Un condensador cerámico es un condensador de valor fijo donde el material cerámico actúa como dieléctrico . Está construido con dos o más capas alternas de cerámica y una capa de metal que actúa como electrodos . La composición del material cerámico define el comportamiento eléctrico y por tanto las aplicaciones. Los condensadores cerámicos se dividen en dos clases de aplicaciones:
Los condensadores cerámicos, especialmente los condensadores cerámicos multicapa (MLCC), son los condensadores más producidos y utilizados en equipos electrónicos que incorporan aproximadamente un billón (10 12 ) de piezas por año. [1]
Los condensadores cerámicos de formas y estilos especiales se utilizan como condensadores para supresión de RFI/EMI , como condensadores de paso y en dimensiones más grandes como condensadores de potencia para transmisores .
Desde los inicios del estudio de la electricidad se han utilizado como aislantes materiales no conductores como el vidrio, la porcelana , el papel y la mica . Unas décadas más tarde, estos materiales también resultaron adecuados para su uso posterior como dieléctrico para los primeros condensadores.
Incluso en los primeros años de los aparatos de transmisión inalámbrica de Marconi , se utilizaban condensadores de porcelana para aplicaciones de alto voltaje y alta frecuencia en los transmisores . En el lado del receptor, los condensadores de mica más pequeños se utilizaron para circuitos resonantes. Los condensadores dieléctricos de mica fueron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mica era el dieléctrico más común para los condensadores en los Estados Unidos. [1]
La mica es un material natural y no está disponible en cantidades ilimitadas. Así, a mediados de la década de 1920, la deficiencia de mica en Alemania y la experiencia con la porcelana (una clase especial de cerámica) llevaron en Alemania a los primeros condensadores que utilizaban cerámica como dieléctrico, fundando una nueva familia de condensadores cerámicos. El dióxido de titanio paraeléctrico ( rutilo ) se utilizó como el primer dieléctrico cerámico porque tenía una dependencia lineal de la capacitancia con la temperatura para la compensación de temperatura de circuitos resonantes y puede reemplazar los condensadores de mica. En 1926, estos condensadores cerámicos se produjeron en pequeñas cantidades y en cantidades crecientes en la década de 1940. El estilo de estas primeras cerámicas era un disco con metalización en ambos lados en contacto con alambres estañados. Este estilo es anterior al transistor y se utilizó ampliamente en equipos de válvulas de vacío (por ejemplo, receptores de radio) desde aproximadamente 1930 hasta la década de 1950.
Pero este dieléctrico paraeléctrico tenía una permitividad relativamente baja , por lo que sólo se podían obtener valores de capacitancia pequeños. El mercado en expansión de radios en las décadas de 1930 y 1940 creó una demanda de valores de capacitancia más altos pero inferiores a los condensadores electrolíticos para aplicaciones de desacoplamiento de HF. Descubierto en 1921, el material cerámico ferroeléctrico titanato de bario con una permitividad en el rango de 1.000, aproximadamente diez veces mayor que el dióxido de titanio o la mica, comenzó a desempeñar un papel mucho más importante en las aplicaciones electrónicas. [1] [2]
La mayor permitividad dio como resultado valores de capacitancia mucho más altos, pero esto se combinó con parámetros eléctricos relativamente inestables. Por lo tanto, estos condensadores cerámicos solo podían reemplazar a los condensadores de mica comúnmente utilizados en aplicaciones donde la estabilidad era menos importante. Las dimensiones más pequeñas, en comparación con los condensadores de mica, los menores costos de producción y la independencia de la disponibilidad de mica aceleraron su aceptación.
El rápido crecimiento de la industria de la radiodifusión después de la Segunda Guerra Mundial impulsó una comprensión más profunda de la cristalografía , las transiciones de fase y la optimización química y mecánica de los materiales cerámicos. Mediante la compleja mezcla de diferentes materiales básicos se pueden ajustar con precisión las propiedades eléctricas de los condensadores cerámicos. Para distinguir las propiedades eléctricas de los condensadores cerámicos, la estandarización definió varias clases de aplicaciones diferentes (Clase 1, Clase 2, Clase 3). Es notable que el desarrollo separado durante la guerra y el tiempo posterior en los EE. UU. y el mercado europeo haya llevado a diferentes definiciones de estas clases (EIA vs IEC), y solo recientemente (desde 2010) se ha producido una armonización mundial de la estandarización IEC. lugar tomado.
El estilo típico de los condensadores cerámicos debajo del disco (en ese momento llamados condensadores) en aplicaciones de radio en la época posterior a la guerra, desde la década de 1950 hasta la de 1970, era un tubo cerámico cubierto con estaño o plata tanto en la superficie interior como en la exterior. Incluía terminales relativamente largos que formaban, junto con resistencias y otros componentes, una maraña de cableado de circuito abierto.
El material cerámico fácil de moldear facilitó el desarrollo de estilos grandes y especiales de condensadores cerámicos para aplicaciones de alto voltaje, alta frecuencia (RF) y energía.
Con el desarrollo de la tecnología de semiconductores en la década de 1950, se desarrollaron condensadores de capa de barrera, o condensadores IEC clase 3/EIA clase IV, utilizando cerámica ferroeléctrica dopada . Debido a que este material dopado no era adecuado para producir multicapas, fueron reemplazados décadas después por capacitores Y5V clase 2.
El estilo inicial del condensador de disco cerámico podía producirse a un precio más económico que los condensadores de tubo cerámico comunes en las décadas de 1950 y 1970. Una empresa estadounidense en pleno programa Apollo , lanzado en 1961, fue pionera en el apilamiento de múltiples discos para crear un bloque monolítico. Este "condensador cerámico multicapa" (MLCC) era compacto y ofrecía condensadores de alta capacitancia. [3] La producción de estos condensadores utilizando los procesos de fundición de cinta y coignición de electrodos cerámicos fue un gran desafío de fabricación. Los MLCC ampliaron la gama de aplicaciones a aquellas que requieren valores de capacitancia mayores en casos más pequeños. Estos condensadores de chip cerámico fueron la fuerza impulsora detrás de la conversión de dispositivos electrónicos del montaje por orificios pasantes a la tecnología de montaje en superficie en la década de 1980. Los condensadores electrolíticos polarizados podrían sustituirse por condensadores cerámicos no polarizados, simplificando el montaje.
En 1993, TDK Corporation logró desplazar los electrodos que contienen paladio por electrodos de níquel mucho más baratos, reduciendo significativamente los costos de producción y permitiendo la producción en masa de MLCC. [4]
En 2012 [actualizar], se fabrican más de 10 12 MLCC cada año. [1] Junto con el estilo de los condensadores de chip cerámico, los condensadores de disco cerámico se utilizan a menudo como condensadores de seguridad en aplicaciones de supresión de interferencias electromagnéticas . Además de estos, también se encuentran grandes condensadores de potencia cerámicos para aplicaciones de transmisores de alta tensión o alta frecuencia.
Nuevos desarrollos en materiales cerámicos se han realizado con cerámicas antiferroeléctricas. Este material tiene un cambio de fase antiferroeléctrico/ferroeléctrico no lineal que permite un mayor almacenamiento de energía con mayor eficiencia volumétrica. Se utilizan para almacenar energía (por ejemplo, en detonadores). [5]
Los diferentes materiales cerámicos utilizados para los condensadores cerámicos, paraeléctricos o ferroeléctricos , influyen en las características eléctricas de los condensadores. El uso de mezclas de sustancias paraeléctricas basadas en dióxido de titanio da como resultado un comportamiento muy estable y lineal del valor de capacitancia dentro de un rango de temperatura determinado y bajas pérdidas a altas frecuencias. Pero estas mezclas tienen una permitividad relativamente baja , por lo que los valores de capacitancia de estos condensadores son relativamente pequeños.
Se pueden lograr valores de capacitancia más altos para los condensadores cerámicos utilizando mezclas de materiales ferroeléctricos como titanato de bario junto con óxidos específicos. Estos materiales dieléctricos tienen permitividades mucho más altas, pero al mismo tiempo su valor de capacitancia es más o menos no lineal en el rango de temperatura y las pérdidas a altas frecuencias son mucho mayores. Estas diferentes características eléctricas de los condensadores cerámicos requieren agruparlos en "clases de aplicación". La definición de las clases de aplicación proviene de la estandarización. En 2013, se utilizaban dos conjuntos de estándares, uno de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el otro de la ahora desaparecida Alianza de Industrias Electrónicas (EIA).
Las definiciones de las clases de aplicación dadas en ambas normas son diferentes. La siguiente tabla muestra las diferentes definiciones de las clases de aplicación de los condensadores cerámicos:
Los fabricantes, especialmente en Estados Unidos, preferían los estándares de la Electronic Industries Alliance (EIA). En muchas partes, muy similar al estándar IEC, el EIA RS-198 define cuatro clases de aplicación para condensadores cerámicos. [6]
Los diferentes números de clase dentro de ambos estándares son la razón de muchos malentendidos al interpretar las descripciones de clase en las hojas de datos de muchos fabricantes. [7] [8] La EIA cesó sus operaciones el 11 de febrero de 2011, pero los sectores anteriores continúan prestando servicios a organizaciones internacionales de normalización.
A continuación se preferirán las definiciones de la norma IEC y, en casos importantes, se compararán con las definiciones de la norma EIA.
Los condensadores cerámicos de clase 1 son condensadores precisos que compensan la temperatura. Ofrecen el voltaje, la temperatura y, hasta cierto punto, la frecuencia más estables. Tienen las pérdidas más bajas y, por lo tanto, son especialmente adecuados para aplicaciones de circuitos resonantes donde la estabilidad es esencial o donde se requiere un coeficiente de temperatura definido con precisión, por ejemplo, para compensar los efectos de la temperatura de un circuito. Los materiales básicos de los condensadores cerámicos de clase 1 están compuestos por una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos como el dióxido de titanio ( TiO
2), modificado por aditivos de zinc, circonio, niobio, magnesio, tantalio, cobalto y estroncio, necesarios para lograr las características lineales deseadas del condensador. [9] [10]
El comportamiento general de temperatura de la capacitancia de los condensadores de clase 1 depende del material paraeléctrico básico, por ejemplo TiO .
2. Los aditivos de la composición química se utilizan para ajustar con precisión la característica de temperatura deseada. Los condensadores cerámicos de clase 1 tienen la eficiencia volumétrica más baja entre los condensadores cerámicos. Este es el resultado de la permitividad relativamente baja (6 a 200) de los materiales paraeléctricos. Por lo tanto, los condensadores de clase 1 tienen valores de capacitancia en el rango inferior.
Los condensadores de clase 1 tienen un coeficiente de temperatura que suele ser bastante lineal con la temperatura. Estos condensadores tienen pérdidas eléctricas muy bajas con un factor de disipación de aproximadamente el 0,15%. No sufren procesos de envejecimiento significativos y el valor de capacitancia es casi independiente del voltaje aplicado. Estas características permiten aplicaciones para filtros de alta Q, en circuitos resonantes y osciladores (por ejemplo, en circuitos de bucle de bloqueo de fase ).
El estándar EIA RS-198 codifica los condensadores cerámicos clase 1 con un código de tres caracteres que indica el coeficiente de temperatura. La primera letra da la cifra significativa del cambio en la capacitancia con respecto a la temperatura (coeficiente de temperatura α) en ppm/K . El segundo carácter da el multiplicador del coeficiente de temperatura. La tercera letra indica la tolerancia máxima en ppm/K. Todas las clasificaciones son de 25 a 85 °C:
Además del código EIA, el coeficiente de temperatura de la dependencia de la capacitancia de los capacitores cerámicos de clase 1 se expresa comúnmente en nombres cerámicos como "NP0", "N220", etc. Estos nombres incluyen el coeficiente de temperatura (α). En la norma IEC/EN 60384-8/21, el coeficiente de temperatura y la tolerancia se sustituyen por un código de letras de dos dígitos (ver tabla) en el que se añade el código EIA correspondiente.
Por ejemplo, un condensador "NP0" con código EIA "C0G" tendrá una deriva de 0, con una tolerancia de ±30 ppm/K, mientras que un "N1500" con el código "P3K" tendrá una deriva de -1500 ppm/K, con una tolerancia máxima de ±250 ppm/°C. Tenga en cuenta que los códigos de condensadores IEC y EIA son códigos de condensadores industriales y no son los mismos que los códigos de condensadores militares.
Los condensadores de clase 1 incluyen condensadores con diferentes coeficientes de temperatura α. Especialmente, los condensadores NP0/CG/C0G con un α ±0•10 −6 /K y una tolerancia α de 30 ppm son técnicamente de gran interés. Estos condensadores tienen una variación de capacitancia dC/C de ±0,54 % dentro del rango de temperatura de −55 a +125 °C. Esto permite una respuesta de frecuencia precisa en un amplio rango de temperaturas (en, por ejemplo, circuitos resonantes). Los otros materiales, con su especial comportamiento térmico, se utilizan para compensar la contratemperatura de componentes conectados en paralelo, como bobinas en circuitos osciladores. Los condensadores de clase 1 presentan tolerancias muy pequeñas de la capacitancia nominal.
Los capacitores cerámicos de clase 2 tienen un dieléctrico con una alta permitividad y por lo tanto una mejor eficiencia volumétrica que los capacitores de clase 1, pero menor precisión y estabilidad. El dieléctrico cerámico se caracteriza por un cambio no lineal de capacitancia en el rango de temperatura. El valor de la capacitancia también depende del voltaje aplicado. Son adecuados para aplicaciones de derivación, acoplamiento y desacoplamiento o para circuitos discriminadores de frecuencia donde las bajas pérdidas y la alta estabilidad de la capacitancia son menos importantes. Suelen exhibir micrófono.
Los condensadores de clase 2 están hechos de materiales ferroeléctricos como el titanato de bario ( BaTiO
3) y aditivos adecuados tales como silicato de aluminio , silicato de magnesio y óxido de aluminio . Estas cerámicas tienen una permitividad muy alta (200 a 14 000), lo que permite un campo eléctrico extremo y, por lo tanto, capacitancia dentro de paquetes relativamente pequeños: los capacitores de clase 2 son significativamente más pequeños que los capacitores de clase 1 comparables. Sin embargo, la permitividad no es lineal con respecto a la intensidad del campo, lo que significa que la capacitancia varía significativamente a medida que aumenta el voltaje en los terminales. Los condensadores de clase 2 también presentan poca estabilidad de temperatura y envejecen con el tiempo. [9]
Debido a estas características, los capacitores de clase 2 generalmente se usan en aplicaciones donde solo se requiere un valor mínimo de capacitancia (en contraposición a un valor exacto), como el almacenamiento en búfer/filtrado de entradas y salidas de fuentes de alimentación y el acoplamiento de cables eléctricos. señales.
Los condensadores de clase 2 están etiquetados según el cambio de capacitancia en el rango de temperatura. La clasificación más utilizada se basa en el estándar EIA RS-198 y utiliza un código de tres dígitos. El primer carácter, una letra, indica la temperatura de funcionamiento más fría ; el segundo carácter, un número, indica la temperatura más alta; y el tercer carácter, otra letra, indica el cambio de capacitancia máximo permitido en todo el rango de temperatura especificado del capacitor:
Por ejemplo, un condensador Z5U funcionará de +10 °C a +85 °C con un cambio de capacitancia de como máximo +22% a −56%. Un condensador X7R funcionará desde −55 °C hasta +125 °C con un cambio de capacitancia de como máximo ±15%.
A continuación se enumeran algunos materiales de condensadores cerámicos de clase 2 comúnmente utilizados:
La norma IEC/EN 60384 -9/22 utiliza otro código de dos dígitos.
En la mayoría de los casos es posible traducir el código EIA al código IEC/EN. Se producen ligeros errores de traducción, pero normalmente son tolerables.
Debido a que los capacitores cerámicos de clase 2 tienen menor precisión y estabilidad de capacitancia, requieren una mayor tolerancia.
Para los tipos militares, los dieléctricos de clase 2 especifican la característica de temperatura (TC) pero no la característica de temperatura-voltaje (TVC). Al igual que X7R, el tipo militar BX no puede variar más del 15 % sobre la temperatura y, además, debe permanecer dentro de +15 %/-25 % a la tensión nominal máxima. El tipo BR tiene un límite de TVC de +15%/-40%.
Los condensadores cerámicos semiconductores o de capa barrera de clase 3 tienen una permitividad muy alta, hasta 50.000 y, por tanto, una mejor eficiencia volumétrica que los condensadores de clase 2. Sin embargo, estos condensadores tienen peores características eléctricas, incluida una menor precisión y estabilidad. El dieléctrico se caracteriza por un cambio no lineal de capacitancia muy alto en el rango de temperatura. El valor de la capacitancia depende además del voltaje aplicado. Además, tienen pérdidas y envejecen con el tiempo muy elevadas.
Los condensadores cerámicos de capa de barrera están hechos de materiales ferroeléctricos dopados como el titanato de bario ( BaTiO
3). A medida que esta tecnología cerámica mejoró a mediados de la década de 1980, los condensadores de capa de barrera estuvieron disponibles en valores de hasta 100 µF, y en ese momento parecía que podían sustituir a los condensadores electrolíticos más pequeños .
Debido a que no es posible construir capacitores multicapa con este material, en el mercado solo se ofrecen tipos de una sola capa con plomo.[12] [13]
Debido a los avances en los condensadores cerámicos multicapa que permiten un rendimiento superior en un paquete más pequeño, los condensadores de capa de barrera como tecnología ahora se consideran obsoletos y ya no están estandarizados por la IEC.
Los condensadores cerámicos están compuestos por una mezcla de gránulos finamente molidos de materiales paraeléctricos o ferroeléctricos, adecuadamente mezclados con otros materiales para lograr las características deseadas. A partir de estas mezclas de polvo se sinteriza la cerámica a altas temperaturas. La cerámica forma el dieléctrico y sirve como soporte para los electrodos metálicos. El espesor mínimo de la capa dieléctrica, que actualmente (2013) para los condensadores de baja tensión es del orden de 0,5 micrómetros [3], está limitado hacia abajo por el tamaño de grano del polvo cerámico. El espesor del dieléctrico para capacitores con voltajes más altos está determinado por la rigidez dieléctrica del capacitor deseado.
Los electrodos del condensador se depositan sobre la capa cerámica mediante metalización. Para los MLCC, se apilan capas cerámicas metalizadas alternas una encima de la otra. La excelente metalización de los electrodos en ambos lados del cuerpo está conectada con el terminal de contacto. Un revestimiento de laca o cerámica protege el condensador contra la humedad y otras influencias ambientales.
Los condensadores cerámicos vienen en varias formas y estilos. Algunos de los más comunes son:
Se puede considerar que un MLCC consta de muchos condensadores de una sola capa apilados en un solo paquete. El material de partida para todos los chips MLCC es una mezcla de gránulos finamente molidos de materias primas paraeléctricas o ferroeléctricas, modificados con aditivos determinados con precisión. [14] [15] La composición de la mezcla y el tamaño de las partículas de polvo, tan pequeñas como 10 nm, reflejan la experiencia del fabricante.
Se moldea una fina lámina cerámica a partir de una suspensión del polvo con un aglutinante adecuado. Los rollos de papel de aluminio se cortan en láminas del mismo tamaño, que se serigrafian con una capa de pasta metálica, que se convertirá en los electrodos. En un proceso automatizado, estas láminas se apilan en el número requerido de capas y se solidifican mediante presión. Además de la permitividad relativa, el tamaño y el número de capas determinan el valor de capacitancia posterior. Los electrodos se apilan en una disposición alterna ligeramente desplazada de las capas contiguas, de modo que cada uno de ellos pueda conectarse posteriormente en el lado desplazado, uno a la izquierda y el otro a la derecha. La pila de capas se prensa y luego se corta en componentes individuales. Se requiere una alta precisión mecánica, por ejemplo, para producir una pila de 500 o más capas del tamaño "0201" (0,5 mm × 0,3 mm).
Después del corte, la carpeta se quema y elimina la pila. A esto le sigue la sinterización a temperaturas entre 1.200 y 1.450 °C, lo que produce la estructura final, principalmente cristalina. Este proceso de combustión crea las propiedades dieléctricas deseadas. A la combustión le sigue la limpieza y luego la metalización de ambas superficies extremas. A través de la metalización, los extremos y los electrodos internos se conectan en paralelo y el condensador obtiene sus terminales. Finalmente, cada condensador se prueba eléctricamente para garantizar su funcionalidad y rendimiento adecuado, y se empaqueta en un carrete de cinta.
La fórmula de capacitancia ( C ) de un capacitor MLCC se basa en la fórmula de un capacitor de placas mejorada con el número de capas:
donde ε representa la permitividad dieléctrica ; A para área de superficie del electrodo; n para el número de capas; y d para la distancia entre los electrodos.
Un dieléctrico más delgado o un área de electrodo más grande aumentan el valor de capacitancia , al igual que un material dieléctrico de mayor permitividad.
Con la progresiva miniaturización de la electrónica digital en las últimas décadas, los componentes de la periferia de los circuitos lógicos integrados también se han reducido. Reducir un MLCC implica reducir el espesor dieléctrico y aumentar el número de capas. Ambas opciones requieren grandes esfuerzos y están ligadas a mucha experiencia.
En 1995 el espesor mínimo del dieléctrico era de 4 µm. En 2005, algunos fabricantes produjeron chips MLCC con espesores de capa de 1 µm. A partir de 2010 [actualizar], el espesor mínimo es de aproximadamente 0,5 µm. [1] La intensidad del campo en el dieléctrico aumentó a 35 V/μm. [dieciséis]
La reducción de tamaño de estos condensadores se consigue reduciendo el tamaño del grano del polvo, supuesto para hacer las capas cerámicas más finas. Además, el proceso de fabricación se controló con mayor precisión, de modo que se pueden apilar cada vez más capas.
Entre 1995 y 2005, la capacitancia de un condensador MLCC Y5V de tamaño 1206 aumentó de 4,7 μF a 100 μF. [17] Mientras tanto, (2013) muchos fabricantes pueden ofrecer condensadores MLCC de clase 2 con un valor de capacitancia de 100 μF en el tamaño de chip 0805. [18]
Los MLCC no tienen clientes potenciales y, como resultado, suelen ser más pequeños que sus homólogos con clientes potenciales. No requieren acceso a través de orificios en una PCB para su montaje y están diseñados para ser manipulados por máquinas en lugar de humanos. Como resultado, los componentes de montaje en superficie, como los MLCC, suelen ser más baratos.
Los MLCC se fabrican en formas y tamaños estandarizados para un manejo comparable. Debido a que la estandarización inicial estuvo dominada por los estándares estadounidenses de la EIA, la EIA estandarizó las dimensiones de los chips MLCC en unidades de pulgadas. Un chip rectangular con unas dimensiones de 0,06 pulgadas de largo y 0,03 pulgadas de ancho está codificado como "0603". Este código es internacional y de uso común. JEDEC (IEC/EN), ideó un segundo código métrico. El código EIA y el equivalente métrico de los tamaños comunes de los condensadores de chip cerámicos multicapa y las dimensiones en mm se muestran en la siguiente tabla. En la tabla falta la medida de la altura "H". Generalmente esto no figura en la lista, porque la altura de los chips MLCC depende del número de capas y, por tanto, de la capacitancia. Sin embargo, normalmente la altura H no supera la anchura W.
Originalmente, los electrodos MLCC se construían con metales nobles como la plata y el paladio, que pueden soportar altas temperaturas de sinterización de 1200 a 1400 °C sin oxidarse fácilmente. Estos condensadores de electrodos de metales nobles (NME) ofrecían muy buenas propiedades eléctricas.
Sin embargo, un aumento en los precios de los metales nobles a fines de la década de 1990 aumentó considerablemente los costos de fabricación; Estas presiones dieron lugar al desarrollo de condensadores que utilizaban metales más baratos como el cobre y el níquel . [19] Estos condensadores de electrodos de metal base (BME) poseían características eléctricas más pobres; exhibiendo una mayor contracción de la capacitancia a voltajes más altos y un mayor factor de pérdida.
Las desventajas del BME se consideraron aceptables para los condensadores de clase 2, que se utilizan principalmente en aplicaciones de bajo coste y poco sensibles a la precisión, como las fuentes de alimentación. NME todavía se utiliza en condensadores de clase 1 donde el cumplimiento de las especificaciones es fundamental y el costo es una preocupación menor.
La capacitancia de los chips MLCC depende del dieléctrico, el tamaño y el voltaje requerido (voltaje nominal). Los valores de capacitancia comienzan aproximadamente en 1pF. El valor máximo de capacitancia está determinado por la técnica de producción. Para X7R eso es 47 µF, para Y5V: 100 µF.
La imagen de la derecha muestra la capacitancia máxima para capacitores de chip cerámico multicapa de clase 1 y clase 2. Las siguientes dos tablas, para cerámicas NP0/C0G y X7R cada una, enumeran para cada tamaño de caja común el valor máximo de capacitancia disponible y el voltaje nominal de los principales fabricantes Murata, TDK, KEMET, AVX. (Estado abril 2017)
En la región de su frecuencia de resonancia , un condensador tiene las mejores propiedades de desacoplamiento del ruido o las interferencias electromagnéticas . La frecuencia de resonancia de un condensador está determinada por la inductancia del componente. Las partes inductivas de un condensador se resumen en la inductancia en serie equivalente, o ESL. (Tenga en cuenta que L es el símbolo eléctrico de la inductancia). Cuanto menor sea la inductancia, mayor será la frecuencia de resonancia.
Debido a que, especialmente en el procesamiento de señales digitales, las frecuencias de conmutación han seguido aumentando, aumenta la demanda de condensadores de filtrado o desacoplamiento de alta frecuencia. Con un simple cambio de diseño se puede reducir el ESL de un chip MLCC. Por lo tanto, los electrodos apilados están conectados en el lado longitudinal con las terminaciones de conexión. Esto reduce la distancia que los portadores de carga fluyen sobre los electrodos, lo que reduce la inductancia del componente. [20]
Por ejemplo, un MLCC X7R de 0,1 µF en un paquete 0805 resuena a 16 MHz. El mismo condensador con cables en sus lados largos (es decir, un 0508 ) tiene una frecuencia de resonancia de 22 MHz.
Otra posibilidad es formar el dispositivo como una serie de condensadores. Aquí se construyen varios condensadores individuales en una carcasa común. Al conectarlos en paralelo, se reducen los valores resultantes de ESL y ESR de los componentes.
Un condensador cerámico multicapa estándar tiene muchas capas de electrodos opuestos apilados en su interior conectados con dos terminaciones exteriores. Sin embargo, el condensador de chip cerámico X2Y es un dispositivo de chip de 4 terminales. Está construido como un MLCC estándar de dos terminales a partir de capas cerámicas apiladas con un tercer juego adicional de electrodos de protección incorporados en el chip. Estos electrodos de protección rodean cada electrodo existente dentro de la pila de placas del capacitor y tienen contacto de baja resistencia óhmica con dos terminaciones laterales adicionales a lo largo de las terminaciones del capacitor. La construcción X2Y da como resultado un circuito capacitivo de tres nodos que proporciona filtrado simultáneo de línea a línea y de línea a tierra. [21] [22] [23]
Capaces de reemplazar 2 o más dispositivos convencionales, los capacitores cerámicos X2Y son ideales para el filtrado de alta frecuencia o la supresión de ruido de voltajes de suministro en circuitos digitales, y pueden resultar invaluables para cumplir con las estrictas demandas de EMC en motores de CC, en automoción, audio, sensores y otros. aplicaciones. [24] [25]
La huella X2Y da como resultado una inductancia montada más baja. [26] Esto es particularmente interesante para su uso en circuitos digitales de alta velocidad con frecuencias de reloj de varios 100 MHz y superiores. Allí es difícil realizar el desacoplamiento de las distintas tensiones de alimentación en la placa de circuito impreso debido a las inductancias parásitas de los cables de alimentación. Una solución estándar con condensadores cerámicos convencionales requiere el uso en paralelo de muchos chips MLCC convencionales con diferentes valores de capacitancia. Aquí los condensadores X2Y pueden reemplazar hasta cinco condensadores cerámicos del mismo tamaño en la PCB. [27] Sin embargo, este tipo particular de condensador cerámico está patentado, por lo que estos componentes siguen siendo comparativamente caros.
Una alternativa a los condensadores X2Y puede ser un condensador de tres terminales. [28]
Las cerámicas son frágiles y los chips MLCC de montaje superficial soldados a una placa de circuito a menudo son vulnerables a agrietarse debido a la expansión térmica o tensiones mecánicas, más que los componentes con orificio pasante con plomo . Las grietas pueden provenir de una línea de ensamblaje de máquinas automatizadas o de una alta corriente en el circuito.
Las fuerzas de vibración y choque en la placa de circuito se transmiten más o menos sin amortiguación al MLCC y sus uniones de soldadura; Una fuerza excesiva puede provocar que el condensador se agriete. El exceso de soldadura en las uniones no es deseable ya que puede aumentar las fuerzas a las que está sujeto el condensador. [29] [30]
La capacidad de los chips MLCC para resistir tensiones mecánicas se prueba mediante la llamada prueba de flexión del sustrato, en la que una PCB con un MLCC soldado se dobla con un punzón de 1 a 3 mm. La falla ocurre si el MLCC sufre un cortocircuito o cambios significativos en la capacitancia.
La resistencia a la flexión de los chips MLCC difiere según el material cerámico, el tamaño del chip y la construcción física de los condensadores. Sin una mitigación especial, los chips cerámicos MLCC de clase 1 NP0/C0G alcanzan una resistencia a la flexión típica de 2 mm, mientras que los tipos más grandes de chips cerámicos X7R, Y5V clase 2 lograron solo una resistencia a la flexión de aproximadamente 1 mm. Las virutas más pequeñas, como las del tamaño 0402, alcanzaron valores de resistencia a la flexión mayores en todos los tipos de cerámica.
Con características de diseño especiales, particularmente en los electrodos y terminaciones, se puede mejorar la resistencia a la flexión. Por ejemplo, un cortocircuito interno se produce por el contacto de dos electrodos con polaridad opuesta, que se producirá al romperse la cerámica en la zona de las terminaciones. Esto se puede evitar reduciendo las superficies de superposición de los electrodos. Esto se consigue, por ejemplo, mediante un "Diseño en modo abierto" (OMD). En este caso, una rotura en la zona de las terminaciones sólo reduce un poco el valor de la capacitancia (AVX, KEMET).
!["Flex-Termination": chips MLCC, una capa de contacto flexible que evita la rotura de la cerámica.[31]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fc/MLCC-FlexTerm-Crack.svg/1280px-MLCC-FlexTerm-Crack.svg.png)
Con una construcción similar llamada "Diseño de electrodo flotante" (FED) o "Condensadores en serie multicapa" (MLSC), además, solo se produce una reducción de la capacitancia si partes del cuerpo del condensador se rompen. Esta construcción funciona con electrodos flotantes sin ninguna conexión conductora a la terminación. Una ruptura no provoca un cortocircuito, sólo una reducción de la capacitancia. Sin embargo, ambas estructuras conducen a diseños más grandes con respecto a una versión MLCC estándar con el mismo valor de capacitancia.
El mismo volumen respecto a los MLCC estándar se consigue mediante la introducción de una capa intermedia flexible de un polímero conductor entre los electrodos y la terminación denominada "Flexible Terminations" (FT-Cap) o "Soft Terminations". En esta construcción, la conexión de soldadura metálica rígida puede moverse contra la capa de polímero flexible y, por tanto, puede absorber las fuerzas de flexión, sin que se produzca una rotura de la cerámica. [32]
Los condensadores de supresión son componentes eficaces para la reducción de interferencias porque su impedancia eléctrica disminuye al aumentar la frecuencia, de modo que a frecuencias más altas aparecen como cortocircuitos al ruido eléctrico de alta frecuencia y transitorios entre las líneas o a tierra. Por lo tanto, evitan que los equipos y maquinaria (incluidos motores, inversores y balastros electrónicos, así como amortiguadores de relés de estado sólido y extintores de chispas) envíen y reciban interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, así como transitorios en la línea (condensadores X). ) y conexiones de línea a tierra (condensadores en Y). Los condensadores X absorben eficazmente interferencias simétricas, equilibradas o diferenciales. Los condensadores Y se conectan en una línea de derivación entre una fase de línea y un punto de potencial cero, para absorber interferencias asimétricas, desequilibradas o de modo común. [33] [34] [35]
Los condensadores de supresión EMI/RFI están diseñados para que cualquier interferencia o ruido eléctrico restante no exceda los límites de la directiva EMC EN 50081. [36] Los componentes de supresión están conectados directamente a la tensión de red durante 10 a 20 años o más y, por lo tanto, están expuestos a posibles sobretensiones y transitorios dañinos. Por esta razón, los capacitores de supresión deben cumplir con los requisitos de seguridad y no inflamabilidad de las normas de seguridad internacionales como
Los condensadores RFI que cumplen con todos los requisitos especificados están impresos con la marca de certificación de varias agencias nacionales de normas de seguridad. Para aplicaciones de líneas eléctricas, se imponen requisitos especiales sobre la no inflamabilidad del revestimiento y de la resina epoxi que impregna o recubre el cuerpo del condensador. Para recibir aprobaciones de seguridad, los condensadores clasificados para líneas eléctricas X e Y se prueban destructivamente hasta el punto de fallar. Incluso cuando se exponen a grandes sobretensiones, estos condensadores con clasificación de seguridad deben fallar de una manera a prueba de fallos que no ponga en peligro al personal ni a la propiedad.
A partir de 2012, [actualizar]la mayoría de los condensadores cerámicos utilizados para la supresión de EMI/RFI eran aquellos con terminales para montaje a través de orificios en una PCB, [37] [38] la técnica de montaje en superficie se está volviendo cada vez más importante. Por esta razón, en los últimos años muchos chips MLCC para supresión de EMI/RFI de diferentes fabricantes han recibido aprobaciones y cumplen con todos los requisitos establecidos en las normas aplicables. [37] [39] [40] [41] [42]
Aunque los materiales utilizados para los condensadores cerámicos de gran potencia son en su mayoría muy similares a los utilizados para los más pequeños, los condensadores cerámicos con potencias o tensiones nominales de alta a muy alta para aplicaciones en sistemas de energía, transmisores e instalaciones eléctricas a menudo se clasifican por separado, por razones históricas. La estandarización de capacitores cerámicos para menor potencia está orientada a parámetros eléctricos y mecánicos como componentes para uso en equipos electrónicos. La estandarización de los condensadores de potencia, por el contrario, está fuertemente enfocada a la protección del personal y del equipo, dada por 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 ha vuelto menos clara. En el pasado, el límite entre estas dos familias se encontraba aproximadamente en una potencia reactiva de 200 voltios-amperios, pero la electrónica de potencia moderna puede manejar cantidades de potencia cada vez mayores.
Los condensadores cerámicos de potencia se especifican en su mayoría para mucho más de 200 voltios amperios. La gran plasticidad de la materia prima cerámica y la alta rigidez dieléctrica de la cerámica ofrecen soluciones para muchas aplicaciones y son las razones de la enorme diversidad de estilos dentro de la familia de condensadores cerámicos de potencia. Estos condensadores de potencia llevan décadas en el mercado. Se producen según los requisitos como condensadores cerámicos de potencia de clase 1 con alta estabilidad y bajas pérdidas o condensadores cerámicos de potencia de clase 2 con alta eficiencia volumétrica.
Los condensadores cerámicos de potencia de clase 1 se utilizan para aplicaciones de circuitos resonantes en estaciones transmisoras . Los condensadores cerámicos de potencia de clase 2 se utilizan para disyuntores , líneas de distribución de energía , fuentes de alimentación de alto voltaje en aplicaciones láser, hornos de inducción y circuitos de duplicación de voltaje . Los condensadores cerámicos de potencia se pueden suministrar con tensiones nominales altas en el rango de 2 kV hasta 100 kV. [43]
Las dimensiones de estos condensadores cerámicos de potencia pueden ser muy grandes. En aplicaciones de alta potencia, las pérdidas de estos condensadores pueden generar mucho calor. Por esta razón, algunos estilos especiales de condensadores cerámicos de potencia tienen tuberías para refrigeración por agua.
Todas las características eléctricas de los condensadores cerámicos se pueden definir y especificar 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 condensador. En este circuito equivalente en serie, las características eléctricas de un condensador están definidas por
El uso de un circuito equivalente en serie en lugar de un circuito equivalente en paralelo se define en IEC/EN 60384-1.
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 de medición y de la temperatura ambiente. Las condiciones estandarizadas para condensadores son un método de medición de CA de bajo voltaje a una temperatura de 20 °C con frecuencias de
Los condensadores están disponibles en diferentes valores preferidos que aumentan geométricamente como se especifica en los estándares de la serie E especificados en IEC/EN 60063 . Según el número de valores por década, estos fueron denominados series E3, E6, E12, E24 , etc. Las unidades utilizadas para especificar los valores de los condensadores incluyen todo, desde picofaradio (pF), nanofaradio (nF), microfaradio (μF) y faradio (F).
El porcentaje de desviación permitida de la capacitancia respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacitancia . El valor de capacitancia real debe estar dentro de los límites de tolerancia, o el capacitor estará fuera de especificación. Para el marcado abreviado en espacios reducidos, en IEC/EN 60062 se especifica un código de letras para cada tolerancia .
La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Las estrechas tolerancias de E24 a E96 se utilizarán para condensadores de clase 1 de alta calidad en circuitos como osciladores y temporizadores de precisión. Para aplicaciones como circuitos de filtrado o acoplamiento no críticos, para condensadores de clase 2 son suficientes las series de tolerancia E12 hasta E3.
La capacitancia de los condensadores cerámicos varía con la temperatura. Los diferentes dieléctricos de los distintos tipos de condensadores muestran grandes diferencias en la dependencia de la temperatura. El coeficiente de temperatura se expresa en partes por millón (ppm) por grado Celsius para capacitores cerámicos de clase 1 o en porcentaje (%) sobre el rango de temperatura total para capacitores de clase 2.
La mayoría de los tipos de condensadores discretos tienen cambios de capacitancia mayores o menores 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 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 . El gráfico del lado derecho muestra el comportamiento de frecuencia típico de los condensadores de clase 2 frente a los de clase 1.
La capacitancia de los capacitores cerámicos también puede cambiar con el voltaje aplicado. Este efecto es más frecuente en los condensadores cerámicos de clase 2. El material ferroeléctrico depende del voltaje aplicado. [44] [45] Cuanto mayor sea el voltaje aplicado, menor será la permitividad. La capacitancia medida o aplicada con un voltaje más alto puede caer a valores del −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 ser el motivo de distorsiones armónicas .
La dependencia del voltaje de la capacitancia en los dos diagramas anteriores muestra curvas de capacitores cerámicos con metalización NME. Para los condensadores con metalización BME, la dependencia del voltaje de la capacitancia aumentó significativamente. [46] [47] [48] [49]
Para la mayoría de los condensadores, normalmente se puede especificar una rigidez dieléctrica condicionada físicamente o un voltaje de ruptura para cada material dieléctrico y espesor. Esto no es posible con los condensadores cerámicos. El voltaje de ruptura de una capa dieléctrica cerámica puede variar dependiendo del material del electrodo y las condiciones de sinterización de la cerámica hasta un factor de 10. Es necesario un alto grado de precisión y control de los parámetros del proceso para mantener la dispersión de las propiedades eléctricas para las condiciones actuales. capas cerámicas muy finas dentro de límites especificados.
La prueba de tensión de los condensadores cerámicos se especifica como tensión nominal (UR). Este es el voltaje de CC máximo que se puede aplicar continuamente al capacitor hasta el límite superior de temperatura. Esta prueba de voltaje garantizada se prueba de acuerdo con los voltajes que se muestran en la tabla adyacente.
Además, en pruebas periódicas de vida útil (pruebas de resistencia), la prueba de voltaje de los capacitores cerámicos se prueba con un voltaje de prueba aumentado (120 a 150% de UR ) para garantizar una construcción segura.
La resistencia de CA de un condensador que depende de la frecuencia se llama impedancia y es una relación compleja de voltaje a corriente en un circuito de CA. La impedancia extiende el concepto de la ley de Ohm a los circuitos de CA y posee magnitud y fase a una frecuencia particular, a diferencia de la resistencia, que solo tiene magnitud.
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.
para calcular el pico o el valor efectivo de la corriente o el voltaje.
Como se muestra en el circuito equivalente en serie de un capacitor, el componente del mundo real incluye un capacitor ideal , una inductancia y una resistencia .
Para calcular la impedancia hay que sumar geométricamente la resistencia y luego ambas reactancias.
donde la reactancia capacitiva ( Capacitancia ) es
y una reactancia inductiva ( Inductancia ) es
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas tienen el mismo valor ( ), entonces la impedancia sólo estará determinada por .
Las hojas de datos de los condensadores cerámicos sólo especifican la magnitud de la impedancia . La curva de impedancia típica muestra que al aumentar la frecuencia, la impedancia disminuye hasta llegar al mínimo. Cuanto menor sea la impedancia, más fácilmente podrán pasar corrientes alternas a través del condensador. En el punto mínimo de la curva, el punto de resonancia, donde X C tiene el mismo valor que X L , el condensador presenta su valor de impedancia más bajo. Aquí sólo la ESR óhmica determina la impedancia. Con frecuencias por encima de la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL.
Las pérdidas resumidas en los condensadores cerámicos 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. Estas pérdidas de CA no son lineales y pueden depender de la frecuencia, la temperatura, la edad y, para algunos tipos especiales, de la humedad. Las pérdidas resultan de dos condiciones físicas,
La mayor parte de estas pérdidas en condensadores más grandes suelen ser las pérdidas dieléctricas óhmicas dependientes de la frecuencia. Según la norma IEC 60384-1, las pérdidas óhmicas de los condensadores se miden a la misma frecuencia que se utiliza para medir la capacitancia. Estos son:
Los resultados de las pérdidas resistivas resumidas de un capacitor se pueden especificar como resistencia en serie equivalente (ESR), como factor de disipación (DF, tan δ) o como factor de calidad (Q), según los requisitos de la aplicación.
Los condensadores de clase 2 se especifican principalmente con el factor de disipación, tan δ. El factor de disipación se determina como la tangente de la reactancia y la ESR, y se puede mostrar como el ángulo δ entre los ejes imaginario y de impedancia en el diagrama vectorial anterior; consulte el párrafo "Impedancia".
Si la inductancia es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
Los condensadores de clase 1 con pérdidas muy bajas se especifican con un factor de disipación y, a menudo, con un factor de calidad (Q). El factor de calidad se define como el recíproco del factor de disipación.
El factor Q representa el efecto de la resistencia eléctrica y caracteriza el ancho de banda de un resonador en relación con su centro o frecuencia de resonancia . Un valor Q alto es una señal de la calidad de la resonancia de los circuitos resonantes.
De acuerdo con IEC 60384-8/-21/-9/-22, los condensadores cerámicos no pueden exceder los siguientes factores de disipación:
Las pérdidas óhmicas de los condensadores cerámicos dependen de la frecuencia, la temperatura y el voltaje. Además, las mediciones de los condensadores de clase 2 cambian debido al envejecimiento. Los diferentes materiales cerámicos tienen diferentes pérdidas en el rango de temperatura y la frecuencia de funcionamiento. Los cambios en los condensadores de clase 1 están en el rango de un solo dígito, mientras que los condensadores de clase 2 tienen cambios mucho mayores.
La resonancia eléctrica ocurre en un capacitor cerámico a una frecuencia de resonancia particular donde las partes imaginarias de la impedancia y las admitancias del capacitor se cancelan entre sí. Esta frecuencia donde X C es tan alta como X L se llama frecuencia de autorresonancia y se puede calcular con:
donde ω = 2π f , en la que f es la frecuencia de resonancia en Hertz , L es la inductancia en henries y C es la capacitancia en faradios .
Cuanto más pequeñas sean la capacitancia C y la inductancia L, mayor será la frecuencia de resonancia. 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 puede utilizar un condensador como componente capacitivo. En frecuencias superiores a la resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL: el capacitor se convierte en un inductor con una inductancia igual al ESL del capacitor y una resistencia igual al ESR a la frecuencia dada.
El ESL en los condensadores industriales se debe principalmente a los cables y las conexiones internas utilizadas para conectar las placas al mundo exterior. Los condensadores más grandes tienden a tener un ESL más alto que los pequeños, porque las distancias a la placa son más largas y cada milímetro aumenta la inductancia.
Los condensadores cerámicos, que están disponibles en el rango de valores de capacitancia muy pequeños (pF y superiores), ya no tienen valores de capacitancia más pequeños adecuados para frecuencias más altas de hasta varios 100 MHz (consulte la fórmula anterior). Debido a la ausencia de cables y la proximidad a los electrodos, los chips MLCC tienen una inductancia parásita significativamente menor que los tipos con cables fe, lo que los hace adecuados para aplicaciones de mayor frecuencia. Se logra una reducción adicional de la inductancia parásita poniendo en contacto los electrodos en el lado longitudinal del chip en lugar del lado lateral.
Las frecuencias de autorresonancia de muestra para un conjunto de condensadores cerámicos NP0/C0G y un conjunto de condensadores cerámicos X7R son: [50]
Tenga en cuenta que los X7R tienen una mejor respuesta de frecuencia que los C0G. Sin embargo, tiene sentido, ya que los condensadores de clase 2 son mucho más pequeños que los de clase 1, por lo que deberían tener una inductancia parásita más baja.
En los condensadores cerámicos ferroeléctricos de clase 2, la capacitancia disminuye con el tiempo. Este comportamiento se llama "envejecimiento". El envejecimiento ocurre en los 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 con el tiempo, de modo que la capacitancia de los condensadores cerámicos de clase 2 disminuye a medida que el componente envejece. [51] [52]
El envejecimiento sigue una ley logarítmica. Esta ley define la disminución de la capacitancia como porcentaje 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 se duplicará entre 1 h y 100 h y 3 veces entre 1 h y 1000 h, y así sucesivamente. Por lo tanto, el envejecimiento es más rápido cerca del principio y el valor de capacitancia se estabiliza efectivamente con el tiempo.
La tasa de envejecimiento de los condensadores de clase 2 depende principalmente de los materiales utilizados. Como regla general, 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 [53]. La tasa de envejecimiento de los condensadores cerámicos Z5U es significativamente mayor y puede llegar hasta el 7% por década.
El proceso de envejecimiento de los condensadores de clase 2 se puede revertir calentando el componente por encima del punto de Curie . [2]
Los condensadores de Clase 1 no experimentan envejecimiento ferroeléctrico como los de Clase 2. Pero las influencias ambientales como el aumento de temperatura, la alta humedad y el estrés mecánico pueden, durante un período de tiempo más largo, provocar una pequeña disminución irreversible de la capacitancia, a veces también llamada envejecimiento. El cambio de capacitancia para P 100 y N 470 Clase 1 es inferior al 1%, para capacitores con cerámica N 750 a N 1500 es ≤ 2%.
La resistencia del dieléctrico nunca es infinita, lo que genera cierto nivel de "corriente de fuga" de CC , que contribuye a la autodescarga. Para los condensadores cerámicos, esta resistencia, colocada en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores, se denomina "resistencia de aislamiento R ins ". No debe confundirse la resistencia de aislamiento con el aislamiento exterior respecto al medio ambiente.
La tasa de autodescarga al disminuir el voltaje del capacitor sigue la fórmula
Con el voltaje CC almacenado y la constante de autodescarga
Eso significa que después de que el voltaje del capacitor cayera al 37% del valor inicial.
La resistencia de aislamiento expresada en unidades MΩ (10,6 ohmios ), así como la constante de autodescarga en segundos, son parámetros importantes para la calidad del aislamiento dieléctrico. Estos valores de tiempo son importantes, por ejemplo, cuando se utiliza un condensador como componente de temporización para relés o para almacenar un valor de voltaje como en circuitos de muestreo y retención o amplificadores operacionales .
De acuerdo con las normas aplicables, los condensadores cerámicos de clase 1 tienen un R ins ≥ 10.000 MΩ para condensadores con C R ≤ 10 nF o τ s ≥ 100 s para condensadores con C R > 10 nF. Los condensadores cerámicos de clase 2 tienen un R ins ≥ 4000 MΩ para condensadores con C R ≤ 25 nF o τ s ≥ 100 s para condensadores con C R > 25 nF.
La resistencia del aislamiento y, por tanto, el tiempo de autodescarga dependen de la temperatura y disminuyen al aumentar la temperatura a aproximadamente 1 MΩ por 60 °C.
Absorción dieléctrica es el nombre que se le da al efecto por el cual un condensador que ha estado cargado durante mucho tiempo se descarga solo de forma incompleta. Aunque un condensador ideal permanece a cero voltios después de la descarga, los condensadores reales desarrollarán un pequeño voltaje proveniente de la descarga dipolar retardada, un fenómeno que también se llama 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 , sí lo es. Es importante que el capacitor no recupere una carga residual después de una descarga completa, y se especifican capacitores con baja absorción. 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, como los de potencia, se envían con cables de cortocircuito que se retiran antes de su uso. [54]
Todos los condensadores cerámicos de clase 2 que utilizan cerámica ferroeléctrica exhiben piezoelectricidad y tienen un efecto piezoeléctrico llamado microfónico , microfonía o, en aplicaciones de audio, chirrido. [55] La microfonía describe el fenómeno en el que los componentes electrónicos transforman las vibraciones mecánicas en una señal eléctrica que en muchos casos es un ruido no deseado . [56] Los preamplificadores electrónicos sensibles generalmente utilizan condensadores cerámicos y de película de clase 1 para evitar este efecto. [56]
En el efecto microfónico inverso, el campo eléctrico variable entre las placas del condensador ejerce una fuerza física, moviéndolas como un altavoz. [56] Las cargas de impulso de alta corriente o las corrientes de alta ondulación pueden generar un sonido acústico audible proveniente del capacitor, pero descargan el capacitor y estresan el dieléctrico. [57] [58] [59]
Los condensadores cerámicos pueden experimentar cambios en sus parámetros eléctricos debido al estrés de soldadura. El calor del baño de soldadura, especialmente para los estilos SMD, puede provocar cambios en la resistencia de contacto entre terminales y electrodos. Para los condensadores cerámicos ferroeléctricos de clase 2, la temperatura de soldadura está por encima del punto Curie . Los dominios polarizados en el dieléctrico están retrocediendo y el proceso de envejecimiento de los condensadores cerámicos de clase 2 comienza de nuevo. [2]
Por lo tanto, después de soldar es necesario un tiempo de recuperación de aproximadamente 24 horas. Después de la recuperación, algunos parámetros eléctricos como el valor de capacitancia, ESR y las corrientes de fuga cambian de forma irreversible. Los cambios se encuentran en el rango de porcentaje más bajo según el estilo del condensador.
La estandarización de todos los componentes eléctricos, electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [60] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [61] [62]
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de ensayo de condensadores para uso en equipos electrónicos se establecen en la especificación genérica:
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores cerámicos para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos normalizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales:
Los condensadores cerámicos multicapa se utilizan cada vez más para reemplazar los condensadores electrolíticos de tantalio y aluminio de baja capacitancia en aplicaciones como derivación o fuentes de alimentación de modo conmutado de alta frecuencia a medida que su costo, confiabilidad y tamaño se vuelven competitivos. En muchas aplicaciones, su baja ESR permite el uso de un valor de capacitancia nominal más bajo. [63] [64] [65] [66] [67]
Para conocer las características y desventajas de los condensadores cerámicos, consulte el artículo principal Tipos de condensadores#Comparación de tipos
Si el espacio lo permite, los condensadores cerámicos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, tienen marcas impresas para indicar el fabricante, el tipo, sus características eléctricas y térmicas y su fecha de fabricación. En el caso ideal, si son lo suficientemente grandes, el condensador estará marcado con:
Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada para mostrar toda la información relevante en un espacio limitado. 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.
La capacitancia, la tolerancia y la fecha de fabricación se pueden identificar con un código corto según IEC/EN 60062 . Ejemplos de marcado corto de la capacitancia nominal (microfaradios):
La fecha de fabricación suele imprimirse según las normas internacionales.
Código de año: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010 , "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013, etc.
Código de mes: "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.
La identificación de los condensadores modernos no tiene un código de colores detallado.
[actualizar]En la siguiente tabla se ofrece una descripción general de los fabricantes operativos en todo el mundo y sus gamas de productos a partir de 2012 :
