Un condensador electrolítico es un condensador polarizado cuyo ánodo o placa positiva está fabricado con un metal que forma una capa de óxido aislante mediante anodización . Esta capa de óxido actúa como dieléctrico del condensador. Un electrolito sólido, líquido o en gel cubre la superficie de esta capa de óxido y sirve como cátodo o placa negativa del condensador. Debido a su capa de óxido dieléctrico muy delgada y su superficie de ánodo agrandada, los capacitores electrolíticos tienen un producto capacitancia - voltaje (CV) por unidad de volumen mucho más alto que los capacitores cerámicos o los capacitores de película , y por lo tanto pueden tener valores de capacitancia grandes. Hay tres familias de condensadores electrolíticos: condensadores electrolíticos de aluminio , condensadores electrolíticos de tantalio y condensadores electrolíticos de niobio .
La gran capacitancia de los condensadores electrolíticos los hace particularmente adecuados para pasar o desviar señales de baja frecuencia y para almacenar grandes cantidades de energía. Se utilizan ampliamente para desacoplar o filtrar ruido en fuentes de alimentación y circuitos de enlace de CC para variadores de frecuencia , para acoplar señales entre etapas de amplificador y almacenar energía como en una lámpara de flash .
Los condensadores electrolíticos son componentes polarizados debido a su construcción asimétrica y deben funcionar con un potencial más alto (es decir, más positivo) en el ánodo que en el cátodo en todo momento. Por este motivo, la polaridad está marcada en la carcasa del dispositivo. La aplicación de un voltaje de polaridad inversa, o un voltaje que exceda el voltaje de trabajo nominal máximo de tan solo 1 o 1,5 voltios, puede dañar el dieléctrico y provocar una falla catastrófica del propio capacitor. La falla de los capacitores electrolíticos puede provocar una explosión o un incendio, lo que podría causar daños a otros componentes y lesiones. También se fabrican condensadores electrolíticos bipolares que pueden funcionar con cualquier polaridad, utilizando construcciones especiales con dos ánodos conectados en serie. También se puede fabricar un condensador electrolítico bipolar conectando dos condensadores electrolíticos normales en serie, ánodo con ánodo o cátodo con cátodo.
En cuanto a los principios básicos de construcción de los condensadores electrolíticos, existen tres tipos diferentes: condensadores de aluminio, tantalio y niobio. Cada una de estas tres familias de condensadores utiliza dióxido de manganeso sólido y no sólido o electrolitos de polímero sólido, por lo que está disponible una gran variedad de diferentes combinaciones de material de ánodo y electrolitos sólidos o no sólidos.
Al igual que otros condensadores convencionales, los condensadores electrolíticos almacenan la energía eléctrica de forma estática mediante la separación de cargas en un campo eléctrico en la capa de óxido dieléctrico entre dos electrodos . El electrolito sólido o no sólido es en principio el cátodo, que forma así el segundo electrodo del condensador. Esto y el principio de almacenamiento los distinguen de los condensadores electroquímicos o supercondensadores , en los que el electrolito generalmente es la conexión conductora iónica entre dos electrodos y el almacenamiento se produce con capacitancia estática de doble capa y pseudocapacitancia electroquímica .
Los condensadores electrolíticos utilizan una característica química de algunos metales especiales, anteriormente llamados "metales de válvula", que al entrar en contacto con un electrolito particular forman una capa de óxido aislante muy delgada en su superficie mediante oxidación anódica que puede funcionar como un dieléctrico. Hay tres metales anódicos diferentes que se utilizan para condensadores electrolíticos:
Para aumentar su capacitancia por unidad de volumen, todos los materiales del ánodo están grabados o sinterizados y tienen una estructura superficial rugosa con un área superficial mucho mayor en comparación con una superficie lisa de la misma área o el mismo volumen. Aplicando un voltaje positivo al material anódico antes mencionado en un baño electrolítico se formará (formación) una capa de barrera de óxido con un espesor correspondiente al voltaje aplicado. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico en un condensador electrolítico. Las propiedades de estas capas de óxido se dan en la siguiente tabla:
Después de formar un óxido dieléctrico en la estructura rugosa del ánodo, un contraelectrodo debe coincidir con la superficie rugosa del óxido aislante. Esto se logra mediante el electrolito, que actúa como electrodo catódico de un condensador electrolítico. Se utilizan muchos electrolitos diferentes. Generalmente se distinguen en dos especies, electrolitos “no sólidos” y “sólidos”. Como medio líquido que tiene conductividad iónica causada por iones en movimiento, los electrolitos no sólidos pueden adaptarse fácilmente a estructuras rugosas. Los electrolitos sólidos que tienen conductividad electrónica pueden adaptarse a las estructuras rugosas con la ayuda de procesos químicos especiales como la pirólisis para el dióxido de manganeso o la polimerización para polímeros conductores .
Comparando las permitividades de los diferentes materiales de óxido se ve que el pentóxido de tantalio tiene una permitividad aproximadamente tres veces mayor que el óxido de aluminio. Por lo tanto, los condensadores electrolíticos de tantalio con un valor CV determinado son, en teoría, más pequeños que los condensadores electrolíticos de aluminio. En la práctica, los diferentes márgenes de seguridad para alcanzar componentes fiables dificultan la comparación.
La capa de óxido aislante generada anódicamente se destruye si cambia la polaridad del voltaje aplicado.
Los condensadores electrolíticos se basan en el principio de un "condensador de placas" cuya capacitancia aumenta con un área de electrodo A mayor, una permitividad dieléctrica mayor ε y la delgadez del dieléctrico (d).
El espesor dieléctrico de los condensadores electrolíticos es muy pequeño, del orden de nanómetros por voltio. Por otra parte, las intensidades de tensión de estas capas de óxido son bastante elevadas. Con esta capa muy fina de óxido dieléctrico combinada con una rigidez dieléctrica suficientemente alta, los condensadores electrolíticos pueden alcanzar una capacitancia volumétrica alta. Esta es una de las razones de los altos valores de capacitancia de los condensadores electrolíticos en comparación con los condensadores convencionales.
Todos los ánodos grabados o sinterizados tienen una superficie mucho mayor en comparación con una superficie lisa de la misma área o del mismo volumen. Esto aumenta el valor de la capacitancia, dependiendo de la tensión nominal, en un factor de hasta 200 tanto para los condensadores electrolíticos de aluminio no macizos como para los condensadores electrolíticos de tantalio macizos. [5] [6] [7] La gran superficie en comparación con una superficie lisa es la segunda razón de los valores de capacitancia relativamente altos de los capacitores electrolíticos en comparación con otras familias de capacitores.
Debido a que el voltaje de formación define el espesor de la capa de óxido, el voltaje nominal deseado se puede producir de manera muy simple. Los condensadores electrolíticos tienen una alta eficiencia volumétrica , el llamado "producto CV", definido como el producto de la capacitancia y el voltaje dividido por el volumen.
Las combinaciones de materiales anódicos para condensadores electrolíticos y los electrolitos utilizados han dado lugar a una amplia variedad de tipos de condensadores con diferentes propiedades. En la siguiente tabla se muestra un resumen de las principales características de los diferentes tipos.
Los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos o llamados "húmedos" eran y son los más baratos entre todos los demás condensadores convencionales. No sólo proporcionan las soluciones más económicas para valores altos de capacitancia o voltaje con fines de desacoplamiento y amortiguación, sino que también son insensibles a cargas y descargas de baja resistencia óhmica, así como a transitorios de baja energía. Los condensadores electrolíticos no sólidos se pueden encontrar en casi todas las áreas de dispositivos electrónicos, con excepción de las aplicaciones militares.
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido como condensadores de chip de montaje superficial se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos en los que se dispone de poco espacio o se requiere un perfil bajo. Funcionan de forma fiable en un amplio rango de temperaturas sin grandes desviaciones de parámetros. En aplicaciones militares y espaciales, sólo los condensadores electrolíticos de tantalio cuentan con las homologaciones necesarias.
Los condensadores electrolíticos de niobio compiten directamente con los condensadores electrolíticos de tantalio industriales porque el niobio está más disponible. Sus propiedades son comparables.
Las propiedades eléctricas de los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio se han mejorado enormemente gracias al electrolito polimérico.
Para comparar las diferentes características de los diferentes tipos de capacitores electrolíticos, en la siguiente tabla se comparan capacitores con las mismas dimensiones y de capacitancia y voltaje similares. En dicha comparación, los valores de ESR y la carga de corriente de rizado son los parámetros más importantes para el uso de condensadores electrolíticos en equipos electrónicos modernos. Cuanto menor sea la ESR, mayor será la corriente de rizado por volumen y mejor funcionalidad del condensador en el circuito. Sin embargo, mejores parámetros eléctricos conllevan precios más altos.
1 ) Fabricante, nombre de la serie, capacitancia/voltaje
2 ) calculado para un condensador de 100 µF/10 V,
3 ) de una hoja de datos de 1976
Los condensadores electrolíticos de aluminio constituyen la mayor parte de los condensadores electrolíticos utilizados en electrónica debido a la gran diversidad de tamaños y su producción económica. Los condensadores electrolíticos de tantalio, normalmente utilizados en la versión SMD, tienen una capacitancia específica más alta que los condensadores electrolíticos de aluminio y se utilizan en dispositivos con espacio limitado o diseño plano, como computadoras portátiles. También se utilizan en tecnología militar, principalmente en estilo axial, sellados herméticamente. Los condensadores de chip electrolítico de niobio son un nuevo desarrollo en el mercado y están destinados a reemplazar los condensadores de chip electrolítico de tantalio.
El fenómeno de que en un proceso electroquímico, el aluminio y metales como tantalio , niobio , manganeso , titanio , zinc , cadmio , etc., pueden formar una capa de óxido que bloquea el flujo de una corriente eléctrica en una dirección pero que permite que la corriente fluya en otra. La dirección opuesta fue observada por primera vez en 1857 por el físico y químico alemán Johann Heinrich Buff (1805-1878). [8] Fue utilizado por primera vez en 1875 por el investigador y fundador francés Eugène Ducretet , [9] quien acuñó el término "metal de válvula" para dichos metales.
Charles Pollak (nacido Karol Pollak ), fabricante de acumuladores, descubrió que la capa de óxido de un ánodo de aluminio permanecía estable en un electrolito neutro o alcalino, incluso cuando se desconectaba la energía. En 1896 presentó una patente para un "condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio" (de: Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden ) basándose en su idea de utilizar la capa de óxido en un condensador polarizado en combinación con un electrolito neutro o ligeramente alcalino. [10] [11]
Los primeros condensadores electrolíticos fabricados industrialmente consistían en una caja metálica utilizada como cátodo. Se llenó con un electrolito de bórax disuelto en agua, en el que se insertó una placa de ánodo de aluminio plegada. Al aplicar un voltaje CC desde el exterior, se formó una capa de óxido en la superficie del ánodo. La ventaja de estos condensadores era que eran significativamente más pequeños y más baratos que todos los demás condensadores en ese momento en relación con el valor de capacitancia obtenido. Esta construcción con diferentes estilos de construcción de ánodo pero con una carcasa como cátodo y contenedor para el electrolito se utilizó hasta los años 1930 y se llamó condensador electrolítico "húmedo", en el sentido de que tenía un alto contenido de agua.
La primera aplicación más común de los condensadores electrolíticos de aluminio húmedo fue en grandes centrales telefónicas, para reducir el hash (ruido) del relé en la fuente de alimentación de 48 voltios CC. El desarrollo de receptores de radio domésticos operados con corriente alterna a finales de la década de 1920 creó una demanda de condensadores de gran capacitancia (para la época) y de alto voltaje para la técnica del amplificador de válvulas , típicamente de al menos 4 microfaradios y con una potencia nominal de alrededor de 500 voltios CC. Había condensadores de papel encerado y película de seda engrasada , pero los dispositivos con ese orden de capacitancia y tensión nominal eran voluminosos y prohibitivamente caros.
El antepasado del condensador electrolítico moderno fue patentado por Samuel Ruben en 1925, [12] [13] , quien se asoció con Philip Mallory , el fundador de la compañía de baterías que ahora se conoce como Duracell International . La idea de Rubén adoptó la construcción apilada de un condensador de mica plateada . Introdujo una segunda lámina separada para hacer contacto con el electrolito adyacente a la lámina del ánodo en lugar de utilizar el recipiente lleno de electrolito como cátodo del condensador. La segunda lámina apilada obtuvo su propio terminal además del terminal de ánodo y el contenedor ya no tenía función eléctrica. Este tipo de condensador electrolítico combinado con un electrolito líquido o similar a un gel de naturaleza no acuosa, que por lo tanto es seco en el sentido de tener un contenido de agua muy bajo, pasó a ser conocido como el tipo de condensador electrolítico "seco". [14]
Con la invención de Ruben, junto con la invención de las láminas enrolladas separadas con un espaciador de papel en 1927 por A. Eckel de Hydra-Werke (Alemania), [15] comenzó el desarrollo real de los condensadores electrolíticos. [14]
William Dubilier , cuya primera patente para condensadores electrolíticos se presentó en 1928, [16] industrializó las nuevas ideas para los condensadores electrolíticos y comenzó la primera gran producción comercial en 1931 en la fábrica de Cornell-Dubilier (CD) en Plainfield, Nueva Jersey. [14] Al mismo tiempo, en Berlín, Alemania, la "Hydra-Werke", una empresa de AEG , inició la producción de condensadores electrolíticos en grandes cantidades. Otro fabricante, Ralph D. Mershon , tuvo éxito en satisfacer la demanda de condensadores electrolíticos del mercado de radio. [17]
Pollak ya reconoció en su patente de 1896 que la capacitancia del condensador aumenta cuando la superficie de la lámina del ánodo se vuelve rugosa. Hoy en día (2014), las láminas de bajo voltaje grabadas electroquímicamente pueden lograr un aumento de superficie de hasta 200 veces en comparación con una superficie lisa. [5] [6] Los avances en el proceso de grabado son la razón de las reducciones dimensionales de los condensadores electrolíticos de aluminio en las últimas décadas.
Para los condensadores electrolíticos de aluminio, las décadas de 1970 a 1990 estuvieron marcadas por el desarrollo de varias nuevas series profesionales específicamente adaptadas a determinadas aplicaciones industriales, por ejemplo con corrientes de fuga muy bajas o con características de larga duración, o para temperaturas más altas de hasta 125 °C. [18] [19]
Uno de los primeros condensadores electrolíticos de tantalio fue desarrollado en 1930 por Tansitor Electronic Inc. USA, con fines militares. [20] Se adoptó la construcción básica de una celda enrollada y se utilizó una lámina de ánodo de tantalio junto con una lámina de cátodo de tantalio, separada con un espaciador de papel impregnado con un electrolito líquido, principalmente ácido sulfúrico , y encapsulado en una caja de plata.
El desarrollo relevante de los condensadores de tantalio de electrolito sólido comenzó algunos años después de que William Shockley , John Bardeen y Walter Houser Brattain inventaran el transistor en 1947. Fue inventado por los Laboratorios Bell a principios de la década de 1950 como un condensador de soporte de bajo voltaje miniaturizado y más confiable para complementar su transistor recién inventado. La solución encontrada por RL Taylor y HE Haring en Bell Labs a principios de 1950 se basó en la experiencia con la cerámica. Molieron tantalio hasta obtener un polvo, que presionaron hasta darle forma cilíndrica y luego sinterizaron a alta temperatura, entre 1.500 y 2.000 °C, en condiciones de vacío, para producir una bolita ("babosa"). [21] [22]
Estos primeros condensadores de tantalio sinterizados utilizaban un electrolito no sólido, que no se ajusta al concepto de electrónica sólida. En 1952, una búsqueda específica en los laboratorios Bell por parte de DA McLean y FS Power de un electrolito sólido condujo a la invención del dióxido de manganeso como electrolito sólido para un condensador de tantalio sinterizado. [23]
Aunque los inventos fundamentales provinieron de Bell Labs, los inventos para fabricar condensadores electrolíticos de tantalio comercialmente viables provinieron de investigadores de Sprague Electric Company . Preston Robinson, director de investigación de Sprague, es considerado el verdadero inventor de los condensadores de tantalio en 1954. [24] [25] Su invención fue apoyada por RJ Millard, quien introdujo el paso de "reforma" en 1955, [26] [27 ] una mejora significativa en la que se reparó el dieléctrico del condensador después de cada ciclo de inmersión y conversión de deposición de MnO 2 , lo que redujo drásticamente la corriente de fuga de los condensadores terminados.
Aunque los condensadores de tantalio sólido ofrecían condensadores con ESR y valores de corriente de fuga más bajos que los condensadores electrolíticos de aluminio, una crisis de precios del tantalio en 1980 redujo drásticamente las aplicaciones de los condensadores electrolíticos de tantalio, especialmente en la industria del entretenimiento. [28] [29] La industria volvió a utilizar condensadores electrolíticos de aluminio.
El primer electrolito sólido de dióxido de manganeso, desarrollado en 1952 para condensadores de tantalio, tenía una conductividad 10 veces mejor que todos los demás tipos de electrolitos no sólidos. También influyó en el desarrollo de los condensadores electrolíticos de aluminio. En 1964 salieron al mercado los primeros condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito sólido SAL , desarrollados por Philips . [30]
Con el inicio de la digitalización, Intel lanzó su primer microordenador, el MCS 4, en 1971. En 1972, Hewlett Packard lanzó una de las primeras calculadoras de bolsillo, la HP 35. [31] [32] Los requisitos de condensadores aumentaron en términos de reducción la resistencia en serie equivalente (ESR) para condensadores de derivación y desacoplamiento. [33]
No fue hasta 1983 cuando Sanyo dio un nuevo paso hacia la reducción de la ESR con sus condensadores electrolíticos de aluminio " OS-CON ". Estos condensadores utilizaban un conductor orgánico sólido, la sal de transferencia de carga TTF-TCNQ ( tetracianoquinodimetano ), que proporcionaba una mejora de la conductividad en un factor de 10 en comparación con el electrolito de dióxido de manganeso. [34] [35] [36]
El siguiente paso en la reducción de la ESR fue el desarrollo de polímeros conductores por Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa en 1975. [37] La conductividad de polímeros conductores como el polipirrol (PPy) [38] o PEDOT [39] es mejor. que el de TCNQ por un factor de 100 a 500, y cercano a la conductividad de los metales.
En 1991, Panasonic lanzó su serie "SP-Cap", [40] de condensadores electrolíticos de polímero de aluminio . Estos condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos poliméricos alcanzaron valores de ESR muy bajos, directamente comparables a los condensadores cerámicos multicapa (MLCC). Seguían siendo menos costosos que los condensadores de tantalio y, con su diseño plano para portátiles y teléfonos móviles, también competían con los condensadores de chip de tantalio.
Tres años después siguieron los condensadores electrolíticos de tantalio con cátodo de electrolito de polímero PPy. En 1993, NEC presentó sus condensadores electrolíticos de tantalio de polímero SMD, llamados "NeoCap". En 1997, Sanyo siguió con los chips de polímero de tantalio "POSCAP".
Kemet presentó un nuevo polímero conductor para condensadores de polímero de tantalio en la conferencia "1999 Carts". [41] Este condensador utilizó el polímero conductor orgánico PEDT Poly (3,4-etilendioxitiofeno) recientemente desarrollado, también conocido como PEDOT (nombre comercial Baytron®) [42]
Otra explosión de precios del tantalio en 2000/2001 obligó al desarrollo de condensadores electrolíticos de niobio con electrolito de dióxido de manganeso, que están disponibles desde 2002. [43] [44] El niobio es un metal hermano del tantalio y sirve como metal de válvula que genera una capa de óxido. durante la oxidación anódica. El niobio como materia prima es mucho más abundante en la naturaleza que el tantalio y es menos costoso. Fue la cuestión de la disponibilidad del metal base a finales de los años 1960 lo que llevó al desarrollo y la implementación de condensadores electrolíticos de niobio en la antigua Unión Soviética en lugar de condensadores de tantalio como en Occidente. Los materiales y procesos utilizados para producir condensadores dieléctricos de niobio son esencialmente los mismos que los de los condensadores dieléctricos de tantalio existentes. Las características de los condensadores electrolíticos de niobio y los condensadores electrolíticos de tantalio son aproximadamente comparables. [45]
Con el objetivo de reducir la ESR para condensadores electrolíticos no sólidos económicos, a partir de mediados de la década de 1980 en Japón se desarrollaron nuevos electrolitos a base de agua para condensadores electrolíticos de aluminio. El agua es económica, es un disolvente eficaz para los electrolitos y mejora significativamente la conductividad del electrolito. El fabricante japonés Rubycon fue líder en el desarrollo de nuevos sistemas de electrolitos a base de agua con conductividad mejorada a finales de los años 1990. [46] La nueva serie de condensadores electrolíticos no sólidos con electrolito a base de agua se describió en las hojas de datos como de "baja ESR", "baja impedancia", "ultrabaja impedancia" o "alta corriente de ondulación".
Desde 1999 hasta al menos 2010, una receta robada para un electrolito a base de agua, en la que faltaban estabilizadores importantes [47] [48] , [49] condujo al problema generalizado de las "tapas defectuosas" (condensadores electrolíticos defectuosos), fugas u ocasionalmente estallidos en computadoras, fuentes de alimentación y otros equipos electrónicos, lo que se conoció como la " plaga de los condensadores ". En estos condensadores electrolíticos, el agua reacciona de forma bastante agresiva con el aluminio, lo que se acompaña de una fuerte generación de calor y gas en el condensador, lo que provoca fallos prematuros del equipo y el desarrollo de una industria de reparación artesanal .
Las características eléctricas de los condensadores están armonizadas por la especificación genérica internacional IEC 60384-1. En esta norma, las características eléctricas de los condensadores se describen mediante un circuito idealizado equivalente en serie con componentes eléctricos que modelan todas las pérdidas óhmicas y los parámetros capacitivos e inductivos de un condensador electrolítico:
Las características eléctricas de los condensadores electrolíticos dependen de la estructura del ánodo y del electrolito utilizado. Esto influye en el valor de capacitancia de los condensadores electrolíticos, que depende de la frecuencia de medición y la temperatura. Los condensadores electrolíticos con electrolitos no sólidos muestran una aberración más amplia en rangos de frecuencia y temperatura que los condensadores con electrolitos sólidos.
La unidad básica de la capacitancia de un condensador electrolítico es el microfaradio (μF). El valor de capacitancia especificado en las hojas de datos de los fabricantes se llama capacitancia nominal C R o capacitancia nominal C N y es el valor para el cual ha sido diseñado el capacitor.
La condición de medición estandarizada para condensadores electrolíticos es un método de medición CA con 0,5 V a una frecuencia de 100/120 Hz a una temperatura de 20 °C. Para los condensadores de tantalio, se puede aplicar una tensión de polarización de CC de 1,1 a 1,5 V para los tipos con una tensión nominal ≤2,5 V, o de 2,1 a 2,5 V para los tipos con una tensión nominal de >2,5 V, durante la medición para evitar la tensión inversa.
El valor de capacitancia medido a la frecuencia de 1 kHz es aproximadamente un 10% menor que el valor de 100/120 Hz. Por lo tanto, los valores de capacitancia de los capacitores electrolíticos no son directamente comparables y difieren de los de los capacitores de película o de los capacitores cerámicos , cuya capacitancia se mide a 1 kHz o más.
Medido con un método de medición de CA a 100/120 Hz, el valor de capacitancia es el valor más cercano a la carga eléctrica almacenada en los e-caps. La carga almacenada se mide con un método de descarga especial y se denomina capacitancia CC . La capacitancia de CC es aproximadamente un 10% mayor que la capacitancia de CA de 100/120 Hz. La capacitancia CC es de interés para aplicaciones de descarga como flash fotográfico .
El porcentaje de desviación permitida de la capacitancia medida respecto del valor nominal se denomina tolerancia de capacitancia. Los condensadores electrolíticos están disponibles en diferentes series de tolerancia, cuyos valores se especifican en la serie E especificada en IEC 60063. Para marcado abreviado en espacios reducidos, se especifica un código de letras para cada tolerancia en IEC 60062.
La tolerancia de capacitancia requerida está determinada por la aplicación particular. Los condensadores electrolíticos, que a menudo se utilizan para filtrado y derivación , no necesitan tolerancias estrechas porque en su mayoría no se utilizan para aplicaciones de frecuencia precisas como en los osciladores .
Con referencia a la norma IEC/EN 60384-1, la tensión de funcionamiento permitida para los condensadores electrolíticos se denomina "tensión nominal U R " o "tensión nominal U N ". La tensión nominal U R es la tensión CC máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua a cualquier temperatura dentro del rango de temperatura nominal T R.
La prueba de voltaje de los condensadores electrolíticos disminuye al aumentar la temperatura. Para algunas aplicaciones es importante utilizar 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 "tensión de temperatura reducida" para una temperatura más alta, la "tensión de categoría U C ". El voltaje de categoría 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 T C. La relación entre ambos voltajes y temperaturas se muestra en la imagen de la derecha.
La aplicación de un voltaje superior al especificado puede destruir los condensadores electrolíticos.
La aplicación de un voltaje más bajo puede tener una influencia positiva en los condensadores electrolíticos. En el caso de los condensadores electrolíticos de aluminio, una tensión aplicada más baja puede, en algunos casos, prolongar la vida útil. [5] Para los condensadores electrolíticos de tantalio, reducir el voltaje aplicado aumenta la confiabilidad y reduce la tasa de falla esperada. [50] yo
La sobretensión indica el valor máximo de tensión máxima que se puede aplicar a los condensadores electrolíticos durante su aplicación durante un número limitado de ciclos. [5] La sobretensión está estandarizada en IEC/EN 60384-1. Para condensadores electrolíticos de aluminio con una tensión nominal de hasta 315 V, la sobretensión es 1,15 veces la tensión nominal, y para condensadores con una tensión nominal superior a 315 V, la sobretensión es 1,10 veces la tensión nominal.
Para los condensadores electrolíticos de tantalio, la sobretensión puede ser 1,3 veces la tensión nominal, redondeada al voltio más cercano. La sobretensión aplicada a los condensadores de tantalio puede influir en la tasa de falla del condensador. [51] [52]
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido son relativamente insensibles a voltajes transitorios altos y de corta duración superiores a la sobretensión, si la frecuencia y el contenido de energía de los transitorios son bajos. Esta capacidad depende del voltaje nominal y del tamaño del componente. Los voltajes transitorios de baja energía conducen a una limitación de voltaje similar a la de un diodo zener . [53] No es posible una especificación general e inequívoca de transitorios tolerables o tensiones máximas. En todos los casos que surjan transitorios, la solicitud debe aprobarse con mucho cuidado.
Los condensadores electrolíticos con óxido de manganeso sólido o electrolito polimérico, y los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio no pueden soportar transitorios ni tensiones máximas superiores a la sobretensión. Los transitorios pueden destruir este tipo de condensador electrolítico. [51] [52]
Los condensadores electrolíticos estándar y los condensadores electrolíticos de aluminio, así como de tantalio y niobio están polarizados y generalmente requieren que el voltaje del electrodo del ánodo sea positivo en relación con el voltaje del cátodo.
Sin embargo, los condensadores electrolíticos pueden soportar durante breves instantes una tensión inversa durante un número limitado de ciclos. Específicamente, los capacitores electrolíticos de aluminio con electrolito no sólido pueden soportar un voltaje inverso de aproximadamente 1 V a 1,5 V. Este voltaje inverso nunca debe usarse para determinar el voltaje inverso máximo bajo el cual se puede usar un capacitor de forma permanente. [54] [55] [56]
Los condensadores de tantalio sólidos también pueden soportar tensiones inversas durante períodos cortos. Las pautas más comunes para el voltaje inverso de tantalio son:
Estas pautas se aplican para excursiones cortas y nunca deben usarse para determinar el voltaje inverso máximo bajo el cual se puede usar un capacitor de forma permanente. [57] [58]
Pero en ningún caso, tanto para los condensadores electrolíticos de aluminio como para los de tantalio y niobio, se podrá utilizar una tensión inversa para una aplicación de CA permanente.
Para minimizar la probabilidad de que un electrolítico polarizado se inserte incorrectamente en un circuito, la polaridad debe estar indicada muy claramente en la caja; consulte la sección sobre marcado de polaridad a continuación.
Se encuentran disponibles condensadores electrolíticos de aluminio bipolares especiales diseñados para funcionamiento bipolar, y generalmente se denominan tipos "no polarizados" o "bipolares". En estos, los condensadores tienen dos láminas anódicas con capas de óxido de espesor total conectadas en polaridad inversa. En las mitades alternas de los ciclos de CA, uno de los óxidos de la lámina actúa como dieléctrico de bloqueo, evitando que la corriente inversa dañe el electrolito del otro. Pero estos condensadores electrolíticos bipolares no son adecuados para aplicaciones principales de CA en lugar de condensadores de potencia con película de polímero metalizado o dieléctrico de papel.
En general, un condensador se considera un componente de almacenamiento de energía eléctrica. Pero esta es sólo una aplicación del condensador. Un condensador también puede actuar como resistencia de CA. Los condensadores electrolíticos de aluminio, en particular, se utilizan a menudo como condensadores de desacoplamiento para filtrar o derivar frecuencias de CA no deseadas a tierra o para el acoplamiento capacitivo de señales de audio de CA. Entonces el dieléctrico se usa solo para bloquear CC. Para tales aplicaciones, la impedancia ( resistencia de CA ) es tan importante como el valor de la capacitancia.
La impedancia Z es la suma vectorial de reactancia y resistencia ; describe la diferencia de fase y la relación de amplitudes entre el voltaje que varía sinusoidalmente y la corriente que varía sinusoidalmente a una frecuencia determinada. En este sentido, la impedancia es una medida de la capacidad del condensador para pasar corrientes alternas y puede usarse como la ley de Ohm.
En otras palabras, la impedancia es una resistencia de CA dependiente de la frecuencia y posee magnitud y fase a una frecuencia particular.
En las hojas de datos de condensadores electrolíticos solo la magnitud de impedancia |Z| se especifica y se escribe simplemente como "Z". Respecto a la norma IEC/EN 60384-1, los valores de impedancia de los condensadores electrolíticos se miden y especifican a 10 kHz o 100 kHz dependiendo de la capacitancia y el voltaje del condensador.
Además de medir, la impedancia se puede calcular utilizando los componentes idealizados del circuito equivalente en serie de un capacitor, incluido un capacitor ideal C , una resistencia ESR y una inductancia ESL . En este caso, la impedancia a la frecuencia angular ω viene dada por la suma geométrica (compleja) de ESR , por una reactancia capacitiva X C
y por una reactancia inductiva X L ( Inductancia )
.
Entonces Z está dada por
En el caso especial de resonancia , en el que ambas resistencias reactivas X C y X L tienen el mismo valor ( X C = X L ), entonces la impedancia solo estará determinada por ESR . Con frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia, la impedancia aumenta nuevamente debido al ESL del capacitor. El condensador se convierte en un inductor.
La resistencia en serie equivalente ( ESR ) resume todas las pérdidas resistivas del condensador. Estas son las resistencias terminales, la resistencia de contacto del electrodo, la resistencia de línea de los electrodos, la resistencia del electrolito y las pérdidas dieléctricas en la capa de óxido dieléctrico. [59]
Para los condensadores electrolíticos, la ESR generalmente disminuye al aumentar la frecuencia y la temperatura. [60]
La ESR influye en la ondulación de CA superpuesta después del suavizado y puede influir en la funcionalidad del circuito. Dentro del capacitor, la ESR representa la generación interna de calor si una corriente ondulada fluye a través del capacitor. Este calor interno reduce la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos y afecta la confiabilidad de los condensadores electrolíticos de tantalio sólidos.
Para los condensadores electrolíticos, por razones históricas, el factor de disipación tan δ a veces se especifica en la hoja de datos en lugar del ESR . El factor de disipación está determinado por la tangente del ángulo de fase entre la reactancia capacitiva X C menos la reactancia inductiva X L y la ESR . Si la inductancia ESL es pequeña, el factor de disipación se puede aproximar como:
El factor de disipación se utiliza para condensadores con pérdidas muy bajas en circuitos determinantes de frecuencia donde el valor recíproco del factor de disipación se denomina factor de calidad (Q), que representa el ancho de banda de un resonador .
"Corriente de ondulación" 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 dentro del rango de temperatura especificado. 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 de cualquier condensador de desacoplamiento y suavizado.
Las corrientes onduladas generan calor dentro del cuerpo del condensador. Esta pérdida de potencia de disipación PL es causada por ESR y es el valor al cuadrado de la corriente de ondulación efectiva (RMS ) IR .
Este calor generado internamente, adicional a la temperatura ambiente y posiblemente a otras fuentes de calor externas, conduce a una temperatura del cuerpo del condensador que tiene una diferencia de temperatura de Δ T con respecto a la ambiente. Este calor debe distribuirse como pérdidas térmicas P th sobre la superficie A del condensador y la resistencia térmica β al ambiente.
El calor generado internamente debe distribuirse al ambiente mediante radiación térmica , convección y conducción térmica . La temperatura del capacitor, que es la diferencia neta entre el calor producido y el calor disipado, no debe exceder la temperatura máxima especificada del capacitor.
La corriente de rizado se especifica como un valor efectivo (RMS) a 100 o 120 Hz o a 10 kHz a una temperatura de categoría superior. Las corrientes onduladas no sinusoidales deben analizarse y separarse en sus frecuencias sinusoidales individuales mediante el análisis de Fourier y resumirse mediante la suma al cuadrado de las corrientes individuales. [61]
En los condensadores electrolíticos no sólidos, el calor generado por la corriente ondulada provoca la evaporación de los electrolitos, acortando la vida útil de los condensadores. [62] [63] [64] [65] [66] Exceder el límite tiende a provocar una falla explosiva.
En los condensadores electrolíticos de tantalio sólido con electrolito de dióxido de manganeso, el calor generado por la corriente ondulada afecta la fiabilidad de los condensadores. [67] [68] [69] [70] Exceder el límite tiende a provocar fallas catastróficas, fallas en cortocircuito y quemaduras visibles.
El calor generado por la corriente ondulada también afecta la vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio con electrolitos de polímero sólido. [71] Superar el límite tiende a provocar un fallo catastrófico, es decir, un cortocircuito.
Los condensadores electrolíticos de aluminio con electrolitos no sólidos normalmente se pueden cargar hasta el voltaje nominal sin ninguna limitación de sobretensión, pico o pulso de corriente. Esta propiedad es el resultado de la movilidad limitada de los iones en el electrolito líquido, que ralentiza la rampa de voltaje a través del dieléctrico, y de la ESR del capacitor. Sólo la frecuencia de los picos integrados en el tiempo no debe exceder la corriente de rizado máxima especificada.
Los condensadores electrolíticos de tantalio sólidos con electrolito de dióxido de manganeso o electrolito de polímero se dañan por corrientes de pico o de pulso. [51] [52] Los condensadores de tantalio sólidos que están expuestos a sobretensiones, picos o corrientes de pulso, por ejemplo, en circuitos altamente inductivos, deben usarse con una reducción de voltaje. Si es posible, el perfil de voltaje debe ser una rampa de encendido, ya que esto reduce la corriente máxima experimentada por el capacitor.
Para los condensadores electrolíticos, la corriente de fuga de CC (DCL) es una característica especial que otros condensadores convencionales no tienen. Esta corriente está representada por la fuga de la resistencia R en paralelo con el condensador en el circuito equivalente en serie de los condensadores electrolíticos.
Las razones de la corriente de fuga son diferentes entre los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido y con electrolito sólido o, más comúnmente, para los condensadores electrolíticos de aluminio "húmedos" y para los condensadores electrolíticos de tantalio "sólidos" con electrolito de dióxido de manganeso, así como para los condensadores electrolíticos con electrolitos poliméricos. Para los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos, la corriente de fuga incluye todas las imperfecciones debilitadas del dieléctrico causadas por procesos químicos no deseados que tienen lugar durante el tiempo sin voltaje aplicado (tiempo de almacenamiento) entre ciclos operativos. Estos procesos químicos no deseados dependen del tipo de electrolito. Los electrolitos a base de agua son más agresivos para la capa de óxido de aluminio que los electrolitos a base de líquidos orgánicos. Esta es la razón por la que las diferentes series de condensadores electrolíticos especifican diferentes tiempos de almacenamiento sin reformar. [72]
La aplicación de un voltaje positivo a un condensador "húmedo" provoca un proceso de reformado (autocuración) que repara todas las capas dieléctricas debilitadas y la corriente de fuga permanece en un nivel bajo. [73]
Aunque la corriente de fuga de los condensadores electrolíticos no sólidos es mayor que el flujo de corriente a través del dieléctrico en los condensadores cerámicos o de película, la autodescarga de los condensadores electrolíticos no sólidos modernos con electrolitos orgánicos tarda varias semanas.
Las principales causas de DCL para condensadores de tantalio sólido incluyen falla eléctrica del dieléctrico; caminos conductores debido a impurezas o mala anodización; y derivación del dieléctrico debido al exceso de dióxido de manganeso, a vías de humedad o a conductores catódicos (carbono, plata). [74] Esta corriente de fuga "normal" en los condensadores de electrolitos sólidos no se puede reducir mediante la "curación", porque en condiciones normales los electrolitos sólidos no pueden proporcionar oxígeno para los procesos de formación. Esta afirmación no debe confundirse con el proceso de autocuración durante la cristalización del campo; consulte a continuación Confiabilidad (índice de fallas).
La especificación de la corriente de fuga en las hojas de datos a menudo se da como multiplicación del valor de capacitancia nominal C R por el valor de la tensión nominal U R junto con una cifra adicional, medida después de un tiempo de medición de dos o cinco minutos, por ejemplo:
El valor de la corriente de fuga depende de la tensión aplicada, de la temperatura del condensador y del tiempo de medición. La corriente de fuga en los condensadores electrolíticos de tantalio sólidos de MnO 2 generalmente cae mucho más rápido que en los condensadores electrolíticos no sólidos, pero permanece en el nivel alcanzado.
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".
La absorción dieléctrica puede ser un problema en circuitos donde se utilizan corrientes muy pequeñas en la función de un circuito electrónico, como los integradores de constante de tiempo prolongado o los circuitos de muestreo y retención . [78] En la mayoría de las aplicaciones de condensadores electrolíticos que soportan líneas de suministro de energía, la absorción dieléctrica no es un problema.
Pero especialmente para los condensadores electrolíticos con voltaje nominal alto, el voltaje en los terminales generado por la absorción dieléctrica puede representar un riesgo para la seguridad del personal o de los circuitos. Para evitar descargas eléctricas, la mayoría de los condensadores muy grandes se envían con cables de cortocircuito que deben retirarse antes de utilizarlos. [79]
La confiabilidad de un componente es una propiedad que indica cuán confiablemente este componente realiza su función en un intervalo de tiempo. Está sujeto a un proceso estocástico y puede describirse cualitativa y cuantitativamente; no es directamente mensurable. La confiabilidad de los capacitores electrolíticos se determina empíricamente identificando la tasa de fallas en la producción que acompañan las pruebas de resistencia ; consulte Ingeniería de confiabilidad .
La confiabilidad normalmente se muestra como una curva de bañera y se divide en tres áreas: fallas tempranas o fallas por mortalidad infantil, fallas aleatorias constantes y fallas por desgaste. Las fallas totalizadas en una tasa de fallas son fallas de cortocircuito, circuito abierto y degradación (exceso de parámetros eléctricos).
La predicción de confiabilidad se expresa generalmente en una tasa de falla λ , abreviada FIT ( F ailures In Time ). Este es el número de fallas que se pueden esperar en mil millones (10 9 ) de horas de funcionamiento de componentes (por ejemplo, 1000 componentes por 1 millón de horas, o 1 millón de componentes por 1000 horas, que es 1 ppm/1000 horas) en condiciones de trabajo fijas. condiciones durante el período de constantes fallas aleatorias. Este modelo de tasa de fracaso asume implícitamente la idea de "fallo aleatorio". Los componentes individuales fallan en momentos aleatorios pero a un ritmo predecible.
Se necesitarían miles de millones de unidades-hora de condensadores probados para establecer tasas de falla en el rango de niveles muy bajo que se requieren hoy en día para garantizar la producción de grandes cantidades de componentes sin fallas. Esto requiere alrededor de un millón de unidades durante un largo período de tiempo, lo que significa mucho personal y una financiación considerable. [80] Las tasas de fallas probadas a menudo se complementan con cifras resultantes de la retroalimentación sobre el terreno de los principales clientes (tasa de fallas de campo), lo que en su mayoría resulta en una tasa de fallas más baja que la probada.
El valor recíproco de FIT es el tiempo medio entre fallas (MTBF).
Las condiciones de funcionamiento estándar para las pruebas FIT son 40 °C y 0,5 U R. Para otras condiciones de voltaje aplicado, carga de corriente, temperatura, valor de capacitancia, resistencia del circuito (para capacitores de tantalio), influencias mecánicas y humedad, la cifra FIT se puede convertir con factores de aceleración estandarizados para aplicaciones industriales [ 81] o militares [82] . Cuanto mayor sea la temperatura y la tensión aplicada, mayor será la tasa de fallos, por ejemplo.
La fuente más citada para la conversión de tasas de fallas es MIL-HDBK-217F, la "biblia" de los cálculos de tasas de fallas para componentes electrónicos. SQC Online, la calculadora estadística en línea para muestreo de aceptación y control de calidad, proporciona una herramienta en línea para realizar exámenes breves con el fin de calcular valores de tasa de falla determinados para condiciones de aplicación determinadas. [83]
Algunos fabricantes pueden tener sus propias tablas de cálculo FIT para condensadores de tantalio. [84] [85] o para condensadores de aluminio [86]
Para los condensadores de tantalio, la tasa de falla a menudo se especifica a 85 °C y la tensión nominal U R como condiciones de referencia y se expresa como porcentaje de componentes fallidos por cada mil horas (n %/1000 h). Es decir, “n” número de componentes defectuosos cada 10 5 horas, o en FIT, el valor diez mil veces mayor cada 10 9 horas.
Los condensadores de tantalio son ahora componentes muy fiables. La mejora continua en las tecnologías de condensadores y polvo de tantalio ha dado como resultado una reducción significativa en la cantidad de impurezas que anteriormente causaban la mayoría de fallas de cristalización en campo. Los condensadores de tantalio producidos industrialmente disponibles comercialmente ahora han alcanzado como productos estándar el alto nivel "C" del estándar MIL, que es 0,01%/1000 h a 85 °C y UR o 1 falla cada 10 7 horas a 85 °C y UR . [87] Convertido a FIT con los factores de aceleración provenientes de MIL HDKB 217F a 40 °C y 0,5 , U R es la tasa de falla. Para un condensador de chip de tantalio de 100 µF/25 V utilizado con una resistencia en serie de 0,1 Ω, la tasa de fallo es 0,02 FIT.
Los condensadores electrolíticos de aluminio no utilizan una especificación en "% por 1000 h a 85 °C y U R ". Utilizan la especificación FIT con 40 °C y 0,5 U R como condiciones de referencia. Los condensadores electrolíticos de aluminio son componentes muy fiables. Las cifras publicadas muestran tasas FIT para tipos de bajo voltaje (6,3…160 V) en el rango de 1 a 20 FIT [88] y para tipos de alto voltaje (>160…550 V) tasas FIT en el rango de 20 a 200 FIT. [86] Las tasas de fallas en el campo para las tapas electrónicas de aluminio están en el rango de 0,5 a 20 FIT. [86] [88] [89]
Las cifras publicadas muestran que tanto los tipos de condensadores de tantalio como los de aluminio son componentes confiables, comparables con otros componentes electrónicos y que logran un funcionamiento seguro durante décadas en condiciones normales. Pero existe una gran diferencia en el caso de fallas por desgaste . Los condensadores electrolíticos con electrolito no sólido tienen un período limitado de fallas aleatorias constantes hasta el momento en que comienzan las fallas por desgaste. El período de tasa de falla aleatoria constante corresponde a la vida útil o vida útil de los capacitores electrolíticos de aluminio "húmedos".
La vida útil , vida útil, vida de carga o vida útil de los capacitores electrolíticos es una característica especial de los capacitores electrolíticos de aluminio no sólidos, cuyo electrolito líquido puede evaporarse con el tiempo. Bajar el nivel de electrolito afecta los parámetros eléctricos de los condensadores. La capacitancia disminuye y la impedancia y la ESR aumentan al disminuir la cantidad de electrolito. Este secado muy lento del electrolito depende de la temperatura, la carga de corriente de rizado aplicada y el voltaje aplicado. Cuanto más bajos sean estos parámetros en comparación con sus valores máximos, mayor será la “vida” del condensador. El punto de “fin de vida” se define por la aparición de fallas por desgaste o fallas por degradación cuando la capacitancia, la impedancia, la ESR o la corriente de fuga exceden sus límites de cambio especificados.
La vida útil es una especificación de un conjunto de condensadores probados y ofrece una expectativa del comportamiento de tipos similares. Esta definición de vida útil corresponde al tiempo de la tasa de falla aleatoria constante en la curva de la bañera.
Pero incluso después de superar los límites especificados y de que los condensadores hayan llegado a su “fin de vida”, el circuito electrónico no está en peligro inmediato; sólo se reduce la funcionalidad de los condensadores. Con los altos niveles de pureza actuales en la fabricación de condensadores electrolíticos, no es de esperar que se produzcan cortocircuitos después del final de su vida útil con una evaporación progresiva combinada con una degradación de los parámetros.
La vida útil de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos se especifica en términos de "horas por temperatura", como "2000 h/105 °C". Con esta especificación, la vida útil en condiciones operativas se puede estimar mediante fórmulas o gráficos especiales especificados en los datos. hojas de fabricantes serios. Usan diferentes formas de especificación, algunos dan fórmulas especiales, [90] [91] otros especifican el cálculo de la vida útil de sus e-caps con gráficos que consideran la influencia del voltaje aplicado. [88] [92] [93] [94] El principio básico para calcular el tiempo en condiciones operativas es la llamada “regla de los 10 grados” [95] [96] [97]
Esta regla también se conoce como regla de Arrhenius . Caracteriza el cambio de velocidad de reacción térmica. Por cada 10 °C menos de temperatura, la evaporación se reduce a la mitad. Esto significa que por cada 10 °C de reducción de temperatura, la vida útil de los condensadores se duplica. Si la especificación de vida útil de un condensador electrolítico es, por ejemplo, 2000 h/105 °C, la vida útil del condensador a 45 °C se puede "calcular" como 128 000 horas (es decir, aproximadamente 15 años) utilizando la regla de los 10 grados. .
Sin embargo, los condensadores electrolíticos de polímero sólido y los condensadores electrolíticos de aluminio, tantalio y niobio también tienen una especificación de vida útil. El electrolito polimérico presenta un pequeño deterioro de la conductividad causado por la degradación térmica del polímero conductor. La conductividad eléctrica disminuye en función del tiempo, de acuerdo con una estructura de tipo metálico granular, en la que el envejecimiento se debe a la contracción de los granos de polímero conductor. [98] La vida útil de los condensadores electrolíticos de polímero se especifica en términos similares a los de los condensadores electrolíticos no sólidos, pero su cálculo de vida útil sigue otras reglas, lo que lleva a vidas operativas mucho más largas. [99] [100] [101]
Los condensadores electrolíticos de tantalio con electrolito sólido de dióxido de manganeso no presentan fallos por desgaste, por lo que no tienen una especificación de vida útil en el sentido de los condensadores electrolíticos de aluminio no sólidos. Además, los condensadores de tantalio con electrolito no sólido, los "tántalos húmedos", no tienen una especificación de vida útil porque están sellados herméticamente.
Los diferentes tipos de condensadores electrolíticos exhiben diferentes comportamientos eléctricos a largo plazo, modos de falla intrínsecos y mecanismos de autorreparación. Se especifican reglas de aplicación para tipos con un modo de falla intrínseco para garantizar capacitores con alta confiabilidad y larga vida útil.
Todos los condensadores electrolíticos se "envejecen" durante la fabricación aplicando la tensión nominal a alta temperatura durante un tiempo suficiente para reparar todas las grietas y debilidades que puedan haber ocurrido durante la producción. Sin embargo, puede ocurrir un problema particular con los modelos de aluminio no sólido después del almacenamiento o períodos sin energía. Los procesos químicos (corrosión) pueden debilitar la capa de óxido, lo que puede provocar una mayor corriente de fuga. La mayoría de los sistemas electrolíticos modernos son químicamente inertes y no presentan problemas de corrosión, incluso después de tiempos de almacenamiento de dos años o más. Los condensadores electrolíticos no sólidos que utilizan disolventes orgánicos como GBL como electrolito no tienen problemas de alta corriente de fuga después de un almacenamiento prolongado. [73] Se pueden almacenar hasta 10 años sin problemas [61]
Los tiempos de almacenamiento se pueden probar mediante pruebas de vida útil aceleradas, que requieren almacenamiento sin voltaje aplicado a la temperatura de categoría superior durante un período determinado, generalmente 1000 horas. Esta prueba de vida útil es un buen indicador de la estabilidad química y de la capa de óxido, porque todas las reacciones químicas se aceleran con temperaturas más altas. Casi todas las series comerciales de condensadores electrolíticos no sólidos superan la prueba de vida útil de 1000 horas. Sin embargo, muchas series se especifican sólo para dos años de almacenamiento. Esto también garantiza la soldabilidad de los terminales.
Para equipos de radio antiguos o condensadores electrolíticos construidos en la década de 1970 o antes, el "preacondicionamiento" puede ser apropiado. Esto se realiza aplicando el voltaje nominal al capacitor a través de una resistencia en serie de aproximadamente 1 kΩ durante una hora, lo que permite que la capa de óxido se repare a sí misma mediante la autocuración. Los condensadores que no cumplen con los requisitos de corriente de fuga después del preacondicionamiento pueden haber experimentado daños mecánicos. [94]
Los condensadores electrolíticos con electrolitos sólidos no tienen requisitos de preacondicionamiento.
Símbolos de condensadores electrolíticos
Si un capacitor individual dentro de un banco de capacitores en paralelo desarrolla un cortocircuito, toda la energía del banco de capacitores se descarga a través de ese cortocircuito. Por lo tanto, los condensadores grandes, particularmente los de alto voltaje, deben protegerse individualmente contra descargas repentinas.
En aplicaciones donde se necesitan altos voltajes de resistencia, los capacitores electrolíticos se pueden conectar en serie. Debido a la variación individual en la resistencia del aislamiento y, por lo tanto, a la corriente de fuga cuando se aplica voltaje, el voltaje no se distribuye uniformemente entre cada capacitor en serie. Esto puede provocar que se supere la tensión nominal de un condensador individual. Se debe proporcionar un circuito equilibrador pasivo o activo para ecualizar el voltaje en cada capacitor individual. [61] [94]
Marcado de polaridad para condensadores electrolíticos de polímero.
Los condensadores electrolíticos, como la mayoría de los demás componentes electrónicos, están marcados, si el espacio lo permite, con
Los condensadores más pequeños utilizan una notación abreviada. El formato más comúnmente utilizado es: XYZ J/K/M “V”, donde XYZ representa la capacitancia (calculada como XY × 10 Z pF), las letras K o M indican la tolerancia (±10% y ±20% respectivamente) y “V” representa el voltaje de trabajo.
Ejemplos:
La 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, 4 µ7 = 4,7 µF, 47 µ = 47 µF
La fecha de fabricación suele imprimirse según las normas internacionales.
Para condensadores muy pequeños no es posible marcarlos. En este caso, sólo la trazabilidad de los fabricantes puede garantizar la identificación de un tipo.
La estandarización de todos los componentes eléctricos , electrónicos y tecnologías relacionadas sigue las reglas dadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), [106] una organización de estándares internacionales no gubernamental y sin fines de lucro . [107] [108]
La definición de las características y el procedimiento de los métodos de prueba para condensadores para uso en equipos electrónicos se establecen en la especificación genérica :
Las pruebas y requisitos que deben cumplir los condensadores electrolíticos de aluminio y tantalio para su uso en equipos electrónicos para su aprobación como tipos estandarizados se establecen en las siguientes especificaciones seccionales :
El mercado de condensadores electrolíticos en 2008 representó aproximadamente el 30% del valor total del mercado.
En número de piezas, estos condensadores cubren aproximadamente el 10% del mercado total de condensadores, o alrededor de 100 a 120 mil millones de piezas. [109]
Fecha de la mesa: marzo de 2015
![Los condensadores electrolíticos con electrolito sólido tienen una marca de polaridad en el lado del ánodo (más), excepto los condensadores de polímero SMD con terminales cilíndricos (de un solo extremo)[105]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Polarity-rectangular-chips.jpg/1280px-Polarity-rectangular-chips.jpg)