Los condensadores de película , condensadores de película de plástico , condensadores dieléctricos de película o condensadores de película de polímero , denominados genéricamente condensadores de película o condensadores de película de potencia , son condensadores eléctricos con una película de plástico aislante como dieléctrico , a veces combinada con papel como portador de los electrodos .
Las películas dieléctricas, dependiendo de la rigidez dieléctrica deseada, se estiran en un proceso especial hasta obtener un espesor extremadamente fino y luego se les colocan electrodos. Los electrodos de los condensadores de película pueden ser de aluminio metalizado o de zinc aplicados directamente a la superficie de la película de plástico, o una lámina metálica separada. Dos de estas capas conductoras se enrollan en un devanado con forma de cilindro, generalmente aplanado para reducir los requisitos de espacio de montaje en una placa de circuito impreso , o se colocan en capas como múltiples capas individuales apiladas juntas, para formar un cuerpo de condensador. Los condensadores de película, junto con los condensadores cerámicos y los condensadores electrolíticos , son los tipos de condensadores más comunes para su uso en equipos electrónicos y se utilizan en muchos circuitos electrónicos y microelectrónicos de CA y CC . [1]
Un tipo de componente relacionado es el condensador de potencia (de película) . Aunque los materiales y las técnicas de construcción que se utilizan para los condensadores de película de gran potencia son muy similares a los que se utilizan para los condensadores de película ordinarios, los condensadores con potencias nominales altas o muy altas para aplicaciones en sistemas de potencia e instalaciones eléctricas suelen clasificarse por separado, por razones históricas. A medida que los equipos electrónicos modernos adquirieron la capacidad de manejar niveles de potencia que antes eran del dominio exclusivo de los componentes de "potencia eléctrica", la distinción entre las potencias nominales "electrónicas" y "eléctricas" se ha vuelto menos clara. En el pasado, el límite entre estas dos familias estaba aproximadamente en una potencia reactiva de 200 voltamperios , pero la electrónica de potencia moderna puede manejar niveles de potencia crecientes.
Los condensadores de película están hechos de dos piezas de película de plástico cubiertas con electrodos metálicos, enrolladas en un devanado de forma cilíndrica, con terminales unidos y luego encapsuladas. En general, los condensadores de película no están polarizados, por lo que los dos terminales son intercambiables. Hay dos tipos diferentes de condensadores de película de plástico, fabricados con dos configuraciones de electrodos diferentes:
Una ventaja clave de la construcción interna de los condensadores de película modernos es el contacto directo con los electrodos en ambos extremos del devanado. Este contacto mantiene muy cortos todos los caminos de corriente hacia todo el electrodo. La configuración se comporta como una gran cantidad de condensadores individuales conectados en paralelo , lo que reduce las pérdidas óhmicas internas ( ESR ) y la inductancia parásita ( ESL ). La geometría inherente de la estructura de los condensadores de película da como resultado pérdidas óhmicas muy bajas y una inductancia parásita muy baja, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones con corrientes de sobretensión muy altas (snubbers) y para aplicaciones de alimentación de CA, o para aplicaciones a frecuencias más altas.
Otra característica de los condensadores de película es la posibilidad de elegir diferentes materiales de película para la capa dieléctrica para seleccionar las características eléctricas deseables, como la estabilidad, el amplio rango de temperatura o la capacidad de soportar voltajes muy altos. Los condensadores de película de polipropileno se especifican debido a sus bajas pérdidas eléctricas y su comportamiento casi lineal en un rango de frecuencia muy amplio, para aplicaciones de clase 1 de estabilidad en circuitos resonantes , comparables solo con los condensadores cerámicos . Para circuitos de filtro de alta frecuencia simples , los condensadores de poliéster ofrecen soluciones de bajo costo con excelente estabilidad a largo plazo, lo que permite reemplazar los condensadores electrolíticos de tantalio más costosos . Las variantes de película/lámina de condensadores de película de plástico son especialmente capaces de manejar picos de corriente altos y muy altos.
Los valores de capacitancia típicos de los capacitores de película más pequeños utilizados en electrónica comienzan alrededor de 100 picofaradios y se extienden hasta microfaradios.
Las propiedades mecánicas únicas de las películas de plástico y papel en algunas configuraciones especiales permiten su uso en condensadores de dimensiones muy grandes. Los condensadores de película de mayor tamaño se utilizan como condensadores de potencia en instalaciones y plantas eléctricas, capaces de soportar potencias muy elevadas o tensiones aplicadas muy elevadas. La rigidez dieléctrica de estos condensadores puede alcanzar el rango de tensión de cuatro dígitos.
La fórmula para la capacitancia ( C ) de un capacitor de placas es:
( ε representa la permitividad dieléctrica ; A representa el área de superficie del electrodo; y d representa la distancia entre los electrodos).
Según la ecuación, un dieléctrico más delgado o un área de electrodo más grande aumentarán el valor de capacitancia , al igual que un material dieléctrico de mayor permitividad. [3]
El siguiente ejemplo describe un flujo de proceso de fabricación típico para condensadores de película plástica metalizada bobinados.
La producción de condensadores de película bobinada/lámina metálica con lámina metálica en lugar de películas metalizadas se realiza de una manera muy similar.
Como alternativa a la construcción tradicional de bobinado de los condensadores de película, también se pueden fabricar en una configuración "apilada". Para esta versión, las dos películas metalizadas que representan los electrodos se enrollan en un núcleo mucho más grande con un diámetro de más de 1 m. Los llamados condensadores multicapa (MLP, Multilayer Polymer Capacitors) se pueden producir cortando este gran bobinado en muchos segmentos individuales más pequeños. [8] [9] El corte provoca defectos en los lados colaterales de los condensadores que luego se queman (autocuración) durante el proceso de fabricación. De esta manera se producen condensadores de película de plástico metalizado de bajo costo para aplicaciones de uso general. [10] Esta técnica también se utiliza para producir "dados" de condensadores para componentes encapsulados de dispositivos de montaje superficial (SMD).
Los condensadores de película metalizada tienen propiedades de "autocuración", que no se encuentran en las configuraciones de película/lámina. [11] Cuando se aplica suficiente voltaje, un cortocircuito por defecto puntual entre los electrodos metalizados se vaporiza debido a la alta temperatura del arco, ya que tanto el material plástico dieléctrico en el punto de ruptura como los electrodos metalizados alrededor del punto de ruptura son muy delgados (aproximadamente de 0,02 a 0,05 μm). La causa del defecto puntual del cortocircuito se quema y la presión de vapor resultante también expulsa el arco. Este proceso puede completarse en menos de 10 μs, a menudo sin interrumpir el funcionamiento útil del condensador afectado. [12]
Esta propiedad de autorreparación permite utilizar un bobinado monocapa de películas metalizadas sin ninguna protección adicional contra defectos, lo que conduce a una reducción de la cantidad de espacio físico necesario para alcanzar una especificación de rendimiento determinada. En otras palabras, aumenta la denominada "eficiencia volumétrica" del condensador.
La capacidad de autorreparación de las películas metalizadas se utiliza varias veces durante el proceso de fabricación de condensadores de película metalizada. Normalmente, después de cortar la película metalizada al ancho deseado, los defectos resultantes se pueden eliminar (reparar) aplicando un voltaje adecuado antes del bobinado. El mismo método también se utiliza después de la metalización de las superficies de contacto ("schoopage") para eliminar los defectos en el condensador causados por el proceso de metalización secundaria.
Los "agujeros" en la metalización causados por los arcos autorreparadores reducen muy levemente la capacidad del condensador. Sin embargo, la magnitud de esta reducción es bastante baja; incluso con varios miles de defectos por eliminar, esta reducción suele ser mucho menor que el 1% de la capacidad total del condensador. [13]
En el caso de los condensadores de película de mayor tamaño, con estándares muy altos de estabilidad y larga vida útil, como los condensadores amortiguadores , la metalización se puede realizar con un patrón especial de aislamiento de fallas. En la imagen de la derecha se muestra una metalización de este tipo formada en un patrón en "T". Cada uno de estos patrones en "T" produce una sección transversal deliberadamente estrecha en la metalización conductora. Estas restricciones funcionan como fusibles microscópicos , de modo que si se produce un cortocircuito puntual entre los electrodos, la alta corriente del cortocircuito solo quema los fusibles alrededor de la falla. De este modo, las secciones afectadas se desconectan y aíslan de forma controlada, sin explosiones alrededor de un arco de cortocircuito más grande. Por lo tanto, el área afectada es limitada y la falla se controla suavemente, lo que reduce significativamente el daño interno al condensador, que puede permanecer en servicio con solo una reducción infinitesimal de la capacitancia. [14]
En las instalaciones de campo de equipos de distribución de energía eléctrica, la tolerancia a fallas de los bancos de capacitores se mejora a menudo conectando varios capacitores en paralelo, cada uno protegido con un fusible interno o externo. Si un capacitor individual desarrolla un cortocircuito interno, la corriente de falla resultante (aumentada por la descarga capacitiva de los capacitores vecinos) quema el fusible, aislando así el capacitor averiado de los dispositivos restantes. Esta técnica es análoga a la técnica de "metalización en T" descrita anteriormente, pero opera a una escala física mayor. También se utilizan disposiciones en serie y en paralelo más complejas de bancos de capacitores para permitir la continuidad del servicio a pesar de fallas individuales de capacitores a esta escala mayor. [15]
El voltaje nominal de diferentes materiales de película depende de factores tales como el espesor de la película, la calidad del material (ausencia de defectos físicos e impurezas químicas), la temperatura ambiente y la frecuencia de operación, además de un margen de seguridad contra el voltaje de ruptura (rigidez dieléctrica). Pero en una primera aproximación, el voltaje nominal de un condensador de película depende principalmente del espesor de la película de plástico. Por ejemplo, con el espesor de película mínimo disponible de condensadores de película de poliéster (aproximadamente 0,7 μm), es posible producir condensadores con un voltaje nominal de 400 VCC. Si se necesitan voltajes más altos, normalmente se utilizará una película de plástico más gruesa. Pero el voltaje de ruptura para películas dieléctricas normalmente no es lineal . Para espesores mayores de aproximadamente 5 milésimas de pulgada, el voltaje de ruptura solo aumenta aproximadamente con la raíz cuadrada del espesor de la película. Por otro lado, la capacitancia disminuye linealmente con el aumento del espesor de la película. Por razones de disponibilidad, almacenamiento y capacidades de procesamiento existentes, es deseable lograr voltajes de ruptura más altos mientras se utilizan los materiales de película disponibles existentes. Esto se puede lograr mediante una metalización parcial unilateral de las películas aislantes de tal manera que se produzca una conexión en serie interna de los condensadores. Al utilizar esta técnica de conexión en serie, la tensión de ruptura total del condensador se puede multiplicar por un factor arbitrario, pero la capacitancia total también se reduce por el mismo factor.
La tensión de ruptura se puede aumentar utilizando películas parcialmente metalizadas de un solo lado, o la tensión de ruptura del condensador se puede aumentar utilizando películas metalizadas de doble cara. Las películas metalizadas de doble cara también se pueden combinar con condensadores conectados en serie internamente mediante metalización parcial. Estos diseños de técnicas múltiples se utilizan especialmente para aplicaciones de alta confiabilidad con películas de polipropileno.
Una propiedad importante de los condensadores de película es su capacidad para soportar picos de tensión o picos de corriente elevados. Esta capacidad depende de que todas las conexiones internas del condensador de película soporten las cargas de corriente pico hasta la temperatura máxima especificada. Las capas de contacto colaterales (schoopage) con los electrodos pueden ser una limitación potencial de la capacidad de transporte de corriente pico.
Las capas de electrodos están enrolladas ligeramente desplazadas una de otra, de modo que los bordes de los electrodos pueden ponerse en contacto utilizando un método de contacto de caras "schoopage" en las caras de los extremos colaterales del devanado. Esta conexión interna se realiza en última instancia mediante múltiples contactos en forma de punto en el borde del electrodo, y se puede modelar como una gran cantidad de condensadores individuales, todos conectados en paralelo. Las numerosas pérdidas individuales de resistencia ( ESR ) e inductancia ( ESL ) se conectan en paralelo , de modo que se minimizan estas pérdidas parásitas totales indeseables.
Sin embargo, el calentamiento por resistencia de contacto óhmica se genera cuando la corriente pico fluye a través de estos puntos de contacto microscópicos individuales, que son áreas críticas para la resistencia interna general del capacitor. Si la corriente es demasiado alta, pueden desarrollarse "puntos calientes" y provocar quemaduras en las áreas de contacto.
Una segunda limitación de la capacidad de conducción de corriente se debe a la resistencia óhmica de los propios electrodos. En el caso de los condensadores de película metalizada, que tienen espesores de capa de entre 0,02 y 0,05 μm [2], la capacidad de conducción de corriente está limitada por estas capas delgadas.
La capacidad nominal de corriente de sobretensión de los condensadores de película se puede mejorar mediante diversas configuraciones internas. Debido a que la metalización es la forma más barata de producir electrodos, optimizar la forma de los electrodos es una forma de minimizar la resistencia interna y aumentar la capacidad de transporte de corriente. Una capa de metalización ligeramente más gruesa en los lados de contacto de schoopage de los electrodos da como resultado una resistencia de contacto general más baja y una mayor capacidad de manejo de la corriente de sobretensión, sin perder las propiedades de autocuración en el resto de la metalización. [16]
Otra técnica para aumentar la corriente de pico nominal de los condensadores de película es una metalización de doble cara. Esto puede duplicar la corriente de pico nominal. Este diseño también reduce a la mitad la autoinducción total del condensador, porque en efecto, dos inductores están conectados en paralelo, lo que permite un paso menos libre de impedimentos de pulsos más rápidos (valor nominal más alto, denominado "dV/dt").
La película metalizada de doble cara no tiene campo electrostático porque los electrodos tienen el mismo potencial de voltaje en ambos lados de la película y, por lo tanto, no contribuye a la capacidad total del condensador. Por lo tanto, esta película puede estar hecha de un material diferente y más económico. Por ejemplo, un condensador de película de polipropileno con metalización de doble cara sobre un soporte de película de poliéster hace que el condensador no solo sea más barato sino también más pequeño, porque la lámina de poliéster más delgada mejora la eficiencia volumétrica del condensador. Los condensadores de película con una película metalizada de doble cara tienen electrodos más gruesos para manejar una mayor corriente de sobretensión, pero aún conservan sus propiedades de autorreparación, a diferencia de los condensadores de película/lámina.
Los condensadores de película para uso en equipos electrónicos se encapsulan en los estilos industriales comunes y usuales: axial, radial y SMD. Los encapsulados tradicionales de tipo axial se usan menos hoy en día, pero aún se especifican para cableado punto a punto y algunas placas de circuito impreso tradicionales de orificio pasante . El factor de forma más común es el tipo radial (un solo extremo), con ambos terminales en un lado del cuerpo del condensador. Para facilitar la inserción automatizada , los condensadores de película de plástico radiales se construyen comúnmente con espaciamientos de terminales a distancias estandarizadas, comenzando con un paso de 2,5 mm y aumentando en pasos de 2,5 mm. Los condensadores radiales están disponibles encapsulados en cajas de plástico o sumergidos en una resina epoxi para proteger el cuerpo del condensador contra las influencias ambientales. Aunque el calor transitorio de la soldadura por reflujo induce una alta tensión en los materiales de película de plástico, los condensadores de película capaces de soportar tales temperaturas están disponibles en encapsulados de dispositivo montado en superficie ( SMD ).
Antes de la introducción de las películas de plástico, se utilizaban comúnmente condensadores fabricados intercalando una tira de papel impregnado de cera entre tiras de metal y enrollando el resultado en un cilindro ( condensadores de papel ); su fabricación comenzó en 1876, [17] y se utilizaron desde principios del siglo XX como condensadores de desacoplamiento en telecomunicaciones (telefonía).
Con el desarrollo de materiales plásticos por parte de los químicos orgánicos durante la Segunda Guerra Mundial , la industria de los condensadores comenzó a reemplazar el papel con películas de polímero más delgadas. Un desarrollo muy temprano en condensadores de película fue descrito en la Patente Británica 587,953 en 1944. La introducción de plásticos en condensadores de película de plástico fue aproximadamente en el siguiente orden histórico: poliestireno (PS) en 1949, tereftalato de polietileno (PET/"poliéster") y acetato de celulosa (CA) en 1951, policarbonato (PC/Lexan) en 1953, politetrafluoroetileno (PTFE/Teflón) en 1954, polipropileno (PP) en 1954, polietileno (PE) en 1958, y sulfuro de polifenileno (PPS) en 1967. [18] A mediados de la década de 1960 había una amplia gama de diferentes condensadores de película de plástico ofrecidos por muchos fabricantes, principalmente europeos y estadounidenses. Fabricantes alemanes como WIMA, Roederstein , Siemens y Philips fueron pioneros y líderes en un mercado mundial impulsado por la electrónica de consumo. [19]
Una de las grandes ventajas de las películas de plástico para la fabricación de condensadores es que las películas de plástico tienen considerablemente menos defectos que las hojas de papel utilizadas en los condensadores de papel. Esto permite la fabricación de condensadores de película de plástico con una sola capa de película de plástico, mientras que los condensadores de papel necesitan una doble capa de papel [ cita requerida ] . Los condensadores de película de plástico eran significativamente más pequeños en tamaño físico (mejor eficiencia volumétrica ), con el mismo valor de capacitancia y la misma rigidez dieléctrica que los condensadores de papel comparables. Los materiales plásticos nuevos de entonces también mostraron otras ventajas en comparación con el papel. El plástico es mucho menos higroscópico que el papel, lo que reduce los efectos nocivos del sellado imperfecto. Además, la mayoría de los plásticos están sujetos a menos cambios químicos durante largos períodos, lo que proporciona estabilidad a largo plazo de sus parámetros eléctricos. Desde aproximadamente 1980, los condensadores de papel y papel metalizado (condensadores MP) han sido reemplazados casi por completo por condensadores de película PET para la mayoría de las aplicaciones electrónicas de CC de baja potencia. El papel ahora se usa solo en la supresión de RFI o en condensadores de funcionamiento de motores, o como un dieléctrico mixto combinado con películas de polipropileno en condensadores de CA y CC grandes para aplicaciones de alta potencia.
Un tipo especial temprano de condensadores de película de plástico fueron los condensadores de película de acetato de celulosa , también llamados condensadores MKU. El acetato de celulosa, un dieléctrico aislante polar, era una resina sintética que podía fabricarse para condensadores metalizados con un espesor de película de pintura de hasta aproximadamente 3 μm. Primero se aplicaba una capa líquida de acetato de celulosa a un soporte de papel, luego se cubría con cera, se secaba y luego se metalizaba. Durante el bobinado del cuerpo del condensador, se retiraba el papel de la película metalizada. La fina capa de acetato de celulosa restante tenía una ruptura dieléctrica de 63 V, suficiente para muchas aplicaciones de uso general. El espesor muy pequeño del dieléctrico disminuyó las dimensiones generales de estos condensadores en comparación con otros condensadores de película de la época. Los condensadores de película MKU ya no se fabrican, porque ahora se pueden producir condensadores de película de poliéster en tamaños más pequeños que eran el nicho de mercado del tipo MKU. [20]
Los condensadores de película se han vuelto mucho más pequeños desde el comienzo de la tecnología. Mediante el desarrollo de películas de plástico más delgadas, por ejemplo, las dimensiones de los condensadores de película de poliéster metalizado se redujeron en un factor de aproximadamente 3 a 4. [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ¿Supuestamente volumen? ]
Las ventajas más importantes de los condensadores de película son la estabilidad de sus valores eléctricos durante largos periodos de tiempo, su fiabilidad y su menor coste en comparación con otros tipos de condensadores para las mismas aplicaciones. Especialmente para aplicaciones con cargas de pulsos de corriente elevada o cargas elevadas de CA en sistemas eléctricos, se encuentran disponibles condensadores de película de alta resistencia, denominados aquí "condensadores de potencia", con valores dieléctricos nominales de varios kilovoltios.
Sin embargo, la fabricación de condensadores de película depende en gran medida de la cadena de suministro de materiales. Cada uno de los materiales de película de plástico que se utilizan para los condensadores de película en todo el mundo se produce por sólo dos o tres grandes proveedores. La razón de ello es que las cantidades en masa que requiere el mercado de condensadores de película son bastante pequeñas en comparación con las producciones típicas de las empresas químicas. Esto conduce a una gran dependencia de los fabricantes de condensadores de relativamente pocas empresas químicas como proveedores de materias primas. Por ejemplo, en el año 2000 Bayer AG interrumpió su producción de películas de policarbonato debido a los bajos volúmenes de ventas no rentables. La mayoría de los fabricantes de condensadores de película de policarbonato tuvieron que cambiar rápidamente su oferta de productos a otro tipo de condensador y se requirieron muchas aprobaciones de pruebas costosas para los nuevos diseños.
En 2012, solo cinco materiales plásticos seguían utilizándose ampliamente en la industria de los condensadores como películas para condensadores: PET, PEN, PP, PPS y PTFE. Otros materiales plásticos ya no se utilizan comúnmente, ya sea porque ya no se fabrican o porque han sido reemplazados por materiales mejores. Incluso los condensadores de película de poliestireno (PS) y policarbonato (PC) fabricados durante mucho tiempo han sido reemplazados en gran medida por los tipos de película mencionados anteriormente, aunque al menos un fabricante de condensadores de PC conserva la capacidad de fabricar sus propias películas a partir de materia prima de policarbonato. [21] Las películas de plástico menos comunes se describen brevemente aquí, ya que todavía se encuentran en diseños más antiguos y todavía están disponibles a través de algunos proveedores.
Los condensadores de película, que empezaron siendo muy sencillos, evolucionaron hasta convertirse en una gama muy amplia y altamente especializada de distintos tipos. A finales del siglo XX, la producción en masa de la mayoría de los condensadores de película se había trasladado al Lejano Oriente. Unas pocas grandes empresas siguen produciendo condensadores de película altamente especializados en Europa y en los EE. UU. para aplicaciones de potencia y CA. [22]
La siguiente tabla identifica los polímeros dieléctricos más comúnmente utilizados para condensadores de película.
Además, se pueden mezclar diferentes materiales de película para producir condensadores con propiedades particulares.
Los materiales de película más utilizados son el polipropileno, con una participación de mercado del 50%, seguido del poliéster, con una participación del 40%. El 10% restante corresponde a los demás materiales dieléctricos, entre ellos el sulfuro de polifenileno y el papel, con aproximadamente un 3% cada uno. [23] [24]
Los condensadores de película de policarbonato ya no se fabrican porque el material dieléctrico ya no está disponible. [25]
Las características eléctricas y el comportamiento de temperatura y frecuencia de los condensadores de película están determinados esencialmente por el tipo de material que forma el dieléctrico del condensador. En la siguiente tabla se enumeran las características más importantes de los principales materiales de película plástica que se utilizan en la actualidad. Las características de los materiales de película mixta no se enumeran aquí.
Las cifras de esta tabla se extraen de las especificaciones publicadas por varios fabricantes diferentes de condensadores de película para aplicaciones electrónicas industriales. [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32]
El amplio rango de valores del factor de disipación incluye tanto especificaciones típicas como máximas de las hojas de datos de los distintos fabricantes. Los valores eléctricos típicos para capacitores de potencia y de CA de gran tamaño no se incluyeron en esta tabla.
Los condensadores de película de polipropileno tienen un dieléctrico hecho de polipropileno (PP), un material polimérico termoplástico, no polar, orgánico y parcialmente cristalino, cuyo nombre comercial es Treofan, de la familia de las poliolefinas . Se fabrican tanto en versiones metalizadas como apiladas, así como en versiones de película/lámina. La película de polipropileno es la película dieléctrica más utilizada en condensadores industriales y también en tipos de condensadores de potencia. El material de película de polipropileno absorbe menos humedad que la película de poliéster y, por lo tanto, también es adecuado para diseños "desnudos" sin ningún recubrimiento ni embalaje adicional. Sin embargo, la temperatura máxima de 105 °C dificulta el uso de películas de PP en el embalaje SMD.
Las dependencias de temperatura y frecuencia de los parámetros eléctricos de los condensadores de película de polipropileno son muy bajas. Los condensadores de película de polipropileno tienen un coeficiente de temperatura lineal y negativo de capacitancia de ±2,5 % dentro de su rango de temperatura. Por lo tanto, los condensadores de película de polipropileno son adecuados para aplicaciones en circuitos de determinación de frecuencia de clase 1, filtros, circuitos osciladores, circuitos de audio y temporizadores. También son útiles para la compensación de bobinas inductivas en aplicaciones de filtros de precisión y para aplicaciones de alta frecuencia.
Además de la clasificación de la clase de aplicación para la versión de película/lámina de condensadores de película de PP, la norma IEC/EN 60384-13 especifica tres "clases de estabilidad". Estas clases de estabilidad especifican la tolerancia de los coeficientes de temperatura junto con el cambio permisible de la capacidad después de pruebas definidas. Se dividen en diferentes grados de coeficientes de temperatura (α) con tolerancias asociadas y valores preferidos de cambio permisible de capacidad después de pruebas mecánicas, ambientales (humedad) y de vida útil.
La tabla no es válida para valores de capacitancia menores a 50 pF.
Además, los condensadores de película de PP tienen la absorción dieléctrica más baja , lo que los hace adecuados para aplicaciones como condensadores de sincronización VCO , aplicaciones de muestreo y retención y circuitos de audio. Están disponibles para estas aplicaciones de precisión en tolerancias de capacitancia muy estrechas.
El factor de disipación de los condensadores de película de PP es menor que el de otros condensadores de película. Debido al factor de disipación bajo y muy estable en un amplio rango de temperatura y frecuencia, incluso a frecuencias muy altas, y a su alta rigidez dieléctrica de 650 V/μm, los condensadores de película de PP se pueden utilizar en versiones metalizadas y de película/lámina como condensadores para aplicaciones de pulso, como circuitos de deflexión de barrido de CRT, o como los denominados condensadores " snubber ", o en aplicaciones IGBT . Además, los condensadores de película de polipropileno se utilizan en aplicaciones de alimentación de CA, como condensadores de funcionamiento de motores o condensadores de corrección del factor de potencia (PFC).
Los condensadores de película de polipropileno se utilizan ampliamente para la supresión de interferencias electromagnéticas , incluida la conexión directa a la red eléctrica. En esta última aplicación, deben cumplir requisitos especiales de prueba y certificación en materia de seguridad y no inflamabilidad.
La mayoría de los condensadores de potencia, los condensadores de mayor tamaño que se fabrican, utilizan generalmente una película de polipropileno como dieléctrico. Los condensadores de película de PP se utilizan para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia, como el calentamiento por inducción , para aplicaciones de descarga de energía de potencia pulsada y como condensadores de CA para distribución eléctrica. Los valores nominales de tensión de CA de estos condensadores pueden alcanzar hasta 400 kV.
La permitividad relativamente baja de 2,2 es una ligera desventaja, y los condensadores de película de PP tienden a ser algo más grandes físicamente que otros condensadores de película.
Las películas de calidad para condensadores se producen con un espesor de hasta 20 μm y un ancho de rollo de hasta 140 mm. Los rollos se envasan al vacío cuidadosamente en pares según las especificaciones requeridas para el condensador.
Los condensadores de película de poliéster son condensadores de película que utilizan un dieléctrico hecho de tereftalato de polietileno (PET), un material polimérico polar termoplástico, con nombres comerciales Hostaphan o Mylar , de la familia del poliéster. Se fabrican tanto en versiones metalizadas como apiladas, así como en versiones de película/lámina. La película de poliéster absorbe muy poca humedad, y esta característica la hace adecuada para diseños "desnudos" sin necesidad de ningún recubrimiento adicional. Son los condensadores de producción en masa de bajo costo en la electrónica moderna, que presentan dimensiones relativamente pequeñas con valores de capacitancia relativamente altos. Los condensadores PET se utilizan principalmente como condensadores de uso general para aplicaciones de CC o para circuitos semicríticos con temperaturas de funcionamiento de hasta 125 °C. La clasificación de temperatura máxima de 125 °C también permite fabricar condensadores de película SMD con películas de PET. [33] El bajo costo del poliéster y las dimensiones relativamente compactas son las principales razones de la alta prevalencia de los condensadores de película PET en los diseños modernos.
Las pequeñas dimensiones físicas de los condensadores de película PET son el resultado de una permitividad relativa alta de 3,3, combinada con una rigidez dieléctrica relativamente alta que conduce a una eficiencia volumétrica relativamente alta . Esta ventaja de compacidad viene con algunas desventajas. La dependencia de la temperatura de la capacitancia de los condensadores de película de poliéster es relativamente alta en comparación con otros condensadores de película, ± 5% en todo el rango de temperatura. La dependencia de la frecuencia de la capacitancia de los condensadores de película de poliéster en comparación con los otros condensadores de película es de -3% en el rango de 100 Hz a 100 kHz en el límite superior. Además, la dependencia de la temperatura y la frecuencia del factor de disipación es mayor para los condensadores de película de poliéster en comparación con los otros tipos de condensadores de película.
Los condensadores de película de poliéster se utilizan principalmente para aplicaciones de propósito general o circuitos semicríticos con temperaturas de funcionamiento de hasta 125 °C.
Los condensadores de película de naftalato de polietileno son condensadores de película que utilizan un dieléctrico hecho de naftalato de polietileno (PEN), un material polimérico biaxial termoplástico, con nombres comerciales Kaladex y Teonex. Se producen únicamente en tipos metalizados. El PEN, al igual que el PET, pertenece a la familia de los poliésteres, pero tiene una mejor estabilidad a altas temperaturas. Por lo tanto, los condensadores de película de PEN son más adecuados para aplicaciones de alta temperatura y para encapsulados SMD.
La dependencia de la temperatura y la frecuencia de las características eléctricas para la capacitancia y el factor de disipación de los condensadores de película PEN son similares a las de los condensadores de película PET. Debido a la menor permitividad relativa y la menor rigidez dieléctrica del polímero PEN, los condensadores de película PEN son físicamente más grandes para una capacitancia y un valor de voltaje nominal determinados. A pesar de esto, los condensadores de película PEN son preferibles a los PET cuando la temperatura ambiente durante el funcionamiento de los condensadores es permanentemente superior a 125 °C. El dieléctrico especial de "alto voltaje" (HV) de PEN ofrece excelentes propiedades eléctricas durante las pruebas de vida útil a altos voltajes y altas temperaturas (175 °C). Los condensadores PEN se utilizan principalmente para filtrado, acoplamiento y desacoplamiento no críticos en circuitos electrónicos, cuando las dependencias de la temperatura no importan.
Los condensadores de película de sulfuro de polifenileno son condensadores de película con dieléctrico fabricado a partir de un material polimérico termoplástico, orgánico y parcialmente cristalino llamado poli(sulfuro de p-fenileno) (PPS), cuyo nombre comercial es Torelina. Se producen únicamente en versiones metalizadas.
La dependencia de la temperatura de la capacidad de los condensadores de película de PPS en todo el rango de temperaturas es muy pequeña (± 1,5 %) en comparación con otros condensadores de película. Además, la dependencia de la frecuencia en el rango de 100 Hz a 100 kHz de la capacidad de los condensadores de película de PPS es de ± 0,5 %, muy baja en comparación con otros condensadores de película. El factor de disipación de los condensadores de película de PPS es bastante pequeño y la dependencia de la temperatura y la frecuencia del factor de disipación en un amplio rango es muy estable. Solo a temperaturas superiores a 100 °C el factor de disipación aumenta a valores mayores. El rendimiento de absorción dieléctrica es excelente, solo por detrás de los condensadores dieléctricos de PTFE y PS.
Los condensadores de película de sulfuro de polifenileno son muy adecuados para aplicaciones en circuitos de determinación de frecuencia y para aplicaciones de alta temperatura. Debido a sus buenas propiedades eléctricas, los condensadores de película de PPS son un sustituto ideal de los condensadores de película de policarbonato, cuya producción se ha interrumpido en gran medida desde el año 2000.
Además de sus excelentes propiedades eléctricas, los condensadores de película PPS pueden soportar temperaturas de hasta 270 °C sin dañar la calidad de la película, por lo que los condensadores de película PPS son adecuados para dispositivos de montaje superficial (SMD) y pueden tolerar las mayores temperaturas de soldadura por reflujo para soldadura sin plomo exigidas por la directiva RoHS 2002/95/EC .
El coste de un condensador de película PPS suele ser más alto en comparación con un condensador de película PP. [34]
Los condensadores de película de politetrafluoroetileno están fabricados con un dieléctrico de politetrafluoroetileno (PTFE), un fluorocarbono sólido hidrófobo . Se fabrican tanto en forma metalizada como en forma de película/lámina, aunque la mala adherencia a la película dificulta la metalización. El PTFE suele conocerse por la marca registrada de DuPont , Teflon .
Los condensadores de película de politetrafluoroetileno presentan una resistencia a temperaturas muy altas de hasta 200 °C, e incluso más hasta 260 °C, con una reducción de potencia. El factor de disipación 2 · 10 −4 es bastante pequeño. El cambio en la capacitancia en todo el rango de temperatura de +1% a -3% es un poco mayor que para los condensadores de película de polipropileno. Sin embargo, dado que el espesor de película más pequeño disponible para películas de PTFE es de 5,5 μm, [35] aproximadamente el doble del espesor de las películas de polipropileno, los condensadores de película de PTFE son físicamente más voluminosos que los condensadores de película de PP. Añadió que el espesor de la película en la superficie no es constante, por lo que las películas de teflón son difíciles de producir. [36] [37] Por lo tanto, el número de fabricantes de condensadores de película de PTFE es limitado.
Los condensadores de película de PTFE están disponibles con tensiones nominales de 100 V a 630 V CC. Se utilizan en equipos militares, en la industria aeroespacial, en sondas geológicas, en circuitos de prueba y en circuitos de audio de alta calidad. Los principales productores de condensadores de película de PTFE se encuentran en los EE. UU. [35] [38] [39] [40] [41] [42]
Los condensadores de película de poliestireno , a veces conocidos como "condensadores Styroflex", fueron bien conocidos durante muchos años como condensadores de película económicos para aplicaciones de uso general, en las que se necesitaba una alta estabilidad de capacitancia, un bajo factor de disipación y bajas corrientes de fuga. Pero como el espesor de la película no podía ser inferior a 10 μm y los valores de temperatura máxima alcanzaban solo 85 °C, los condensadores de película de PS fueron reemplazados en su mayoría por condensadores de película de poliéster a partir de 2012. Sin embargo, algunos fabricantes aún pueden ofrecer condensadores de película de PS en su programa de producción, respaldados por grandes cantidades de película de poliestireno almacenadas en su almacén. Los condensadores de poliestireno tienen una ventaja importante: tienen un coeficiente de temperatura cercano a cero y, por lo tanto, son útiles en circuitos sintonizados donde se debe evitar la deriva con la temperatura.
Los condensadores de película de policarbonato son condensadores de película con un dieléctrico hecho de ésteres polimerizados de ácido carbónico y alcoholes dihídricos, policarbonato (PC), a veces con el nombre de marca registrada Makrofol. Se fabrican en forma de bobinas metalizadas y en forma de película o lámina.
Estos condensadores tienen un bajo factor de disipación y debido a sus propiedades eléctricas relativamente independientes de la temperatura de aproximadamente ±80 ppm en todo el rango de temperatura, tenían muchas aplicaciones para aplicaciones de baja pérdida y estabilidad de la temperatura, como circuitos de temporización, circuitos analógicos de precisión y filtros de señal en aplicaciones con duras condiciones ambientales. Los condensadores de película de PC se habían fabricado desde mediados de la década de 1950, pero el principal proveedor de película de policarbonato para condensadores había cesado la producción de este polímero en forma de película a partir del año 2000. Como resultado, la mayoría de los fabricantes de condensadores de película de policarbonato en todo el mundo tuvieron que detener su producción de condensadores de película de PC y cambiar a condensadores de película de polipropileno en su lugar. [43] La mayoría de las antiguas aplicaciones de condensadores de PC han encontrado sustitutos satisfactorios con los condensadores de película de PP.
Sin embargo, existen excepciones. El fabricante Electronic Concepts Inc. (Nueva Jersey, EE. UU.) afirma ser un productor interno de su propia película de policarbonato [44] y continúa produciendo condensadores de película de PC. Además de este fabricante de condensadores de película de policarbonato, existen otros fabricantes especializados, en su mayoría con sede en EE. UU. [45] [46] [47] [48]
Históricamente, los primeros condensadores de tipo "película" eran condensadores de papel con configuración de película/lámina. Eran bastante voluminosos y no especialmente fiables. A partir de 2012, el papel se utiliza en forma de papel metalizado para condensadores MP con propiedades de autorreparación utilizados para la supresión de EMI. El papel también se utiliza como portador mecánico aislante de electrodos de capa metalizada y combinado con dieléctrico de polipropileno, principalmente en condensadores de potencia clasificados para aplicaciones de CA de alta corriente y CC de alto voltaje.
El papel como soporte de los electrodos tiene las ventajas de un coste menor y una adherencia algo mejor de la metalización al papel que a las películas de polímero. Pero el papel solo como dieléctrico en los condensadores no es lo suficientemente fiable para los crecientes requisitos de calidad de las aplicaciones modernas. La combinación de papel junto con un dieléctrico de película de polipropileno es una forma rentable de mejorar la calidad y el rendimiento. La mejor adherencia de la metalización al papel es ventajosa especialmente en cargas de pulsos de corriente elevadas, y el dieléctrico de película de polipropileno aumenta la tensión nominal.
Sin embargo, la rugosidad de la superficie de un papel metalizado puede provocar la aparición de pequeñas burbujas llenas de aire entre el dieléctrico y la metalización, lo que reduce el voltaje de ruptura del capacitor. Por este motivo, los capacitores de película más grandes o los capacitores de potencia que utilizan papel como portador de los electrodos generalmente se rellenan con un aceite o gas aislante para desplazar las burbujas de aire y obtener un voltaje de ruptura más alto. [49]
Sin embargo, dado que casi todos los fabricantes importantes ofrecen sus propios condensadores de película patentados con materiales de película mixta, es difícil ofrecer una descripción general y universal de las propiedades específicas de los condensadores de película mixta.
Se pueden utilizar otros materiales plásticos distintos a los descritos anteriormente como dieléctrico en condensadores de película. [50] Los polímeros termoplásticos como la poliimida (PI), la poliamida (PA, mejor conocida como nailon o perlón), el fluoruro de polivinilideno (PVDF), el siloxano , la polisulfona (PEx) y el poliéster aromático (FPE) se describen en la literatura técnica como posibles películas dieléctricas para condensadores. La razón principal para considerar nuevos materiales de película para condensadores es la permitividad relativamente baja de los materiales comúnmente utilizados. Con una permitividad más alta, los condensadores de película podrían hacerse aún más pequeños, una ventaja en el mercado de dispositivos electrónicos portátiles más compactos.
En 1984, se anunció como patente en la prensa una nueva tecnología de condensadores de película que utiliza materiales de acrilato reticulado por haz de electrones depositados al vacío como dieléctrico en condensadores de película. [51] [52] Pero a partir de 2012, solo un fabricante comercializa un condensador de película SMD de acrilato específico, como reemplazo de MLCC X7R. [53]
El poliimida (PI), un polímero termoplástico de monómeros de imida , se propone para los condensadores de película llamados condensadores de poliimida, PI o Kapton. [50] [54] Kapton es el nombre comercial de la poliimida de DuPont . Este material es de interés debido a su alta resistencia a la temperatura de hasta 400 °C. Pero a partir de 2012, no se han anunciado condensadores de película de la serie de condensadores PI específicos. El condensador de película ofrecido, Kapton CapacitorCL11, anunciado por "dhgate" es un "Tipo: condensador de película de polipropileno". [55] Otro condensador Kapton muy extraño se puede encontrar en YEC, un productor chino de condensadores. Aquí los "condensadores Kapton" anunciados son en realidad supercondensadores , una tecnología completamente diferente. [56] Quizás la película Kapton en estos supercondensadores se utiliza como separador entre los electrodos de este condensador de doble capa . Las películas Kapton se ofrecen a menudo como una película adhesiva para el aislamiento externo de los paquetes de condensadores.
El fluoruro de polivinilideno (PVDF) tiene una permitividad muy alta de 18 a 20, lo que permite almacenar grandes cantidades de energía en un espacio pequeño ( eficiencia volumétrica ). Sin embargo, tiene una temperatura de Curie de solo 60 °C, lo que limita su uso. Los condensadores de película con PVDF se describen para una aplicación muy especial, en desfibriladores portátiles . [57] [58]
A partir de 2012, para todos los demás materiales mencionados, como PA, PVDF, siloxano, PEx o FPE, no se tiene conocimiento de que se produzcan en cantidades comerciales series específicas de condensadores de película con estas películas de plástico. [ cita requerida ]
La estandarización de todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [59] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [60] [61] Las normas IEC están armonizadas con las normas europeas EN.
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 de película para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales:
La estandarización de los condensadores de potencia se centra en gran medida en las normas de seguridad del personal y de los equipos dictadas por la autoridad reguladora local. Los conceptos y definiciones para garantizar la aplicación segura de los condensadores de potencia se publican en las siguientes normas:
El texto anterior se extrae directamente de las normas IEC pertinentes, que utilizan las abreviaturas "dc" para corriente continua (CC) y "ac" para corriente alterna (CA).
Durante el desarrollo inicial de los condensadores de película, algunos grandes fabricantes intentaron estandarizar los nombres de los distintos materiales de película. Esto dio lugar a una antigua norma alemana (DIN 41 379), que ya no se utiliza, en la que se prescribía un código abreviado para cada material y tipo de configuración. Muchos fabricantes siguen utilizando estas abreviaturas estándar de facto.
Sin embargo, con la deslocalización del negocio del mercado masivo en la industria de componentes pasivos, que incluye los condensadores de película, muchos de los nuevos fabricantes en el Lejano Oriente utilizan sus propias abreviaturas que difieren de las establecidas anteriormente.
Los fabricantes Wima, Vishay y TDK Epcos especifican los parámetros eléctricos de sus condensadores de película en una hoja de información técnica general. [26] [27] [28]
Las características eléctricas de los condensadores están armonizadas por la especificación genérica internacional IEC/EN 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 de película:
Las dos resistencias reactivas tienen las siguientes relaciones con la frecuencia angular "ω":
La capacidad nominal es el valor para el cual se ha diseñado el condensador. La capacidad real de los condensadores de película depende de la frecuencia de medición y de la temperatura ambiente. Las condiciones estandarizadas para los condensadores de película son una frecuencia de medición de 1 kHz y una temperatura de 20 °C. El porcentaje de desviación permitida de la capacidad con respecto al valor nominal se denomina tolerancia de capacidad. El valor de capacidad real de un condensador debe estar dentro de los límites de tolerancia, de lo contrario, el condensador estará fuera de especificación.
Los condensadores de película están disponibles en diferentes series de tolerancias, cuyos valores se especifican en las normas de la serie E especificadas en IEC/EN 60063. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, se especifica un código de letras para cada tolerancia en IEC/EN 60062.
La tolerancia de capacitancia requerida se determina según la aplicación particular. Las tolerancias estrechas de E24 a E96 se utilizarán para circuitos de alta calidad como osciladores de precisión y temporizadores. Por otro lado, para aplicaciones generales como circuitos de acoplamiento o filtrado no críticos, las series de tolerancias E12 o E6 son suficientes.
Los distintos materiales de película tienen características que varían en función de la temperatura y la frecuencia. Los gráficos siguientes muestran el comportamiento típico de la temperatura y la frecuencia de la capacitancia para distintos materiales de película.
La tensión CC nominal V R es la tensión CC máxima, o el valor pico de la tensión de pulso, o la suma de una tensión CC aplicada y el valor pico de una tensión CA superpuesta, que se puede aplicar de forma continua a un condensador a cualquier temperatura entre la temperatura de categoría y la temperatura nominal. [63]
La tensión de ruptura de los condensadores de película disminuye con el aumento de la temperatura. Cuando se utilizan condensadores de película a temperaturas entre la temperatura nominal superior y la temperatura de categoría superior, solo se permite una tensión de categoría reducida por temperatura V C. Los factores de reducción se aplican tanto a tensiones de CC como de CA. Algunos fabricantes pueden tener curvas de reducción bastante diferentes para sus condensadores en comparación con las curvas genéricas que se muestran en la imagen de la derecha.
El valor pico admisible de una tensión alterna superpuesta, denominada "tensión de ondulación nominal", depende de la frecuencia. Las normas aplicables especifican las siguientes condiciones, independientemente del tipo de película dieléctrica. [64]
Los condensadores de película no están polarizados y son adecuados para manejar una tensión alterna. Debido a que la tensión de CA nominal se especifica como un valor RMS , la tensión de CA nominal debe ser menor que la tensión de CC nominal. Las cifras típicas para las tensiones de CC y las tensiones de CA nominalmente relacionadas se dan en la siguiente tabla:
Un voltaje de CA causará una corriente de CA (con una polarización de CC aplicada, esto también se llama "corriente de ondulación"), con carga y descarga cíclica del capacitor causando un movimiento oscilatorio de los dipolos eléctricos en el dieléctrico. Esto da como resultado pérdidas dieléctricas , que son el componente principal de la ESR de los capacitores de película, y que producen calor a partir de la corriente alterna. El voltaje alterno RMS máximo a una frecuencia dada que se puede aplicar continuamente a un capacitor (hasta la temperatura nominal) se define como el voltaje de CA nominal U R AC . Los voltajes de CA nominales generalmente se especifican en la frecuencia de la red de una región (50 o 60 Hz).
La tensión de CA nominal se calcula generalmente de modo que un aumento de la temperatura interna de 8 a 10 K establezca el límite permitido para los condensadores de película. Estas pérdidas aumentan con el aumento de la frecuencia y los fabricantes especifican curvas para reducir la potencia máxima de las tensiones de CA permitidas a frecuencias más altas.
Los condensadores, incluidos los de película, diseñados para un funcionamiento continuo a baja frecuencia (50 o 60 Hz) de tensión de red, normalmente entre línea y neutro o línea y tierra para supresión de interferencias, deben cumplir las clasificaciones de seguridad estándar; por ejemplo, X2 está diseñado para funcionar entre línea y neutro a 200-240 V CA, e Y2 entre línea y tierra. Estos tipos están diseñados para ser fiables y, en caso de fallo, para que fallen de forma segura (circuito abierto, en lugar de cortocircuito). [65] Un modo de fallo no catastrófico en esta aplicación se debe al efecto corona : el aire encerrado en el elemento de bobinado se ioniza y, en consecuencia, se vuelve más conductor, lo que permite descargas parciales en la superficie metalizada de la película, lo que provoca la vaporización local de la metalización. Esto ocurre repetidamente y puede provocar una pérdida significativa de capacitancia (decaimiento de C) a lo largo de uno o dos años. La norma internacional IEC60384-14 especifica un límite de desintegración de 10% de C por cada 1000 horas de prueba (41 días de conexión permanente). [66] Algunos condensadores están diseñados para minimizar este efecto. Un método, a costa de un mayor tamaño y coste, es que un condensador que funcione a 200-240 V CA conste internamente de dos partes en serie, cada una a una tensión de 100-120 V CA, insuficiente para provocar la ionización. Los fabricantes también adoptan una construcción más barata y más pequeña destinada a evitar el efecto corona sin secciones conectadas en serie, por ejemplo, minimizando el aire encerrado. [66]
En el caso de los condensadores de película metalizada, la tensión de impulso máxima posible está limitada debido a la capacidad limitada de transporte de corriente entre el contacto de los electrodos y los propios electrodos. La tensión de impulso nominal V p es el valor pico de la tensión de impulso que se puede aplicar de forma continua a un condensador a la temperatura nominal y a una frecuencia dada. La capacidad de tensión de impulso se expresa como tiempo de subida de la tensión de impulso dV/dT en V/μs y también implica la capacidad máxima de corriente de impulso. Los valores del tiempo de subida de impulso se refieren a la tensión nominal. Para tensiones de funcionamiento inferiores, los tiempos de subida de impulso admisibles pueden disminuir. La capacidad de carga de impulso admisible de un condensador de película se calcula generalmente de forma que sea aceptable un aumento de temperatura interna de 8 a 10 K.
El tiempo máximo de impulso admisible de los condensadores de película que se pueden utilizar dentro del rango de temperatura nominal se especifica en las hojas de datos correspondientes. Si se supera la carga de impulso máxima especificada, se puede destruir el condensador.
Para cada aplicación individual, se debe calcular la carga de pulsos. No existe una regla general para calcular la capacidad de potencia de los condensadores de película debido a las diferencias entre proveedores que surgen de los detalles de construcción interna de los distintos condensadores. Por lo tanto, se hace referencia al procedimiento de cálculo del fabricante WIMA como un ejemplo de los principios de aplicación general. [67]
La impedancia es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de corriente alterna (CA) a una frecuencia determinada.
En las hojas de datos de los condensadores de película, solo se especificará la magnitud de la impedancia |Z| y se escribirá simplemente como "Z". La fase de la impedancia se especifica como factor de disipación .
Si se conocen los valores equivalentes en serie de un condensador y y , y la frecuencia, entonces se puede calcular la impedancia con estos valores. La impedancia es entonces la suma de la adición geométrica (compleja) de las resistencias real y reactiva.
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas y tienen el mismo valor ( ), entonces la impedancia solo estará determinada por .
La impedancia es una medida de la capacidad del condensador para pasar corrientes alternas. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente pueden pasar corrientes alternas a través del condensador. Los condensadores de película se caracterizan por valores de impedancia muy pequeños y frecuencias de resonancia muy altas, especialmente en comparación con los condensadores electrolíticos .
La resistencia en serie equivalente (ESR) resume todas las pérdidas resistivas del condensador. Estas son las resistencias de la línea de alimentación, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos y las pérdidas dieléctricas en la película dieléctrica. La mayor parte de estas pérdidas son, por lo general, las pérdidas disipativas en el dieléctrico.
En el caso de los condensadores de película, en las hojas de datos correspondientes se especificará el factor de disipación tan δ , en lugar de la ESR. El factor de disipación se determina mediante la tangente del ángulo de fase entre la reactancia capacitiva X C menos la reactancia inductiva X L y la ESR .
Si la inductancia ESL es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
La razón por la que se utiliza el factor de disipación en lugar del ESR es que los condensadores de película se utilizaban originalmente principalmente en circuitos resonantes que determinaban la frecuencia . El valor recíproco del factor de disipación se define como el factor de calidad "Q" . Un valor Q alto es una señal de la calidad de la resonancia en circuitos resonantes.
El factor de disipación de los condensadores de película/lámina es menor que el de los condensadores de película metalizada, debido a la menor resistencia de contacto con el electrodo de lámina en comparación con el electrodo de película metalizada.
El factor de disipación de los condensadores de película depende de la frecuencia, la temperatura y el tiempo. Si bien las dependencias de la frecuencia y la temperatura surgen directamente de las leyes físicas, la dependencia del tiempo está relacionada con los procesos de envejecimiento y adsorción de humedad.
Un condensador cargado se descarga con el tiempo a través de su propia resistencia de aislamiento interna R isol . La multiplicación de la resistencia de aislamiento junto con la capacidad del condensador da como resultado una constante de tiempo que se denomina "constante de tiempo de autodescarga": (τ isol = R isol •C). Esta es una medida de la calidad del dieléctrico con respecto a sus propiedades aislantes y se dimensiona en segundos. Los valores habituales para los condensadores de película varían de 1000 s hasta 1.000.000 s. Estas constantes de tiempo siempre son relevantes si los condensadores se utilizan como elementos determinantes del tiempo (como retardo de temporización) o para almacenar un valor de tensión como en circuitos de muestreo y retención o integradores.
La absorción dieléctrica es el nombre que se le da al efecto por el cual un condensador que ha estado cargado durante mucho tiempo se descarga solo de forma incompleta cuando se descarga brevemente. Es una forma de histéresis en los voltajes de los condensadores. Aunque un condensador ideal permanecería a cero voltios después de ser descargado, los condensadores reales desarrollarán un pequeño voltaje residual, un fenómeno que también se llama "soakerage".
La siguiente tabla enumera los valores típicos de la absorción dieléctrica para materiales de película comunes [26] [27] [29] [30]
Los condensadores de película de polipropileno tienen los valores de voltaje más bajos generados por absorción dieléctrica. Por lo tanto, son ideales para circuitos analógicos de precisión o para integradores y circuitos de muestreo y retención .
Los condensadores de película están sujetos a ciertos procesos de envejecimiento muy pequeños pero mensurables. El principal proceso de degradación es una pequeña cantidad de contracción de la película plástica, que se produce principalmente durante el proceso de soldadura, pero también durante el funcionamiento a altas temperaturas ambientales o con una carga de corriente elevada. Además, puede producirse cierta absorción de humedad en los devanados del condensador en condiciones de funcionamiento en climas húmedos.
La tensión térmica durante el proceso de soldadura puede cambiar el valor de capacitancia de los capacitores de película con plomo entre un 1% y un 5% con respecto al valor inicial, por ejemplo. En el caso de los dispositivos de montaje superficial, el proceso de soldadura puede cambiar el valor de capacitancia hasta en un 10%. El factor de disipación y la resistencia de aislamiento de los capacitores de película también pueden verse modificados por los factores externos descritos anteriormente, en particular por la absorción de humedad en climas con alta humedad.
Los fabricantes de condensadores de película pueden ralentizar el proceso de envejecimiento causado por la absorción de humedad utilizando una mejor encapsulación. Este proceso de fabricación más costoso puede explicar el hecho de que los condensadores de película con el mismo diseño de cuerpo básico se puedan suministrar en diferentes clasificaciones de estabilidad de vida útil denominadas grados de rendimiento . Los condensadores de grado de rendimiento 1 son de "larga vida útil", los condensadores de grado de rendimiento 2 son condensadores de "uso general". Las especificaciones detrás de estos grados se definen en la norma pertinente de IEC/EN 60384-x (consulte las normas).
Los cambios permisibles de capacitancia, factor de disipación y resistencia de aislamiento varían según el material de la película y se especifican en la hoja de datos correspondiente. Las variaciones a lo largo del tiempo que superen los valores especificados se consideran como un fallo por degradación.
Los condensadores de película son generalmente componentes muy fiables con tasas de fallos muy bajas y una esperanza de vida prevista de décadas en condiciones normales. La esperanza de vida de los condensadores de película suele especificarse en términos de tensión aplicada, carga de corriente y temperatura. [68]
Se han fabricado condensadores de película con códigos de colores, pero lo habitual es imprimir información más detallada en el cuerpo. Según la norma IEC 60384.1, los condensadores deben estar marcados con la siguiente información:
Los condensadores de supresión de RFI de voltaje de red también deben estar marcados con las aprobaciones de la agencia de seguridad correspondiente.
La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden marcar con códigos cortos. La capacitancia se indica a menudo con el indicador de submúltiplo en lugar de un punto decimal que se borra fácilmente, como: n47 = 0,47 nF, 4n7 = 4,7 nF, 47n = 47 nF
En comparación con las otras dos tecnologías principales de condensadores, los condensadores cerámicos y electrolíticos , los condensadores de película tienen propiedades que los hacen particularmente adecuados para muchas aplicaciones industriales y de propósito general en equipos electrónicos. [69] [70] [71]
Dos de las principales ventajas de los condensadores de película son sus valores muy bajos de ESR y ESL. Los condensadores de película son físicamente más grandes y más caros que los condensadores electrolíticos de aluminio (e-caps), pero tienen capacidades de carga de impulsos y sobretensiones mucho mayores. Como los condensadores de película no están polarizados, se pueden utilizar en aplicaciones de voltaje de CA sin polarización de CC y tienen parámetros eléctricos mucho más estables. Los condensadores de película de polipropileno tienen una dependencia relativamente pequeña de la temperatura de la capacitancia y el factor de disipación, de modo que se pueden aplicar en aplicaciones de Clase 1 con estabilidad de frecuencia, reemplazando a los condensadores cerámicos de Clase 1.
Los condensadores de película de polipropileno cumplen los criterios de estabilidad de los condensadores de clase 1 y tienen bajas pérdidas eléctricas y un comportamiento casi lineal en un rango muy amplio de temperatura y frecuencia. Se utilizan para osciladores y circuitos resonantes ; para aplicaciones de filtros electrónicos con un alto factor de calidad (Q) como filtros de paso alto , filtros de paso bajo y filtros de paso de banda , así como para circuitos de sintonización; para cruces de audio en altavoces ; en convertidores A/D de muestreo y retención y en detectores de voltaje pico. Se requieren tolerancias de capacitancia estrictas para aplicaciones de temporización en luces de señal o generadores de ancho de pulso para controlar la velocidad de los motores; los condensadores de película de PP también son adecuados debido a su corriente de fuga muy baja.
Los condensadores de película de PP de clase 1 pueden soportar una corriente más alta que los condensadores cerámicos de estabilidad de clase 1. Las características precisas de temperatura negativa del polipropileno hacen que los condensadores de PP sean útiles para compensar los cambios inducidos por la temperatura en otros componentes.
El rápido tiempo de subida de pulso, la alta rigidez dieléctrica ( voltaje de ruptura ) y el bajo factor de disipación (Q alto) son las razones para el uso de condensadores de película de polipropileno en aplicaciones de ajuste fly-back y corrección S en televisores y equipos de visualización de tubo CRT más antiguos. Por razones similares, los condensadores de película de PP, a menudo en versiones con terminales especiales para corrientes de pico altas, funcionan bien como amortiguadores para circuitos electrónicos de potencia. Debido a sus altas capacidades de sobretensión de pulso, los condensadores de PP son adecuados para su uso en aplicaciones donde se necesitan pulsos de alta corriente, como en localizadores de fallas de cable reflectómetros de dominio de tiempo (TDR), en máquinas de soldar , desfibriladores , en láseres pulsados de alta potencia o para generar destellos de luz o rayos X de alta energía.
Además, los condensadores de película de polipropileno se utilizan en muchas aplicaciones de CA, como desfasadores para PFC [72] en lámparas fluorescentes o como condensadores de funcionamiento de motores.
Para circuitos de filtrado de frecuencias más altas , o en circuitos de reguladores de voltaje o duplicadores de voltaje, los condensadores de película de poliéster metalizado de bajo costo brindan estabilidad a largo plazo y pueden reemplazar a los condensadores de tantalio más costosos . Debido a que los condensadores pasan señales de CA pero bloquean la CC, los condensadores de película con su alta resistencia de aislamiento y baja autoinductancia son adecuados como condensadores de acoplamiento de señales para frecuencias más altas. Por razones similares, los condensadores de película se usan ampliamente como condensadores de desacoplamiento para suprimir el ruido o los transitorios.
Los condensadores de película fabricados con plásticos de menor costo se utilizan para aplicaciones no críticas que no requieren características ultra estables en un amplio rango de temperaturas, como para suavizado o acoplamiento de señales de CA. Los condensadores de película de poliéster (KT) del tipo "apilado" se utilizan a menudo en la actualidad en lugar de los condensadores de poliestireno (KS), que se han vuelto menos disponibles.
Los condensadores de película metalizada tienen propiedades de autocuración y pequeñas imperfecciones no conducen a la destrucción del componente, lo que hace que estos condensadores sean adecuados para condensadores de supresión de RFI/EMI con protección contra fallas contra descargas eléctricas y propagación de llamas, aunque las descargas de corona repetidas que se autocuran pueden conducir a una pérdida significativa de capacitancia. [66]
Los condensadores de película de PTFE se utilizan en aplicaciones que deben soportar temperaturas extremadamente altas, como en equipos militares, en la industria aeroespacial, en sondas geológicas o en circuitos de quemado.
Electromagnetic interference (EMI) or radio-frequency interference (RFI) suppression film capacitors, also known as "AC line filter safety capacitors" or "Safety capacitors", are used as crucial components to reduce or suppress electrical noise caused by the operation of electrical or electronic equipment, while also providing limited protection against electrical shocks.[73][74][75][76]
A suppression capacitor is an effective interference reduction component because its electrical impedance decreases with increasing frequency, so that at higher frequencies they short circuit electrical noise and transients between the lines, or to ground. They therefore prevent equipment and machinery (including motors, inverters, and electronic ballasts, as well as solid-state relay snubbers and spark quenchers) from sending and receiving electromagnetic and radio frequency interference as well as transients in across-the-line (X capacitors) and line-to-ground (Y capacitors) connections. X capacitors effectively absorb symmetrical, balanced, or differential interference. On the other hand, Y capacitors are connected in a line bypass between a line phase and a point of zero potential, to absorb asymmetrical, unbalanced, or common-mode interference.
EMI/RFI suppression capacitors are designed and installed so that remaining interference or electrical noise does not exceed the limits of EMC directive EN 50081[77] Suppression components are connected directly to mains voltage semi-permanently for 10 to 20 years or more, and are therefore exposed to overvoltages and transients which could damage the capacitors. For this reason, suppression capacitors must comply with the safety and inflammability requirements of international safety standards such as the following:
RFI capacitors which fulfill all specified requirements are imprinted with the certification mark of various national safety standards agencies. For power line applications, special requirements are placed on the inflammability of the coating and the epoxy resin impregnating or coating the capacitor body. To receive safety approvals, X and Y powerline-rated capacitors are destructively tested to the point of failure. Even when exposed to large overvoltage surges, these safety-rated capacitors must fail in a fail-safe manner that will not endanger personnel or property.
Most EMI/RFI suppression film capacitors are polyester (PET) or metallized polypropylene (PP) film capacitors. However, some types of metallized paper capacitors (MP) are still used for this application, because they still have some advantages in flame resistance.[78]
Some safety capacitors have built-in capacitor discharge resistors.
A lighting ballast is a device to provide proper starting and operating electrical conditions to light one or more fluorescent lamps, while also limiting the amount of current. A familiar and widely used example is the traditional inductive ballast used in fluorescent lamps, to limit the current through the tube, which would otherwise rise to destructive levels due to the tube's negative resistance characteristic. A disadvantage of using an inductor is that current is shifted out of phase with the voltage, producing a poor power factor.
Modern electronic ballasts usually change the frequency of the power from a standard mains frequency of 50 or 60 Hz up to 40 kHz or higher, often using a Switched Mode Power Supply (SMPS) circuit topology with PFC. First the AC input power is rectified to DC, and then it is chopped at a high frequency to improve the power factor. In more expensive ballasts, a film capacitor is often paired with the inductor to correct the power factor. In the picture at right, the flat grey rectangular component in the middle of the ballast circuit is a polyester film capacitor used for PFC.[79][80]
Snubber capacitors are designed for the high peak current operation required for protection against transient voltages. Such voltages are caused by the high "di/dt" current slew rate generated in switching power electronics applications.
Snubbers are energy-absorbing circuits used to eliminate voltage spikes caused by circuit inductance when a switch opens. The purpose of the snubber is to improve electromagnetic compatibility (EMC) by eliminating the voltage transient that occurs when a switch abruptly opens, or by suppressing sparking of switch contacts (such as an automotive ignition coil with mechanical interrupter), or by limiting the voltage slew rate of semiconductor switches like thyristors, GTO thyristors, IGBTs and bipolar transistors. Snubber capacitors (or higher power "damping capacitors") require a very low self-inductance and very low ESR capacitor construction. These devices are also expected to be highly reliable because, if the snubber RC circuitry fails, a power semiconductor will be destroyed in most cases.
Snubber circuits usually incorporate film capacitors, mostly polypropylene film caps. The most important criteria for this application are a low self-inductance, low ESR, and very high peak current capability. The so-called "snubber" capacitors sometimes have some additional special construction features. The self-inductance is reduced by slimmer designs with narrower width of the electrodes. By double-sided metallization or the film/foil construction of the electrodes, the ESR also can be reduced, increasing the peak current capability. Specially widened terminals which can be mounted directly beneath semiconductor packages can help to increase current handling and decrease inductance.
The most popular simple snubber circuit consists out of a film capacitor and a resistor in series, connected in parallel with a semiconductor component to suppress or damp undesirable voltage spikes.[81] The capacitor absorbs the inductive turn-off peak current temporarily, so that the resulting voltage spike is limited. But the trend in modern semiconductor technology is towards higher power applications, which increases the peak currents and switching speeds. In this case, the boundary between a standard electronic film capacitor and a power capacitor is blurred, so that larger snubber capacitors belong more in the area of power systems, electrical installations and plants.
The overlapping categories of film and power capacitors are visible when they are applied as snubber capacitors in the growing market for high power electronics with IGBT's and thyristors. Although the power capacitors use polypropylene film, like the smaller snubber film capacitors, they belong to the family of power capacitors, and are called "damping" capacitors.
The relatively simple fabrication technique of winding gives film capacitors the possibility of attaining even very large sizes for applications in the high power range, as so-called "power capacitors". Although the materials and the construction of power capacitors are mostly similar to the smaller film capacitors, they are specified and marketed differently for historical reasons.
The "film capacitors" were developed together with the growing market of broadcast and electronic equipment technology in the mid-20th century. These capacitors are standardized under the rules of IEC/EN 60384-1 "Capacitors for use in electronic equipment" and different "film materials" have their own sub standards, the IEC/EN 60384-n series. The "power capacitors" begin at a power handling capacity of approximately 200 volt-amps, such as for ballast capacitors in fluorescent lamps. The standardization of power capacitors follows the rules of IEC/EN 61071 and IEC/EN 60143–1, and have for various different applications their own sub standards, such as for railway applications.
Power capacitors can be used for a wide variety of applications, even where extremely non-sinusoidal voltages and pulsed currents are present. Both AC and DC capacitors are available. AC capacitors serve as damping or snubbing capacitors when connected in series with a resistor, and are also specified for the damping of undesirable voltage spikes caused by the so-called charge carrier storage effect during switching of power semiconductors. In addition, AC capacitors are used in low-detuned or close-tuned filter circuits for filtering or absorbing harmonics. As pulse discharge capacitors, they are useful in applications with reversing voltages, such as in magnetizing equipment.
The scope of application for DC capacitors is similarly diverse. Smoothing capacitors are used to reduce the AC component of fluctuating DC voltage (such as in power supplies for radio and television transmitters), and for high voltage testing equipment, DC controllers, measurement and control technology and cascaded circuits for generation of high DC voltage. Supporting capacitors, DC-filter or buffer circuit capacitors are used for energy storage in intermediate DC circuits, such as in frequency converters for poly-phase drives, and transistor and thyristor power converters. They must be able to absorb and release very high currents within short periods, the peak values of currents being substantially greater than the RMS values.
Surge (pulse) discharge capacitors are also capable of supplying or absorbing extreme short-duration current surges. They are usually operated in discharge applications with non-reversing voltages, and at low repetition frequencies, such as in laser technology and lighting generators.
Power capacitors can reach quite large physical dimensions. Rectangular housings with internally interconnected individual capacitors can reach sizes of L×W×H = (350×200×1000) mm and above.
This article draws heavily on a corresponding article Kunststoff-Folienkondensator in the German-language Wikipedia, accessed in the version of 12 March 2012.
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