Un condensador polimérico , o más precisamente, un condensador electrolítico polimérico , es un condensador electrolítico (e-cap) con un electrolito polimérico conductor sólido . Existen cuatro tipos diferentes:
Los capacitores Ta-e de polímero están disponibles en estilo de chip de dispositivo de montaje en superficie ( SMD ) rectangular. Los capacitores Al-e de polímero y los capacitores Al-e de polímero híbrido están disponibles en estilo de chip de dispositivo de montaje en superficie (SMD) rectangular, en estilo SMD cilíndrico (chips V) o como versiones con conductores radiales (de un solo extremo).
Los condensadores electrolíticos de polímero se caracterizan por tener resistencias internas equivalentes en serie (ESR) particularmente bajas y corrientes de rizado elevadas. Sus parámetros eléctricos tienen una dependencia de la temperatura, una fiabilidad y una vida útil similares a las de los condensadores de tantalio sólidos, pero tienen una dependencia de la temperatura mucho mejor y una vida útil considerablemente más larga que los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos. En general, los condensadores electrolíticos de polímero tienen una corriente de fuga nominal más alta que los demás condensadores electrolíticos sólidos o no sólidos.
Los condensadores electrolíticos de polímero también están disponibles en una construcción híbrida. Los condensadores electrolíticos híbridos de polímero y aluminio combinan un electrolito de polímero sólido con un electrolito líquido. Estos tipos se caracterizan por valores bajos de ESR pero tienen corrientes de fuga bajas y son insensibles a transitorios [1] , sin embargo tienen una vida útil dependiente de la temperatura similar a los condensadores electrolíticos no sólidos.
Los condensadores electrolíticos de polímero se utilizan principalmente en fuentes de alimentación de circuitos electrónicos integrados como condensadores de búfer, de derivación y de desacoplamiento, especialmente en dispositivos con diseño plano o compacto. Por tanto, compiten con los condensadores MLCC , pero ofrecen valores de capacitancia más altos que los MLCC y no muestran efecto microfónico (como los condensadores cerámicos de clase 2 y 3 ). [ cita requerida ]
Los condensadores electrolíticos de aluminio (Al-e-caps) con electrolitos líquidos fueron inventados en 1896 por Charles Pollak .
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolitos sólidos de dióxido de manganeso (MnO 2 ) fueron inventados por Bell Laboratories a principios de la década de 1950, como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar el transistor recién inventado , [2] [3] consulte Condensador de tantalio . Los primeros condensadores Ta-e con electrolitos MnO 2 tenían una conductividad 10 veces mejor y una carga de corriente de ondulación más alta que los tipos anteriores de condensadores Al-e con electrolito líquido. Además, a diferencia de los condensadores Al-e estándar, la resistencia en serie equivalente (ESR) de los condensadores Ta es estable a temperaturas variables.
Durante la década de 1970, la creciente digitalización de los circuitos electrónicos trajo consigo una disminución de los voltajes operativos y un aumento de las frecuencias de conmutación y de las cargas de corriente de rizado. Esto tuvo consecuencias para las fuentes de alimentación y sus condensadores electrolíticos. Se necesitaban condensadores con menor ESR y menor inductancia en serie equivalente (ESL) para los condensadores de derivación y desacoplamiento utilizados en las líneas de suministro de energía. [4] Véase Función de ESR, ESL y capacitancia.
En 1973 se produjo un gran avance con el descubrimiento por A. Heeger y F. Wudl [5] de un conductor orgánico, la sal de transferencia de carga TCNQ. El TCNQ ( 7,7,8,8-tetracianoquinodimetano o Nn-butil isoquinolinio en combinación con TTF ( tetratiafulvaleno )) es una molécula en cadena de estructura unidimensional casi perfecta que tiene una conductividad 10 veces mejor a lo largo de las cadenas que el MnO 2 , y tiene una conductividad 100 veces mejor que los electrolitos no sólidos.
Los primeros condensadores de Al-e que utilizaban la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ como electrolito orgánico sólido fueron los de la serie OS-CON, que Sanyo ofreció en 1983. Se trataba de condensadores cilíndricos bobinados con una conductividad del electrolito diez veces mayor que la del MnO 2 [6] [7]
Estos condensadores se utilizaban en dispositivos para aplicaciones que requerían la menor ESR posible o la mayor corriente de rizado posible. Un condensador electrónico OS-CON podía sustituir a tres condensadores electrónicos "húmedos" más voluminosos o a dos condensadores Ta. [8] En 1995, el Sanyo OS-CON se convirtió en el condensador de desacoplamiento preferido para los ordenadores personales IBM basados en procesadores Pentium. La línea de productos Sanyo OS-CON e-cap se vendió en 2010 a Panasonic. Panasonic sustituyó entonces la sal TCNQ por un polímero conductor de la misma marca.
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. [9] La conductividad de los polímeros conductores como el polipirrol (PPy) [10] o PEDOT [11] es mejor que la del TCNQ en un factor de 100 a 500, y cercana a la conductividad de los metales.
En 1988, el fabricante japonés Nitsuko lanzó al mercado el primer e-cap con electrolito de polímero, "APYCAP" con electrolito de polímero PPy. [12] El producto no tuvo éxito, en parte porque no estaba disponible en versiones SMD.
En 1991, Panasonic lanzó su serie de condensadores de polímero Al "SP-Cap", [13] Estos condensadores de polímero PPy utilizaban un electrolito de polímero y alcanzaban valores de ESR que eran directamente comparables a los de los condensadores multicapa cerámicos (MLCC). Eran aún menos costosos que los condensadores de tantalio y, con su diseño plano útil en dispositivos compactos como computadoras portátiles y teléfonos celulares, también competían 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 Ta-e 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 . [14] Este condensador utilizaba el polímero conductor orgánico recientemente desarrollado PEDT ( poli(3,4-etilendioxitiofeno) ), también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron®). [15]
Dos años después, en la Conferencia APEC de 2001, Kemet introdujo en el mercado los condensadores electrónicos de aluminio con polímero PEDOT. [16] El polímero PEDOT tiene una mayor estabilidad térmica y, como solución PEDOT:PSS, este electrolito se puede insertar solo por inmersión en lugar de mediante polimerización in situ como en el caso del PPy, lo que hace que la producción sea más rápida y económica. [8] Su serie AO-Cap incluía condensadores SMD con ánodo apilado de tamaño "D" con alturas de 1,0 a 4,0 mm, en competencia con los SP-Caps de Panasonic que utilizaban PPy en ese momento.
A principios del milenio se desarrollaron los condensadores de polímero híbridos, que, además del electrolito de polímero sólido, tienen un electrolito líquido que conecta las capas de polímero que cubren la capa dieléctrica del ánodo y la lámina del cátodo. [1] [17] El electrolito no sólido proporciona oxígeno con fines de autorreparación para reducir la corriente de fuga. En 2001, NIC lanzó un e-cap de polímero híbrido para reemplazar un tipo de polímero a un precio más bajo y con una corriente de fuga más baja. A partir de 2016, los condensadores de polímero híbridos están disponibles de varios fabricantes.
La aplicación predominante de todos los condensadores electrolíticos es en las fuentes de alimentación . Se utilizan en condensadores de suavizado de entrada y salida, como condensadores de desacoplamiento para hacer circular la corriente armónica en un bucle corto, como condensadores de derivación para derivar el ruido de CA a tierra mediante eludir las líneas de suministro de energía, como condensadores de respaldo para mitigar la caída de voltaje de línea durante una demanda de energía repentina o como condensador de filtro en un filtro de paso bajo para reducir los ruidos de conmutación. [18] En estas aplicaciones, además del tamaño, la capacitancia, la impedancia Z , la ESR y la inductancia ESL son características eléctricas importantes para la funcionalidad de estos condensadores en los circuitos.
El cambio a equipos electrónicos digitales condujo al desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas con frecuencias más altas y convertidores CC/CC "integrados" , tensiones de alimentación más bajas y corrientes de alimentación más altas. Los condensadores para estas aplicaciones necesitaban valores de ESR más bajos, que en ese momento con los condensadores de Al-e solo se podían lograr con tamaños de carcasa más grandes o reemplazándolos por condensadores Ta sólidos mucho más costosos.
La razón por la que la ESR influye en la funcionalidad de un circuito integrado es sencilla. Si el circuito (por ejemplo, un microprocesador ) tiene una demanda de potencia repentina, la tensión de alimentación cae por ESL, ESR y pérdida de carga de capacitancia. Porque en caso de una demanda de corriente repentina, la tensión de la línea de alimentación cae:
Por ejemplo: [4]
Dada una tensión de alimentación de 3 V, con una tolerancia del 10% (300 mV) y una corriente de alimentación de un máximo de 10 A, una demanda de potencia repentina reduce la tensión en
Esto significa que la ESR en una fuente de alimentación de CPU debe ser inferior a 30 mΩ, de lo contrario el circuito funciona mal. Reglas similares son válidas para la capacitancia y la ESL. La capacitancia específica podría aumentarse con el paso de los años mediante láminas de ánodo grabadas más altas o mediante granos de polvo de tantalio más pequeños y finos en un factor de 10 a 15 y podría seguir la tendencia de miniaturización. El desafío de la ESL ha llevado a las versiones de láminas apiladas de e-caps de polímero Al. Sin embargo, para reducir la ESR, solo el desarrollo de nuevos materiales conductores sólidos, primero TCNQ, después los polímeros conductores, que llevaron al desarrollo de los condensadores de electrolito de polímero con sus valores de ESR muy bajos, pudo aceptar el desafío de la ESR de la digitalización de circuitos electrónicos.
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, anteriormente llamados "metales de válvula", que mediante oxidación anódica forman una capa de óxido aislante. Aplicando un voltaje positivo al material del ánodo (+) en un baño electrolítico, se puede formar una capa de barrera de óxido con un espesor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Para aumentar la capacitancia de los condensadores, la superficie del ánodo se vuelve rugosa y, por lo tanto, la superficie de la capa de óxido también se vuelve rugosa. Para completar un condensador, un contraelectrodo debe coincidir con la superficie rugosa del óxido aislante. Esto se logra mediante el electrolito, que actúa como el electrodo del cátodo (-) de un condensador electrolítico. La principal diferencia entre los condensadores de polímero es el material del ánodo y su óxido utilizado como dieléctrico:
Las propiedades de la capa de óxido de aluminio en comparación con la capa dieléctrica de pentóxido de tantalio se dan en la siguiente tabla:
Cada e-cap forma en principio un "condensador de placas" cuya capacitancia es una función creciente del área del electrodo A, la permitividad ε del material dieléctrico y el espesor del dieléctrico (d).
La capacitancia es proporcional al producto del área de una placa multiplicada por la permitividad y dividida por el espesor dieléctrico.
El espesor dieléctrico se encuentra en el rango de nanómetros por voltio. Por otro lado, el voltaje de ruptura de estas capas de óxido es bastante alto. Usando ánodos grabados o sinterizados, con su área de superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa del mismo tamaño o volumen, los e-caps pueden lograr una alta capacitancia volumétrica. Los últimos desarrollos en ánodos grabados o sinterizados de alta capacidad aumentan el valor de capacitancia, dependiendo del voltaje nominal, en un factor de hasta 200 para los e-caps de Al o Ta en comparación con los ánodos lisos. [23] [24] [25]
Como el voltaje de formación define el espesor del óxido, se puede producir fácilmente la tolerancia de voltaje deseada. Por lo tanto, el volumen de un capacitor se define por el producto de la capacitancia y el voltaje, el llamado "producto CV".
Comparando las constantes dieléctricas de los óxidos de tantalio y aluminio, Ta 2 O 5 tiene una permitividad aproximadamente 3 veces mayor que Al 2 O 3 . Por lo tanto, los condensadores Ta teóricamente pueden ser más pequeños que los condensadores Al con la misma capacitancia y voltaje nominal. Para los condensadores electrolíticos de tantalio reales, los espesores de la capa de óxido son mucho más gruesos que el voltaje nominal que realmente requiere el condensador. Esto se hace por razones de seguridad para evitar cortocircuitos provenientes de la cristalización de campo. Por esta razón, las diferencias reales de tamaños que se derivan de las diferentes permitividades son parcialmente ineficaces. [26]
La propiedad eléctrica más importante de un electrolito en un condensador electrolítico es su conductividad eléctrica . El electrolito forma el contraelectrodo, del condensador electrolítico, el cátodo . Las estructuras rugosas de la superficie del ánodo continúan en la estructura de la capa de óxido, el dieléctrico, el cátodo debe adaptarse exactamente a la estructura rugosa. Con un líquido, como en los condensadores electrolíticos "húmedos" convencionales, esto es fácil de lograr. En los condensadores electrolíticos de polímero en los que un polímero conductor sólido forma el electrolito, esto es mucho más difícil de lograr, porque su conductividad se obtiene mediante un proceso químico de polimerización. Sin embargo, las ventajas de un electrolito de polímero sólido, la ESR significativamente menor del condensador y la baja dependencia de la temperatura de los parámetros eléctricos, en muchos casos justifican los pasos de producción adicionales, así como los mayores costos.
Los condensadores electrolíticos con la sal de transferencia de carga tetracianoquinodimetano TCNQ como electrolito, producidos anteriormente por Sanyo con el nombre comercial "OS-CON", en el verdadero sentido del término "polímero" no eran "condensadores de polímero". Los condensadores electrolíticos TCNQ se mencionan aquí para señalar el peligro de confusión con los condensadores de polímero "reales", que se venden hoy en día con el mismo nombre comercial OS-CON. Los condensadores OS-CON originales con electrolito TCNQ vendidos por el antiguo fabricante Sanyo han sido descontinuados con la integración de las empresas de condensadores de Sanyo por parte de Panasonic en 2010. [27] Panasonic mantiene el nombre comercial OS-CON pero cambia el electrolito TCNQ por un electrolito de polímero conductor (PPy). [28]
Los condensadores electrolíticos con electrolito TCNQ ya no están disponibles.
Los polímeros se forman mediante una reacción química , la polimerización . En esta reacción, los monómeros se unen continuamente a una hebra de polímero en crecimiento. [29] [30] [31] Por lo general, los polímeros son aislantes eléctricos, en el mejor de los casos, semiconductores. Para su uso como electrolito en e-caps, se emplean polímeros conductores eléctricos. La conductividad de un polímero se obtiene mediante dobles enlaces conjugados que permiten el libre movimiento de los portadores de carga en el estado dopado . Como portadores de carga sirven huecos de electrones . [ aclaración necesaria ] Esto significa que la conductividad de los polímeros conductores, que es casi comparable con los conductores metálicos, solo comienza cuando los polímeros se dopan de forma oxidativa o reductiva.
Un electrolito de polímero debe ser capaz de penetrar los poros más finos del ánodo para formar una capa completa y homogénea, ya que solo las secciones de óxido del ánodo cubiertas por el electrolito contribuyen a la capacitancia. Para ello, los precursores del polímero deben consistir en materiales de base muy pequeños que puedan penetrar incluso los poros más pequeños. El tamaño de estos precursores es el factor limitante en el tamaño de los poros en las láminas de ánodo de aluminio grabadas o en el tamaño del polvo de tantalio. La velocidad de polimerización debe controlarse para la fabricación de condensadores. Una polimerización demasiado rápida no conduce a una cobertura completa del ánodo, mientras que una polimerización demasiado lenta aumenta los costos de producción. Ni los precursores ni el polímero o sus residuos pueden atacar el óxido del ánodo químicamente o mecánicamente. El electrolito de polímero debe tener una alta estabilidad en un amplio rango de temperaturas durante largos períodos. La película de polímero no sólo es el contraelectrodo del e-cap, sino que también protege el dieléctrico incluso contra influencias externas como el contacto directo del grafito en estos condensadores, que están provistos de un contacto de cátodo a través de grafito y plata.
Los e-caps de polímero emplean polipirrol (PPy) [32] o politiofeno (PEDOT o PEDT) [33]
El polipirrol (PPy) es un polímero conductor formado por polimerización oxidativa de pirrol . Un agente oxidante adecuado es el cloruro de hierro (III) (FeCl3 ) . Se pueden utilizar agua, metanol, etanol, acetonitrilo y otros disolventes polares para la síntesis de PPy. [34] Como electrolito polimérico conductor sólido, alcanza conductividades de hasta 100 S /m. El polipirrol fue el primer polímero conductor utilizado en los condensadores Al-e de polímero, así como en los condensadores Ta-e de polímero.
El problema con la polimerización del PPy era la velocidad de polimerización. Cuando el pirrol se mezcla con los agentes oxidantes deseados a temperatura ambiente, la reacción de polimerización comienza inmediatamente. Por lo tanto, el polipirrol comienza a formarse antes de que la solución química pueda entrar en los poros del ánodo. La velocidad de polimerización se puede controlar mediante enfriamiento criogénico o mediante polimerización electroquímica.
El método de enfriamiento requiere un gran esfuerzo técnico y es desfavorable para la producción en masa. En la polimerización electroquímica, primero se debe aplicar una capa de electrodo auxiliar sobre el dieléctrico y conectarla al ánodo. [33] Para este propósito, se añaden dopantes iónicos a las sustancias básicas del polímero, formando una capa superficial conductora sobre el dieléctrico durante la primera impregnación. Durante los ciclos de impregnación posteriores, la polimerización in situ se puede controlar en el tiempo mediante el flujo de corriente después de aplicar un voltaje entre el ánodo y el cátodo. Con este método se puede lograr una película de polipirrol fina y estable sobre la capa de óxido dieléctrico del ánodo. [35] Sin embargo, ambos métodos de polimerización in situ son complejos y requieren múltiples pasos de polimerización de repetición que aumentan los costos de fabricación.
El electrolito de polipirrol tiene dos desventajas fundamentales: es tóxico para la producción de condensadores y se vuelve inestable a las temperaturas de soldadura más altas que se requieren para soldar con soldaduras sin plomo. [33]
El poli(3,4-etilendioxitiofeno) , abreviado como PEDOT o PEDT [33], es un polímero conductor basado en el monómero 3,4-etilendioxitiofeno o EDOT. El PEDOT se polariza mediante la oxidación del EDOT con cantidades catalíticas de sulfato de hierro(III) . La reoxidación del hierro se realiza mediante persulfato de sodio . [36] Las ventajas del PEDOT son la transparencia óptica en su estado conductor , su carácter no tóxico, su estabilidad hasta temperaturas de 280 °C y una conductividad de hasta 500 S /m. [33] Su resistencia al calor permite fabricar condensadores de polímero que resistan las temperaturas más altas requeridas para la soldadura sin plomo. Además, estos condensadores tienen mejores valores de ESR que los e-caps de polímero con electrolito PPy. [33]
Los métodos de polimerización in situ de PEDOT en los ánodos de los condensadores eran al principio los mismos que con el polipirrol. Esto cambió con el desarrollo de dispersiones prepolimerizadas de PEDOT en las que los ánodos de los condensadores se podían sumergir y secar a temperatura ambiente. Para ello, se añaden sustancias químicas de PEDOT con poliestireno sulfonato de sodio (PSS) y se disuelven en agua. [37] La capa de polímero completa sobre el dieléctrico se compone entonces de partículas prepolimerizadas de la dispersión. Estas dispersiones se conocen como PEDOT: PSS, nombres comerciales Baytron P® [38] y Clevios™, [39] que protegen las valiosas propiedades del PEDOT. [40] [41]
Las dispersiones PEDOT:PSS están disponibles en diferentes variantes. Para condensadores con altos valores de capacitancia con láminas de ánodo de aluminio de alta rugosidad o polvos de tantalio de grano fino, se ofrecen dispersiones que tienen tamaños de partícula muy pequeños. El tamaño promedio de estas partículas prepolimerizadas es de aproximadamente 30 nm, lo suficientemente pequeño como para penetrar los capilares anódicos más finos. Se ha desarrollado otra variante de una dispersión PEDOT:PSS con partículas prepolimerizadas más grandes que dan lugar a una capa de polímero relativamente gruesa para realizar una protección envolvente de la celda capacitiva de condensadores de polímero de Ta y Al rectangulares contra estrés mecánico y eléctrico. [33] [39]
Los condensadores electrolíticos de aluminio de polímero producidos con dispersiones PEDOT:PSS son muy adecuados para alcanzar valores de tensión nominal más elevados de 200 V [42] y 250 V [43]. Además, los valores de corriente de fuga de los condensadores electrolíticos de polímero, que se producen con estas dispersiones, son significativamente inferiores a los de los condensadores de polímero que tienen capas de polímero polimerizadas in situ. Sin embargo, detrás de los mejores valores de ESR, la mayor estabilidad de temperatura y los valores de corriente de fuga más bajos, se encuentra la facilidad de fabricación de condensadores de polímero con las dispersiones PEDOT:PSS prepolimerizadas, que en tan solo tres inmersiones tienen una cobertura casi completa del dieléctrico con una capa de polímero conductor. Este enfoque ha reducido significativamente los costos de producción [37] .
Los condensadores electrolíticos de aluminio de polímero híbrido combinan un revestimiento de la estructura del ánodo de aluminio rugoso y oxidado con un polímero conductor junto con un electrolito líquido. El electrolito líquido se empapa en el separador (espaciador) y logra con su conductividad iónica el contacto eléctrico entre las dos capas de polímero que cubren el dieléctrico y la lámina del cátodo. El electrolito líquido puede suministrar el oxígeno para los procesos de autorreparación del condensador, lo que reduce la corriente de fuga, de modo que se pueden alcanzar valores como los de un condensador electrolítico "húmedo" convencional. Además, se puede reducir el margen de seguridad para el espesor de óxido necesario para una tensión nominal deseada.
Los efectos perjudiciales del electrolito líquido sobre la ESR y las características de temperatura son relativamente bajos. Mediante el uso de electrolitos orgánicos adecuados y un buen sellado de los condensadores se puede lograr una larga vida útil. [1] [17]
Según el metal del ánodo utilizado y la combinación de un electrolito polimérico junto con un electrolito líquido, existen tres tipos diferentes:
Estos tres tipos o familias diferentes se producen en dos estilos diferentes,
A principios de los años 90, los Ta-caps de polímero coincidieron con la aparición de dispositivos planos, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles, que utilizan tecnología de montaje SMD. La superficie de base rectangular consigue el máximo espacio de montaje, algo que no es posible con superficies de base redondas. La celda sinterizada se puede fabricar de forma que el componente terminado tenga la altura deseada, normalmente la altura de otros componentes. Las alturas típicas oscilan entre 0,8 y 4 mm.
Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio son esencialmente condensadores de tantalio en los que el electrolito es un polímero conductor en lugar de dióxido de manganeso, véase también condensador de tantalio#Materiales, producción y estilos Los condensadores de tantalio se fabrican a partir de un polvo de metal de tantalio elemental relativamente puro . [44] [45] [46]
El polvo se comprime alrededor de un alambre de tantalio, la conexión del ánodo, para formar un "gránulo". Esta combinación de gránulo y alambre se sinteriza posteriormente al vacío a alta temperatura (normalmente de 1200 a 1800 °C), lo que produce un gránulo de ánodo mecánicamente resistente. Durante la sinterización, el polvo adquiere una estructura similar a una esponja, con todas las partículas interconectadas en una red espacial monolítica. Esta estructura tiene una resistencia mecánica y una densidad predecibles, pero también es muy porosa, lo que produce una gran superficie de ánodo.
La capa dieléctrica se forma entonces sobre todas las superficies de las partículas de tantalio del ánodo mediante el proceso electroquímico de anodización o conformado. Para lograr esto, el "pellet" se sumerge en una solución muy débil de ácido y se aplica voltaje de CC. El espesor dieléctrico total se determina por el voltaje final aplicado durante el proceso de conformado. A continuación, el bloque sinterizado oxidado se impregna con los precursores del polímero, para lograr el electrolito polimérico, el contraelectrodo. Este pellet polimerizado ahora se sumerge sucesivamente en grafito conductor y luego en plata para proporcionar una buena conexión con el polímero conductor. Esta capa logra la conexión del cátodo del capacitor. La celda capacitiva generalmente se moldea luego con una resina sintética.
Los condensadores electrolíticos de tantalio de polímero tienen valores ESR que son aproximadamente solo 1/10 del valor de los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso del mismo tamaño. Mediante una técnica de múltiples ánodos en la que se conectan varios bloques de ánodos en paralelo en una caja, el valor ESR se puede reducir nuevamente. La ventaja de la tecnología de múltiples ánodos, además de los valores ESR muy bajos, es la inductancia ESL más baja, por lo que los condensadores son adecuados para frecuencias más altas.
La desventaja de todos los condensadores de tantalio de polímero es la mayor corriente de fuga, que es aproximadamente diez veces mayor en comparación con los condensadores con electrolito de dióxido de manganeso. Los condensadores electrolíticos de tantalio SMD de polímero están disponibles en un tamaño de hasta 7,3 x 4,3 x 4,3 mm (largo × ancho × alto) con una capacidad de 1000 μF a 2,5 V. Cubren rangos de temperatura de −55 °C a +125 °C y están disponibles en valores de tensión nominal de 2,5 a 63 V.
La reducción de la ESR y la ESL sigue siendo un objetivo de investigación y desarrollo importante para todos los condensadores de polímero. Algunas medidas constructivas también pueden tener un impacto importante en los parámetros eléctricos de los condensadores. Se pueden lograr valores de ESR más bajos, por ejemplo, mediante la conexión en paralelo de varias celdas de condensador convencionales en una caja. Tres condensadores en paralelo con una ESR de 60 mΩ cada uno tienen una ESR resultante de 20 mΩ. Esta tecnología se llama construcción de "ánodo múltiple" y se utiliza en condensadores de polímero de tántalo con una ESR muy baja. [47] [48] En esta construcción se conectan hasta seis ánodos individuales en una caja. Este diseño se ofrece como condensadores de polímero de tántalo en chip, así como condensadores de polímero de tántalo en chip más económicos con electrolito MnO2 . Los condensadores de polímero de tántalo en chip de ánodo múltiple tienen valores de ESR en el rango de miliohmios de un solo dígito.
Otra medida constructiva sencilla modifica la inductancia parásita del condensador, la ESL. Dado que la longitud de los conductores dentro de la carcasa del condensador representa una gran parte de la ESL total, la inductancia del condensador se puede reducir reduciendo la longitud de los conductores internos mediante la sinterización asimétrica del conductor del ánodo. Esta técnica se denomina construcción "con la cara hacia abajo". Debido a la ESL más baja de esta construcción con la cara hacia abajo, la resonancia del condensador se desplaza a frecuencias más altas, que tienen en cuenta los cambios de carga más rápidos de los circuitos digitales con frecuencias de conmutación cada vez más altas. [49]
Los condensadores de chip de polímero de tantalio con estas nuevas mejoras de diseño, que tanto el ESR como el ESL disminuyen alcanzando propiedades, acercándose cada vez más a las de los condensadores MLCC.
Los condensadores de aluminio de polímero rectangulares tienen una o más láminas de ánodo de aluminio en capas y un electrolito de polímero conductor. Las láminas de ánodo en capas están en contacto entre sí por un lado, este bloque se oxida anódicamente para lograr el dieléctrico y el bloque se impregna con los precursores del polímero para lograr el electrolito de polímero, el contraelectrodo. Al igual que en el caso de los condensadores de polímero de tantalio, este bloque polimerizado se sumerge sucesivamente en grafito conductor y luego en plata para proporcionar una buena conexión con el polímero conductor. Estas capas logran la conexión del cátodo del condensador. La celda capacitiva generalmente se moldea con una resina sintética.
Las láminas de ánodo en capas de los condensadores de polímero de aluminio con forma rectangular son condensadores individuales conectados eléctricamente en paralelo. Por lo tanto, los valores de ESR y ESL están conectados en paralelo, lo que reduce la ESR y ESL en consecuencia y les permite operar a frecuencias más altas.
Estos condensadores de polímero de aluminio rectangulares están disponibles en la caja "D" con dimensiones de 7,3 x 4,3 mm y alturas de entre 2 y 4 mm. Ofrecen una alternativa competitiva a los condensadores de Ta. [50] [ se necesita una mejor fuente ]
La comparación de los condensadores de polímero Al-chip-e-caps y los condensadores de polímero Ta-chip-e-caps comparables mecánicamente muestra que las diferentes permitividades del óxido de aluminio y del pentóxido de tantalio tienen poco impacto en la capacidad específica debido a los diferentes márgenes de seguridad en las capas de óxido. Los condensadores de polímero Ta-e-caps utilizan un espesor de capa de óxido que corresponde aproximadamente a cuatro veces el voltaje nominal, mientras que los condensadores de polímero Al-e-caps tienen aproximadamente el doble del voltaje nominal.
Condensadores cilíndricos de polímero de aluminio basados en la técnica de condensadores electrolíticos de aluminio bobinados con electrolitos líquidos. Están disponibles únicamente con aluminio como material de ánodo.
Están pensados para valores de capacitancia mayores en comparación con los capacitores de polímero rectangulares. Debido a su diseño, pueden variar en altura en un área de montaje de superficie determinada, de modo que se pueden lograr valores de capacitancia mayores con una carcasa más alta sin aumentar la superficie de montaje. Esto es principalmente útil para placas de circuito impreso sin límite de altura.
Los condensadores de polímero cilíndricos Al-e están hechos de dos láminas de aluminio, un ánodo grabado y formado y una lámina de cátodo que están separados mecánicamente por un separador y enrollados juntos. El devanado se impregna con los precursores de polímero para lograr que el polímero conductor polimerizado forme el cátodo, el electrodo de polímero, conectado eléctricamente a la lámina de cátodo. Luego, el devanado se integra en una caja de aluminio y se sella con una junta de goma. Para la versión SMD (chip vertical = chip V), la caja está provista de una placa inferior.
Los condensadores cilíndricos de polímero Al-e son menos costosos que los condensadores de polímero de tantalio correspondientes para un valor CV determinado (capacidad × voltaje nominal). Están disponibles en tamaños de hasta 10 × 13 mm (diámetro × altura) con un valor CV de 3900 μF × 2,5 V [51]. Pueden cubrir rangos de temperatura de -55 °C a +125 °C y están disponibles en valores de voltaje nominal de 2,5 a 200 V [42] y 250 V respectivamente. [43]
A diferencia de los condensadores Al-e "húmedos", las carcasas de los condensadores de polímero Al no tienen una abertura de ventilación (muesca) en la parte inferior de la carcasa, ya que un cortocircuito no forma gas, lo que aumentaría la presión en la carcasa. Por lo tanto, no se requiere un punto de ruptura predeterminado.
Los condensadores híbridos de polímero están disponibles únicamente en la construcción de estilo cilíndrico, por lo que corresponden a los condensadores cilíndricos de polímero Al-e descritos anteriormente con plomo en el diseño radial (de un solo extremo) o con una placa base en la versión SMD (V-chip). La diferencia es que el polímero solo cubre la superficie de la estructura rugosa del dieléctrico Al2O3 y la superficie de la lámina del cátodo como capas delgadas. Con esto, especialmente las partes de alto valor óhmico en los pequeños poros de la lámina del ánodo se pueden hacer de bajo valor óhmico para reducir la ESR de los condensadores. Como conexión eléctrica entre ambas capas de polímero sirve un electrolito líquido como en los condensadores húmedos de Al-e convencionales que impregnan el separador. La pequeña distancia que recorre el electrolito no sólido aumenta un poco la ESR, aunque en realidad no de manera drástica. La ventaja de esta construcción es que el electrolito líquido en funcionamiento suministra el oxígeno que es necesario para la autorreparación de la capa dieléctrica en presencia de pequeños defectos.
La corriente que fluye a través de un pequeño defecto produce un calentamiento selectivo que normalmente destruye la película de polímero que lo recubre, aislando el defecto pero sin repararlo. En los condensadores de polímero híbrido, el líquido puede fluir hacia el defecto, suministrando oxígeno y reparando el dieléctrico mediante la generación de nuevos óxidos, lo que reduce la corriente de fuga. Los condensadores de Al-e de polímero híbrido tienen una corriente de fuga mucho menor que los condensadores de Al-e de polímero estándar.
El electrolito polimérico, los dos materiales diferentes del ánodo, aluminio y tantalio, junto con los diferentes diseños dieron lugar a múltiples familias de condensadores electrolíticos de polímero con diferentes especificaciones. A modo de comparación, también se enumeran los parámetros básicos de los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito de dióxido de manganeso.
(A partir de abril de 2015)
Las propiedades eléctricas de los condensadores de polímero se pueden comparar mejor si se utilizan valores de capacitancia, voltaje nominal y dimensiones constantes. Los valores de ESR y de corriente de ondulación son los parámetros más importantes para el uso de condensadores de polímero en equipos electrónicos. La corriente de fuga es significativa, porque es mayor que la de los condensadores de tipo e con electrolitos no poliméricos. Se incluyen los valores respectivos de los condensadores de tipo e de Ta con electrolito de MnO2 y de los condensadores de tipo e de Al húmedos.
(A junio de 2015)
Ventajas de los e-caps de polímero frente a los e-caps de Al húmedos:
Desventajas de los e-caps de polímero frente a los e-caps de Al húmedos:
Ventajas de los poliméricos híbridos Al-e-caps :
Desventajas de los poliméricos híbridos Al-e-caps :
Ventajas de los polímeros Ta y Al-e-caps frente a los MLCC (cerámica):
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 los condensadores electrolíticos:
El valor de la capacidad de los condensadores electrolíticos de polímero 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 de polímero.
La condición de medición estandarizada para los condensadores Al-e de polímero es un método de medición de CA con 0,5 V a una frecuencia de 100/120 Hz y una temperatura de 20 °C. Para los condensadores Ta-e de polímero, 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 electrónicos de polímero 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.
La unidad básica de la capacidad de un condensador electrolítico de polímero 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 . Se proporciona de acuerdo con la norma IEC 60063 en valores correspondientes a la serie E . Estos valores se especifican con una tolerancia de capacidad de acuerdo con la norma IEC 60062 que evita superposiciones.
El valor de capacitancia medido real debe estar dentro de los límites de tolerancia.
En referencia a la norma IEC 60384-1, el voltaje de funcionamiento permitido para los condensadores electrónicos de polímero se denomina "voltaje nominal U R ". El voltaje nominal U R es el voltaje de CC máximo o voltaje 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 de polímero. En el caso de los condensadores de Al-e de polímero híbrido, en algunos casos, un voltaje aplicado más bajo puede prolongar la vida útil. [23] En el caso de los condensadores de Ta-e de polímero, la reducción del voltaje aplicado aumenta la fiabilidad y reduce la tasa de fallos esperada. [52]
La relación entre la temperatura nominal TR y la tensión nominal UR , así como la temperatura de categoría superior TC y la tensión de categoría reducida UC , se muestra en la imagen de la derecha.
Las capas de óxido de polímero de la capa electrónica se forman por razones de seguridad a una tensión superior a la tensión nominal, denominada sobretensión transitoria. Por lo tanto, se permite aplicar una sobretensión transitoria durante tiempos breves y una cantidad limitada de ciclos.
La sobretensión indica el valor máximo de tensión pico que se puede aplicar durante su aplicación durante un número limitado de ciclos. [23] La sobretensión está estandarizada en IEC 60384-1.
En el caso de los condensadores de Al-e de polímero, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal. En el caso de los condensadores de Ta-e de polímero, la sobretensión puede ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más próximo. [46]
La sobretensión aplicada a los condensadores de polímero puede influir en la tasa de fallos del condensador. [53] [54] [55]
Los transitorios son picos de voltaje rápidos y altos . Los capacitores electrolíticos de polímero, tanto de aluminio como de polímero de tantalio, no pueden soportar transitorios o voltajes pico superiores a la sobretensión. Los transitorios de este tipo de capacitores electrónicos pueden destruir los componentes. [46] [53] [54]
Los condensadores de Al-e de polímero híbrido 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. [1] [17] 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 [56] No es posible una especificación inequívoca y general de transitorios o voltajes pico tolerables. En cada caso en que surjan transitorios, la aplicación debe evaluarse individualmente.
Los condensadores electrolíticos de polímero, tanto de tantalio como de aluminio, son condensadores polarizados y, por lo general, requieren que la tensión del electrodo del ánodo sea positiva en relación con la tensión del cátodo. Sin embargo, pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa dependiente del tipo durante un número limitado de ciclos. [57] [58] Una tensión inversa superior al nivel umbral dependiente del tipo aplicada durante un tiempo prolongado al condensador electrolítico de polímero provoca un cortocircuito y la destrucción del condensador.
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 "Marcado de polaridad" a continuación.
Véase también: Condensador electrolítico#Impedancia y Condensador electrolítico#ESR y factor de disipación tan δ
La impedancia es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de corriente alterna , y se expresa como resistencia de corriente alterna tanto en magnitud como en fase a una frecuencia particular. En las hojas de datos de los capacitores electrolíticos de polímero solo se especifica la magnitud de impedancia |Z| , y se escribe simplemente como "Z" . Con respecto a la norma IEC 60384-1, los valores de impedancia de los capacitores electrolíticos de polímero se miden y especifican a 100 kHz.
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 estará determinada únicamente por la resistencia en serie equivalente ESR , que resume todas las pérdidas resistivas del condensador. A 100 kHz, la impedancia y la ESR tienen casi el mismo valor para los condensadores electrónicos de polímero con valores de capacitancia en el rango de μF. Con frecuencias superiores a la resonancia, la impedancia aumenta de nuevo debido a la ESL del condensador, convirtiendo el condensador en un inductor.
La impedancia y la ESR, como se muestra en las curvas, dependen en gran medida del electrolito utilizado. Las curvas muestran los valores de impedancia y ESR progresivamente más bajos de los condensadores de Al-e y de MnO2Ta-e "húmedos" , de Al/TCNQ y de polímero de tantalio. También se muestra la curva de un condensador cerámico MLCC de clase 2, con valores de Z y ESR aún más bajos, pero cuya capacitancia depende del voltaje.
Una ventaja de los e-caps de polímero frente a los e-caps de aluminio no sólidos es la baja dependencia de la temperatura y la curva casi lineal de la ESR en el rango de temperatura especificado. Esto se aplica tanto a los e-caps de polímero de tántalo y de aluminio de polímero como a los e-caps híbridos de polímero y aluminio.
La impedancia y la ESR también dependen del diseño y los materiales de los condensadores. Los condensadores cilíndricos de Al-e con la misma capacidad que los condensadores rectangulares de Al-e tienen una inductancia mayor que los condensadores rectangulares de Al-e con electrodos en capas y, por lo tanto, tienen una frecuencia de resonancia menor. Este efecto se amplifica mediante la construcción de múltiples ánodos, en la que las inductancias individuales se reducen mediante su conexión en paralelo [47] [48] y la técnica "cara abajo". [49]
Una "corriente de ondulación" es el valor cuadrático medio (RMS) 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 de modo conmutado ) después de rectificar un voltaje de CA y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado. [18]
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 a otras fuentes de calor externas, hace que la temperatura del cuerpo del condensador sea más alta, con una diferencia de temperatura 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.
Este calor se distribuye al ambiente por radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del condensador, que es el balance neto entre el calor producido y distribuido, no debe superar la temperatura máxima especificada del condensador.
La corriente de ondulación de los condensadores electrónicos de polímero se especifica como un valor máximo efectivo (RMS) a 100 kHz a la temperatura nominal superior. Las corrientes de ondulación no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias individuales mediante el análisis de Fourier y resumirse mediante la suma al cuadrado para calcular un valor RMS. [59]
Por lo general, el valor de la corriente de ondulación se calcula para un aumento de la temperatura central de 2 a 6 °C con respecto a la temperatura ambiente, según el tipo y el fabricante. [60] La corriente de ondulación se puede aumentar a temperaturas más bajas. Debido a que la ESR depende de la frecuencia y aumenta en el rango de baja frecuencia, la corriente de ondulación se debe reducir a frecuencias más bajas. [61]
En los capacitores Ta-e de polímero, el calor generado por la corriente de ondulación influye en la confiabilidad de los capacitores. [62] [63] [64] [65] Exceder el límite puede provocar fallas catastróficas con cortocircuitos y componentes quemados.
El calor generado por la corriente de ondulación también influye en la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolitos de polímero sólido. [18] [66]
El calor de la corriente de ondulación afecta la vida útil de los tres tipos de e-cap de polímero. [18]
Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio son sensibles a las corrientes pico o de pulso. [53] [54] Los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio que están expuestos a corrientes de pico, de pulso o de sobretensión, por ejemplo, en circuitos altamente inductivos, requieren una reducción de la tensión. Si es posible, el perfil de tensión debe ser una activación en rampa, ya que esto reduce la corriente pico que experimenta el condensador.
Los condensadores de polímero híbrido Al-e no tienen restricciones en cuanto a corrientes de pico, pico o pulso. Sin embargo, las corrientes totales no deben superar la corriente de ondulación especificada.
La corriente de fuga de CC (DCL) es una característica única de los condensadores electrolíticos que otros condensadores convencionales no tienen. Es la corriente de CC que fluye cuando se aplica un voltaje de CC de polaridad correcta. Esta corriente está representada por la fuga de la resistencia R en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrónicos. Las principales causas de DCL para los condensadores de polímero sólido son, por ejemplo, puntos de ruptura dieléctrica eléctrica después de la soldadura, caminos conductores no deseados debido a impurezas o debido a una anodización deficiente y, para los tipos rectangulares, derivación del dieléctrico debido al exceso de MnO 2 , debido a caminos de humedad o conductores de cátodo (carbono, plata). [67]
La especificación de la corriente de fuga de la hoja de datos se da mediante la multiplicación del valor de capacitancia nominal CR por el valor de la tensión nominal UR junto con una cifra agregada, medida después de 2 o 5 minutos, por ejemplo una fórmula para tapas de Al-e no sólidas:
La corriente de fuga en los condensadores electrónicos de polímero sólido generalmente disminuye muy rápido, pero luego permanece en el nivel alcanzado. El valor depende del voltaje aplicado, la temperatura, el tiempo de medición y la influencia de la humedad causada por las condiciones de sellado de la caja.
Los condensadores electrolíticos de polímero tienen valores de corriente de fuga relativamente altos. Esta corriente de fuga no se puede reducir mediante la "curación" en el sentido de generar nuevo óxido, porque en condiciones normales los electrolitos de polímero no pueden suministrar oxígeno para los procesos de formación. El recocido de los defectos en la capa dieléctrica solo se puede llevar a cabo mediante sobrecalentamiento local y evaporación del polímero. Los valores de corriente de fuga para los condensadores electrolíticos de polímero están entre 0,2 C R U R y 0,04 C R U R , según el fabricante y la serie. Por lo tanto, el valor de la corriente de fuga para los condensadores de polímero es mayor que para los condensadores electrolíticos de Al "húmedos" y los condensadores electrolíticos de MnO 2 Ta.
Esta mayor pérdida de corriente que suponen los condensadores de Al-e de polímero sólido se evita con los condensadores de Al-e híbridos, ya que su electrolito líquido proporciona el oxígeno necesario para la reformación de los defectos de óxido, de modo que los híbridos alcanzan los mismos valores que los condensadores de Al-e húmedos. [17] [18]
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".
No se dispone de cifras de absorción dieléctrica para los condensadores electrolíticos de aluminio y de tantalio polimérico.
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, pero 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 . La confiabilidad normalmente se muestra como una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallos tempranos o fallos de mortalidad infantil, fallos aleatorios constantes y fallos por desgaste. Los fallos totalizados en una tasa de fallos son cortocircuito, circuito abierto y fallos de degradación (exceso de parámetros eléctricos). Para los condensadores Ta-e de polímero, la tasa de fallos también está influenciada por la resistencia en serie del circuito, que no es necesaria para los condensadores Al-e de polímero.
Se necesitan miles de millones de horas-unidad de prueba para verificar las 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 probadas durante un largo período, lo que significa un gran personal y una financiación considerable. [68] Las tasas de fallos probadas a menudo se complementan con la retroalimentación del campo de los grandes usuarios (tasa de fallos de campo), que en la mayoría de los casos reduce las estimaciones de la tasa de fallos.
Por razones históricas, las unidades de tasa de falla de los condensadores Ta-e y los condensadores Al-e son diferentes. Para los condensadores Al-e, la predicción de confiabilidad generalmente se expresa en una tasa de falla λ , con la unidad Fallas en el tiempo ( FIT ) en condiciones de operación estándar de 40 °C y 0,5 U R durante el período de fallas aleatorias constantes. Este es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) horas-componente de operación (por ejemplo, 1000 componentes para 1 millón de horas, o 1 millón de componentes para 1000 horas, lo que es 1 ppm/1000 horas) en las condiciones de operación estándar. Este modelo de tasa de falla supone implícitamente que las fallas son aleatorias. Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a una tasa predecible. El valor recíproco de FIT es el Tiempo medio entre fallas ( MTBF ) .
Para los condensadores Ta-e, la tasa de fallos "F Ta " se especifica con la unidad "n % de fallos por 1000 horas" a 85 °C, U = U R y una resistencia de circuito de 0,1 Ω/V. Este es el porcentaje de fallos que se puede esperar en 1000 horas de funcionamiento en condiciones operativas mucho más exigentes en comparación con el modelo "FIT". Las tasas de fallos "λ" y "F Ta " dependen de las condiciones operativas, incluida la temperatura, el voltaje aplicado y varios factores ambientales como la humedad, los golpes o las vibraciones y el valor de la capacitancia del condensador. [52] Las tasas de fallos son una función creciente de la temperatura y el voltaje aplicado.
Las tasas de falla de los condensadores Ta-e sólidos y los condensadores Al-e "húmedos" se pueden recalcular con factores de aceleración estandarizados para contextos industriales [69] o militares [70] . Este último se establece en la industria y se utiliza a menudo para aplicaciones industriales. Sin embargo, para los condensadores Ta-e de polímero y los condensadores Al-e de polímero hasta 2016 no se habían publicado factores de aceleración. Por lo tanto, un ejemplo de un recálculo de una tasa de falla de condensador de tantalio F Ta a una tasa de falla λ solo se puede dar comparando condensadores estándar. Ejemplo:
Una tasa de fallo F Ta = 0,1 %/1000 h a 85 °C y U = U R se deberá recalcular en una tasa de fallo λ a 40 °C y U = 0,5 U R .
Se utilizan los siguientes factores de aceleración de MIL-HDBK 217F:
Se deduce lo siguiente
En 2015, las cifras de tasa de fallas publicadas para los capacitores de polímero de tantalio y de polímero de aluminio se encuentran en el rango de 0,5 a 20 FIT. Estos niveles de confiabilidad dentro de la vida útil calculada son comparables con otros componentes electrónicos y logran un funcionamiento seguro durante décadas en condiciones normales.
La vida útil , vida útil , vida de carga o vida útil de los condensadores electrolíticos es una característica especial de los condensadores electrolíticos no sólidos, cuyo electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo provocando fallos por desgaste. Los condensadores de tantalio sólido con electrolito MnO2 no tienen mecanismo de desgaste, por lo que la tasa de fallos es constante al menos hasta el punto en que todos los condensadores fallan. No tienen una especificación de vida útil como los condensadores Al-e no sólidos.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos de polímero de tantalio, así como de polímero de aluminio, tienen una especificación de vida útil. El electrolito de polímero tiene un pequeño deterioro de la conductividad por un mecanismo de 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. [66]
El tiempo de funcionamiento de los condensadores (vida útil, vida útil bajo carga, vida útil) se prueba con una prueba de resistencia acelerada en el tiempo según IEC 60384-24/-25/-26 [71] con tensión nominal a la temperatura de categoría superior. Las condiciones de prueba para pasar la prueba son
Los límites especificados para fallas por degradación de capacitores de polímero son mucho más estrictos que para los capacitores de Al no sólidos. Esto significa que el comportamiento de vida útil de los capacitores de polímero es mucho más estable que el de los capacitores de Al húmedos.
La especificación de vida útil de los condensadores de polímero se especifica en términos similares a los de los condensadores de aluminio no sólidos, con un tiempo en horas a voltaje y temperatura máximos, por ejemplo: 2000 h/105 °C. Este valor se puede utilizar para una estimación de la vida útil operativa en condiciones individuales mediante una fórmula llamada "regla de los 20 grados": [72] [73] [74]
Esta regla caracteriza el cambio de la velocidad de las reacciones térmicas de los polímeros dentro de los límites de degradación especificados. Según esta fórmula, la vida útil teórica esperada de un condensador de polímero de 2000 h/105 °C, que funciona a 65 °C, se puede calcular (mejor estimar) en aproximadamente 200.000 horas o aproximadamente 20 años.
En el caso de los condensadores de Al-e de polímero híbrido, no se aplica la regla de los 20 grados. La vida útil esperada de estos condensadores de Al-e híbridos de polímero se puede calcular utilizando la regla de los 10 grados . En las condiciones anteriores, los condensadores de Al-e con un electrolito líquido pueden tener una vida útil de 32 000 horas o aproximadamente 3,7 años.
Los condensadores de polímero, tanto de tántalo como de aluminio, son tan fiables como otros componentes electrónicos y tienen índices de fallos muy bajos. Sin embargo, todos los condensadores electrolíticos de tántalo, incluido el tántalo polimérico, tienen un modo de fallo único denominado "cristalización de campo". [75]
La cristalización de campo es la principal causa de degradación y fallas catastróficas de los capacitores de tantalio sólido. [76] Más del 90% de las raras fallas actuales de los capacitores Ta-e son causadas por cortocircuitos o aumento de la corriente de fuga debido a este modo de falla. [77]
La película de óxido extremadamente delgada de un condensador electrolítico de tantalio, la capa dieléctrica, debe formarse como una estructura amorfa. Al cambiar la estructura amorfa a una estructura cristalizada, se incrementa la conductividad, según se informa, en 1000 veces, y también aumenta el volumen de óxido. [26] [78]
La cristalización de campo seguida de una ruptura dieléctrica se caracteriza por un aumento repentino de la corriente de fuga, en unos pocos milisegundos, desde una magnitud de nanoamperios a una magnitud de amperios en circuitos de baja impedancia. El aumento del flujo de corriente puede acelerarse como un "efecto de avalancha" y propagarse rápidamente a través del metal/óxido. Esto puede dar lugar a diversos grados de destrucción que van desde áreas quemadas bastante pequeñas en el óxido hasta rayas quemadas en zigzag que cubren grandes áreas del gránulo o la oxidación completa del metal. [79] [80] Si la fuente de corriente es ilimitada, una cristalización de campo puede provocar un cortocircuito en el condensador . Sin embargo, si la fuente de corriente está limitada en los condensadores Ta-e de MnO 2 sólidos , se produce un proceso de autocuración que oxida el MnO 2 y lo convierte en Mn 2 O 3 aislante.
En los condensadores Ta-e de polímero no existe riesgo de combustión, pero puede producirse cristalización in situ. En este caso, la capa de polímero se calienta y se quema selectivamente debido a la corriente de fuga creciente, de modo que el punto defectuoso queda aislado. Como el material de polímero no proporciona oxígeno, la corriente de fuga no puede acelerarse, pero la zona defectuosa ya no contribuye a la capacidad del condensador.
Los condensadores de polímero Al-e presentan el mismo mecanismo de autorreparación que los condensadores de polímero Ta-e. Tras la aplicación de un voltaje en los puntos debilitados del óxido, se forma una ruta localizada de corriente de fuga más alta. Esto provoca un calentamiento local del polímero, por lo que este se oxida y se vuelve altamente resistivo, o bien se evapora. Los condensadores de polímero híbrido Al-e también presentan este mecanismo de autorreparación. Sin embargo, el electrolito líquido puede fluir al punto defectuoso y puede suministrar oxígeno para formar un nuevo óxido dieléctrico. Esta es la razón de los valores relativamente bajos de corriente de fuga de los condensadores de polímero híbrido.
Los distintos tipos de condensadores electrolíticos de polímero presentan diferencias en su comportamiento eléctrico a largo plazo, sus modos de fallo inherentes y su mecanismo de autorreparación. Para garantizar un funcionamiento seguro, los fabricantes recomiendan diferentes reglas de aplicación, orientadas al comportamiento del tipo, consulte la siguiente tabla:
Símbolos de condensadores electrolíticos
Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de polímero
Los condensadores electrolíticos de polímero, si se les da suficiente espacio, tienen marcas impresas codificadas para indicar
Para condensadores muy pequeños no es posible realizar ningún marcado.
El código de las marcas varía según el fabricante.
La estandarización de componentes electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [82] una organización de normalización internacional no gubernamental y sin fines de lucro . [83] [84]
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 polímero de tantalio y polímero de aluminio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :
Las características ESR y ESL de los condensadores electrolíticos de polímero están convergiendo con las de los condensadores MLCC. Por el contrario, la capacitancia específica de los condensadores MLCC de clase 2 se está acercando a la de los condensadores de chip de tantalio. [85] [86] Sin embargo, aparte de esta creciente comparabilidad, existen argumentos a favor o en contra de ciertos tipos de condensadores. Muchos fabricantes de condensadores redactan estos argumentos cruciales de sus tecnologías contra la competencia en presentaciones y artículos, [87] p. ej.:
A partir de julio de 2016
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