Tipos de condensadores

Estilos de fabricación de un dispositivo electrónico.

Algunos condensadores diferentes para equipos electrónicos.

Los condensadores se fabrican en muchos estilos, formas, dimensiones y con una gran variedad de materiales. Todos ellos contienen al menos dos conductores eléctricos , llamados placas , separados por una capa aislante ( dieléctrica ). Los condensadores se utilizan ampliamente como partes de circuitos eléctricos en muchos dispositivos eléctricos comunes.

Los condensadores, junto con las resistencias y los inductores , pertenecen al grupo de componentes pasivos de los equipos electrónicos . Los condensadores pequeños se utilizan en dispositivos electrónicos para acoplar señales entre etapas de amplificadores, como componentes de filtros eléctricos y circuitos sintonizados, o como partes de sistemas de suministro de energía para suavizar la corriente rectificada. Los condensadores más grandes se utilizan para almacenar energía en aplicaciones como luces estroboscópicas, como partes de algunos tipos de motores eléctricos o para la corrección del factor de potencia en sistemas de distribución de energía de CA. Los condensadores estándar tienen un valor fijo de capacitancia , pero los condensadores ajustables se utilizan con frecuencia en circuitos sintonizados. Se utilizan diferentes tipos según la capacitancia requerida, el voltaje de trabajo, la capacidad de manejo de corriente y otras propiedades.

Si bien, en cifras absolutas, los condensadores fabricados con más frecuencia están integrados en memorias dinámicas de acceso aleatorio , memorias flash y otros chips de dispositivos, este artículo cubre los componentes discretos.

Características generales

Construcción convencional

Se coloca un material dieléctrico entre dos placas conductoras (electrodos), cada una de área A y con una separación de d .

Un condensador convencional almacena energía eléctrica como electricidad estática mediante la separación de cargas en un campo eléctrico entre dos placas de electrodos . Los portadores de carga suelen ser electrones . La cantidad de carga almacenada por unidad de voltaje es esencialmente una función del tamaño de las placas, las propiedades del material de las placas, las propiedades del material dieléctrico colocado entre las placas y la distancia de separación (es decir, el espesor dieléctrico). ). El potencial entre las placas está limitado por las propiedades del material dieléctrico y la distancia de separación.

Casi todos los condensadores industriales convencionales, excepto algunos estilos especiales, como los "condensadores de paso", se construyen como "condensadores de placas", incluso si sus electrodos y el dieléctrico entre ellos están enrollados o enrollados. La capacitancia, C , de un capacitor de placas es:

${\displaystyle C={\frac {\varepsilon A}{d}}}$.

La capacitancia aumenta con el área A de las placas y con la permitividad ε del material dieléctrico, y disminuye con la distancia de separación de las placas d . Por lo tanto, la capacitancia es mayor en dispositivos fabricados con materiales con alta permitividad, gran área de placa y pequeña distancia entre placas.

Construcción electroquímica

Esquema de un condensador de doble capa.

1. Capa interior de Helmholtz IHP
2. Capa exterior de Helmholtz OHP
3. capa difusa
4. iones solvatados
5. Iones específicamente adsorbentes (pseudocapacitancia)
6. Molécula solvente

Otro tipo, el condensador electroquímico , utiliza otros dos principios de almacenamiento para almacenar energía eléctrica. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos , los supercondensadores (también conocidos como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o ultracondensadores) no tienen un dieléctrico convencional. El valor de capacitancia de un capacitor electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento de alta capacidad. Estos principios son:

• almacenamiento electrostático dentro de capas dobles de Helmholtz logrado en la interfaz de fase entre la superficie de los electrodos y el electrolito (capacitancia de doble capa) ; y
• Almacenamiento electroquímico logrado mediante una transferencia de carga de electrones faradaica mediante iones absorbidos específicamente con reacciones redox (pseudocapacitancia) . A diferencia de las baterías, en estas reacciones, los iones simplemente se adhieren a la estructura atómica de un electrodo sin establecer ni romper enlaces químicos, y en la carga/descarga intervienen modificaciones químicas nulas o insignificantes.

La proporción de almacenamiento resultante de cada principio puede variar mucho, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de la capacitancia hasta en un orden de magnitud con respecto al de la doble capa por sí sola. ^[1]

Clasificación

Los condensadores se dividen en dos grupos mecánicos: dispositivos de capacitancia fija con capacitancia constante y capacitores variables. Los condensadores variables se fabrican como recortadores , que normalmente se ajustan sólo durante la calibración del circuito, y como un dispositivo sintonizable durante el funcionamiento del instrumento electrónico.

El grupo más común son los condensadores fijos. Muchos reciben nombres según el tipo de dieléctrico. Para una clasificación sistemática no se pueden utilizar estas características, porque uno de los más antiguos, el condensador electrolítico, recibe su nombre por la construcción del cátodo. Así pues, los nombres más utilizados son simplemente históricos.

Los tipos de condensadores más comunes son:

• Los condensadores cerámicos tienen un dieléctrico cerámico .
• Los condensadores de película y papel reciben el nombre de sus dieléctricos.
• Los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio reciben su nombre del material utilizado como ánodo y de la construcción del cátodo ( electrolito ).
• Los condensadores de polímero son condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio o niobio con polímero conductor como electrolito.
• Supercondensador es el apellido de:
  • Los condensadores de doble capa recibieron su nombre del fenómeno físico de la doble capa de Helmholtz.
  • Los pseudocondensadores recibieron su nombre por su capacidad para almacenar energía eléctrica electroquímicamente con transferencia de carga faradaica reversible.
  • Los condensadores híbridos combinan pseudocondensadores y de doble capa para aumentar la densidad de potencia.
• Los condensadores de mica plateada, vidrio, silicio, entrehierro y de vacío reciben su nombre por su dieléctrico.

Descripción general de los condensadores fijos más utilizados en equipos electrónicos.

Además de los tipos de condensadores mostrados anteriormente, cuyo nombre deriva del desarrollo histórico, hay muchos condensadores individuales que han sido nombrados según su aplicación. Incluyen:

• Condensadores de potencia , condensadores de motor , condensadores de enlace de CC , condensadores de supresión , condensadores de cruce de audio , condensadores de balasto de iluminación , condensadores amortiguadores , condensadores de acoplamiento , desacoplamiento o derivación .

A menudo, se emplea más de una familia de condensadores para estas aplicaciones; por ejemplo, la supresión de interferencias puede utilizar condensadores cerámicos o condensadores de película .

Otros tipos de condensadores se analizan en la sección #Condensadores especiales.

Dieléctricos

Principios de almacenamiento de carga de diferentes tipos de condensadores y su progresión de voltaje inherente.

Los dieléctricos más comunes son:

• Cerámica
• Películas plásticas
• Capa de óxido sobre metal ( aluminio , tantalio , niobio )
• Materiales naturales como mica , vidrio , papel , aire , SF 6 , vacío

Todos ellos almacenan su carga eléctrica estáticamente dentro de un campo eléctrico entre dos electrodos (paralelos).

Debajo de estos condensadores convencionales se desarrolló una familia de condensadores electroquímicos llamados supercondensadores . Los supercondensadores no tienen un dieléctrico convencional. Almacenan su carga eléctrica estáticamente en capas dobles de Helmholtz y faradaicamente en la superficie de los electrodos.

• con capacitancia estática de doble capa en un capacitor de doble capa y
• con pseudocapacitancia (transferencia de carga faradaica) en un pseudocondensador
• o con ambos principios de almacenamiento juntos en condensadores híbridos .

En la siguiente tabla se muestran los parámetros de material más importantes de los diferentes dieléctricos utilizados y el espesor aproximado de la capa de Helmholtz.

El área de la placa del condensador se puede adaptar al valor de capacitancia deseado. La permitividad y el espesor dieléctrico son el parámetro determinante para los condensadores. La facilidad de procesamiento también es crucial. Las láminas delgadas y mecánicamente flexibles se pueden envolver o apilar fácilmente, lo que produce diseños grandes con altos valores de capacitancia. Sin embargo, las finas capas de cerámica sinterizada metalizada cubiertas con electrodos metalizados ofrecen las mejores condiciones para la miniaturización de circuitos con estilos SMD .

Una breve vista de las cifras de la tabla anterior proporciona la explicación de algunos hechos simples:

• Los supercondensadores tienen la mayor densidad de capacitancia debido a sus principios especiales de almacenamiento de carga.
• Los condensadores electrolíticos tienen menor densidad de capacitancia que los supercondensadores, pero la densidad de capacitancia más alta de los condensadores convencionales debido al delgado dieléctrico.
• Los condensadores cerámicos de clase 2 tienen valores de capacitancia mucho más altos en un caso dado que los condensadores de clase 1 debido a su permitividad mucho mayor.
• Los condensadores de película con sus diferentes materiales de película plástica tienen una pequeña variación en las dimensiones para un valor de capacitancia/voltaje dado de un condensador de película porque el espesor mínimo de la película dieléctrica difiere entre los diferentes materiales de película.

Rango de capacitancia y voltaje.

Rangos de capacitancia versus rangos de voltaje de diferentes tipos de capacitores

La capacitancia varía desde picofaradios hasta más de cientos de faradios. Los valores nominales de voltaje pueden alcanzar los 100 kilovoltios. En general, la capacitancia y el voltaje se correlacionan con el tamaño físico y el costo.

Miniaturización

La eficiencia volumétrica del condensador aumentó de 1970 a 2005 (haga clic en la imagen para ampliarla)

Como en otras áreas de la electrónica, la eficiencia volumétrica mide el desempeño de la función electrónica por unidad de volumen. Para los condensadores, la eficiencia volumétrica se mide con el "producto CV", calculado multiplicando la capacitancia (C) por la tensión nominal máxima (V), dividida por el volumen. De 1970 a 2005, las eficiencias volumétricas mejoraron dramáticamente.

• Miniaturización de condensadores.
• 
  Condensador de papel apilado de 1923 para desacoplar (bloquear) ruido en líneas telegráficas
• 
  Condensador de papel metalizado enrollado de principios de la década de 1930 en estuche de papel duro, valor de capacitancia especificado en "cm" en el sistema cgs ; 5.000 cm corresponden a 0,0056 μF.
• 
  Condensador electrolítico de aluminio húmedo plegado, Bell System 1929, vista del ánodo plegado, que estaba montado en una carcasa cuadrada (no mostrada) llena de electrolito líquido
• 
  Dos condensadores electrolíticos de aluminio húmedos enrollados de 8 μF y 525 V en una carcasa de papel sellada con alquitrán de una radio de los años 30.

Rango superpuesto de las aplicaciones.

Estos condensadores individuales pueden realizar su aplicación independientemente de su afiliación a un tipo de condensador mostrado anteriormente, de modo que existe una gama superpuesta de aplicaciones entre los diferentes tipos de condensadores.

Al comparar los tres tipos principales de condensadores, se muestra que existe una amplia gama de funciones superpuestas para muchas aplicaciones industriales y de uso general en los equipos electrónicos.

Tipos y estilos

Condensadores cerámicos

Construcción de un condensador cerámico multicapa ( MLCC )

Un condensador cerámico es un condensador fijo no polarizado hecho de dos o más capas alternas de cerámica y metal en las que el material cerámico actúa como dieléctrico y el metal actúa como electrodos. El material cerámico es una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos o ferroeléctricos , modificados por óxidos mixtos que son necesarios para lograr las características deseadas del capacitor. El comportamiento eléctrico del material cerámico se divide en dos clases de estabilidad:

1. Condensadores cerámicos de clase 1 con alta estabilidad y bajas pérdidas que compensan la influencia de la temperatura en aplicaciones de circuitos resonantes. Las abreviaturas comunes de los códigos EIA / IEC son C0G /NP0, P2G/N150, R2G/N220, U2J/N750, etc.
2. Condensadores cerámicos de clase 2 con alta eficiencia volumétrica para aplicaciones de amortiguación, derivación y acoplamiento. Las abreviaturas comunes de los códigos EIA/IEC son: X7R/2XI, Z5U/E26, Y5V/2F4, X7S/2C1, etc.

La gran plasticidad de la materia prima cerámica funciona bien para muchas aplicaciones especiales y permite una enorme diversidad de estilos, formas y una gran variedad dimensional de condensadores cerámicos. El condensador discreto más pequeño, por ejemplo, es un condensador de chip "01005" con unas dimensiones de sólo 0,4 mm × 0,2 mm.

La construcción de condensadores cerámicos multicapa con capas en su mayoría alternas da como resultado condensadores individuales conectados en paralelo. Esta configuración aumenta la capacitancia y disminuye todas las pérdidas e inductancias parásitas . Los condensadores cerámicos son muy adecuados para altas frecuencias y cargas de impulsos de corriente elevada.

Debido a que el espesor de la capa dieléctrica cerámica se puede controlar y producir fácilmente mediante el voltaje de aplicación deseado, los capacitores cerámicos están disponibles con voltajes nominales de hasta el rango de 30 kV.

Algunos condensadores cerámicos de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos los condensadores de supresión RFI/EMI para conexión a la red eléctrica, también conocidos como condensadores de seguridad, ^[8] X2Y y condensadores de tres terminales para aplicaciones de derivación y desacoplamiento, ^{[ 9] [10]} condensadores de paso para supresión de ruido mediante filtros de paso bajo ^[11] y condensadores de potencia cerámicos para transmisores y aplicaciones de HF. ^{[12] [13]}

• Diversos estilos de condensadores cerámicos.
• 
  Condensadores cerámicos multicapa (chips MLCC) para montaje SMD
• 
  Condensadores de desacoplamiento cerámicos X2Y
• 
  Condensadores cerámicos de supresión EMI para conexión a la red eléctrica (condensador de seguridad)
• 
  Condensador de potencia cerámico de alto voltaje

Condensadores de película

Tres ejemplos de diferentes configuraciones de capacitores de película para aumentar las clasificaciones de sobrecorriente

Los condensadores de película o condensadores de película plástica son condensadores no polarizados con una película plástica aislante como dieléctrico. Las películas dieléctricas se estiran hasta formar una capa delgada, se les proporciona electrodos metálicos y se enrollan en un devanado cilíndrico. Los electrodos de los condensadores de película pueden ser aluminio o zinc metalizado, aplicados en uno o ambos lados de la película plástica, lo que da como resultado condensadores de película metalizada o una lámina metálica separada que recubre la película, llamada condensadores de película/lámina.

Los condensadores de película metalizada ofrecen propiedades de autorreparación. Las averías dieléctricas o los cortocircuitos entre los electrodos no destruyen el componente. La construcción metalizada hace posible producir condensadores bobinados con valores de capacitancia más grandes (hasta 100 μF y más) en cajas más pequeñas que las de construcción de película/lámina.

Los condensadores de película/lámina o los condensadores de lámina metálica utilizan dos películas de plástico como dieléctrico. Cada película se cubre con una fina lámina metálica, principalmente aluminio, para formar los electrodos. La ventaja de esta construcción es la facilidad de conectar los electrodos de lámina metálica, junto con una excelente intensidad del pulso de corriente.

Una ventaja clave de la construcción interna de cada condensador de película es el contacto directo con los electrodos en ambos extremos del devanado. Este contacto mantiene todos los caminos actuales muy cortos. El diseño se comporta como una gran cantidad de condensadores individuales conectados en paralelo, lo que reduce las pérdidas óhmicas internas ( resistencia en serie equivalente o ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL). La geometría inherente de la estructura del capacitor de película da como resultado bajas pérdidas óhmicas y una baja inductancia parásita, lo que los hace adecuados para aplicaciones con altas sobrecorrientes ( amortiguadores ) y para aplicaciones de alimentación de CA, o para aplicaciones a frecuencias más altas.

Las películas plásticas utilizadas como dieléctrico para los condensadores de película son polipropileno (PP), poliéster (PET), sulfuro de polifenileno (PPS), naftalato de polietileno (PEN) y politetrafluoroetileno (PTFE). El polipropileno tiene una cuota de mercado de aproximadamente el 50% y el poliéster, con aproximadamente el 40%, son los materiales cinematográficos más utilizados. El 10% restante utiliza todos los demás materiales, incluido PPS y papel, con aproximadamente un 3% cada uno. ^{[14] [15]}

Algunos condensadores de película de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para aplicaciones especiales, incluidos los condensadores de supresión RFI/EMI para la conexión a la red eléctrica, también conocidos como condensadores de seguridad, ^[16] condensadores amortiguadores para sobrecorrientes muy altas, ^[17] motores Condensadores de funcionamiento y condensadores de CA para aplicaciones de funcionamiento de motores. ^[18]

• La carga de corriente de pulso alto es la característica más importante de los capacitores de película, por lo que muchos de los estilos disponibles tienen terminaciones especiales para corrientes altas.
• 
  Estilo radial (de un solo extremo) para montaje mediante soldadura mediante orificio pasante en placas de circuito impreso
• 
  Estilo SMD para montaje en superficie de placa de circuito impreso, con contactos metalizados en dos bordes opuestos
• 
  Estilo radial con terminales de soldadura de alta resistencia para aplicaciones de amortiguación y cargas de impulsos de alta sobretensión
• 
  Condensador amortiguador de alta resistencia con terminales de tornillo

Condensadores de película de potencia

Condensador de potencia MKV, papel metalizado de doble cara (portador mecánico de electrodos sin campo), película de polipropileno (dieléctrico), devanados impregnados con aceite aislante

Un tipo relacionado es el condensador de película de potencia . Los materiales y las técnicas de construcción utilizados para los condensadores de película de gran potencia son en su mayoría similares a los de los condensadores de película ordinarios. Sin embargo, los condensadores con potencias nominales altas a muy altas para aplicaciones en sistemas de energía e instalaciones eléctricas a menudo se clasifican por separado, por razones históricas. La estandarización de los condensadores de película ordinarios se centra en parámetros eléctricos y mecánicos. La estandarización de los condensadores de potencia, por el contrario, hace hincapié en la seguridad del personal y del equipo, tal como lo establece la autoridad reguladora local.

A medida que los equipos electrónicos modernos adquirieron la capacidad de manejar niveles de potencia que antes eran dominio exclusivo de los componentes de "energía eléctrica", la distinción entre las clasificaciones de potencia "electrónica" y "eléctrica" ​​se desdibujó. Históricamente, el límite entre estas dos familias se encontraba aproximadamente en una potencia reactiva de 200 voltios-amperios.

Los condensadores de potencia de película utilizan principalmente una película de polipropileno como dieléctrico. Otros tipos incluyen condensadores de papel metalizado (condensadores MP) y condensadores de película dieléctrica mixta con dieléctricos de polipropileno. Los condensadores MP sirven para aplicaciones económicas y como electrodos portadores libres de campo (condensadores de lámina empapada) para cargas de pulsos de alta corriente alterna o alta. Los devanados se pueden llenar con aceite aislante o con resina epoxi para reducir las burbujas de aire y evitar así cortocircuitos.

Encuentran uso como convertidores para cambiar voltaje, corriente o frecuencia, para almacenar o entregar energía eléctrica abruptamente o para mejorar el factor de potencia. El rango de tensión nominal de estos condensadores es desde aproximadamente 120 V CA (balastos de iluminación capacitivos) hasta 100 kV. ^[19]

• Condensadores de película de potencia para aplicaciones en sistemas de potencia, instalaciones y plantas eléctricas.
• 
  Condensador de película de potencia para corrección del factor de potencia (PFC) de CA, empaquetado en una lata de metal cilíndrica
• 
  Condensador de película de potencia en carcasa rectangular.
• 
  Uno de los varios bancos de condensadores de película para almacenamiento de energía, para la generación de campos magnéticos en el acelerador de anillo de electrones y hadrones ( HERA ), ubicado en el sitio DESY en Hamburgo.
• 
  Batería de capacitores subestación 75MVAR a 150 kV

Condensadores electrolíticos

Diversificación de condensadores electrolíticos.

Los condensadores electrolíticos tienen un ánodo metálico cubierto con una capa oxidada que se utiliza como dieléctrico. El segundo electrodo es un electrolito sólido o no sólido (húmedo). Los condensadores electrolíticos están polarizados. Están disponibles tres familias, categorizadas según su dieléctrico.

• Condensadores electrolíticos de aluminio con óxido de aluminio como dieléctrico.
• Condensadores electrolíticos de tantalio con pentóxido de tantalio como dieléctrico
• Condensadores electrolíticos de niobio con pentóxido de niobio como dieléctrico.

El ánodo está muy rugoso para aumentar la superficie. Esto y la permitividad relativamente alta de la capa de óxido dan a estos condensadores una capacitancia por unidad de volumen muy alta en comparación con los condensadores de película o cerámicos.

La permitividad del pentóxido de tantalio es aproximadamente tres veces mayor que la del óxido de aluminio, lo que produce componentes significativamente más pequeños. Sin embargo, la permitividad determina sólo las dimensiones. Los parámetros eléctricos, especialmente la conductividad , están establecidos por el material y la composición del electrolito. Se utilizan tres tipos generales de electrolitos:

• no sólidos (húmedos, líquidos): conductividad de aproximadamente 10 mS/cm y son los de menor costo.
• Óxido de manganeso sólido: la conductividad de aproximadamente 100 mS/cm ofrece alta calidad y estabilidad.
• Polímero conductor sólido ( polipirrol o PEDOT:PSS ): conductividad de aproximadamente 100...500 S/cm, ^{[20] [21]} ofrece valores de ESR tan bajos como <10 mΩ

Las pérdidas internas de los condensadores electrolíticos, que se utilizan principalmente para aplicaciones de desacoplamiento y amortiguación, están determinadas por el tipo de electrolito.

La gran capacitancia por unidad de volumen de los capacitores electrolíticos los hace valiosos en circuitos eléctricos de corriente relativamente alta y baja frecuencia , por ejemplo, en filtros de suministro de energía para desacoplar componentes de CA no deseados de conexiones de alimentación de CC o como capacitores de acoplamiento en amplificadores de audio, para pasar o puentear. señales de baja frecuencia y almacenar grandes cantidades de energía. El valor de capacitancia relativamente alto de un capacitor electrolítico combinado con la ESR muy baja del electrolito de polímero de los capacitores de polímero , especialmente en los estilos SMD, los convierte en un competidor de los capacitores de chip MLC en fuentes de alimentación de computadoras personales.

Los condensadores electrolíticos de aluminio bipolares (también llamados condensadores no polarizados) contienen dos láminas de aluminio anodizado que se comportan como dos condensadores conectados en serie opuesta.

Los condensadores electrolíticos para aplicaciones especiales incluyen condensadores de arranque de motor, ^[22] condensadores de linterna ^[23] y condensadores de audiofrecuencia. ^[24]

• Representación esquemática
• 
  Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de aluminio bobinado con electrolito no sólido (líquido)
• 
  Representación esquemática de la estructura de un condensador electrolítico de tantalio sinterizado con electrolito sólido y las capas de contacto catódico.

• Condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio.
• 
  Estilos de condensadores electrolíticos de aluminio axiales, radiales (de un solo extremo) y de chip en V
• 
  Estilo de encaje a presión de condensadores electrolíticos de aluminio para aplicaciones de energía.
• 
  Estilo SMD para montaje superficial de condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito de polímero
• 
  Condensadores de chip electrolítico de tantalio para montaje en superficie

Supercondensadores

Clasificación jerárquica de supercondensadores y tipos relacionados.

Gráfico de Ragone que muestra la densidad de potencia frente a la densidad de energía de varios condensadores y baterías

Clasificación de supercondensadores en clases según las normas IEC 62391-1, IEC 62567 y DIN EN 61881-3.

Los supercondensadores (SC) , ^[25] comprenden una familia de condensadores electroquímicos . Supercondensador, a veces llamado ultracondensador, es un término genérico para condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), pseudocondensadores y condensadores híbridos. No tienen un dieléctrico sólido convencional . El valor de capacitancia de un capacitor electroquímico está determinado por dos principios de almacenamiento, los cuales contribuyen a la capacitancia total del capacitor: ^{[26] [27] [28]}

• Capacitancia de doble capa : el almacenamiento se logra mediante la separación de la carga en una doble capa de Helmholtz en la interfaz entre la superficie de un conductor y una solución electrolítica. La distancia de separación de carga en una doble capa es del orden de unos pocos Angstroms (0,3 a 0,8  nm ). Este almacenamiento es de origen electrostático . ^[1]
• Pseudocapacitancia : el almacenamiento se logra mediante reacciones redox , electroabsorción o intercalación en la superficie del electrodo o mediante iones específicamente absorbidos que resultan en una transferencia de carga faradaica reversible . La pseudocapacitancia es de origen faradaico. ^[1]

La proporción de almacenamiento resultante de cada principio puede variar mucho, dependiendo del diseño del electrodo y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de la capacitancia hasta en un orden de magnitud con respecto al de la doble capa por sí sola. ^[25]

Los supercondensadores se dividen en tres familias, según el diseño de los electrodos:

• Condensadores de doble capa : con electrodos de carbono o derivados con una capacitancia estática de doble capa mucho mayor que la pseudocapacitancia faradaica.
• Pseudocondensadores : con electrodos de óxidos metálicos o polímeros conductores con una gran cantidad de pseudocapacitancia faradaica.
• Condensadores híbridos : condensadores con electrodos especiales y asimétricos que exhiben una capacitancia y pseudocapacitancia significativas de doble capa, como los capacitores de iones de litio.

Los supercondensadores cierran la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías recargables . Tienen los valores de capacitancia más altos disponibles por unidad de volumen y la mayor densidad de energía de todos los capacitores. Admiten hasta 12.000 faradios /1,2 voltios, ^[29] con valores de capacitancia de hasta 10.000 veces los de los condensadores electrolíticos . ^[25] Si bien los supercondensadores existentes tienen densidades de energía que son aproximadamente el 10% de una batería convencional, su densidad de potencia es generalmente de 10 a 100 veces mayor. La densidad de potencia se define como el producto de la densidad de energía, multiplicada por la velocidad a la que se entrega la energía a la carga . La mayor densidad de potencia da como resultado ciclos de carga/descarga mucho más cortos de los que es capaz de realizar una batería, y una mayor tolerancia a numerosos ciclos de carga/descarga. Esto los hace muy adecuados para la conexión en paralelo con baterías y puede mejorar el rendimiento de la batería en términos de densidad de potencia.

Dentro de los condensadores electroquímicos, el electrolito es la conexión conductora entre los dos electrodos, lo que los distingue de los condensadores electrolíticos, en los que el electrolito sólo forma el cátodo, el segundo electrodo.

Los supercondensadores están polarizados y deben funcionar con la polaridad correcta. La polaridad está controlada por diseño con electrodos asimétricos o, para electrodos simétricos, mediante un potencial aplicado durante el proceso de fabricación.

Los supercondensadores admiten un amplio espectro de aplicaciones para requisitos de potencia y energía, que incluyen:

• Baja corriente de suministro durante tiempos más prolongados para respaldo de memoria ( SRAM ) en equipos electrónicos
• Electrónica de potencia que requiere una corriente muy corta y elevada, como en el sistema KERS de los coches de Fórmula 1 .
• Recuperación de energía de frenado para vehículos como autobuses y trenes

Los supercondensadores rara vez son intercambiables, especialmente aquellos con mayores densidades de energía. La norma IEC 62391-1 Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos identifica cuatro clases de aplicaciones:

• Clase 1, respaldo de memoria, corriente de descarga en mA = 1 • C (F)
• Clase 2, almacenamiento de energía, corriente de descarga en mA = 0,4 • C (F) • V (V)
• Clase 3, Potencia, corriente de descarga en mA = 4 • C (F) • V (V)
• Clase 4, Potencia instantánea, corriente de descarga en mA = 40 • C (F) • V (V)

Excepcionales para componentes electrónicos como capacitores son los múltiples nombres comerciales o de series diferentes utilizados para supercondensadores como: APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Kapton capacitor, Supercondensador, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor, lo que dificulta a los usuarios clasificar estos condensadores.

• Doble capa, Iones de Litio y supercondensadores
• 
  Condensador de doble capa con 1 F a 5,5 V para retención de datos cuando no hay energía.
• 
  Estilo radial (de un solo extremo) de condensadores de iones de litio para alta densidad de energía
• 
  Supercondensadores

Condensadores clase X y clase Y

Muchas normas de seguridad exigen que se deben utilizar condensadores de Clase X o Clase Y siempre que un "fallo de cortocircuito" pueda poner en peligro a los seres humanos, para garantizar el aislamiento galvánico incluso cuando falla el condensador.

Dos condensadores clase Y en una placa de circuito

Los rayos y otras fuentes provocan sobretensiones en la red eléctrica. Los condensadores de seguridad protegen a las personas y los dispositivos de sobretensiones de alto voltaje desviando la energía de la sobretensión a tierra. ^[30]

En particular, las normas de seguridad exigen una disposición particular de los condensadores de filtrado de red de Clase X y Clase Y. ^[31]

En principio, cualquier dieléctrico podría usarse para construir capacitores Clase X y Clase Y; quizás incluyendo un fusible interno para mejorar la seguridad. ^{[32] [33] [34] [35]} En la práctica, los capacitores que cumplen con las especificaciones de Clase X y Clase Y son típicamente capacitores cerámicos de supresión de RFI/EMI o capacitores de supresión de RFI/EMI de película plástica .

Condensadores varios

Debajo de los condensadores descritos anteriormente, que cubren más o menos casi todo el mercado de condensadores discretos, se pueden encontrar algunos desarrollos nuevos o tipos de condensadores muy especiales, así como tipos más antiguos en electrónica.

Condensadores integrados

• Condensadores integrados: en los circuitos integrados , los condensadores a nanoescala se pueden formar mediante patrones apropiados de metalización sobre un sustrato aislante. Pueden empaquetarse en múltiples conjuntos de capacitores sin otras partes semiconductoras como componentes discretos. ^[36]
• Condensadores de vidrio: el primer capacitor tipo jarra de Leyden estaba hecho de vidrio. A partir de 2012, ^[actualizar]los capacitores de vidrio se utilizaban como versión SMD para aplicaciones que requerían un servicio ultra confiable y ultra estable.

Condensadores de potencia

• Condensadores de vacío : utilizados en transmisores de RF de alta potencia
• Condensadores llenos de gas SF ₆ : utilizados como estándar de capacitancia en circuitos de puente de medición

Condensadores especiales

• Placas de circuito impreso : las áreas conductoras de metal en diferentes capas de una placa de circuito impreso multicapa pueden actuar como un condensador altamente estable en filtros de elementos distribuidos . Es una práctica común en la industria llenar las áreas no utilizadas de una capa de PCB con el conductor de tierra y otra capa con el conductor de alimentación, formando un gran condensador distribuido entre las capas.
• Cable: 2 trozos de cable aislado retorcidos entre sí. Los valores de capacitancia suelen oscilar entre 3 pF y 15 pF. Se utiliza en circuitos VHF caseros para retroalimentación de oscilación.

También existen dispositivos especializados, como condensadores incorporados con áreas conductoras de metal en diferentes capas de una placa de circuito impreso multicapa y trucos como torcer dos trozos de cable aislado.

Los condensadores que se fabrican retorciendo dos trozos de cable aislado se denominan condensadores de truco. Los condensadores de truco se utilizaron en receptores de radioaficionados y comerciales. ^{[37] [38] [39] [40] [41]}

Condensadores obsoletos

• Leyden sacude el condensador más antiguo conocido
• Condensadores de mica con abrazadera : los primeros condensadores con comportamiento de frecuencia estable y bajas pérdidas, utilizados para aplicaciones de radio militares durante la Segunda Guerra Mundial.
• Condensadores de entrehierro: utilizados por los primeros transmisores de vía de chispas

• Condensadores varios
• 
  Algunos condensadores de mica plateada con clasificación de 1 nF × 500 VCC
• 
  Condensador de vacío con encapsulación de vidrio de uranio.

Condensadores variables

Los condensadores variables pueden cambiar su capacitancia mediante movimiento mecánico. Hay dos tipos principales:

• Condensador de sintonización: condensador variable para sintonizar intencional y repetidamente un circuito oscilador en una radio u otro circuito sintonizado.
• Condensador de ajuste: pequeño condensador variable generalmente para un ajuste interno del circuito oscilador de una sola vez.

Los condensadores variables incluyen condensadores que utilizan una construcción mecánica para cambiar la distancia entre las placas o la cantidad de superficie de la placa que se superpone. Utilizan principalmente aire como medio dieléctrico.

Los diodos semiconductores de capacitancia variable no son capacitores en el sentido de componentes pasivos, pero pueden cambiar su capacitancia en función del voltaje de polarización inversa aplicado y se usan como un capacitor variable. Han sustituido gran parte de los condensadores de sintonización y trimmer.

• Condensadores variables
• 
  Condensador de sintonización de entrehierro
• 
  Condensador de sintonización de vacío
• 
  Condensador recortador para montaje en orificio pasante
• 
  Condensador recortador para montaje en superficie

Comparación de tipos

Características electricas

Circuito equivalente en serie

Modelo de circuito equivalente en serie de un condensador.

Los condensadores discretos se desvían del condensador ideal. Un condensador ideal sólo almacena y libera energía eléctrica, sin disipación. Los componentes del condensador tienen pérdidas y partes inductivas parásitas. Estas imperfecciones en el material y la construcción pueden tener implicaciones positivas, como el comportamiento lineal de frecuencia y temperatura en los condensadores cerámicos de clase 1. Por el contrario, las implicaciones negativas incluyen la capacitancia no lineal y dependiente de la tensión en los condensadores cerámicos de clase 2 o el aislamiento dieléctrico insuficiente de los condensadores que conduce a corrientes de fuga.

Todas las propiedades pueden definirse y especificarse mediante un circuito equivalente en serie compuesto por una capacitancia idealizada y componentes eléctricos adicionales que modelan todas las pérdidas y parámetros inductivos de un capacitor. En este circuito equivalente en serie las características eléctricas están definidas por:

• C , la capacitancia del condensador.
• R _insul , la resistencia de aislamiento del dieléctrico, que no debe confundirse con el aislamiento de la carcasa.
• _Fuga R , la resistencia que representa la corriente de fuga del condensador.
• R _ESR , la resistencia en serie equivalente que resume todas las pérdidas óhmicas del condensador, generalmente abreviada como "ESR".
• L _ESL , la inductancia en serie equivalente que es la autoinductancia efectiva del condensador, generalmente abreviada como "ESL".

La norma IEC /EN 60384-1 especifica el uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo .

Valores y tolerancias de capacitancia estándar

La capacitancia nominal C _R o capacitancia nominal C _N es el valor para el cual ha sido diseñado el capacitor. La capacitancia real depende de la frecuencia medida y la temperatura ambiente. Las condiciones de medición estándar son un método de medición de CA de bajo voltaje a una temperatura de 20 °C con frecuencias de

• 100 kHz, 1 MHz (preferido) o 10 MHz para condensadores no electrolíticos con C _R ≤ 1 nF:
• 1 kHz o 10 kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF < C _R ≤ 10 μF
• 100/120 Hz para condensadores electrolíticos
• 50/60 Hz o 100/120 Hz para condensadores no electrolíticos con C _R > 10 μF

Para los supercondensadores se aplica un método de caída de voltaje para medir el valor de capacitancia. .

Los condensadores están disponibles en valores preferidos que aumentan geométricamente ( estándares de la serie E ) especificados en IEC/EN 60063. Según el número de valores por década, se denominaron series E3, E6, E12, E24 , etc. La gama de unidades utilizadas para especificar los valores de los condensadores se ha ampliado para incluir desde pico (pF), nano (nF) y microfaradio (μF) hasta faradio (F). Los milifaradios y los kilofaradios son poco comunes.

El porcentaje de desviación permitida del valor nominal se llama tolerancia . El valor de capacitancia real debe estar dentro de sus límites de tolerancia o estará fuera de especificación. IEC/EN 60062 especifica un código de letras para cada tolerancia.

La tolerancia requerida está determinada por la aplicación particular. Las estrechas tolerancias de E24 a E96 se utilizan para circuitos de alta calidad, como osciladores y temporizadores de precisión. Las aplicaciones generales, como circuitos de acoplamiento o filtrado no críticos, emplean E12 o E6. Los condensadores electrolíticos, que se utilizan a menudo para filtrar y derivar condensadores, en su mayoría tienen un rango de tolerancia de ±20% y deben ajustarse a los valores de la serie E6 (o E3).

Dependencia de la temperatura

La capacitancia generalmente varía con la temperatura. Los diferentes dieléctricos expresan grandes diferencias en la sensibilidad a la temperatura. El coeficiente de temperatura se expresa en partes por millón (ppm) por grado Celsius para los condensadores cerámicos de clase 1 o en % sobre el rango de temperatura total para todos los demás.

Dependencia de la frecuencia

La mayoría de los tipos de condensadores discretos tienen más o menos cambios de capacitancia al aumentar las frecuencias. La rigidez dieléctrica de las películas cerámicas y plásticas de clase 2 disminuye con el aumento de la frecuencia. Por lo tanto, su valor de capacitancia disminuye al aumentar la frecuencia. Este fenómeno para los dieléctricos cerámicos de clase 2 y de película plástica está relacionado con la relajación dieléctrica en la que la constante de tiempo de los dipolos eléctricos es la razón de la dependencia de la permitividad con la frecuencia . Los gráficos siguientes muestran el comportamiento de frecuencia típico de la capacitancia para condensadores cerámicos y de película.

• Dependencia de la frecuencia de la capacitancia para condensadores cerámicos y de película.
• 
  Dependencia de la frecuencia de la capacitancia para condensadores cerámicos de clase 2 (NP0 clase 1 para comparación)
• 
  Dependencia de la frecuencia de la capacitancia para condensadores de película con diferentes materiales de película

En los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido se produce un movimiento mecánico de los iones . Su movilidad está limitada, de modo que a frecuencias más altas no todas las zonas de la estructura rugosa del ánodo están cubiertas con iones portadores de carga. Cuanto más se vuelve rugosa la estructura del ánodo, más disminuye el valor de la capacitancia al aumentar la frecuencia. Los tipos de bajo voltaje con ánodos muy rugosos muestran una capacitancia a 100 kHz de aproximadamente del 10 al 20% del valor medido a 100 Hz.

Dependencia de voltaje

La capacitancia también puede cambiar con el voltaje aplicado. Este efecto es más frecuente en los condensadores cerámicos de clase 2. La permitividad del material ferroeléctrico de clase 2 depende del voltaje aplicado. Un voltaje aplicado más alto reduce la permitividad. El cambio de capacitancia puede caer al 80% del valor medido con el voltaje de medición estandarizado de 0,5 o 1,0 V. Este comportamiento es una pequeña fuente de no linealidad en filtros de baja distorsión y otras aplicaciones analógicas. En aplicaciones de audio, esto puede causar distorsión (medida usando THD ).

Los condensadores de película y los condensadores electrolíticos no dependen significativamente del voltaje.

• Dependencia del voltaje de la capacitancia para algunos capacitores cerámicos de clase 2 diferentes
• 
  Diagrama simplificado del cambio de capacitancia en función del voltaje aplicado para capacitores de 25 V en diferentes tipos de calidades cerámicas.
• 
  Diagrama simplificado del cambio de capacitancia en función del voltaje aplicado para cerámicas X7R con diferentes voltajes nominales

Tensión nominal y de categoría.

Relación entre el rango de temperatura nominal y de categoría y el voltaje aplicado

El voltaje al que el dieléctrico se vuelve conductor se llama voltaje de ruptura y viene dado por el producto de la rigidez dieléctrica y la separación entre los electrodos. La rigidez dieléctrica depende de la temperatura, la frecuencia, la forma de los electrodos, etc. Debido a que una falla en un capacitor normalmente es un cortocircuito y destruye el componente, el voltaje de operación es menor que el voltaje de ruptura. El voltaje de operación se especifica de manera que pueda aplicarse continuamente durante toda la vida útil del capacitor.

En IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida se denomina "tensión nominal" o "tensión nominal". El voltaje nominal (UR) es el voltaje de CC máximo o voltaje de pulso máximo que se puede aplicar continuamente a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal.

La resistencia al voltaje de casi todos los condensadores disminuye al aumentar la temperatura. Algunas aplicaciones requieren un rango de temperatura más alto. Reducir el voltaje aplicado a una temperatura más alta mantiene los márgenes de seguridad. Por lo tanto, para algunos tipos de condensadores, la norma IEC especifica una segunda "tensión de temperatura reducida" para un rango de temperatura más alto, la "tensión de categoría". El voltaje de categoría (UC) es el voltaje de CC máximo o voltaje de pulso máximo que se puede aplicar continuamente a un capacitor a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura de categoría.

La relación entre voltajes y temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.

Impedancia

Circuito equivalente en serie simplificado de un condensador para frecuencias más altas (arriba); diagrama vectorial con reactancias eléctricas X _ESL y X _C y resistencia ESR y, a modo ilustrativo, la impedancia Z y el factor de disipación tan δ

En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Pero esta es sólo una función del condensador. Un condensador también puede actuar como resistencia de CA. En muchos casos, el condensador se utiliza como condensador de desacoplamiento para filtrar o derivar a tierra frecuencias de CA polarizadas no deseadas. Otras aplicaciones utilizan condensadores para el acoplamiento capacitivo de señales de CA; el dieléctrico se utiliza sólo para bloquear CC. Para tales aplicaciones, la resistencia de CA es tan importante como el valor de la capacitancia.

La resistencia de CA dependiente de la frecuencia se llama impedancia y es la relación compleja entre el voltaje y la corriente en un circuito de CA. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de CA y posee magnitud y fase a una frecuencia particular. Esto es diferente a la resistencia, que sólo tiene magnitud. ${\displaystyle \scriptstyle Z}$

${\displaystyle \ Z=|Z|e^{j\theta }}$

La magnitud representa la relación entre la amplitud de la diferencia de voltaje y la amplitud de la corriente, es la unidad imaginaria , mientras que el argumento da la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente. ${\displaystyle \scriptstyle |Z|}$ ${\displaystyle \scriptstyle j}$ ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$

En las hojas de datos de los condensadores, solo la magnitud de la impedancia |Z| se especifica y se escribe simplemente como "Z" para que la fórmula de la impedancia se pueda escribir en forma cartesiana

${\displaystyle \ Z=R+jX}$

donde la parte real de la impedancia es la resistencia (para condensadores ) y la parte imaginaria es la reactancia . ${\displaystyle \scriptstyle R}$ ${\displaystyle \scriptstyle ESR}$ ${\displaystyle \scriptstyle X}$

Como se muestra en el circuito equivalente en serie de un capacitor, el componente real incluye un capacitor ideal , una inductancia y una resistencia . Por lo tanto , la reactancia total a la frecuencia angular viene dada por la suma geométrica (compleja) de una reactancia capacitiva ( Capacitancia ) y una reactancia inductiva ( Inductancia ): . ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle L(ESL)}$ ${\displaystyle R(ESR)}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$ ${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$

Para calcular la impedancia, la resistencia se debe sumar geométricamente y luego viene dada por ${\displaystyle \scriptstyle Z}$ ${\displaystyle Z}$

${\displaystyle Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}}$. La impedancia es una medida de la capacidad del condensador para pasar corrientes alternas. En este sentido la impedancia se puede utilizar como la ley de Ohm.

${\displaystyle Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}.}$

para calcular el pico o el valor efectivo de la corriente o el voltaje.

En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas

${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$y ${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$

tienen el mismo valor ( ), entonces la impedancia solo estará determinada por . ${\displaystyle X_{C}=X_{L}}$ ${\displaystyle {ESR}}$

Curvas de impedancia típicas para diferentes valores de capacitancia sobre la frecuencia que muestran la forma típica con valores de impedancia decrecientes por debajo de la resonancia y valores crecientes por encima de la resonancia. Cuanto mayor sea la capacitancia, menor será la resonancia.

La impedancia especificada en las hojas de datos suele mostrar curvas típicas para los diferentes valores de capacitancia. Con frecuencia creciente a medida que la impedancia disminuye hasta un mínimo. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente podrán pasar corrientes alternas a través del condensador. En el vértice , el punto de resonancia, donde XC tiene el mismo valor que XL, el condensador tiene el valor de impedancia más bajo. Aquí sólo la ESR determina la impedancia. Con frecuencias por encima de la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL del capacitor. El condensador se convierte en una inductancia.

Como se muestra en el gráfico, los valores de capacitancia más altos pueden adaptarse mejor a las frecuencias más bajas, mientras que los valores de capacitancia más bajos pueden adaptarse mejor a las frecuencias más altas.

Los condensadores electrolíticos de aluminio tienen propiedades de desacoplamiento relativamente buenas en el rango de frecuencia más bajo hasta aproximadamente 1 MHz debido a sus grandes valores de capacitancia. Esta es la razón por la que se utilizan condensadores electrolíticos en fuentes de alimentación estándar o de modo conmutado detrás del rectificador para aplicaciones de suavizado.

Los condensadores cerámicos y de película ya tienen valores de capacitancia más pequeños y son adecuados para frecuencias más altas, de hasta varios 100 MHz. También tienen una inductancia parásita significativamente menor, lo que los hace adecuados para aplicaciones de frecuencia más alta, debido a su construcción con contacto de superficie final de los electrodos. Para aumentar el rango de frecuencias, a menudo se conecta un condensador electrolítico en paralelo con un condensador cerámico o de película. ^[47]

Muchos nuevos desarrollos tienen como objetivo reducir la inductancia parásita (ESL). Esto aumenta la frecuencia de resonancia del condensador y, por ejemplo, puede adaptarse a la velocidad de conmutación en constante aumento de los circuitos digitales. La miniaturización, especialmente en los condensadores de chip cerámico multicapa ( MLCC ) SMD, aumenta la frecuencia de resonancia. La inductancia parásita se reduce aún más colocando los electrodos en el lado longitudinal del chip en lugar del lado lateral. La construcción "boca abajo" asociada con la tecnología de múltiples ánodos en los condensadores electrolíticos de tantalio redujo aún más el ESL. Las familias de condensadores, como los llamados condensadores MOS o los condensadores de silicio, ofrecen soluciones cuando se necesitan condensadores en frecuencias hasta el rango de GHz.

Inductancia (ESL) y frecuencia de resonancia propia.

El ESL en los condensadores industriales se debe principalmente a los cables y las conexiones internas utilizadas para conectar las placas del condensador al mundo exterior. Los condensadores grandes tienden a tener un ESL más alto que los pequeños porque las distancias a la placa son más largas y cada mm cuenta como una inductancia.

Para cualquier condensador discreto, existe una frecuencia por encima de CC en la que deja de comportarse como un condensador puro. Esta frecuencia, que es tan alta como , se llama frecuencia de autorresonancia. La frecuencia de autorresonancia es la frecuencia más baja a la que la impedancia pasa por un mínimo. Para cualquier aplicación de CA, la frecuencia de autorresonancia es la frecuencia más alta a la que se pueden utilizar los condensadores como componente capacitivo. ${\displaystyle X_{C}}$ ${\displaystyle X_{L}}$

Esto es de vital importancia para desacoplar circuitos lógicos de alta velocidad de la fuente de alimentación. El condensador de desacoplamiento suministra corriente transitoria al chip. Sin desacopladores, el CI demanda corriente más rápido de lo que la conexión a la fuente de alimentación puede suministrarla, ya que partes del circuito se encienden y apagan rápidamente. Para contrarrestar este posible problema, los circuitos suelen utilizar múltiples condensadores de derivación: condensadores pequeños (100 nF o menos) clasificados para altas frecuencias, un condensador electrolítico grande clasificado para frecuencias más bajas y, ocasionalmente, un condensador de valor intermedio.

Pérdidas óhmicas, ESR, factor de disipación y factor de calidad.

Las pérdidas resumidas en condensadores discretos son pérdidas óhmicas de CA. Las pérdidas de CC se especifican como " corriente de fuga " o "resistencia aislante" y son insignificantes para una especificación de CA. Las pérdidas de CA no son lineales y posiblemente dependen de la frecuencia, la temperatura, la edad o la humedad. Las pérdidas resultan de dos condiciones físicas:

• pérdidas de línea, incluidas las resistencias internas de la línea de suministro, la resistencia de contacto del contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos y, en los condensadores electrolíticos de aluminio "húmedos", y especialmente los supercondensadores, la conductividad limitada de los electrolitos líquidos y
• Pérdidas dieléctricas por polarización dieléctrica .

La mayor parte de estas pérdidas en condensadores más grandes suelen ser las pérdidas dieléctricas óhmicas dependientes de la frecuencia. Para componentes más pequeños, especialmente para condensadores electrolíticos húmedos, la conductividad de los electrolitos líquidos puede exceder las pérdidas dieléctricas. Para medir estas pérdidas es necesario establecer la frecuencia de medición. Dado que los componentes disponibles comercialmente ofrecen valores de capacitancia que cubren 15 órdenes de magnitud, desde pF (10 ⁻¹²  F) hasta unos 1000 F en supercondensadores, no es posible capturar todo el rango con una sola frecuencia. IEC 60384-1 establece que las pérdidas óhmicas deben medirse a la misma frecuencia utilizada para medir la capacitancia. Estos son:

• 100 kHz, 1 MHz (preferido) o 10 MHz para condensadores no electrolíticos con C _R ≤ 1 nF:
• 1 kHz o 10 kHz para condensadores no electrolíticos con 1 nF < C _R ≤ 10 μF
• 100/120 Hz para condensadores electrolíticos
• 50/60 Hz o 100/120 Hz para condensadores no electrolíticos con C _R > 10 μF

Las pérdidas resistivas resumidas de un capacitor se pueden especificar como ESR, como factor de disipación (DF, tan δ) o como factor de calidad (Q), según los requisitos de la aplicación.

Los condensadores con  cargas de corriente de rizado más altas, como los condensadores electrolíticos, se especifican con una resistencia en serie equivalente ESR. ESR se puede mostrar como una parte óhmica en el diagrama vectorial anterior. Los valores de ESR se especifican en hojas de datos por tipo individual. ${\displaystyle I_{R}}$

Las pérdidas de los condensadores de película y algunos condensadores cerámicos de clase 2 se especifican principalmente con el factor de disipación tan δ. Estos condensadores tienen pérdidas menores que los condensadores electrolíticos y se utilizan principalmente a frecuencias más altas, de hasta unos cientos de MHz. Sin embargo, el valor numérico del factor de disipación, medido a la misma frecuencia, es independiente del valor de capacitancia y puede especificarse para una serie de capacitores con un rango de capacitancia. El factor de disipación se determina como la tangente de la reactancia ( ) y la ESR, y se puede mostrar como el ángulo δ entre el eje imaginario y la impedancia. ${\displaystyle X_{C}-X_{L}}$

Si la inductancia  es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como: ${\displaystyle ESL}$

${\displaystyle \tan \delta =ESR\cdot \omega C}$

Los condensadores con pérdidas muy bajas, como los condensadores cerámicos Clase 1 y Clase 2, especifican pérdidas resistivas con un factor de calidad (Q). Los condensadores cerámicos de clase 1 son especialmente adecuados para circuitos resonantes LC con frecuencias de hasta el rango de GHz y filtros de paso alto y bajo precisos. Para un sistema eléctricamente resonante, Q representa el efecto de la resistencia eléctrica y caracteriza el ancho de banda de un resonador en relación con su centro o frecuencia resonante . Q se define como el valor recíproco del factor de disipación. ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle f_{0}}$

${\displaystyle Q={\frac {1}{\tan \delta }}={\frac {f_{0}}{B}}\ }$

Un valor Q elevado es en los circuitos resonantes una señal de la calidad de la resonancia.

Limitar las cargas actuales

Un condensador puede actuar como una resistencia de CA, acoplando voltaje CA y corriente CA entre dos puntos. Cada flujo de corriente alterna a través de un condensador genera calor dentro del cuerpo del condensador. Esta pérdida de potencia de disipación es causada por y es el valor al cuadrado de la corriente efectiva (RMS). ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle ESR}$ ${\displaystyle I}$

${\displaystyle P=I^{2}\cdot ESR}$

La misma pérdida de potencia se puede escribir con el factor de disipación como ${\displaystyle \tan \delta }$

${\displaystyle P={\frac {U^{2}\cdot \tan \delta }{2\pi f\cdot C}}}$

El calor generado internamente debe distribuirse al ambiente. La temperatura del condensador, que se establece sobre el equilibrio entre el calor producido y distribuido, no deberá exceder la temperatura máxima especificada del condensador. Por lo tanto, el ESR o factor de disipación es una marca para la potencia máxima (carga de CA, corriente de ondulación, carga de pulso, etc.) para la que está especificado un capacitor.

Las corrientes CA pueden ser:

• Corriente de ondulación: una corriente CA efectiva (RMS), procedente de un voltaje CA superpuesto a una polarización CC, una
• Corriente de pulso: una corriente máxima de CA, proveniente de un pico de voltaje o una
• Corriente CA: una corriente sinusoidal efectiva (RMS)

Las corrientes onduladas y de CA calientan principalmente el cuerpo del condensador. Mediante esta corriente, la temperatura interna generada influye en el voltaje de ruptura del dieléctrico. Una temperatura más alta reduce la prueba de voltaje de todos los condensadores. En los condensadores electrolíticos húmedos, las temperaturas más altas fuerzan la evaporación de los electrolitos, acortando la vida útil de los condensadores. En los condensadores de película, las temperaturas más altas pueden encoger la película plástica y cambiar las propiedades del condensador.

Las corrientes de pulso, especialmente en los condensadores de película metalizada, calientan las áreas de contacto entre la pulverización final (choopage) y los electrodos metalizados. Esto puede reducir el contacto con los electrodos, aumentando el factor de disipación.

Para una operación segura, la temperatura máxima generada por cualquier flujo de corriente CA a través del capacitor es un factor limitante, que a su vez limita la carga de CA, la corriente ondulada, la carga de pulso, etc.

Corriente de rizado

Una "corriente ondulada" es el valor RMS de una corriente alterna superpuesta de cualquier frecuencia y cualquier forma de onda de la curva de corriente para funcionamiento continuo a una temperatura específica. Surge principalmente en fuentes de alimentación (incluidas las fuentes de alimentación de modo conmutado ) después de rectificar una tensión alterna y fluye como corriente de carga y descarga a través del condensador de desacoplamiento o suavizado. La "corriente de rizado nominal" no deberá exceder un aumento de temperatura de 3, 5 o 10 °C, según el tipo de condensador, a la temperatura ambiente máxima especificada.

La corriente ondulada genera calor dentro del cuerpo del capacitor debido a la ESR del capacitor. Los componentes del condensador ESR son: las pérdidas dieléctricas causadas por el cambio de intensidad del campo en el dieléctrico, la resistencia del conductor de alimentación y la resistencia del electrolito. Para un condensador eléctrico de doble capa (ELDC), estos valores de resistencia se pueden derivar de un gráfico de Nyquist de la impedancia compleja del condensador. ^[51]

La ESR depende de la frecuencia y la temperatura. Para los condensadores cerámicos y de película, en general, la ESR disminuye con el aumento de la temperatura, pero aumenta con frecuencias más altas debido al aumento de las pérdidas dieléctricas. Para condensadores electrolíticos de hasta aproximadamente 1 MHz, la ESR disminuye al aumentar las frecuencias y temperaturas.

Los tipos de condensadores utilizados para aplicaciones de energía tienen un valor nominal específico para la corriente de rizado máxima. Se trata principalmente de condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio, así como algunos condensadores de película y condensadores cerámicos de clase 2.

Los condensadores electrolíticos de aluminio, el tipo más común para fuentes de alimentación, experimentan una vida útil más corta con corrientes de ondulación más altas. Superar el límite tiende a provocar una falla explosiva.

Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido de dióxido de manganeso también están limitados por la corriente ondulada. Exceder sus límites de ondulación tiende a provocar cortocircuitos y quemar componentes.

Para condensadores cerámicos y de película, normalmente especificados con un factor de pérdida tan δ, el límite de corriente de rizado está determinado por el aumento de temperatura en el cuerpo de aproximadamente 10 °C. Exceder este límite puede destruir la estructura interna y provocar cortocircuitos.

Corriente de pulso

La carga de pulso nominal para un determinado condensador está limitada por el voltaje nominal, la frecuencia de repetición del pulso, el rango de temperatura y el tiempo de subida del pulso. El "tiempo de subida del pulso" representa el gradiente de voltaje más pronunciado del pulso (tiempo de subida o bajada) y se expresa en voltios por μs (V/μs). ${\displaystyle dv/dt}$

El tiempo nominal de aumento del pulso también es indirectamente la capacidad máxima de una corriente máxima aplicable . La corriente máxima se define como: ${\displaystyle I_{p}}$

${\displaystyle I_{p}=C\cdot dv/dt}$

donde: está en A; en µF; en V/μs ${\displaystyle I_{p}}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle dv/dt}$

La capacidad de corriente de pulso permitida de un condensador de película metalizada generalmente permite un aumento de temperatura interna de 8 a 10 K.

En el caso de los condensadores de película metalizada, la carga de pulso depende de las propiedades del material dieléctrico, el espesor de la metalización y la construcción del condensador, especialmente la construcción de las áreas de contacto entre la pulverización final y los electrodos metalizados. Los picos de corriente elevados pueden provocar un sobrecalentamiento selectivo de los contactos locales entre el rociador final y los electrodos metalizados, lo que puede destruir algunos de los contactos y provocar un aumento de la ESR.

Para los condensadores de película metalizada, las llamadas pruebas de pulso simulan la carga de pulso que podría ocurrir durante una aplicación, según una especificación estándar. IEC 60384 parte 1, especifica que el circuito de prueba se carga y descarga de forma intermitente. La tensión de prueba corresponde a la tensión continua nominal y la prueba comprende 10000 pulsos con una frecuencia de repetición de 1 Hz. La capacidad de estrés del pulso es el tiempo de subida del pulso. El tiempo de subida del impulso nominal se especifica como 1/10 del tiempo de subida del impulso de prueba.

La carga de pulso debe calcularse para cada aplicación. No se dispone de una regla general para calcular el manejo de potencia de los condensadores de película debido a detalles de construcción internos relacionados con el proveedor. Para evitar que el condensador se sobrecaliente, se deben considerar los siguientes parámetros de funcionamiento:

• corriente máxima por μF
• Tiempo de subida o bajada del pulso dv/dt en V/μs
• duración relativa de los períodos de carga y descarga (forma del pulso)
• voltaje de pulso máximo (voltaje pico)
• voltaje inverso pico;
• Frecuencia de repetición del pulso.
• Temperatura ambiente
• Disipación de calor (enfriamiento)

Se permiten tiempos de aumento de impulso más altos para tensiones de impulso inferiores a la tensión nominal.

Muchos fabricantes dan ejemplos de cálculos de cargas de impulsos individuales, por ejemplo WIMA ^[52] y Kemet. ^[53]

corriente alterna

Condiciones límite para condensadores que funcionan con cargas de CA.

Sólo se puede aplicar una carga de CA a un condensador no polarizado. Los condensadores para aplicaciones de CA son principalmente condensadores de película, condensadores de papel metalizado, condensadores cerámicos y condensadores electrolíticos bipolares.

La carga de CA nominal para un capacitor de CA es la corriente CA efectiva sinusoidal máxima (rms) que se puede aplicar continuamente a un capacitor dentro del rango de temperatura especificado. En las hojas de datos, la carga de CA se puede expresar como

• tensión alterna nominal a bajas frecuencias,
• potencia reactiva nominal a frecuencias intermedias,
• voltaje CA reducido o corriente CA nominal a altas frecuencias.

Curvas típicas de voltaje de CA rms en función de la frecuencia, para 4 valores de capacitancia diferentes de una serie de capacitores de película de 63 V CC

El voltaje CA nominal para capacitores de película generalmente se calcula de manera que un aumento de temperatura interna de 8 a 10 K sea el límite permitido para una operación segura. Debido a que las pérdidas dieléctricas aumentan al aumentar la frecuencia, el voltaje de CA especificado debe reducirse a frecuencias más altas. Las hojas de datos para condensadores de película especifican curvas especiales para reducir los voltajes de CA a frecuencias más altas.

Si los condensadores de película o los condensadores cerámicos solo tienen una especificación de CC, el valor máximo de la tensión de CA aplicada debe ser inferior a la tensión de CC especificada.

Las cargas de CA pueden ocurrir en capacitores de funcionamiento de motores de CA, para duplicar voltaje, en amortiguadores , balastos de iluminación y PFC para cambio de fase para mejorar la estabilidad y eficiencia de la red de transmisión, que es una de las aplicaciones más importantes para capacitores de potencia grandes. Estos condensadores, en su mayoría de gran tamaño, de película de PP o de papel metalizado, están limitados por la potencia reactiva nominal VAr.

Los condensadores electrolíticos bipolares, a los que se puede aplicar un voltaje de CA, se especifican con una corriente de rizado nominal.

Resistencia de aislamiento y autodescarga constante.

La resistencia del dieléctrico es finita, lo que genera cierto nivel de "corriente de fuga" de CC que hace que un capacitor cargado pierda carga con el tiempo. Para los condensadores cerámicos y de película, esta resistencia se denomina "resistencia de aislamiento R _ins ". Esta resistencia está representada por la resistencia R _ins en paralelo con el capacitor en el circuito equivalente en serie de capacitores. No se debe confundir la resistencia de aislamiento con el aislamiento exterior del componente respecto al medio ambiente.

La curva de tiempo de autodescarga sobre la resistencia de aislamiento con voltaje decreciente del capacitor sigue la fórmula

${\displaystyle u(t)=U_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-t/\tau _{\mathrm {s} }},}$

Con voltaje CC almacenado  y autodescarga constante ${\displaystyle U_{0}}$

${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }=R_{\mathrm {ins} }\cdot C}$

Así, después  el voltaje  cae al 37% del valor inicial. ${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }\,}$ ${\displaystyle U_{0}}$

La constante de autodescarga es un parámetro importante para el aislamiento del dieléctrico entre los electrodos de los condensadores cerámicos y de película. Por ejemplo, se puede utilizar un condensador como componente determinante del tiempo para relés de tiempo o para almacenar un valor de voltaje como en circuitos de muestreo y retención o amplificadores operacionales .

Los condensadores cerámicos de clase 1 tienen una resistencia de aislamiento de al menos 10 GΩ, mientras que los condensadores de clase 2 tienen al menos 4 GΩ o una constante de autodescarga de al menos 100 s. Los condensadores de película plástica suelen tener una resistencia de aislamiento de 6 a 12 GΩ. Esto corresponde a condensadores en el rango uF de una constante de autodescarga de aproximadamente 2000 a 4000 s. ^[54]

La resistencia del aislamiento o la constante de autodescarga pueden reducirse si penetra humedad en el devanado. Depende en parte fuertemente de la temperatura y disminuye al aumentar la temperatura. Ambos disminuyen al aumentar la temperatura.

En los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento se define como corriente de fuga.

Corriente de fuga

Comportamiento general de fuga de condensadores electrolíticos: corriente de fuga en función del tiempo para diferentes tipos de electrolitos. ${\displaystyle I_{leak}}$ ${\displaystyle t}$

  no sólido, alto contenido de agua

  no sólido, orgánico

  sólido, polímero

En el caso de los condensadores electrolíticos, la resistencia de aislamiento del dieléctrico se denomina "corriente de fuga". Esta corriente continua está representada por la _fuga de la resistencia R en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos. Esta resistencia entre los terminales de un condensador también es finita. _{La fuga} R es menor para los electrolíticos que para los condensadores cerámicos o de película.

La corriente de fuga incluye todas las imperfecciones débiles del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados y daños mecánicos. También es la corriente continua que puede pasar a través del dieléctrico después de aplicar un voltaje. Depende del intervalo sin tensión aplicada (tiempo de almacenamiento), del estrés térmico de la soldadura, de la tensión aplicada, de la temperatura del condensador y del tiempo de medición.

La corriente de fuga cae en los primeros minutos después de aplicar tensión CC. En este período, la capa de óxido dieléctrico puede reparar sus debilidades mediante la formación de nuevas capas. El tiempo necesario depende generalmente del electrolito. Los electrolitos sólidos caen más rápido que los electrolitos no sólidos, pero permanecen en un nivel ligeramente más alto.

La corriente de fuga en los condensadores electrolíticos no sólidos, así como en los condensadores de tantalio sólidos de óxido de manganeso, disminuye con el tiempo de conexión al voltaje debido a efectos de autorreparación. Aunque la corriente de fuga de los electrolíticos es mayor que el flujo de corriente a través de la resistencia de aislamiento en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos tarda varias semanas.

Un problema particular de los condensadores electrolíticos es el tiempo de almacenamiento. Una mayor corriente de fuga puede ser el resultado de tiempos de almacenamiento más prolongados. Estos comportamientos se limitan a electrolitos con un alto porcentaje de agua. Los disolventes orgánicos como el GBL no presentan grandes fugas con tiempos de almacenamiento más prolongados.

La corriente de fuga normalmente se mide 2 o 5 minutos después de aplicar la tensión nominal.

microfónica

Todos los materiales ferroeléctricos exhiben un efecto piezoeléctrico . Debido a que los condensadores cerámicos de Clase 2 utilizan dieléctricos cerámicos ferroeléctricos, estos tipos de condensadores pueden tener efectos eléctricos llamados microfónicos . La microfonía (microfonía) describe cómo los componentes electrónicos transforman las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica no deseada ( ruido ). ^[55] El dieléctrico puede absorber fuerzas mecánicas de golpes o vibraciones cambiando el espesor y cambiando la separación de los electrodos, lo que afecta la capacitancia, lo que a su vez induce una corriente alterna. La interferencia resultante es especialmente problemática en aplicaciones de audio y puede provocar retroalimentación o grabaciones no deseadas.

En el efecto microfónico inverso, variar el campo eléctrico entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, convirtiéndolas en un altavoz de audio. Las cargas de impulso de alta corriente o las corrientes de alta ondulación pueden generar un sonido audible desde el propio condensador, drenando energía y estresando el dieléctrico. ^[56]

Absorción dieléctrica (remojo)

La absorción dieléctrica se produce cuando un condensador que ha permanecido cargado durante mucho tiempo se descarga sólo 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 debido a la descarga dipolar retardada, un fenómeno que también se denomina relajación dieléctrica , "remojo" o "acción de la batería".

En muchas aplicaciones de condensadores, la absorción dieléctrica no es un problema, pero en algunas aplicaciones, como integradores de constante de tiempo prolongado , circuitos de muestreo y retención , convertidores analógicos a digitales de condensadores conmutados y filtros de muy baja distorsión , la absorción dieléctrica no es un problema. El capacitor no debe recuperar una carga residual después de una descarga completa, por lo que se especifican capacitores con baja absorción. ^[59] El voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede en algunos casos causar problemas en el funcionamiento de un circuito electrónico o puede ser un riesgo para la seguridad del personal. Para evitar descargas eléctricas, la mayoría de los condensadores muy grandes se envían con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de usarse. ^[60]

Densidad de energia

El valor de la capacitancia depende del material dieléctrico (ε), la superficie de los electrodos (A) y la distancia (d) que separa los electrodos y viene dado por la fórmula de un condensador de placas:

${\displaystyle C\approx {\frac {\varepsilon A}{d}}}$

La separación de los electrodos y la prueba de tensión del material dieléctrico define la tensión de ruptura del condensador. El voltaje de ruptura es proporcional al espesor del dieléctrico.

Teóricamente, se dan dos condensadores con las mismas dimensiones mecánicas y dieléctrico, pero uno de ellos tiene la mitad del espesor del dieléctrico. Con las mismas dimensiones éste podría colocar el doble del área de placas paralelas en su interior. Este capacitor tiene teóricamente 4 veces la capacitancia que el primer capacitor pero la mitad de la prueba de voltaje.

Dado que la densidad de energía almacenada en un condensador está dada por:

${\displaystyle E_{\mathrm {stored} }={\frac {1}{2}}CV^{2},}$

por lo tanto, un condensador que tiene un dieléctrico la mitad de grueso que otro tiene una capacitancia 4 veces mayor pero 1 ⁄ 2 a prueba de voltaje, lo que produce una densidad de energía máxima igual.

Por lo tanto, el espesor dieléctrico no afecta la densidad de energía dentro de un capacitor de dimensiones generales fijas. El uso de unas pocas capas gruesas de dieléctrico puede soportar un voltaje alto, pero una capacitancia baja, mientras que las capas delgadas de dieléctrico producen un voltaje de ruptura bajo, pero una capacitancia más alta.

Esto supone que ni las superficies de los electrodos ni la permitividad del dieléctrico cambian con la prueba de voltaje. Una simple comparación con dos series de condensadores existentes puede mostrar si la realidad coincide con la teoría. La comparación es fácil, porque los fabricantes utilizan cajas o tamaños de carcasa estandarizados para diferentes valores de capacitancia/voltaje dentro de una serie.

En realidad, las series de condensadores modernas no se ajustan a la teoría. En el caso de los condensadores electrolíticos, la superficie rugosa similar a una esponja de la lámina del ánodo se vuelve más suave con voltajes más altos, lo que disminuye el área de superficie del ánodo. Pero debido a que la energía aumenta al cuadrado con el voltaje y la superficie del ánodo disminuye menos que la prueba de voltaje, la densidad de energía aumenta claramente. Para los condensadores de película, la permitividad cambia con el espesor dieléctrico y otros parámetros mecánicos, de modo que la desviación de la teoría tiene otras razones. ^[63]

Comparando los condensadores de la tabla con un supercondensador, la familia de condensadores de mayor densidad de energía. Para ello, se utiliza el condensador de 25 F/2,3 V con dimensiones D × H = 16 mm × 26 mm de la serie Maxwell HC, en comparación con el condensador electrolítico de aproximadamente el mismo tamaño que se muestra en la tabla. Este supercondensador tiene aproximadamente 5000 veces mayor capacitancia que el capacitor electrolítico 4700/10, pero 1 ⁄4 del voltaje y tiene aproximadamente 66 000 mW (0,018 Wh) de energía eléctrica almacenada, ^[64] aproximadamente 100 veces mayor densidad de energía (40 a 280 veces). que el condensador electrolítico.

Comportamiento prolongado, envejecimiento.

Los parámetros eléctricos de los condensadores pueden cambiar con el tiempo durante el almacenamiento y la aplicación. Los motivos de los cambios de parámetros son diferentes: puede ser una propiedad del dieléctrico, influencias ambientales, procesos químicos o efectos de secado en materiales no sólidos.

Envejecimiento

Envejecimiento de diferentes condensadores cerámicos de Clase 2 en comparación con el condensador cerámico NP0-Clase 1

En los condensadores cerámicos ferroeléctricos de Clase 2, la capacitancia disminuye con el tiempo. Este comportamiento se llama "envejecimiento". Este envejecimiento ocurre en dieléctricos ferroeléctricos, donde los dominios de polarización en el dieléctrico contribuyen a la polarización total. La degradación de los dominios polarizados en el dieléctrico disminuye la permitividad y, por tanto, la capacitancia con el tiempo. ^{[65] [66]} El envejecimiento sigue una ley logarítmica. Esto define la disminución de la capacitancia como porcentaje constante durante una década después del tiempo de recuperación de la soldadura a una temperatura definida, por ejemplo, en el período de 1 a 10 horas a 20 °C. Como la ley es logarítmica, el porcentaje de pérdida de capacitancia será el doble entre 1 h y 100 h y el triple entre 1 h y 1000 h, y así sucesivamente. El envejecimiento es más rápido cerca del principio y el valor absoluto de capacitancia se estabiliza con el tiempo.

La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos de Clase 2 depende principalmente de sus materiales. Generalmente, cuanto mayor sea la dependencia de la cerámica con la temperatura, mayor será el porcentaje de envejecimiento. El envejecimiento típico de los condensadores cerámicos X7R es de aproximadamente el 2,5% por década. ^[67] La ​​tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos Z5U es significativamente mayor y puede alcanzar hasta el 7% por década.

El proceso de envejecimiento de los condensadores cerámicos de Clase 2 se puede revertir calentando el componente por encima del punto Curie .

Los condensadores cerámicos y de película de clase 1 no presentan envejecimiento relacionado con el ferroeléctrico. Las influencias ambientales como temperaturas más altas, humedad elevada y estrés mecánico pueden provocar, durante un período más largo, un pequeño cambio irreversible en el valor de capacitancia, a veces también llamado envejecimiento.

El cambio de capacitancia para los capacitores cerámicos P 100 y N 470 Clase 1 es inferior al 1%, para los capacitores con cerámica N 750 a N 1500 es ≤ 2%. Los condensadores de película pueden perder capacidad debido a procesos de autorreparación o ganarla debido a la influencia de la humedad. Los cambios típicos durante 2 años a 40 °C son, por ejemplo, ±3% para condensadores de película de PE y ±1% para condensadores de película de PP.

Toda la vida

Los valores eléctricos de los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido cambian con el tiempo debido a la evaporación del electrolito. Al alcanzar los límites especificados de los parámetros, los condensadores se contarán como "fallo por desgaste".

Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido envejecen a medida que el electrolito se evapora. Esta evaporación depende de la temperatura y de la carga de corriente que experimentan los condensadores. El escape de electrolitos influye en la capacitancia y la ESR. La capacitancia disminuye y la ESR aumenta con el tiempo. A diferencia de los condensadores cerámicos, de película y electrolíticos con electrolitos sólidos, los condensadores electrolíticos "húmedos" alcanzan un "final de vida" específico alcanzando un cambio máximo específico de capacitancia o ESR. El final de vida, la "vida de carga" o la "vida útil" se pueden estimar mediante fórmulas o diagramas ^[68] o aproximadamente mediante la llamada "ley de los 10 grados". Una especificación típica para un condensador electrolítico establece una vida útil de 2000 horas a 85 °C, duplicándose por cada 10 grados menos de temperatura, logrando una vida útil de aproximadamente 15 años a temperatura ambiente.

Los supercondensadores también experimentan la evaporación del electrolito con el tiempo. La estimación es similar a la de los condensadores electrolíticos húmedos. Además de la temperatura, la tensión y la carga de corriente influyen en la vida útil. Un voltaje más bajo que el voltaje nominal y cargas de corriente más bajas, así como una temperatura más baja, extienden la vida útil.

Tasa de fracaso

La vida útil (vida útil de la carga) de los condensadores se corresponde con el tiempo de tasa de falla aleatoria constante que se muestra en la curva de la bañera . Para condensadores electrolíticos con electrolito no sólido y supercondensadores, este tiempo finaliza con el inicio de fallas por desgaste debido a la evaporación del electrolito.

Los condensadores son componentes fiables con bajas tasas de fallo , alcanzando esperanzas de vida de décadas en condiciones normales. La mayoría de los condensadores pasan una prueba al final de la producción similar a un " quemado ", de modo que se detectan fallas tempranas durante la producción, lo que reduce la cantidad de fallas posteriores al envío.

La confiabilidad de los capacitores generalmente se especifica en números de fallas en el tiempo (FIT) durante el período de fallas aleatorias constantes. FIT es el número de fallos que se pueden esperar en mil millones (10 ⁹ ) de horas de funcionamiento de componentes en condiciones de trabajo fijas (por ejemplo, 1.000 dispositivos durante 1 millón de horas, o 1 millón de dispositivos durante 1.000 horas cada uno, a 40 °C y 0,5 UR ₎ . Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, influencias mecánicas y humedad, el FIT puede recalcularse con términos estandarizados para contextos industriales ^[69] o militares ^[70] .

Información adicional

Soldadura

Los condensadores pueden experimentar cambios en los parámetros eléctricos debido a influencias ambientales como soldadura, factores de estrés mecánico (vibración, choque) y humedad. El mayor factor de estrés es la soldadura. El calor del baño de soldadura, especialmente para los condensadores SMD, puede hacer que los condensadores cerámicos cambien la resistencia de contacto entre terminales y electrodos; en los condensadores de película, la película puede encogerse y en los condensadores electrolíticos húmedos el electrolito puede hervir. Un período de recuperación permite que las características se estabilicen después de la soldadura; algunos tipos pueden requerir hasta 24 horas. Algunas propiedades pueden cambiar irreversiblemente en un pequeño porcentaje debido a la soldadura.

Comportamiento electrolítico por almacenamiento o desuso.

Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido se "envejecen" durante la fabricación aplicando tensión nominal a alta temperatura durante un tiempo suficiente para reparar todas las grietas y debilidades que puedan haber ocurrido durante la producción. Algunos electrolitos con un alto contenido de agua reaccionan de forma bastante agresiva o incluso violenta con el aluminio desprotegido. Esto conduce a un problema de "almacenamiento" o "desuso" de los condensadores electrolíticos fabricados antes de los años 1980. Los procesos químicos debilitan la capa de óxido cuando estos condensadores no se utilizan durante demasiado tiempo, lo que provoca fallos o un rendimiento deficiente, como fugas excesivas. Durante la década de 1980 se desarrollaron nuevos electrolitos con "inhibidores" o "pasivadores" para reducir este problema. ^{[71] [72]}

Se puede recomendar un "preacondicionamiento" para condensadores electrolíticos con electrolito no sólido, incluso aquellos fabricados recientemente, que no han estado en uso durante un período prolongado. En el preacondicionamiento se aplica un voltaje a través del capacitor y se hace pasar una corriente deliberadamente limitada a través del capacitor. El envío de una corriente limitada a través del condensador repara las capas de óxido dañadas durante el período de desuso. El voltaje aplicado es menor o igual al voltaje nominal del capacitor. La corriente se puede limitar utilizando, por ejemplo, una resistencia en serie. El preacondicionamiento se detiene una vez que la corriente de fuga está por debajo de un nivel aceptable al voltaje deseado. A partir de 2015, un fabricante indica que puede ser útil realizar un preacondicionamiento para condensadores con electrolitos no sólidos que hayan estado almacenados durante más de 1 a 10 años, dependiendo el tiempo máximo de almacenamiento del tipo de condensador. ^[73]

Normas IEC/EN

Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores para uso en equipos electrónicos para su homologación como tipos normalizados se establecen en la especificación genérica IEC / EN 60384-1 en los siguientes apartados. ^[74]

Especificación genérica

• IEC/EN 60384-1 - Condensadores fijos para uso en equipos electrónicos

Condensadores cerámicos

• IEC/EN 60384-8— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 1
• IEC/EN 60384-9— Condensadores fijos de dieléctrico cerámico, Clase 2
• IEC/EN 60384-21: Condensadores multicapa de dieléctrico cerámico de montaje en superficie fija, Clase 1
• IEC/EN 60384-22: Condensadores multicapa de dieléctrico cerámico de montaje en superficie fija, Clase 2

Condensadores de película

• IEC/EN 60384-2: Condensadores de CC dieléctricos de película de tereftalato de polietileno metalizados fijos
• IEC/EN 60384-11: Condensadores de CC de lámina metálica dieléctrica de película fija de tereftalato de polietileno
• IEC/EN 60384-13: Condensadores de CC de lámina metálica dieléctrica de película fija de polipropileno
• IEC/EN 60384-16: Condensadores de CC dieléctricos de película de polipropileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-17— Ac y pulso dieléctrico de película de polipropileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-19: Condensadores de CC de montaje en superficie dieléctricos de película de tereftalato de polietileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-20: Condensadores de CC de montaje en superficie dieléctricos de película de sulfuro de polifenileno metalizado fijo
• IEC/EN 60384-23: Condensadores de CC con chip dieléctrico de película de naftalato de polietileno metalizado fijo

Condensadores electrolíticos

• IEC/EN 60384-3: Condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de dióxido de manganeso
• IEC/EN 60384-4— Condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido (MnO2) y no sólido
• IEC/EN 60384-15: condensadores fijos de tantalio con electrolito sólido y no sólido
• IEC/EN 60384-18: Condensadores electrolíticos fijos de aluminio de montaje superficial con electrolito sólido (MnO ₂ ) y no sólido
• IEC/EN 60384-24: condensadores electrolíticos de tantalio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de polímero conductor
• IEC/EN 60384-25: Condensadores electrolíticos de aluminio fijos de montaje superficial con electrolito sólido de polímero conductor
• IEC/EN 60384-26- Condensadores electrolíticos fijos de aluminio con electrolito sólido de polímero conductor

Supercondensadores

• IEC/EN 62391-1: Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos eléctricos y electrónicos. Parte 1: Especificación genérica.
• IEC/EN 62391-2— Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos. Parte 2: Especificación seccional. Condensadores eléctricos de doble capa para aplicaciones de energía.

Símbolos de condensadores

Símbolos de condensadores

Marcas

impreso

Los condensadores, como la mayoría de los demás componentes electrónicos y si hay suficiente espacio disponible, tienen marcas impresas para indicar el fabricante, el tipo, las características eléctricas y térmicas y la fecha de fabricación. Si son lo suficientemente grandes, el condensador está marcado con:

• nombre o marca registrada del fabricante;
• designación de tipo del fabricante;
• polaridad de las terminaciones (para condensadores polarizados)
• capacitancia nominal;
• tolerancia en capacitancia nominal
• tensión nominal y naturaleza del suministro (CA o CC)
• categoría climática o temperatura nominal;
• año y mes (o semana) de fabricación;
• marcas de certificación de normas de seguridad (para condensadores de supresión EMI/RFI de seguridad)

Los condensadores polarizados tienen marcas de polaridad, generalmente el signo "-" (menos) en el lado del electrodo negativo para los condensadores electrolíticos o una raya o el signo "+" (más), consulte #Marcado de polaridad. Además, el cable negativo de las tapas electrónicas "húmedas" con plomo suele ser más corto.

Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más comúnmente utilizado es: XYZ J/K/M VOLTS V, donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 ^Z pF), las letras J, K o M indican la tolerancia (±5%, ±10% y ±20% respectivamente) y VOLTS V representa el voltaje de trabajo.

Ejemplos:

• 105K 330V implica una capacitancia de 10 × 10 ⁵ pF = 1 μF (K = ±10%) con un voltaje de trabajo de 330 V.
• 473M 100V implica una capacitancia de 47 × 10 ³ pF = 47 nF (M = ±20%) con un voltaje de trabajo de 100 V.

La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden indicar con un código corto especificado en IEC/EN 60062. Ejemplos de marcado corto de la capacitancia nominal (microfaradios): μ47 = 0,47 μF, 4μ7 = 4,7 μF, 47μ = 47 μF

La fecha de fabricación suele imprimirse según las normas internacionales.

• Versión 1: codificación con código numérico de año/semana, "1208" es "2012, semana número 8".
• Versión 2: codificación con código de año/código de mes. Los códigos de año son: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, etc. Los códigos de mes son: "1" a "9" = enero a septiembre, "O" = octubre, "N" = noviembre, "D" = diciembre. "X5" es entonces "2009, mayo"

Para condensadores muy pequeños, como los chips MLCC, no es posible realizar ningún marcado. En este caso, sólo la trazabilidad de los fabricantes puede garantizar la identificación de un tipo.

Codificación de color

A partir de 2013, ^[actualizar]los condensadores no utilizan codificación de colores.

Marcado de polaridad

• Marcado de polaridad
• 
• 

Las tapas electrónicas de aluminio con electrolito no sólido tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo ( menos ). Las tapas electrónicas de aluminio, tantalio y niobio con electrolito sólido tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo ( más ). Los supercondensadores están marcados en el lado negativo .

Detalles de marcado de polaridad

• 
  Los condensadores de polímero rectangulares , tanto de tantalio como de aluminio, tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo ( más ).
• 
  Los condensadores de polímero cilíndricos tienen una marca de polaridad en el lado del cátodo ( menos ).
• 
  Los supercondensadores están marcados en el lado del cátodo ( menos ).

Segmentos de mercado

Los condensadores discretos hoy en día son productos industriales producidos en cantidades muy grandes para su uso en equipos electrónicos y eléctricos. A nivel mundial, el mercado de condensadores fijos se estimó en aproximadamente 18 mil millones de dólares estadounidenses en 2008 por 1.400 mil millones (1,4 × 10 ¹² ) piezas. ^[75] Este mercado está dominado por los condensadores cerámicos, con una estimación de aproximadamente un billón (1 × 10 ¹² ) de artículos por año. ^[76]

Las cifras estimadas detalladas en valor para las principales familias de condensadores son:

• Condensadores cerámicos : 8.300 millones de dólares (46%);
• Condensadores electrolíticos de aluminio : 3.900 millones de dólares (22%);
• Condensadores de película y Condensadores de papel: 2.600 millones de dólares (15%);
• condensadores electrolíticos de tantalio : 2.200 millones de dólares (12%);
• Supercondensadores ( condensadores de doble capa ): 300 millones de dólares (2%); y
• Otros como la mica plateada y los condensadores de vacío : 700 millones de dólares (3%).

Todos los demás tipos de condensadores son insignificantes en términos de valor y cantidad en comparación con los tipos anteriores.

Ver también

• Portal de electrónica

• Diseño de circuito
• Condensador de desacoplamiento
• Lista de fabricantes de condensadores

Referencias

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enlaces externos

• Museo Spark (von Kleist y Musschenbroek)
• Modelado de la absorción dieléctrica en condensadores
• Una visión diferente de todo esto de los condensadores.
• Imágenes de diferentes tipos de condensadores.
• Descripción general de los diferentes tipos de condensadores
• Capsite 2015 Introducción a los condensadores