadores de tantalio producidos industrialmente disponibles comercialmente han alcanzado ahora como productos estándar el alto nivel estándar MIL "C", que es 0,01 %/1000 h a 85 °C y U R o 1 fallo cada 10 7 horas a 85 °C y U R . [87] Convertido a FIT con los factores de aceleración provenientes de MIL HDKB 217F a 40 °C y 0,5 , U R es la tasa de fallo. Para un condensador de chip de tantalio de 100 μF/25 V utilizado con una resistencia en serie de 0,1 Ω la tasa de fallo es 0,02 FIT.
Los condensadores electrolíticos de aluminio no utilizan una especificación en "% por 1000 h a 85 °C y U R ". Utilizan la especificación FIT con 40 °C y 0,5 U R como condiciones de referencia. Los condensadores electrolíticos de aluminio son componentes muy fiables. Las cifras publicadas muestran para los tipos de baja tensión (6,3…160 V) tasas FIT en el rango de 1 a 20 FIT [88] y para los tipos de alta tensión (>160…550 V) tasas FIT en el rango de 20 a 200 FIT. [86] Las tasas de fallo de campo para los condensadores de aluminio están en el rango de 0,5 a 20 FIT. [86] [88] [89]
Las cifras publicadas muestran que tanto los condensadores de tantalio como los de aluminio son componentes fiables, comparables con otros componentes electrónicos y que consiguen un funcionamiento seguro durante décadas en condiciones normales. Pero existe una gran diferencia en el caso de los fallos por desgaste . Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido tienen un periodo limitado de fallos aleatorios constantes hasta el momento en que comienzan los fallos por desgaste. El periodo de tasa de fallos aleatorios constantes corresponde a la vida útil o vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio “húmedos”.
La vida útil , vida útil , vida de carga o vida útil de los condensadores electrolíticos es una característica especial de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólido, cuyo electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo. La reducción del nivel de electrolito afecta a los parámetros eléctricos de los condensadores. La capacitancia disminuye y la impedancia y la ESR aumentan con la disminución de las cantidades de electrolito. Este secado muy lento del electrolito depende de la temperatura, la carga de corriente de rizado aplicada y el voltaje aplicado. Cuanto más bajos sean estos parámetros en comparación con sus valores máximos, más larga será la "vida" del condensador. El punto de "fin de vida" se define por la aparición de fallas por desgaste o fallas por degradación cuando la capacitancia, la impedancia, la ESR o la corriente de fuga exceden sus límites de cambio especificados.
La duración de vida es una especificación de un conjunto de condensadores probados y ofrece una expectativa del comportamiento de tipos similares. Esta definición de duración de vida corresponde al tiempo de la tasa de falla aleatoria constante en la curva de la bañera.
Pero incluso después de superar los límites especificados y de que los condensadores hayan alcanzado su “fin de vida útil”, el circuito electrónico no corre peligro inmediato; solo se reduce la funcionalidad de los condensadores. 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.
La vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos se especifica en términos de "horas por temperatura", como "2000 h/105 °C". Con esta especificación, la vida útil en condiciones operativas se puede estimar mediante fórmulas especiales o gráficos especificados en las hojas de datos de fabricantes serios. Utilizan diferentes formas de especificación, algunos dan fórmulas especiales, [90] [91] otros especifican su cálculo de vida útil de e-caps con gráficos que consideran la influencia del voltaje aplicado. [88] [92] [93] [94] El principio básico para calcular el tiempo en condiciones operativas es la llamada "regla de los 10 grados". [95] [96] [97]
Esta regla, también conocida como regla de Arrhenius , caracteriza el cambio de la velocidad de reacción térmica. Por cada 10 °C de reducción de temperatura, la evaporación se reduce a la mitad. Esto significa que por cada 10 °C de reducción de temperatura, 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" como 128.000 horas, es decir, aproximadamente 15 años, utilizando la regla de los 10 grados.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos de polímero sólido y los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio también tienen una especificación de vida útil. El electrolito de polímero exhibe un pequeño deterioro de la conductividad causado por la degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metal granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos de polímero conductor. [98] La vida útil de los condensadores electrolíticos de polímero se especifica en términos similares a los de los condensadores electrolíticos no sólidos, pero su cálculo de vida útil sigue otras reglas, lo que conduce a vidas útiles operativas mucho más largas. [99] [100] [101]
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido de dióxido de manganeso no sufren desgaste, por lo que no tienen una especificación de vida útil en el sentido de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos. Además, los condensadores de tantalio con electrolito no sólido, los "tántalos húmedos", no tienen una especificación de vida útil porque están sellados herméticamente.
Los distintos tipos de condensadores electrolíticos presentan distintos comportamientos eléctricos a largo plazo, modos de fallo intrínsecos y mecanismos de autorreparación. Se especifican reglas de aplicación para los tipos con un modo de fallo intrínseco para garantizar condensadores de alta fiabilidad y larga vida útil.
Todos los condensadores electrolíticos se "envejecen" durante la fabricación mediante la aplicación de la tensión nominal a alta temperatura durante un tiempo suficiente para reparar todas las grietas y debilidades que puedan haberse producido durante la producción. Sin embargo, puede surgir un problema particular con los modelos de aluminio no sólido después del almacenamiento o de períodos sin alimentación. Los procesos químicos (corrosión) pueden debilitar la capa de óxido, lo que puede provocar una mayor corriente de fuga. La mayoría de los sistemas electrolíticos modernos son químicamente inertes y no presentan problemas de corrosión, incluso después de períodos de almacenamiento de dos años o más. Los condensadores electrolíticos no sólidos que utilizan disolventes orgánicos como GBL como electrolito no tienen problemas de alta corriente de fuga después de un almacenamiento prolongado. [73] Pueden almacenarse hasta 10 años sin problemas [61]
Los tiempos de almacenamiento se pueden comprobar mediante pruebas de vida útil acelerada, que requieren un almacenamiento sin tensión aplicada a la temperatura de categoría superior durante un período determinado, normalmente 1000 horas. Esta prueba de vida útil es un buen indicador de la estabilidad química y de la capa de óxido, porque todas las reacciones químicas se aceleran con temperaturas más altas. Casi todas las series comerciales de condensadores electrolíticos no sólidos cumplen con la prueba de vida útil de 1000 horas. Sin embargo, muchas series están especificadas solo para dos años de almacenamiento. Esto también garantiza la soldabilidad de los terminales.
En el caso de equipos de radio antiguos o de condensadores electrolíticos fabricados en la década de 1970 o antes, puede ser adecuado un "preacondicionamiento". Esto se realiza aplicando el voltaje nominal al condensador a través de una resistencia en serie de aproximadamente 1 kΩ durante una hora, lo que permite que la capa de óxido se repare a sí misma mediante la autorreparación. Los condensadores que no cumplen los requisitos de corriente de fuga después del preacondicionamiento pueden haber sufrido daños mecánicos. [94]
Los condensadores electrolíticos con electrolitos sólidos no tienen requisitos de preacondicionamiento.
Los condensadores electrolíticos pueden explotar debido a varias razones, principalmente relacionadas con la acumulación de presión interna y problemas con el electrolito:
Símbolos de condensadores electrolíticos
Si un condensador individual dentro de un banco de condensadores en paralelo desarrolla un cortocircuito, toda la energía del banco de condensadores se descarga a través de ese cortocircuito. Por lo tanto, los condensadores grandes, en particular los de alto voltaje, deben protegerse individualmente contra descargas repentinas.
En aplicaciones donde se necesitan voltajes de resistencia elevados, los capacitores electrolíticos se pueden conectar en serie. Debido a la variación individual en la resistencia de aislamiento y, por lo tanto, la corriente de fuga cuando se aplica voltaje, el voltaje no se distribuye uniformemente a través de cada capacitor en serie. Esto puede provocar que se exceda el voltaje nominal de un capacitor individual. Se debe proporcionar un circuito equilibrador pasivo o activo para igualar el voltaje a través de cada capacitor individual. [61] [94]
Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de polímero
Los condensadores electrolíticos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, están marcados, si el espacio lo permite, con
Los capacitores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más común es: XYZ J/K/M “V”, donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 Z pF), las letras K o M indican la tolerancia (±10% y ±20% respectivamente) y “V” representa el voltaje de trabajo.
Ejemplos:
La capacidad, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden indicar con un código corto especificado en IEC/EN 60062. Ejemplos de marcado corto de la capacidad nominal (microfaradios): μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4,7 μF, 47μ = 47 μF
La fecha de fabricación suele imprimirse según estándares internacionales.
En el caso de condensadores muy pequeños, no es posible realizar ningún marcado. En este caso, solo la trazabilidad de los fabricantes puede garantizar la identificación de un tipo.
La estandarización de todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [114] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [115] [116]
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de ensayo para condensadores destinados a su utilización en equipos electrónicos se establecen en la Especificación genérica :
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :
El mercado de condensadores electrolíticos en 2008 representó aproximadamente el 30% del mercado total en valor.
En número de piezas, estos condensadores cubren aproximadamente el 10% del mercado total de condensadores, o alrededor de 100 a 120 mil millones de piezas. [117]
Fecha de la mesa: marzo de 2015
![Los condensadores electrolíticos con electrolito sólido tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo (positivo), excepto los condensadores de polímero SMD y cilíndricos con conductores (de un solo extremo)[113].](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Polarity-rectangular-chips.jpg/1280px-Polarity-rectangular-chips.jpg)